傳熱學(xué)課程研究性教學(xué)的探索與實踐

劉彥豐?高正陽?李斌?梁秀俊

摘要：分析了傳熱學(xué)課程在傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，在研究性教學(xué)理念的指導(dǎo)下，以華北電力大學(xué)能源與動力工程專業(yè)的傳熱學(xué)課程教學(xué)為實踐對象，明確了本課程在學(xué)生能力培養(yǎng)方面的目標(biāo)，以實際工程問題和項目為線索對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新整合，教學(xué)實踐表明該教學(xué)模式可以有效的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，促進(jìn)學(xué)生對本課程核心知識的掌握，提高學(xué)生的相關(guān)專業(yè)技能和綜合能力，達(dá)到了提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；研究性教學(xué)；教學(xué)方法；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0120-02

傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科。由于傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，它已成為許多工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程。在華北電力大學(xué)（以下簡稱“我?！保瑐鳠釋W(xué)作為能源與動力工程（原熱能與動力工程）及建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，其學(xué)時數(shù)為72學(xué)時，它不僅要為今后學(xué)習(xí)有關(guān)的后續(xù)課程打下理論基礎(chǔ)，而且課程本身涉及的一些基本概念、原理和基本分析方法對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力也十分重要。

像目前許多的大學(xué)課程一樣，傳統(tǒng)的傳熱學(xué)教學(xué)中存在著如下的問題：（1）教學(xué)目標(biāo)過于重知識的傳授，而忽視學(xué)生能力的培養(yǎng)。一般制定的教學(xué)大綱都是對課程知識點的要求，而沒有明確課程在學(xué)生能力培養(yǎng)方面的要求。因此，教師在選擇教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上，也就主要圍繞課程知識的傳授而進(jìn)行，特別是在教學(xué)學(xué)時限制的情況下，問題尤為突出；（2）教學(xué)內(nèi)容多以學(xué)科體系為線索，內(nèi)容過于理論化，很難與工程實際緊密結(jié)合；（3）教學(xué)方法多以教師為中心的講授式，忽視學(xué)生在教學(xué)中的主體作用。課堂教學(xué)中基本上是教師的獨自教授，學(xué)生在教學(xué)中基本處于被動和從屬的位置。這種由教師主導(dǎo)的單向傳播的方式使學(xué)生只能被動地學(xué)習(xí)知識，而難以發(fā)揮其學(xué)習(xí)的主動性，成了知識的“容器”。這種簡單機械的學(xué)習(xí)無法培養(yǎng)學(xué)生的求知欲，反而消磨了他們原本的好奇心和求知欲。[1]

自2012年開始，我校傳熱學(xué)教學(xué)組的4位教師在傳熱學(xué)課程的教學(xué)上采用了研究性教學(xué)模式，學(xué)生主要是熱能與動力工程專業(yè)的學(xué)生，含我校“卓越工程師教育培養(yǎng)”試點班的學(xué)生，每個教學(xué)班級的學(xué)生人數(shù)在30-50人之間，課程安排在學(xué)生的第五學(xué)期。現(xiàn)以2013-2014第一學(xué)期的傳熱學(xué)為例，介紹本課程的實踐情況。

一、“傳熱學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)

按照研究性教學(xué)的理念，課程的教學(xué)目標(biāo)是：課程教學(xué)不單是使學(xué)生更好的掌握系統(tǒng)的學(xué)科知識，而更重要的是使學(xué)生綜合運用知識去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，得到思維訓(xùn)練，學(xué)會知識的遷移或應(yīng)用，真正學(xué)會學(xué)習(xí)，同時在以小組合作的研究中，學(xué)會與他人溝通交流的技能，形成健全的人格和豐富的思想[3]。它體現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)從單一的知識傳授到知識和能力并重的轉(zhuǎn)變。

為此，本課程按照研究性教學(xué)的理念重新制定了本課程的教學(xué)目標(biāo)。使學(xué)生：（1）系統(tǒng)了解傳熱學(xué)的基本概念、基本定律和知識框架；（2）能夠正確判斷一些實際問題中所存在的熱量傳遞模式；（3）能夠利用能量守恒的方法確定傳熱問題中各種熱量傳遞之間的關(guān)系；（4）能夠選擇合適的計算方法或公式，對工程中典型的傳熱問題進(jìn)行計算，并定性分析判斷計算結(jié)果的合理性；（5）對一般的導(dǎo)熱問題，能夠建立其數(shù)學(xué)模型，并了解分析求解和數(shù)值求解的基本思路；（6）初步掌握有關(guān)傳熱的工程設(shè)計方法；（7）在計算機技能、合作能力、交流表達(dá)、學(xué)習(xí)能力等方面有所鍛煉。

二、課程內(nèi)容的整合

研究性教學(xué)的形式是多種多樣的，教學(xué)內(nèi)容的“問題性”是其研究性教學(xué)最突出特點。教學(xué)的過程是以圍繞問題展開的教學(xué)過程，注重從問題開始而不是從結(jié)論開始，以探索學(xué)科知識的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律為路徑，以剖析工程原理的形成過程為載體，以分析、研究和解決工程實際和工程學(xué)科問題的過程為平臺，以師生互動和同學(xué)合作為形式，將學(xué)習(xí)知識與研究問題相結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科知識、工程原理和思考、分析、探究問題的過程中獲取、應(yīng)用和更新知識，在解決問題的過程中培養(yǎng)和訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力，在合作學(xué)習(xí)和團(tuán)隊交流過程中形成和提高綜合素質(zhì)。

按照研究性教學(xué)的要求，對原有的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為如下兩部分。

1.基礎(chǔ)傳熱學(xué)

將傳熱學(xué)中最基本的概念、理論和方法等提煉出來，形成傳熱學(xué)的主干知識，稱之為基礎(chǔ)傳熱學(xué)。主要內(nèi)容包括：熱量傳遞的機理和模式、能量守恒定律在分析傳熱現(xiàn)象中的應(yīng)用、導(dǎo)熱問題分類和導(dǎo)熱基本定律、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的集總參數(shù)模型、對流傳熱的分類、邊界層概念及其對流傳熱的研究方法、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式、輻射的基本概念、兩表面間的輻射傳熱計算、綜合傳熱問題的分析等。[2]

2.主要的研究課題或項目

以工程實際問題為線索，整合部分教學(xué)內(nèi)容，作為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的課題或項目。目前主要有如下幾個問題：（1）平板式太陽能集熱器的傳熱分析和計算；（2）套管式和管殼式換熱器的熱設(shè)計；（3）等截面直肋散熱特性的研究，包括對其一維和二維模型的分析解和數(shù)值解；（4）高溫金屬件冷卻過程溫度場的研究，研究對象有大平板、長圓柱、球等典型一維幾何形狀的物體，研究方法包括集總參數(shù)模型、一維模型的分析解和數(shù)值解；（5）冬季房間熱負(fù)荷計算的研究；（6）不可壓流體外掠平板對流傳熱的研究，包括分析解、實驗解。

三、具體的教學(xué)實踐

1.教學(xué)安排

首先用20-24學(xué)時的時間進(jìn)行基礎(chǔ)傳熱學(xué)的教學(xué)，這一部分內(nèi)容仍以教師教授式為主，這樣可以讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)對傳熱學(xué)的最基本的概念、理論和方法形成認(rèn)知，這些內(nèi)容也為學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)提供了必要的理論基礎(chǔ)。

接下來32-36學(xué)時的時間，主要是以研究課題或項目為主線開展教學(xué)，教師給出每個課題的研究內(nèi)容和時間計劃，并對必要的方法給予講解，學(xué)生以2-3人小組的形式自主開展學(xué)習(xí)研究。教師及時了解學(xué)生的進(jìn)展和困難，適時進(jìn)行反饋和指導(dǎo)，學(xué)生最終提交研究論文或項目報告，教師選擇性地進(jìn)行交流展示。表1給出了其中4個課題的具體教學(xué)安排。

2.課程的考核模式

由于課程的教學(xué)與以往發(fā)生了巨大的改變，因此課程的考核方式也必須進(jìn)行調(diào)整，以起到激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，確保教學(xué)改革的成功。學(xué)生的成績由期中考試、課題或項目的研究評價和期末考試三部分組成。在第一階段學(xué)習(xí)完成后進(jìn)行期中考試，其成績占總成績20%；課題或項目的研究評價包括學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度、課題的整體質(zhì)量、個人在小組中的貢獻(xiàn)等，這一部分占總成績的20%；期末考試采用開卷的形式，其成績占總成績的60%。

四、取得的成效

經(jīng)過2年多的教學(xué)改革實踐，基本達(dá)到了預(yù)期效果，取得的成效主要體現(xiàn)在：

1.極大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在原來的教學(xué)中，總會有部分學(xué)生逃課，即使學(xué)生到課堂也不一定認(rèn)真聽講，現(xiàn)在每個教師課堂的到課率都能達(dá)到96%以上，同學(xué)對課程的大作業(yè)（課題或項目）也表現(xiàn)了很大的熱情。下面是部分同學(xué)的體會：“尤其是大作業(yè)，讓我感覺很新鮮，很愿意去完成它。能夠?qū)崒嵲谠诘厝デ蠼庖粋€實際問題讓我感覺很有成就感，這就叫學(xué)以致用吧?！薄案杏X是一種新的學(xué)習(xí)模式，從自己做的過程中思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，我覺得，這個過程是一種更大的收獲。這種教學(xué)很容易引起我們學(xué)習(xí)的興趣。”“我想之所以完成這種研究性學(xué)習(xí)的作業(yè)的感覺這么好，大概是因為我們從中感受到，用所學(xué)知識解決身邊問題的驚喜，以及克服困難后的這種成就感。”

2.學(xué)生真正學(xué)到了知識、鍛煉了能力

多數(shù)同學(xué)認(rèn)為通過本課程的學(xué)習(xí)，真正學(xué)懂了該課程的核心知識體系，并從中鍛煉了自己的多方面能力。下面也是部分同學(xué)的體會：“讓我們能把遇到的實際問題進(jìn)行科學(xué)分析然后簡化求解，真正做到了學(xué)以致用，而不是單純的只會解書上的習(xí)題而已?！薄敖?jīng)過幾次大作業(yè)的完成，自己收獲頗豐，這是一直以來我在學(xué)習(xí)生活中少有的感覺……不但對傳熱學(xué)知識加深了理解，也真正提高了自己的學(xué)術(shù)寫作和計算機編程能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]孟凡.本科研究性教學(xué)的基本特征探析[J].煤炭高等教育，

2009，27（6）：31-33.

[2]林建.面向卓越工程師培養(yǎng)的研究性學(xué)習(xí)[J].高等教育研究，

2011，（6）：5-15.

（責(zé)任編輯：劉麗娜）