建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)改革探索

劉春元?趙芳

摘要：面對(duì)“卓越工程師”培養(yǎng)的要求，結(jié)合建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)特點(diǎn)，針對(duì)傳熱學(xué)教學(xué)改革提出了幾點(diǎn)意見。從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、引入工程案例的教學(xué)方法、講解與討論相結(jié)合的教學(xué)方式、CFD教學(xué)方法的應(yīng)用、增加實(shí)踐教學(xué)課程、考核方式改革等幾個(gè)方面，使學(xué)生學(xué)習(xí)從被動(dòng)到主動(dòng)，并培養(yǎng)學(xué)生在較少課時(shí)內(nèi)用傳熱規(guī)律分析工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師；傳熱學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0149-02

國(guó)家教育部于2009年決定實(shí)施的“卓越工程師教育計(jì)劃”，是為順應(yīng)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，適應(yīng)國(guó)家工業(yè)、企業(yè)需求，增強(qiáng)我國(guó)核心競(jìng)爭(zhēng)力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，走新型工業(yè)化道路，培養(yǎng)各類型工程師的重要決策。該計(jì)劃要解決的重點(diǎn)問題是：企業(yè)一方面抱怨工科大學(xué)畢業(yè)生工程實(shí)踐能力弱化、不適應(yīng)企業(yè)要求等問題；另一方面又不愿意接受大學(xué)生實(shí)習(xí)，不愿意參與工程師培養(yǎng)。該計(jì)劃旨在高校中培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)。

傳熱學(xué)課程著重研究熱量傳遞的規(guī)律和方法。[1]建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)是土木工程專業(yè)下屬學(xué)科專業(yè)，主要包含供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)與空調(diào)工程、建筑給排水工程、建筑電氣工程等幾個(gè)方向，涉及的主要專業(yè)課程有暖通空調(diào)、制冷技術(shù)、流體輸配管網(wǎng)系統(tǒng)、鍋爐設(shè)備、熱質(zhì)交換等。從這些課程所講授的內(nèi)容看，傳熱學(xué)知識(shí)有著相當(dāng)重要的地位，因此傳熱學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)畢業(yè)生知識(shí)結(jié)構(gòu)中的一門非常重要的基礎(chǔ)課。隨著我國(guó)高等教育教學(xué)改革的不斷深化，在“重基礎(chǔ)、寬口徑” 的指導(dǎo)方針下，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)傳熱學(xué)的課時(shí)減少到原來的一半。如何在較少課時(shí)內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生用傳熱學(xué)的規(guī)律分析工程問題的能力，面對(duì)“卓越工程師”培養(yǎng)的傳熱學(xué)教學(xué)方法改革勢(shì)在必行。[2]

下面結(jié)合筆者對(duì)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行傳熱學(xué)課堂教學(xué)的工作實(shí)踐，談?wù)勛吭焦こ處煴尘跋峦七M(jìn)“熱傳學(xué)”課程改革的幾點(diǎn)體會(huì)。

一、傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

1.教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)

楊世銘等主編的《傳熱學(xué)》為比較經(jīng)典的教材，該教材總體上體現(xiàn)了傳熱學(xué)這門應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)。教材主要包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三方面的內(nèi)容。其中熱傳導(dǎo)部分相對(duì)簡(jiǎn)單，通過簡(jiǎn)化實(shí)際物理模型，運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)能夠得到一般問題的分析解。而對(duì)流換熱過程則相對(duì)復(fù)雜，該部分在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出大量的圖表和經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用時(shí)需區(qū)別不同情況帶入不同的計(jì)算公式。對(duì)于此部分的學(xué)習(xí)學(xué)生感覺公式繁多、復(fù)雜，需強(qiáng)化記憶，且應(yīng)用時(shí)經(jīng)常選擇錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)公式。輻射傳熱部分由于理論的抽象性以及輻射換熱方程次數(shù)較高的問題，學(xué)生不僅對(duì)概念的掌握困難，輻射換熱問題的求解亦有比較大的難度?？偟膩碚f，到目前為止傳熱學(xué)學(xué)科的發(fā)展中對(duì)于三種傳熱方式分析方法差別較大，連貫性不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解有些被動(dòng)。且由于學(xué)時(shí)的減少，課上主要介紹三種傳熱方式的基本概念及方法，對(duì)綜合性問題的分析、訓(xùn)練環(huán)節(jié)必然相應(yīng)減少，導(dǎo)致學(xué)生分析和解決綜合實(shí)際問題的能力缺乏。

2.教學(xué)方法和手段單一

傳熱學(xué)的教學(xué)中，目前多采用多媒體授課。多媒體授課方式相對(duì)于以前的板書授課方式雖然大大增強(qiáng)了學(xué)生的直觀感受，通過圖、文、聲、像多角度調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒、注意力和興趣，但也存在許多新的問題。例如：對(duì)于重點(diǎn)公式的推導(dǎo)不夠細(xì)致，通常忽略或者先于學(xué)生的反應(yīng)便給出答案，學(xué)生無法真正領(lǐng)會(huì)推導(dǎo)過程；課上信息量大，只注重講課進(jìn)度，忽視學(xué)生接受程度，到頭來學(xué)生收效甚微；與學(xué)生的互動(dòng)缺乏，因?yàn)閮?nèi)容多，上課過程多是教師一人在上邊喋喋不休，學(xué)生卻在下面精神恍惚，特別是難度較大的章節(jié)，學(xué)生因?yàn)槔斫獠涣烁纱喾艞壜犞v，教師在講臺(tái)上唱獨(dú)角戲，課堂氣氛沉悶。

根據(jù)傳熱學(xué)課程現(xiàn)狀及存在的問題，以下內(nèi)容分別為筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等幾方面進(jìn)行的一些思考及嘗試。

二、面對(duì)“卓越工程師”培養(yǎng)的改革

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

正如教材中所述，最近幾年，世界范圍內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于傳熱學(xué)課程的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響，也提出了新的挑戰(zhàn)。盡管傳熱學(xué)的基本規(guī)律并無變化，但是研究手段的發(fā)展和工程應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大進(jìn)一步豐富了傳熱學(xué)的內(nèi)涵。為了適應(yīng)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，體現(xiàn)本學(xué)科的進(jìn)展，要使學(xué)生學(xué)到最新的知識(shí)，必須不斷更新教學(xué)內(nèi)容，把最新的知識(shí)引入到教學(xué)中。因此在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，考慮面對(duì)卓越工程師培養(yǎng)的目標(biāo)，筆者適當(dāng)刪減了一些比較繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容，如一維無限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解的推導(dǎo)過程課堂上不再推導(dǎo)，直接給出最后解的表達(dá)形式，要求同學(xué)了解其物理意義即可；對(duì)于傳統(tǒng)傳熱學(xué)中相對(duì)陳舊的內(nèi)容也可根據(jù)情況做一些刪減，例如管內(nèi)湍流傳熱的齊德-泰特公式、米海耶夫公式、流體橫掠管束的格里森公式等；此外，根據(jù)情況可以增加一些有關(guān)傳熱學(xué)新技術(shù)的內(nèi)容，如微尺度傳熱內(nèi)容、強(qiáng)化單相對(duì)流換熱的縱向渦方法等，通過這些前言知識(shí)的滲透使學(xué)生了解目前傳熱學(xué)應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)，增加學(xué)習(xí)興趣。

2.引入工程案例的教學(xué)方法

面對(duì)“卓越工程師”培養(yǎng)需加強(qiáng)基于工程應(yīng)用的教學(xué)方法。傳熱學(xué)學(xué)習(xí)的最終目的是解決與傳熱有關(guān)的工程實(shí)際問題。教材中分析的主要問題都能夠在工程實(shí)際中找到原型。對(duì)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)來說，空調(diào)系統(tǒng)中最主要的部件是兩個(gè)換熱器：蒸發(fā)器和冷凝器。其中分別發(fā)生的是制冷工質(zhì)的沸騰吸熱以及凝結(jié)放熱過程，這兩部分換熱的理論基礎(chǔ)分別來自于傳熱學(xué)課本中沸騰和凝結(jié)換熱一章。為了增強(qiáng)換熱器的傳熱面積，肋片的應(yīng)用則增加了同學(xué)們對(duì)換熱器表面不同結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識(shí)。空調(diào)中冷量的載體—制冷劑在管路中的輸送過程需要保溫，經(jīng)濟(jì)保溫層厚度的確定也離不開利用傳熱學(xué)知識(shí)的計(jì)算。此外，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)的冷、熱負(fù)荷時(shí)，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)則多可簡(jiǎn)化為無限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，與課本中重點(diǎn)分析無限大平壁的導(dǎo)熱問題相對(duì)應(yīng)，等等。因此，在教學(xué)工作中引入與本專業(yè)密切相關(guān)的典型案例，首先會(huì)激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，讓同學(xué)帶著問題去理解、去學(xué)習(xí)。此外，融入大量實(shí)際案例也可以使同學(xué)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解更加深入，避免了單純課本知識(shí)的枯燥無味。

3.講解與討論相結(jié)合的教學(xué)方式

提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要方法是讓學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動(dòng)到主動(dòng)。多媒體課件作為一種輔助手段，把抽象的事物用生動(dòng)的語言和畫面展現(xiàn)在學(xué)生面前，更加形象和具體，但講解基礎(chǔ)理論時(shí)，以板書為主的方式效果較好。

摒棄課堂上老師一言堂的局面，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中教師主動(dòng)設(shè)置討論環(huán)節(jié)。目前傳熱學(xué)作為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)研究生考試的專業(yè)課之一，許多時(shí)候?qū)I(yè)課的復(fù)試是通過綜合案例的分析來考查學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)的掌握情況。因此，在本科生教學(xué)階段就加強(qiáng)這方面的練習(xí)十分必要。例如在不同學(xué)習(xí)階段，教師可以挑選某一綜合的傳熱問題，讓學(xué)生分成小組，分別通過查閱文獻(xiàn)、分析和制訂求解方案，最后以報(bào)告或論文形式提交不同的解決方案，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行匯報(bào)和討論，最終獲得大家認(rèn)為較好的方案。期間避免教師完全控制討論，教師應(yīng)注意傾聽學(xué)生的發(fā)言，并進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，使所有學(xué)生都參加討論過這個(gè)過程。這樣，讓學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)從被動(dòng)到主動(dòng)，深切體會(huì)運(yùn)用所學(xué)傳熱學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的過程，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，并能培養(yǎng)部分學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的能力。

4.CFD教學(xué)方法的應(yīng)用

CFD（Computer Fluid Dynamics）是應(yīng)用各種離散化的數(shù)值計(jì)算方法與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合來解決流動(dòng)與傳熱問題的重要方法。對(duì)于典型情況下的傳熱問題，傳熱學(xué)課本中能夠推導(dǎo)并以公式的形式給出某一特定物體的溫度場(chǎng)，但對(duì)于幾何形狀或者邊界條件復(fù)雜的傳熱問題，運(yùn)用CFD技術(shù)獲得其內(nèi)部的溫度場(chǎng)之后，再對(duì)其傳熱量進(jìn)行分析，這種方式已經(jīng)必不可少。因此，結(jié)合CFD的教學(xué)方法可以更形象、生動(dòng)地展示特定復(fù)雜場(chǎng)景下的傳熱過程，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，運(yùn)用巧妙的模擬方法又可以使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)傳熱基本規(guī)律的理解和掌握。[3]

5.增加實(shí)踐教學(xué)課程

傳熱學(xué)是理論與應(yīng)用并重的課程，目前傳統(tǒng)的授課卻往往偏重理論。為提高學(xué)生的動(dòng)手與分析能力，應(yīng)增加形式多樣的實(shí)踐課程。例如：建立教學(xué)和實(shí)習(xí)示范基地，在學(xué)習(xí)過程中帶學(xué)生到這些基地進(jìn)行參觀。例如到散熱器或空調(diào)廠家，通過讓學(xué)生參觀各種形式的換熱器，讓學(xué)生感受到傳熱學(xué)知識(shí)與日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的重要性；利用假期可以鼓勵(lì)學(xué)生到這些示范基地進(jìn)行短期實(shí)習(xí)，豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)也加強(qiáng)了鍛煉。筆者所在的學(xué)校就與大金、開利等空調(diào)公司建立了合作關(guān)系，也為學(xué)生的就業(yè)提供了很好的出路。此外，可以針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)開設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親自制訂實(shí)驗(yàn)方案、獲得并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后運(yùn)用理論方法獲得不同條件下的實(shí)驗(yàn)規(guī)律等等。這樣通過鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)了工程師素質(zhì)的培養(yǎng)。

6.考核方式改革

考核既是對(duì)教師課堂教學(xué)效果的檢驗(yàn)，又會(huì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。筆者曾經(jīng)對(duì)傳熱學(xué)的考核方式嘗試多次改革。目前，期末考試環(huán)節(jié)分成開卷加閉卷兩個(gè)部分，其中開卷部分針對(duì)綜合傳熱問題進(jìn)行考核，著重考查學(xué)生綜合分析問題的能力；而閉卷部分則重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)基本概念、定性分析方法的理解。此外，課程過程中穿插的小論文完成情況也會(huì)在平時(shí)成績(jī)中體現(xiàn)。這樣避免了單一環(huán)節(jié)失誤導(dǎo)致學(xué)生成績(jī)不理想而造成的心理負(fù)擔(dān)，充分給予學(xué)生機(jī)會(huì)，也能夠清楚了解到每個(gè)學(xué)生在不同方面的特長(zhǎng)加以針對(duì)性培養(yǎng)。

三、結(jié)論

面對(duì)“卓越工程師”培養(yǎng)的要求，結(jié)合建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)特點(diǎn)，本文提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入工程案例的教學(xué)方法，講解與討論相結(jié)合的教學(xué)方式，應(yīng)用CFD教學(xué)方法，增加實(shí)踐教學(xué)課程，改革考核方式等傳熱學(xué)教學(xué)改革之方法，能夠使學(xué)生學(xué)習(xí)從被動(dòng)到主動(dòng)，并培養(yǎng)學(xué)生在較少課時(shí)內(nèi)用傳熱規(guī)律分析工程問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]林建.“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”專業(yè)培養(yǎng)方案再研究[J].高等工程教育研究，2011，（4）：10-17.

[3]杜敏，王助良.CFD技術(shù)在“數(shù)值傳熱學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2012，（33）：58-59.

（責(zé)任編輯：王意琴）