美國—加拿大—澳大利亞相關(guān)高校傳熱類課程的對比研究

曲 燕

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

在經(jīng)濟全球化和高等教育國際化的背景下，課程國際化的核心地位日益凸顯，但對課程國際化的定義、內(nèi)涵和特征仍存在分歧。在歐美大學(xué)課程國際化的進程中，增加外語課程數(shù)量、將國際化內(nèi)容融入課程、增加課程的國際認可，以培養(yǎng)學(xué)生在國際化和多元化社會工作環(huán)境下生存的能力，是課程國際化的主要的措施和根本目的[1]。筆者在高校從事專業(yè)課“傳熱強化技術(shù)”的教學(xué)工作，多年來針對教材[2]、教學(xué)模式[3-5]、教學(xué)內(nèi)容[6]對課程進行了初步的雙語教學(xué)實踐和探索，發(fā)現(xiàn)課程的改革是個系統(tǒng)的、長期的、日新的過程，教學(xué)效果也不可能立竿見影，很多問題，如課程的國際化視野不夠、教材更新相對滯后、教學(xué)評價方法的改變對教學(xué)模式及教學(xué)內(nèi)容的影響等，都需要從系統(tǒng)的角度去考量。美國、加拿大、澳大利亞是傳統(tǒng)的高等教育強國，在熱工課程的教學(xué)中有很多值得借鑒之處。筆者通過海外同行和留學(xué)生，收集了美國的兩所公立高校羅格斯大學(xué)（Rutgers University）和紐約城市大學(xué)（City College of New York）、加拿大綜合性大學(xué)卡爾頓大學(xué)（Carleton University）、澳大利亞八校聯(lián)盟之一的新南威爾士大學(xué)（The University of New South Wales）等4 所高校的面向本科、研究生開設(shè)的傳熱類課程資料，在課程設(shè)置、教材、內(nèi)容架構(gòu)、評價4 個方面進行了對比研究。

1 課程設(shè)置

這4 所學(xué)校的傳熱類課程設(shè)置如表1 所示。對于研究生，主要是按專題設(shè)置：①按照熱傳導(dǎo)、熱對流等傳熱方式，如美國羅格斯大學(xué)開設(shè)的“熱傳導(dǎo)”（Heat conduction）、“熱對流”（Heat convection）等；②針對行業(yè)特色及傳熱學(xué)在行業(yè)中的應(yīng)用，如加拿大卡爾頓大學(xué)機械與航空航天系，開設(shè)“傳熱學(xué)在航空航天中的應(yīng)用”（Heat transfer for aerospace applications）。

對于本科生，主要有兩種方式。

（1）單獨開課，如紐約城市大學(xué)開設(shè)的“傳熱學(xué)”（Heat transfer）。

（2）與其他課程合并開設(shè)：①傳熱學(xué)與熱力學(xué)合并，如新南威爾士大學(xué)的“高等熱流體學(xué)”（Advanced thermofluids）、卡爾頓大學(xué)的“熱力學(xué)與傳熱學(xué)”（Thermodynamics and heat transfer）；②傳熱學(xué)與流體力學(xué)合并，如“流體流動與傳熱導(dǎo)論”（Introduction to fluid flow and heat transfer）；③傳熱學(xué)與傳質(zhì)學(xué)合并，如“傳熱傳質(zhì)學(xué)”（Heat and mass transfer）。

表1 國外4 所大學(xué)傳熱類課程設(shè)置

本科生的課時通常為48 學(xué)時或54 學(xué)時，其中作業(yè)輔導(dǎo)或問題分析的非課堂學(xué)時至少占總學(xué)時的1/3或1/2。研究生的課程一般按專題設(shè)置，課堂學(xué)時相對較少，沒有明確的作業(yè)輔導(dǎo)課時，與教師討論問題時可以私下預(yù)約時間。

2 課程的教材

表2 綜述了美、加、澳這4 所大學(xué)傳熱類課程選用的部分教材及參與書。其中，北美高校主要選用Holman 或Cengel 教授編著的傳熱教材。Cengel 教授在工程熱流體領(lǐng)域出版了多部非常有影響力的教材，筆者將這些教材的封面圖匯總在圖1 中，供讀者按需閱讀。我國熱工領(lǐng)域的兩位院士、國家級教學(xué)名師何雅玲、陶文銓專門撰文分析了Cengel 兩本教材（見圖1(a)、(b)）的特色[7]，還在“傳熱學(xué)、熱力學(xué)教材的編寫”[8-9]“熱工基礎(chǔ)課發(fā)展的思考”[10]中特別提到這兩本教材。相比Holman[11]的教材，Cengel 的《傳熱傳質(zhì)學(xué)—基礎(chǔ)與應(yīng)用（第 5 版）》（Heat and Mass Transfer—Fundamentals and Applications (5th ed.)）[12]，在以下3 個方面更加突出：

（1）引入大量的現(xiàn)實生活、工程實踐的習(xí)題、案例和特色專題。比如，第5 版教材新增了350 個習(xí)題，幾乎在每章最后都引入了拓展性的特色專題，如表3所示[12]。這些專題有的涉及傳熱學(xué)新的學(xué)科分支，如微尺度傳熱學(xué)、生物傳熱學(xué)、逆流換熱器的人體心血管系統(tǒng)，有的涉及新能源、建筑傳熱等傳熱學(xué)的新應(yīng)用，對拓寬學(xué)生的國際視野、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和獨立求解科學(xué)問題的能力很有幫助。

（2）豐富的課程網(wǎng)絡(luò)資源。教材的最后三章內(nèi)容（第15—17 章），從第5 版開始改成網(wǎng)絡(luò)課程，授權(quán)的用戶可以從網(wǎng)站www.mhhe.com/cengel 直接下載相關(guān)課程資源。

（3）教學(xué)工具EES 的使用推動了學(xué)生對傳熱問題物理意義的理解，而不再困擾于方程的求解。EES（engineering equation solver）是工程方程求解器的簡稱，主要求解非線性代數(shù)方程和微分方程。EES 內(nèi)置了很多流體的熱力性能函數(shù)，包括水、干/濕空氣、制冷劑、燃燒氣體等，可以方便地進行參數(shù)分析、微分

方程求解。教材中很多典型習(xí)題的求解也放到了EES中，學(xué)生可以在Help 下的Heat Transfer 菜單中找到，還可以改變問題的參數(shù)，思考其對結(jié)果的影響，方便學(xué)生對傳熱問題的深入思考。本教材充分反映了Cengel 教授的編寫目的，即：用簡單精確的方式與未來的工程師進行思想交流，使學(xué)生對傳熱的基本原理有清晰的理解和牢固的掌握，鼓勵創(chuàng)新思維、開發(fā)對傳熱學(xué)的深層理解和直觀感受，以興趣和熱情激發(fā)學(xué)生閱讀，而不是作為解題的工具去閱讀。

表2 國外4 所大學(xué)傳熱類課程的部分教材及參考書

圖1 Cengel 在工程熱流體科學(xué)領(lǐng)域出版的教材

表3 Cengel 教授傳熱學(xué)教材[12]中各章的特色專題

3 課程的內(nèi)容架構(gòu)

課程的內(nèi)容要根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求和課程的教學(xué)目標來設(shè)置，用相關(guān)的指標點來達成。表4列出了澳、美、加這4 所高校本科、研究生傳熱類課程的教學(xué)內(nèi)容，從中可以看到：

（1）本科生課程，傳熱學(xué)部分，如果是與其他課程合并開設(shè)，受學(xué)時的限制，所講內(nèi)容相對較基礎(chǔ)，但穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、集總參數(shù)法暫態(tài)導(dǎo)熱、管內(nèi)強制對流/大空間自然對流是必講的內(nèi)容。如果是單獨開設(shè)的傳熱學(xué)課，課程內(nèi)容的深度和廣度都有增大，比如輻射計算以及傳熱的應(yīng)用等。

表4 國外4 所大學(xué)傳熱類課程的教學(xué)內(nèi)容

（2）研究生類課程，內(nèi)容多針對較復(fù)雜的傳熱問題的解析解法和數(shù)值解法，更專業(yè)難度更深。如在美國羅格斯大學(xué)的“熱傳導(dǎo)”課中，熱傳導(dǎo)部分主要涉及分離變量法（多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、一般的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱）、Green 函數(shù)法（多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱）、Laplace 變換法（非齊次邊界條件下非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱）、Duhamel 定理（含有與時間相關(guān)的非齊次項的偏微分方程的求解）、有限差分方法等。

4 課程的評價

表5 展示了國外這4 所高校傳熱類課程的評價方式。從中可以看出：（1）國外課程普遍重視過程評價，期末考試的權(quán)重不超過70%。其中，美國高校一般在40%，澳大利亞高校為35%～60%，加拿大高校最高為70%，并要求期末考試的得分率必須超過60%。（2）評價方式多樣化。主要的考核形式有7 種：隨堂測驗、課后作業(yè)、期中考試、問題分析、實驗、項目、期末考試，各部分的占比一般設(shè)置為：隨堂測驗 10%～20%，課后作業(yè)15%～20%，期中考試25%～30%。

表5 國外這4 所大學(xué)傳熱類課程評價方式

5 小結(jié)

通過對比國外這4 所高校傳熱類課程，可以發(fā)現(xiàn)本科課程的建設(shè)和優(yōu)秀的教材是關(guān)鍵。因為，教材在很大程度上決定了課程內(nèi)容的廣度和深度。研究生的課程，以授課教師的講義為主，內(nèi)容設(shè)置更專業(yè)化、模塊化。國外課程更重視過程評價，探究式、項目式、報告答辯式等作業(yè)評價方式占很大比例。新時代的中國高等工程教育將新工科放到了領(lǐng)跑高等教育變革的重要位置，加強工程類課程建設(shè)，是建設(shè)一流高校、一流專業(yè)、一流課程的根本，也是切實推進專業(yè)認證和高等教育國際化的重要舉措。

借鑒國外這4 所大學(xué)傳熱類課程設(shè)置、教材、內(nèi)容架構(gòu)、評價體系方面的經(jīng)驗，可以更好地促進和推動國內(nèi)大學(xué)傳熱類專業(yè)的教學(xué)改革和創(chuàng)新，有利于該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)。