熱質(zhì)交換原理與設(shè)備教學(xué)方法探討

張杰 劉澤華 寧勇飛

摘 ?要 熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是建筑環(huán)境與能源運用工程專業(yè)聯(lián)系專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課的橋梁，其涉及面廣、理論性強、難度大。從第一次課設(shè)計、教材的邏輯架構(gòu)、教學(xué)方法、考核等多方面進行一系列改進，提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

關(guān)鍵詞 熱質(zhì)交換原理與設(shè)備;教材;實驗室;多媒體教學(xué)

中圖分類號：G642 ? ?文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）16-0097-02

Study on Teaching Methods in Heat and Mass Transfer Funda-mentals and Equipment//ZHANG Jie， LIU Zehua， NING Yongfei

Abstract The course of heat and mass transfer fundamentals and equipment which is a bridge between specialized basic course and

specialized course for Building Environment and Energy Applica-tion Engineering， it covers a wide range， strong theoretical， and also is of great difficulty. The paper improves on a serial of the first class design， logic structure in the whole book， teaching methods and evaluation to improve the teaching efficiency and provoke students learning enthusiasm.

Key words principle and equipment of heat mass transfer; textbook; laboratory; multimedia teaching

1 前言

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是將本專業(yè)中的基礎(chǔ)課如傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)，與專業(yè)課如供熱工程、暖通空調(diào)、空調(diào)用制冷技術(shù)和鍋爐與鍋爐房設(shè)備有機聯(lián)系起來的一門課[1]，其教學(xué)效果直接影響專業(yè)課的學(xué)習(xí)。但這門課為本專業(yè)牽涉的設(shè)備及設(shè)備中發(fā)生的熱、質(zhì)交換過程，這就造成課程涉及面廣、理論性強、公式多、難度大，而且在專業(yè)課不斷壓縮課時的大環(huán)境下，學(xué)生更覺得進度快，難于理解，教學(xué)效果欠佳。

2 課程現(xiàn)狀與疑難

南華大學(xué)于大三第一學(xué)期開設(shè)該課程，在該課程前，學(xué)生對基礎(chǔ)課僅學(xué)習(xí)了流體力學(xué)、工程熱力學(xué)，后續(xù)專業(yè)課如暖通空調(diào)、冷熱源工程等均未學(xué)習(xí)，對本專業(yè)設(shè)備都未曾接觸，突然講解這些設(shè)備及原理，他們普遍感到困惑，對知識不能很好地理解，更談不上該課程應(yīng)有的、對學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。且教材[1]前幾章公式多、符號雜，牽涉不少流體力學(xué)和傳熱學(xué)知識，且傳質(zhì)過程本身就比較抽象，難以舉出案例幫助學(xué)生理解，其數(shù)學(xué)描述跟流體力學(xué)和傳熱學(xué)一樣，均是建立在微分方程組的推導(dǎo)之上，更增加了該課程的難度。

3 第一次課設(shè)計

筆者在《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的第一次課設(shè)計》[2]一文中闡述了如何進行內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在此文中闡述了第一次課應(yīng)首先解決本專業(yè)可以從事什么類型的工作，以樹立學(xué)生對本專業(yè)的信心;其次是重溫蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)，為后續(xù)講解中央空調(diào)系統(tǒng)、溫濕度獨立控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點做鋪墊;再次是對中央空調(diào)系統(tǒng)的講解，建立本專業(yè)知識體系架構(gòu)，并介紹冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機盤管、冷卻水塔，及其中發(fā)生的熱、質(zhì)交換;最后是本專業(yè)科普知識的教學(xué)等。通過以上手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及對本專業(yè)的自信。

4 教材的邏輯、架構(gòu)

據(jù)學(xué)生普遍反映，該課程知識點零碎、系統(tǒng)性差，學(xué)完后對該課程還是一知半解。鑒于此，讓學(xué)生首先明確該課程所用教材[1]的整體框架十分有必要。本書大致可以分為三部分：第一部分為熱、質(zhì)交換的原理;第二部分為空氣的熱、質(zhì)處理方法;第三部分為間壁式和混合式設(shè)備，即在設(shè)備中發(fā)生的熱質(zhì)交換過程。第一部分是第二部分的基礎(chǔ)，第二部分是第三部分的基礎(chǔ)。其次，在學(xué)習(xí)每一節(jié)時就應(yīng)該明確這一節(jié)在這一章中的地位及其與前后章節(jié)的邏輯關(guān)系。只有明確整本書的邏輯、框架，才能使學(xué)生在學(xué)習(xí)時有整體性。

5 教學(xué)方法

教師自身人格魅力的構(gòu)建 ?教師應(yīng)具有強烈的責(zé)任心和治學(xué)嚴(yán)謹?shù)钠焚|(zhì)，用心上好每一堂課，且在上課時應(yīng)具有一定的幽默感，在適當(dāng)?shù)臅r候穿插一些小幽默，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí);經(jīng)過連續(xù)幾年的授課和提高總結(jié)，慢慢形成自己的教學(xué)風(fēng)格，在學(xué)生中樹立良好的形象，使學(xué)生先接受你的人，再接受你的課，用自己的人格魅力來感染學(xué)生。

類比教學(xué) ?該課程的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)和傳熱學(xué)，教師在講授過程中遇到牽涉流體力學(xué)、傳熱學(xué)中相關(guān)知識時，就應(yīng)先回顧相應(yīng)內(nèi)容，從而建立起課程之間的聯(lián)系。例如：在講授斐克定律時，可以引導(dǎo)學(xué)生回顧傳熱學(xué)中的傅立葉定律和流體力學(xué)的牛頓黏性定律;在講濃度邊界層時，可以先回顧速度和熱邊界層;在講解施密特準(zhǔn)則數(shù)、宣烏特準(zhǔn)則數(shù)、斯坦登準(zhǔn)則數(shù)時，回顧流體和傳熱學(xué)中的相關(guān)準(zhǔn)則數(shù);在講三傳方程時，根據(jù)三傳方程形式上的類似性，推導(dǎo)出濃度、速度、熱邊界層之間的關(guān)系;等等。通過類比和發(fā)散式教學(xué)，幫助學(xué)生理解，建立起本課程與流體力學(xué)、傳熱學(xué)之間的聯(lián)系，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力、運用能力、創(chuàng)新能力等。

板書、多媒體、實踐教學(xué)的結(jié)合 ?現(xiàn)在高校基本都采用多媒體教學(xué)，其信息量大，圖文并茂，但進度快。所以對該課程中一些理論性較強的內(nèi)容，如對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述、同一表面上傳質(zhì)過程對傳熱過程的影響、麥凱爾方程式等，一定要在課堂上推導(dǎo)，課堂上的板書能更好地引導(dǎo)學(xué)生跟隨教師的思路，使學(xué)生在推導(dǎo)過程中有足夠的時間去思考，跟上教師的節(jié)奏，加強對知識點的理解?，F(xiàn)在對于專業(yè)課，不少教師為降低難度，盡量少講微分方程的推導(dǎo)，力求“講清原理、淡化過程、突出應(yīng)用”的處理方式[3]，但完全不講推導(dǎo)，很容易使學(xué)生基礎(chǔ)不牢，不利于學(xué)生以后的深造。所以對重要結(jié)論的推導(dǎo)，筆者認為是必不可少的。

由于學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程前對設(shè)備不熟悉，從以往的經(jīng)驗看，課堂上播放的設(shè)備視頻動畫，效果十分有限（如在講授冷卻水塔時，播放了各種類型的填料，但是在參加生產(chǎn)實習(xí)時，學(xué)生并不認識填料，也不清楚其功能），所以實驗室直接認識、操作設(shè)備十分必要。學(xué)校的空調(diào)實驗室有中央空調(diào)系統(tǒng)演示平臺、風(fēng)柜、風(fēng)機盤管、加熱器、加濕器、冷卻水塔等設(shè)備，在上第二大部分之前，帶學(xué)生到實驗室參觀這些設(shè)備，并在運行該設(shè)備時講解其工作原理，加深學(xué)生理解，收到較好的教學(xué)效果。

研討課的嘗試 ?如今，普通高校都在推行教學(xué)改革，新的教學(xué)方法如翻轉(zhuǎn)課堂、問題教學(xué)法、案例教學(xué)法等得到廣泛應(yīng)用，以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的新的教學(xué)模式已被廣大教師所接受。有鑒于此，該課程也在這方面做了有益的嘗試，由于該課程原理部分難度大，課時少，傳統(tǒng)的教學(xué)模式還是最經(jīng)濟有效的。所以僅選擇了間壁式和混合式熱質(zhì)交換設(shè)備這兩章做研討課，讓學(xué)生在課前先按教師的要求查找資料，收集材料自學(xué);然后制作PPT，教師根據(jù)每一小節(jié)內(nèi)容隨機抽取學(xué)生上臺講授;隨后學(xué)生就該節(jié)的疑問進行提問、討論;最后，教師對學(xué)生的問題進行歸納總結(jié)，并及時對學(xué)生授課的內(nèi)容進行查漏補缺，增強了師生間的互動，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了教學(xué)質(zhì)量。

課后提高 ?該教材[1]的第二、三章為原理部分，知識點抽象，學(xué)生普遍反映難以理解，不像專業(yè)課能通過案例來講解。這就要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，教師應(yīng)根據(jù)課后習(xí)題完成情況檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對大部分學(xué)生有疑問的習(xí)題，應(yīng)在習(xí)題課上進行講解。同時要求學(xué)生在學(xué)完每一部分后都要及時總結(jié)復(fù)習(xí)。

教師課間、課后也需跟學(xué)生交流，及時掌握學(xué)生對知識的掌握情況，根據(jù)學(xué)生的反饋，在下一次課上課前花5～10分鐘進行查漏補缺，把上一次課的疑難問題再講解一次，同時把上一次課的重點內(nèi)容進行一次梳理。這樣做有利于學(xué)生抓住重點，幫助學(xué)生理解。同時，教師應(yīng)在上完每堂課后立即總結(jié)該次課講授的優(yōu)缺點，如該節(jié)課的編排順序是否可以再優(yōu)化，內(nèi)容的銜接和邏輯表達是否可以再順暢，案例如何處理才能達到更好的教學(xué)效果，哪些知識點跟前面的課程有聯(lián)系，哪些知識點跟后面的課程有關(guān)聯(lián)，通過發(fā)散式教學(xué)，幫助學(xué)生建立課程之間的關(guān)系。通過每堂課的及時總結(jié)歸納、修改講義和PPT，教師每上一次課，教學(xué)水平都有一定提高。

6 考核

該課程作為本專業(yè)的五門主干課程之一，期末總評顯得尤為重要。對于該課程，期末考試占60%，課堂互動、研討課表現(xiàn)占20%，大作業(yè)占20%。

現(xiàn)今不少學(xué)生通過期末劃重點、突擊一星期的方式來通過考試，這種考查學(xué)生記憶力的考試對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力毫無意義，且該課程培養(yǎng)的目的就是檢驗學(xué)生對該課程基本理論、基本原理的掌握程度，重點考查其應(yīng)用能力。所以在考核時應(yīng)增添應(yīng)用型題目，如畫出冬夏季時，風(fēng)掠過風(fēng)機盤管時的焓濕圖;為什么同樣是空氣和水直接接觸，冷卻水塔是空氣冷卻水，而噴水室缺卻能發(fā)生七種不同的工況;等等。此類型的題目需要學(xué)生對該課程有較深的理解，有較強的應(yīng)用能力，對學(xué)生的評價也有較好的區(qū)分度。

由于教材[1]的第三部分“間壁式和混合式熱質(zhì)交換設(shè)備”是研討課，學(xué)生對該部分的內(nèi)容也較為熟悉，教師可以以這兩章的內(nèi)容布置大作業(yè)，如自行設(shè)計一套高效的熱質(zhì)交換設(shè)備，或?qū)懸黄撜n程前沿技術(shù)的綜述，如溫濕度獨立控制系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)、室內(nèi)VOC治理、敷設(shè)吊頂、相變儲能等技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點等，鼓勵學(xué)生撰寫論文，培養(yǎng)學(xué)生的文字表達能力，為學(xué)生以后深造做準(zhǔn)備。

7 結(jié)語

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備這門課，公式多、內(nèi)容雜，牽涉面廣、難度大，不易學(xué)。通過教學(xué)改革與實踐，在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，收到較好的教學(xué)效果。但如何高質(zhì)量上好這門課，對每個教師、學(xué)生來說都有難度，需要教師與學(xué)生一起努力，在教學(xué)內(nèi)容和方法上不斷改革創(chuàng)新。

參考文獻

[1]連之偉.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]張杰，劉澤華，寧勇飛，等.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的第一次課設(shè)計[J].中國教育技術(shù)裝備，2016，5（10）：76-77.

[3]呂留根，羅義英.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備教學(xué)探索與思考[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（12）：104-106.