傳熱學(xué)教學(xué)方法與改革實(shí)踐

閆曉娜 郭思宇

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傳熱學(xué)教學(xué)方法與改革實(shí)踐

閆曉娜1,2郭思宇2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院 杭州 311300；2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院 洛陽 471023）

針對《傳熱學(xué)》課程在本科教學(xué)中存在的問題，本著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維與應(yīng)用型本科人才為目的，從課程定位、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面探討了建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)《傳熱學(xué)》課程的教學(xué)方法，提出了采用場景導(dǎo)入式教學(xué)模式、國家能源政策介紹、鼓勵(lì)部分實(shí)驗(yàn)臺搭建過程學(xué)生參與等教學(xué)改革方法，實(shí)踐表明學(xué)生的創(chuàng)造性發(fā)散性思維及學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)，課程改革取得了較好的效果。

傳熱學(xué)；本科教育；教學(xué)改革；實(shí)踐

0 引言

傳熱學(xué)是研究在溫差作用下熱量傳遞過程原理、規(guī)律、計(jì)算、測試等基礎(chǔ)理論知識的一門學(xué)科。涉及領(lǐng)域非常廣，在能源動(dòng)力、建筑環(huán)境、材料冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域都存在大量的傳熱問題，是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)一門重要基礎(chǔ)課程之一，也是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的最重要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一[1,2]。本專業(yè)采用教科書為中國建筑工業(yè)出版社第六版《傳熱學(xué)》，課程以熱量傳遞基本方式為主線，研究導(dǎo)熱、對流傳熱、輻射傳熱規(guī)律、特點(diǎn)以及傳熱在建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用。對于本科生來講，掌握各種形式的傳熱特點(diǎn)和規(guī)律是為其應(yīng)用打下基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)的教科書《傳熱學(xué)》以研究傳熱理論為主，包括基本概念、基本理論及基本計(jì)算方法，內(nèi)容豐富，涉及知識面非常廣[3-5]。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的不斷進(jìn)步，傳熱學(xué)的基礎(chǔ)理論也在不斷完善，建筑傳熱學(xué)的教學(xué)內(nèi)容也不斷擴(kuò)展，所以如何合理安排教學(xué)內(nèi)容、組織教學(xué)環(huán)節(jié)是一個(gè)需要深入討論的問題。本文對《傳熱學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了剖析，提出了“場景式教學(xué)”、“國家能源政策介紹”和“鼓勵(lì)部分實(shí)驗(yàn)臺建設(shè)學(xué)生參與”的教學(xué)方法，以訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維、加強(qiáng)學(xué)生的參與度，為提高學(xué)生工程應(yīng)用能力打下良好基礎(chǔ)。

1 課程定位、存在問題及改革方向

《傳熱學(xué)》課程主體內(nèi)容是以能量守恒定律為基礎(chǔ)，以常見的三種傳熱規(guī)律為基本主線，圍繞熱傳導(dǎo)、對流傳熱、輻射傳熱的特點(diǎn)及計(jì)算方法展開教學(xué)，主要包括基本概念、基本理論及基本計(jì)算方法，圖表和經(jīng)驗(yàn)公式比較多，內(nèi)容比較分散，理論性相對比較強(qiáng)，表現(xiàn)特征就是“難教難學(xué)”[4]。在實(shí)際教學(xué)過程中如何提升學(xué)生對本課程的興趣以及正確認(rèn)知本課程在整個(gè)專業(yè)中的定位顯得尤為重要。本著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維與應(yīng)用型本科人才為目的，《傳熱學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容主要體現(xiàn)在兩大部分，即建筑傳熱原理部分與建筑傳熱應(yīng)用部分。課程定位要明確，前部分傳熱原理一定是為后部分的應(yīng)用打基礎(chǔ)的，絕不能為了講授原理而學(xué)習(xí)原理，教學(xué)改革的方法就是講授原理時(shí)與應(yīng)用相結(jié)合使學(xué)生更容易理解。在實(shí)際教學(xué)中要做到：一是講課過程中增加傳熱學(xué)在實(shí)際生活中的應(yīng)用場景聯(lián)系，讓原理在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用得以展現(xiàn)。如羽絨服保溫原理、紅外熱成像儀成像機(jī)理、南極企鵝集聚抵御嚴(yán)寒等。二是增加傳熱與建筑節(jié)能方面的聯(lián)系，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)研究的重點(diǎn)方向之一就是建筑節(jié)能技術(shù)。如現(xiàn)在房地產(chǎn)建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的外墻保溫、雙層中空玻璃、隔熱耐火材料，空調(diào)與制冷系統(tǒng)中的高效換熱器等等都需要用到傳熱原理。

縱觀前幾屆學(xué)生《傳熱學(xué)》課程的學(xué)習(xí)，主要存在兩方面問題。一是學(xué)生成績兩級分化，一部分學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)成績特別優(yōu)秀，部分學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)、興趣不高，考試成績相對較差。針對此問題，需要在教學(xué)手段上下功夫，比如增加課堂提問與討論環(huán)節(jié)。每次上課期間前五分鐘，提問學(xué)生上次課程重點(diǎn)內(nèi)容，要求學(xué)生以簡潔的語句進(jìn)行總結(jié)。教師講授完課堂內(nèi)容之后，留出大約五分鐘時(shí)間讓學(xué)生自己總結(jié)本次課程重點(diǎn)、難點(diǎn)。根據(jù)學(xué)生平時(shí)內(nèi)容掌握情況，如果時(shí)間允許，在學(xué)期末適當(dāng)留出兩個(gè)學(xué)時(shí)時(shí)間，在學(xué)生已掌握傳熱理論的基礎(chǔ)上結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)中所涉及到的高效傳熱設(shè)備，讓學(xué)生自己講課，學(xué)生自己組成講課小組，小組自己決定講課內(nèi)容、講課方式及講課人員，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性互動(dòng)性，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的參與度與興趣。

第二存在的問題是學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)。目前，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)學(xué)生人數(shù)八十左右，實(shí)驗(yàn)六學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)嚴(yán)重偏少。在培養(yǎng)方案修訂時(shí)可提出增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，在條件允許的情況下針對性地對某些實(shí)驗(yàn)比如《換熱器性能實(shí)驗(yàn)》，老師做參謀與統(tǒng)籌，盡可能利用課余時(shí)間讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)臺搭建過程中，這樣一方面可以使學(xué)生盡早了解實(shí)驗(yàn)裝置搭建、調(diào)試的過程，另一方面也增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。

2 課程教學(xué)改革

教學(xué)手段改革：導(dǎo)熱部分、對流傳熱部分、輻射傳熱部分均采用大量場景導(dǎo)入式教學(xué)，讓學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有應(yīng)用場景感知度。

（1）充分利用圖片、視頻內(nèi)容，將學(xué)生導(dǎo)入特定應(yīng)用場景，對傳熱原理等視覺聽覺感知。由于傳熱學(xué)大部分計(jì)算依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，基本原理涉及比較多公式推導(dǎo)和大量圖表，整體感覺枯燥，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程講授過程中加強(qiáng)場景導(dǎo)入，將一些生活化的場景引入課堂教學(xué)當(dāng)中，比如讓學(xué)生做教室裝修地暖的選型，新建教學(xué)樓采用地板輻射采暖還是散熱片采暖，學(xué)生們自己做出選擇，獨(dú)立闡述其優(yōu)缺點(diǎn)，從人體感知、建筑節(jié)能、施工難易、后期維修、投資成本、材料選型、溫度場的穩(wěn)定性等方面展開論述，使學(xué)生從案例場景中學(xué)到分析問題的方法，為以后的學(xué)習(xí)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）將目前科研最新的研究方向與動(dòng)態(tài)與學(xué)生進(jìn)行分享，讓學(xué)生對基礎(chǔ)科學(xué)與前景展望一并了解。由于傳熱學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科，內(nèi)容以公式推導(dǎo)為基礎(chǔ)，學(xué)生對其現(xiàn)實(shí)研究前景不大明確，所以在教學(xué)中加大了最新科研方向的推介力度，介紹一批此領(lǐng)域的專家學(xué)者，比如在航天科技中隔熱瓦的介紹、大尺度微通道換熱器在汽車空調(diào)中的應(yīng)用、低溫?zé)醾鞲屑夹g(shù)的分享、新型建筑材料的應(yīng)用研究、國外幾個(gè)大型科研院所介紹等，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，拓展其眼界，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生們感興趣的內(nèi)容指出一些方向。

（3）工程應(yīng)用方面結(jié)合建筑節(jié)能技術(shù)，從城市節(jié)能最新進(jìn)展出發(fā)，比如在講授導(dǎo)熱理論部分時(shí)，結(jié)合大連市給房屋建筑穿“棉衣”，屬于典型的對外墻增加保溫層以減少熱損失。國家出臺海棉型城市的初衷，建設(shè)環(huán)境友好型城市的現(xiàn)實(shí)意義，如何做好能源的分級高效利用，讓學(xué)生對學(xué)科與國家現(xiàn)行政策建立關(guān)聯(lián)鏈接。國家節(jié)能政策在建筑傳熱上的著力點(diǎn)在哪里，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，同時(shí)也可以擴(kuò)充學(xué)生的知識面。

（4）問題導(dǎo)向式教學(xué)，上課時(shí)先提出問題，比如，可以讓學(xué)生思考：保溫層加在外墻的外面與加在外墻的內(nèi)面所起到的保溫效果一樣嗎？引發(fā)學(xué)生思考后再上課，帶著問題去學(xué)習(xí)。以前上課習(xí)慣于最后布置作業(yè)，現(xiàn)在把一些問題在上課前就提出來，引發(fā)學(xué)生思考，在授課過程中答疑解惑便于強(qiáng)化理解。

教學(xué)內(nèi)容改革：教學(xué)內(nèi)容分模塊講授，基礎(chǔ)傳熱學(xué)模塊（也就是前面提到的建筑傳熱原理）由以往占七成課時(shí)改為五成課時(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)基本概念和基本理論，獲得必要的熱傳遞基本知識和基本技能，掌握傳熱學(xué)的基本計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的方法與能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和解決本專業(yè)所遇到的傳熱問題打下必要的基礎(chǔ)。建筑熱工傳熱學(xué)模塊（也就是建筑傳熱原理的應(yīng)用）由以往占三成課時(shí)增加為五成課時(shí)，針對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，深入分析在建筑傳熱中遇到的典型性問題，培養(yǎng)學(xué)生利用基礎(chǔ)傳熱學(xué)知識針對性地解決建筑傳熱學(xué)中遇到的實(shí)際工程問題。教學(xué)時(shí)還充分利用課堂時(shí)間，打破教科書內(nèi)容局限，對太陽輻射應(yīng)用，比如太陽能集熱器的設(shè)計(jì)、光伏發(fā)電站、分布式能源、國家能源政策等進(jìn)行擴(kuò)展與引導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革：一是利用課余時(shí)間，組織學(xué)生觀摩實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，使學(xué)生能夠?qū)鳠峄驹砼c暖通應(yīng)用結(jié)合起來，讓學(xué)生從工業(yè)美學(xué)、材質(zhì)設(shè)備選型、實(shí)施改進(jìn)等角度提出自己對這些實(shí)驗(yàn)臺的看法與改進(jìn)意見，為學(xué)生以后從事工程建設(shè)或進(jìn)一步做研究積累經(jīng)驗(yàn)。二是自主利用課余時(shí)間從班級找出五至八名學(xué)生，尤其鼓勵(lì)致力于以后繼續(xù)深造讀研的學(xué)生積極參與。在教師指導(dǎo)下分別安排參與部分實(shí)驗(yàn)臺方案制定、設(shè)備選型、設(shè)備采購、實(shí)驗(yàn)臺搭建等工作，讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)臺搭建的過程當(dāng)中，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力與參與度，讓學(xué)生有比較大的成就感。

3 改革實(shí)踐

（1）任課教師與學(xué)生溝通交流。任課教師除了上課時(shí)間，平時(shí)也經(jīng)常通過開討論會或年級專業(yè)QQ群在線交流的方式與學(xué)生互動(dòng)，更好地了解學(xué)生的性格、學(xué)習(xí)情況，在安排各個(gè)講課、實(shí)驗(yàn)小組時(shí)更多地考慮學(xué)生自身的特點(diǎn)，力求做到“因材安排”，“因材施教”，更好地發(fā)揮其特長，增強(qiáng)學(xué)生的自信。

（2）學(xué)生講課實(shí)踐，問題導(dǎo)向式授課方式受到了學(xué)生的歡迎。課程主體內(nèi)容講授完成后，教師選定幾個(gè)傳熱學(xué)在暖通、節(jié)能方向中應(yīng)用方面的內(nèi)容，抽出兩個(gè)學(xué)時(shí)時(shí)間，根據(jù)學(xué)生的性格，推選出學(xué)習(xí)認(rèn)真且敢于挑戰(zhàn)自己的學(xué)生組成講課小組，由小組成員自己商討、自主決定講課方式，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，學(xué)生的語言表達(dá)與臨場發(fā)揮能力得到了顯著加強(qiáng)。

（3）實(shí)驗(yàn)臺搭建改革實(shí)踐，根據(jù)《傳熱學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求并結(jié)合課程內(nèi)容，換熱器性能實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)備采購與搭建。參與人員在教師指導(dǎo)下參與四部分工作，一是負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書編寫，二是負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)備-換熱器采購、三是負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)臺搭建，四是負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)臺調(diào)試，學(xué)生按各自的分工，完成編寫實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)備材料的采購，自己動(dòng)手組裝實(shí)驗(yàn)臺，自己完成實(shí)驗(yàn)臺調(diào)試，自己解決過程當(dāng)中遇到的各種問題，協(xié)調(diào)解決中間的矛盾。學(xué)生的協(xié)調(diào)、組織能力、抗壓能力都有了很大提高。實(shí)踐表明，學(xué)生在做此實(shí)驗(yàn)過程中專注度明顯提高，實(shí)驗(yàn)效果較好。

4 結(jié)語

通過往屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐表明，采用場景導(dǎo)入式的教學(xué)模式、國家能源政策的介紹、實(shí)驗(yàn)臺搭建過程學(xué)生參與等改革方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，建筑環(huán)境與能用應(yīng)用工程中的傳熱原理理解更加透徹，學(xué)生的創(chuàng)造性發(fā)散性思維明顯增強(qiáng)，為以后的學(xué)習(xí)工作打下了比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 章熙民.傳熱學(xué)（第六版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 李友榮,楊晨,吳雙應(yīng),等.“傳熱學(xué)”課程改革研究與思考[J].中國電力教育,2010,(32):66-67.

[4] 吳建松,秦躍平,楊小彬等.“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”教學(xué)內(nèi)容和方法的優(yōu)化與實(shí)踐[J].課程教材改革,2014,(23):41-43.

[5] 秦萍,袁艷平,畢海權(quán).“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”教學(xué)改革及教學(xué)法研究[J].制冷與空調(diào),2012,26(6):614-617.

Exploration of Teaching Reform and Practice of Heat Transfer

Yan Xiaona1,2Guo Siyu2

( 1.School of Landscape Architecture, Zhejiang A &F University, Hangzhou, 311300; 2.School of Civil Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471023 )

The problems existing in the course of " heat transfer "are introduced. For the purpose of cultivating students' creative thinking and application-oriented undergraduates, the teaching methods of "heat transfer" for undergraduates majoring in building environment and energy application were discussed from the aspects of course positioning, teaching methods, teaching contents, experimental teaching, etc. The teaching methods were proposed such as scene introduction teaching mode, introduction of national energy policies, and encouraging students to participate in the construction of some experimental apparatuses. These reform methods, have significantly increased students' creative divergent thinking and learning interest. The course reform practice has achieved good results.

heat transfer; undergraduate education; teaching reform; practice

G642

A

1671-6612（2019）02-208-03

浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金人才啟動(dòng)項(xiàng)目（2034020091）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（15A480001）

閆曉娜（1981-），女，博士，E-mail：yxn0828@163.com

2018-05-23