本科生傳熱學課程教學模式改革與實踐

張紅欣,朱 超,湯吉昀,陳 磊

(1.昌吉學院 物理系,新疆 昌吉市 831100;2.新疆大學化工學院,新疆 烏魯木齊 830046)

傳熱學作為昌吉學院能源與動力工程專業(yè)核心基礎課程，旨在為能源企業(yè)和研究領域培養(yǎng)理論基礎知識扎實、創(chuàng)新能力強的工程技術人才。傳熱學作為一門研究熱量傳遞規(guī)律的學科，其理論不僅在能源動力類領域占有舉足輕重的作用，在指導機械制造、冶金、建筑建工、能源開發(fā)、化學工程等生產(chǎn)領域和科學研究中也占有非常重要的作用。

所在專業(yè)在講授傳熱學課程中常采用多媒體技術與板書結合的方式進行知識點的講解，主要側重經(jīng)典理論知識和傳熱特性的講授，教學內容上表達單一、形式抽象、靜態(tài)展示居多，不能深入剖析傳熱機理和溫度分布特性，無法將工業(yè)生產(chǎn)案例與課程理論知識進行結合，無法達到調整學生知識結構、拓展學生知識面、提升學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)要求。而國家新型工業(yè)建設戰(zhàn)略在一定程度上對高校培養(yǎng)綜合素質過硬的畢業(yè)生提出了更高的要求。因此，在講授傳熱學現(xiàn)有教學模式的基礎上，將CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體力學)技術與課程理論和工業(yè)生產(chǎn)案例進行知識點融合和教學模式改革，促進理論知識與實踐深度耦合，為進一步提高課程教學質量和提升教學效果打下了堅實基礎。

國內各大高校在講授各類專業(yè)基礎課程時將CFD技術與課程知識理論進行有機結合的教學模式改革均取得了較好的教學效果。西南科技大學王令等人針對卓越班講授傳熱學課程時采用CFD技術對課程的教學內容進行重新設計與整合、教學實驗進行更新設計，將各章節(jié)知識點融匯貫通形成了課程主線。中國民航大學朱伯倫等人在分析空氣動力學教學難點和存在的教學不足的基礎上，借助CFD強大的數(shù)值模擬仿真功能，將仿真過程搬遷至空氣動力學課程中，借助對各章節(jié)案例的動態(tài)數(shù)值模擬結果幫助學生深入理解動力學知識點，調動了學生上課的積極性，激發(fā)了學生對科學研究的興趣。江蘇大學吳里程等人在講授傳熱學中，采用“五位一體”教學模式注重理論聯(lián)系實際的培養(yǎng)模式，以CFD技術剖析工程案例反推課程理論知識，鞏固學生理論知識的基礎上，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新意識和科學意識。東北電力大學柏靜儒等人將Fluent軟件應用在傳熱學傳熱特性知識的講授中，將Fluent軟件制作好的教學素材用于講解流體流動、溫度/速度分布規(guī)律等知識點，采用動態(tài)動畫有助于學生深入了解課程中公式推演的目的，為涉及較多計算公式的課程開拓了新的教學模式。

1 教學存在的問題與CFD技術簡介

1.1 講授傳熱學課程過程中存在的問題

講授傳熱學選用的教材為楊世銘、陶文銓編著《傳熱學(第四版)》，該教材在結構上主要涵蓋了穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)熱傳導、對流傳熱、熱輻射相關理論與計算等理論內容，同時簡要介紹了傳熱案例分析步驟和方法。

所選取的傳熱學教材作為國內面對能源類的專業(yè)課程書籍，其教學內容豐富全面。因各專業(yè)培養(yǎng)要求不同，講授側重點不同，但授課過程中均涉及到大量的公式計算和模型分析，教材中的整體內容均由熱量傳遞而分層次展開，具有抽象難懂、基礎知識儲備豐富(高等數(shù)學、大學物理、工程熱力學)的特點。為使學生能全面掌握課程中涵蓋的各章節(jié)知識點，要求教學一線的教師需具備扎實的理論基礎和較強的語言表述能力。

傳統(tǒng)的板書式公式推導簡便、經(jīng)濟，但教學效果古板，無法動態(tài)展示流體傳熱特性，只能讓學生有一個抽象的數(shù)字理解。例如教材第二章主要通過引入傅里葉導熱定律的一般形式，將能量守恒原理與導熱定律相結合，在邊界條件約束下推導導熱對象溫度分布的微分方程的多種表達式(平板、圓筒體、球殼、等截面直肋)。教材第四章熱傳導問題的數(shù)值解法(內節(jié)點離散方程、邊界節(jié)點離散方程)在求解過程中按照：①建立控制方程及定解條件；②確定節(jié)點(區(qū)域離散化)；③建立節(jié)點物理量的代數(shù)方程；④設立溫度場的迭代初值；⑤求解代數(shù)方程組；⑥判斷方程組是否收斂；⑦分析數(shù)值解結果。數(shù)值求解過程復雜多變，教學過程枯燥，大量計算過程使得學生逐漸喪失對知識學習的興趣，最終導致教學效果不理想，教學質量有所下降。

1.2 CFD技術簡介

CFD是Computational Fluid Dynamics(計算流體力學)的簡稱，通過對控制方程微分、積分項表示為離散的代數(shù)方程組，采用計算機編程技術、數(shù)據(jù)處理技術、圖像顯示技術獲得物理模型代數(shù)方程組在離散空間/時間上的數(shù)值解，精確描述流體流動和熱量傳遞現(xiàn)象。目前市面上常用的CFD軟件有10種之多，應用廣泛的為CFX、Fluent、Phoenics、Comsol。求解物理模型主要由三部分組成：

前處理：建立幾何模型、計算網(wǎng)格劃分；

求解器：確定控制方程、選擇離散方法、選擇求解方法、約束參數(shù)修改；

后處理：壓力場、溫度場、速度場數(shù)據(jù)顯示和動畫處理。

通過課題組講授傳熱學課程的教學經(jīng)驗和CFD軟件的學習難易度，前處理軟件選用ICEM-CFD對模型進行建模和網(wǎng)格劃分；求解器選用Fluent軟件對模型進行運算求解；后處理采用Tecplot軟件對模擬結果進行數(shù)據(jù)處理。

CFD技術具有成本低、運算速度快、模擬結果科學、操作性強等優(yōu)勢，通過模擬仿真過程可將物理實驗搬遷至計算機中進行虛擬仿真。通過近年國內外科研工作者的不懈努力，CFD技術不僅能模擬流體流動特性、傳熱特性，同時也能對流固耦合流場、焊接熱場、多孔介質區(qū)域流動、分子流動流場、復雜幾何結構流場等領域進行模擬計算。

2 教學模式改革與實踐

2.1 提升學生課堂參與感

教師在授課前均會對本節(jié)課程進行備課后開展教學工作，教學內容根據(jù)教學大綱和培養(yǎng)模式制定，上課思路、教材素材、內容展示都是由授課教師提前“演練”后再進行教與授。在整個過程中學生是被動式的“授”課，只能按照教師預先設定的“劇本”進行學習，授課過程使得學生沒有體會到知識是如何組織和梳理的，缺少一定的課堂學習參與感，形成了被動接受知識的窘境。在授課過程中添加CFD素材教學改革時，教師在課前將模擬過程所需的幾何文件建模和網(wǎng)格劃分后，在上課時針對講授對象進行Fluent軟件仿真其變化過程。針對不同模型(層流或紊流、熱傳導/熱對流/熱輻射、非或定常流動、壓縮或不可壓縮)在Fluent軟件中通過設置材料屬性、邊界條件、求解方法、收斂條件、迭代步數(shù)等參數(shù)讓學生通過現(xiàn)場討論后進行設定，提升了學生課堂學習的參與感，有助于學生全身心投入課程學習。

2.2 激發(fā)學生學習興趣

傳熱學授課過程中涉及較多復雜的公式和抽象的邊界條件，現(xiàn)有的多媒體素材(圖片、簡單動畫)只能片面的描述物理問題，無法給學生系統(tǒng)性的認識。采用Fluent軟件進行現(xiàn)場模擬知識點時，不但帶動了學生課堂學習的參與感，同時在設定相關參數(shù)時為學生課下學習軟件“埋懸念”，告知學生模擬過程中設定邊界條件、計算方法、收斂條件的不同，所得到的模擬結果也會不同，將原本枯燥的數(shù)學模型由軟件顯示后變得新鮮生動。鼓勵學生課下對課上模擬內容和待學習章節(jié)內容進行摸索與學習，鼓勵學生將模擬結果帶入課堂進行展示和講解，增加學生對課堂學習的興趣。

2.3 培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)

科研工作產(chǎn)出也是衡量一個大學綜合實力的指標，昌吉學院擬開展的“卓越工程師”計劃要求教師在授課時不僅需要幫助學生夯實基礎知識，同時也要引導學生將理論學習與科學研究共同發(fā)展。因此，根據(jù)教材內容設置模擬實驗達到培養(yǎng)研究型的學生是不夠的，在日常教學中應將教學內容與工業(yè)生產(chǎn)實踐相結合，使學生日常學習與后期工作進行無縫銜接，以就業(yè)驅動學生萌發(fā)生產(chǎn)實踐研究的想法，普及CFD技術涉及的軟件和通識概念。對科學研究感興趣的同學可將他們組織成興趣小組，由淺入深的講授做科學研究工作的思路與方法，支持學生加入教師和研究生正在進行的科研項目中，幫助學生參加各類大學生創(chuàng)新比賽，大學生創(chuàng)新實驗等活動。將課堂學習與科學研究活動相結合不僅使學生對專業(yè)知識有進一步的把控，同時幫助學生逐漸建立科研習慣。

4 結語

《傳熱學》課程是能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，為使畢業(yè)生適應工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和科學研究工作，實現(xiàn)學有所用、學有所得、學有所長的培養(yǎng)目標，課題組在傳熱學課程內容、上課形式、教學方法上進行了改革與優(yōu)化，借助CFD技術調動了學生課堂參與、激發(fā)了學生學習熱情、增強了學生學習的主動性與積極性、培養(yǎng)了學生科研素養(yǎng)，達到了預期的教學效果。