新工科背景下飛行器動力工程專業(yè)傳熱學課程中案例式教學的實施

摘 要 隨著我國“新工科”建設的深入開展，工科課程對教學新理念、新方法的探索與實踐迫在眉睫。文章以飛行器動力工程專業(yè)傳熱學課程為例，針對目前課程教學中所存在的問題進行了整理與分析。通過在課程教學中有效實施案例教學環(huán)節(jié)，將工程實踐及科研問題中的傳熱學問題與教學內容相融合，可以豐富課程教學模式，增強教學的專業(yè)性和實用性，同時激發(fā)學生對傳熱學的學習興趣，提高課堂的教學效果和質量，最終達到培養(yǎng)學生在工程傳熱問題上專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維的目的，對推進新工科人才培養(yǎng)具有重要意義。

關鍵詞 案例式教學；傳熱學；新工科；教學效果

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.02.007

Implementation of Case-based Teaching in the Heat Transfer Course of Aircraft Power Engineering Major under the Background of Emerging Engineering Education

——Taking the Sino-European Institute of Aviation Engineering at Civil Aviation University of China as an example

WANG Ying， WANG Xiaodong， DENG Tian

（Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract With the in-depth development of \"Emerging Engineering Education\" in China， it is urgent to explore and practice new teaching concepts and methods for engineering courses. Taking the Heat Transfer course of the Aircraft Power Engineering major as an example， this paper"sorts out and analyzes the existing problems in the current course teaching. By effectively implementing the case teaching link in the course teaching， integrating heat transfer problems in engineering practice"and scientific research with teaching content， it can enrich the course teaching model， enhance the professionalism and practicality of teaching， stimulate students' interest in learning heat transfer， improve"the teaching effectiveness and quality of the classroom. Ultimately，"it aims to cultivate students' professional qualities and innovative thinking in engineering heat transfer problems， which is of great significance for promoting the cultivation of emerging engineering talents.

Keywords case-based teaching; heat transfer; emerging engineering education; teaching effectiveness

1" 傳熱學課程簡介

1.1" 課程描述

傳熱學是飛行器動力工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎課，主要從工程應用的角度討論熱量傳遞的基本規(guī)律，廣泛應用于能源動力、航空航天、建筑工程、化工等領域[1]。傳熱學課程在飛行器動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中起到承上啟下的作用，一方面需要學生熟練掌握高等數(shù)學、物理學、流體力學、工程熱力學等前修課程的相關知識，另一方面為后續(xù)專業(yè)課程，如燃燒學、航空發(fā)動機原理、航空發(fā)動機設計與維修等，提供專業(yè)支撐。理解傳熱學的基本理論、原理，掌握分析和解決工程傳熱問題的基本方法并具備相應的計算能力，對飛行器動力工程專業(yè)的學生尤為重要。

隨著新工科教育理念的興起，工科專業(yè)課程的教學面臨著新的任務和挑戰(zhàn)。相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。因此，傳熱學課程的教學過程必須緊跟時代步伐，更加貼近工程實際，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，開展實踐性教學和課程設計，加強與工業(yè)界合作，以提高學生的實際應用能力[2]。同時，需要探索飛行器動力工程專業(yè)教學新理念、新方法，從而促進本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的轉型與優(yōu)化。

1.2" 傳熱學課程教學現(xiàn)狀

中國民航大學中歐航空工程師學院（以下簡稱“中歐學院”）是經教育部批準，與法國航空航天大學校集團合作成立的辦學機構，旨在系統(tǒng)引進法國精英工程師教育理念和培養(yǎng)模式，培養(yǎng)兼具寬厚數(shù)理基礎、完備工程能力和綜合創(chuàng)新能力，能勝任研發(fā)、設計、制造、適航、運行等航空全產業(yè)鏈任務的國際化復合型人才[3]。本文所討論的傳熱學課程是隸屬于中歐學院的一門專業(yè)基礎課，面向本科生第七學期開設。課程充分借鑒了法國精英工程師教育體系，吸取了法國國立高等機械與航空技術大學（ISAE-ENSMA）同類課程的教學精華和授課經驗，注重理論與應用相結合，以培養(yǎng)學生的理論分析能力、工程實踐思維以及使用基礎理論解決傳熱系統(tǒng)問題的能力為目標。課程共計46學時（理論44學時和實驗2學時），采用法語版自編講義及習題冊，結合中法雙語進行授課。在多輪傳熱學教學工作的開展過程中，盡管已經針對課程內容進行了優(yōu)化，并得到良好的反饋，但也存在以下問題。

①課程內容繁多，理論性強，涉及大量的公式推導和物理概念，特別是一些概念抽象難懂，而且不同的傳熱方式又用到各種研究方法、經驗式，計算難度大，對學生造成較大的困擾。此外，傳熱學課程與其他課程聯(lián)系緊密，例如，對流傳熱的講解需要用到流體力學知識，多維導熱問題的數(shù)值解法對高等數(shù)學知識有一定要求等。②學生對課程內容的理解僅停留在碎片化的知識點和概念，雖然能夠利用簡單的公式套用固定類型的計算，但缺乏對其物理意義的理解，以及運用知識分析解決實際問題的能力。特別對于飛行器動力工程專業(yè)的學生來講，發(fā)動機內耦合了燃燒、流動、傳熱等多種物理問題，學生必須弄清楚這些物理現(xiàn)象背后的科學原理，具備將傳熱學理論知識與工程實踐問題結合應用的能力。

2" 案例教學在傳熱學課程中的實施

華東理工大學的苗雨等在課程教學中增設了工程和科研案例環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學生對理論知識的綜合應用和創(chuàng)新能力[4]；合肥工業(yè)大學的劉佩貴等進行了案例教學與翻轉課堂的教學改革探索，有效提升了學生的學習興趣[5]；昆明理工大學的孔令鑫等通過實施案例式教學，鍛煉了學生的創(chuàng)新和實踐能力[6]?；谝陨辖涷?，教學團隊已經初步展開案例式教學在傳熱學課程中的實際應用，本文將從三個方面分別介紹其具體實施辦法。

2.1" 案例教學要立足實際、與時俱進

在以往的教學過程中，主要是引入一些日常生活和工業(yè)生產過程中的常見現(xiàn)象來展開教學內容。雖然這些實例很好地體現(xiàn)了課程的知識點，但比較枯燥乏味，很難激發(fā)學生的學習動力和興趣。為切實提升教學效果，教學團隊面向飛行器動力工程專業(yè)學生對當前航空航天領域傳熱問題認知和分析思維的鍛煉需求，將具有行業(yè)特色的傳熱問題引入課堂，形成新的教學案例庫，進一步培養(yǎng)學生在工程傳熱問題上的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維。以我國空間站問天實驗艙太陽電池翼中的傳熱問題為例：

2022年7月24日，問天實驗艙成功發(fā)射，為了讓航天員在太空工作、生活實現(xiàn)用電自由，問天實驗艙配置了中國最大面積的柔性太陽電池翼。受太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽翼的發(fā)電效率會因時段、姿態(tài)不同而產生相應變化。為了24小時不間斷追蹤太陽，保持最高發(fā)電效率為空間站保障用電，問天實驗艙首次采用太陽翼雙自由度同時轉動，確保陽光垂直照射在太陽翼上。將上述問題進行合理簡化，嵌入課程的案例教學中，引導學生把握問題關鍵，思考影響表面之間輻射傳熱的主要因素。這部分可以通過掃描二維碼上傳答案的方式進行，吸引學生注意力。之后借助自制教具進行深入講解，利用電烤燈和熱能風扇的演示實驗形象地解釋表面相對位置對輻射傳熱的作用，并引入角系數(shù)這個專業(yè)術語來定量表述空間相對位置的影響。在學生能夠理解角系數(shù)的概念和性質后，對案例進行簡化，例如考慮圓柱體內三個表面之間的輻射傳熱，計算所有的角系數(shù)，將原來較為復雜的工程案例精練為適合本科生親自演練的作業(yè)。最后，向學生介紹太陽翼的設計時，引導學生了解工程師不僅要研究成千上萬個輻射表面，還要考慮太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的動態(tài)變化，將學生看待問題的方式從以往平面式的公式思維縱向拉伸到基于一定經驗的工程思維，從而鼓勵學生采用合理簡化、數(shù)值仿真等方式對實際工程問題進行分析。

2.2" 以具體案例為牽引突破課程重難點

公式和概念繁多且內容抽象難懂是傳熱學課程的一個主要問題，讓學生弄清楚這些數(shù)學推導背后的物理意義以及物理概念的本質一直是教學的重點與難點。僅在輻射傳熱部分，就涉及輻射強度、輻照密度、黑體、發(fā)射率與吸收率等概念。而在肋片導熱問題上，需要理解四類不同邊界條件下肋片傳熱基礎方程的推導和求解。此外，傳熱學還涉及傅里葉定律、導熱微分方程、牛頓冷卻公式、普朗克定律、斯蒂芬―玻爾茲曼定律等眾多知識點。要想完全靠死記硬背來記住這些內容幾乎是不可能的，而將這些概念和公式熟練應用則更加困難。

由于教材上教學內容所對應的案例過于空泛，很難讓學生有代入感地去理解這些知識點，更別提建立起理論與實踐之間的聯(lián)系。針對這一問題，教學團隊從工程應用中尋找合適的案例來引出教學內容，讓學生自主解決傳熱學具體案例，訓練學生的實際應用能力。比如，讓學生觀察紅外熱像儀測量粘貼絕緣膠帶的不銹鋼保溫壺溫度的工作過程，當保溫壺裝滿接近沸騰的熱水時，測量結果顯示膠帶溫度更接近實際水溫，而壺身溫度會低于實際水溫。由此引出物體輻射發(fā)射能力取決于材料種類，進而給出輻射發(fā)射率的定義和不同材料表面的發(fā)射率大?。?不銹鋼0.10， 絕緣膠帶0.10）。最后通過介紹紅外熱像儀的正確使用方法和校準技巧，幫助學生理解熱輻射測溫原理等基礎知識，并讓學生提前了解紅外熱像儀在科研工作中的重要性。再比如向學生展示芯片的構造，介紹芯片散熱效果決定了芯片的穩(wěn)定性和可靠性，這里就引出了傳熱學中熱阻的概念。材料的熱導率越高，熱阻越小，散熱效果越好。同時，芯片結構設計也會影響散熱效果，散熱面積越大，散熱效率越高。最后根據熱阻的定義（導熱熱阻）和（對流熱阻），引導學生理解材料熱物理性質（，）與結構設計（，）對散熱效果的影響。

2.3" 科研案例與課堂教學內容相融合

不少教學嘗試已經表明，科研向教學的轉化有利于開闊學生視野，培養(yǎng)科研興趣，是一種非常值得提倡的做法[7-8]。因此，教學團隊結合曾參與或正在進行的科研項目中遇到的傳熱學問題，以問題引導的方式嘗試將科研案例與教學內容進行融合，借此激發(fā)學生的求知欲，調動學生的主觀能動性。以某型真空泵溫度異常故障為例，目前需要借助數(shù)值模擬手段調整真空泵結構設計以達到優(yōu)化散熱效果的目的。已知該型真空泵由泵體、電機、電控、鈑金箱等組成，使用過程中熱量自泵體內部流道的工質產生，通過熱傳導方式從泵體內表面?zhèn)鬟f至外表面，隨后在泵表面冷卻板處以熱輻射和熱對流耦合形式與外圍鈑金箱之間的流體發(fā)生熱交換。

首先，這個案例可以讓學生意識到熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳遞熱量的基本方式在實際應用中往往耦合在一起，通常不會單獨出現(xiàn)。其次，在課堂教學中，通過案例引入帶領學生了解工程問題的簡要建模以及應用ANSYS-CFD分析傳熱問題、計算云圖的流程。在課后，讓學生查閱文獻了解工業(yè)過程中鈑金箱開孔和冷卻板肋片設計中的各項影響因素（如開孔排列方式、開孔形狀、肋片間距、肋片面積等），探究傳熱因子（）關于不同參數(shù)的變化規(guī)律，并進一步思考真空泵的散熱優(yōu)化設計方案有哪些，放到課堂上進行分組互動討論。在這個教學過程中，不僅更新了教學手段、教學內容和教學方法，還通過結合科研案例適時引入了仿真工具培養(yǎng)學生利用現(xiàn)代化信息技術工具的能力，有助于提升學生在工程問題上熱分析和熱設計的綜合能力，并為后續(xù)課程及畢業(yè)設計打下良好基礎。

3" 結語

本文以飛行器動力工程專業(yè)傳熱學課程為例，探討了新工科教育背景下課程面臨的新挑戰(zhàn)。針對傳熱學傳統(tǒng)教學中的諸多問題，提出了“案例式教學”的設計方案，進一步探索了具有行業(yè)特色的工程案例以及前沿科研案例在傳熱學課程中的具體實施方法。當前“案例式教學”在傳熱學課程教學中已經初步展開實際應用，這種授課方法有助于學生更好地理解相關知識并應用到實際問題中，從而提升分析解決問題的能力，達到培養(yǎng)學生在工程傳熱問題上專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維的目的。

參考文獻

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