多維度優(yōu)化《傳熱學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革實踐

李威 張亮

摘? 要：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞過程的一門科學(xué)，是眾多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文主要基于傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)特點和教學(xué)實踐過程存在的問題，從課堂教學(xué)效果、教學(xué)內(nèi)容與手段和師生交流三方面論述課堂教學(xué)過程中的改革探索，通過在課堂教學(xué)中加強實時熱點問題的討論，強化計算流體力學(xué)軟件的普及與應(yīng)用，以及建立健全的師生雙向溝通渠道等措施，在教學(xué)實踐中取得了較好的課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)基礎(chǔ)? 課堂教學(xué)? 師生交流? 機械電子工程

中圖分類號：TK12-4;G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0127-03

Multi-Dimensional Optimization of the Teaching Reform and Practice of the Basics Heat Transfer Course

LI Wei*? ZHANG Liang

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013 China）

Abstract：Heat transfer is a subject that studies the process of heat transfer， and it is a basic course for many engineering disciplines. This article is mainly based on the characteristics and existing problems of the Basic Heat Transfer course. It discusses the reform and practice of the course teaching process from the three aspects of classroom teaching effect， teaching content and methods， and teacher-student communication. By strengthening the discussion of real-time hot issues in classroom teaching， strengthening the popularization and application of computational fluid dynamics software， and establishing a sound two-way communication channel between teachers and students， it has achieved good classroom teaching effects in practice.

Key Words：Basic heat transfer; Classroom teaching; Teacher-student communication; Mechatronic engineering

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部自2017年以來，積極推進“新工科”建設(shè)，著力培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，逐步建立中國模式、制定中國標準、形成中國品牌，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地。在此背景下，培養(yǎng)合格的機械電子工程專業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用型工程人才，必須重視其專業(yè)基礎(chǔ)知識積累與創(chuàng)新思維鍛煉。筆者結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗，廣泛收集學(xué)生學(xué)情反饋，對傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)過程進行了研究與改革實踐。

1? 課程簡介

傳熱學(xué)是研究在溫差作用下熱量傳遞過程原理、熱量傳遞速率計算與控制等基礎(chǔ)理論知識的一門學(xué)科，主要圍繞導(dǎo)熱換熱、對流換熱、輻射換熱和傳熱與換熱器四大主體內(nèi)容展開研究，內(nèi)容具有很強的理論性、邏輯性、系統(tǒng)性和歸納性。同時熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種基本傳熱方式相對獨立又互相融合，共同構(gòu)成實際環(huán)境中的熱量傳遞過程。傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)共同構(gòu)成能源動力類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也是機械電子工程專業(yè)學(xué)生選修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系建設(shè)中具有承上啟下的重要作用[1]。

由于諸多工業(yè)生產(chǎn)活動中都存在溫度控制，許多功課專業(yè)都將傳熱學(xué)納入到培養(yǎng)計劃中。但不同專業(yè)背景對傳熱學(xué)認知要求不盡相同，因此傳熱學(xué)課程在課時安排上有多有少。在江蘇大學(xué)，機械電子工程專業(yè)培養(yǎng)計劃將傳熱學(xué)基礎(chǔ)作為專業(yè)基礎(chǔ)選修課程，規(guī)劃32學(xué)時，其中課堂教學(xué)28學(xué)時，實驗教學(xué)4學(xué)時。課堂教學(xué)主要內(nèi)容包含緒論、導(dǎo)熱基本定律、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、對流傳熱基礎(chǔ)、單相對流傳熱的計算、熱輻射及其計算和工程應(yīng)用等方面;實驗教學(xué)主要包含材料導(dǎo)熱系數(shù)測試和對流換熱系數(shù)測試兩個實驗。本文主要論述傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)過程中的改革探索。

2? 課程教學(xué)中存在的問題

在以往的傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)過程中，主要存在以下幾個共性問題。

（1）傳熱學(xué)課程難學(xué)，主要體現(xiàn)在傳熱微分方程推導(dǎo)、相似理論分析、對流換熱微分方程推導(dǎo)和輻射角系數(shù)計算等[2，3]。經(jīng)過與學(xué)生的廣泛交流得知，造成這一共性問題的主要因素：首先，傳熱微分方程組數(shù)學(xué)描述較為復(fù)雜，難以記憶，并且課上主要推導(dǎo)能量方程;其次，相似理論課時分配較少，相關(guān)概念極易混淆，對不同無量綱準則數(shù)的物理意義無直觀感受;再次，對流換熱模式分類復(fù)雜，并且每種分類又可細分為層流、湍流及其組合的情景，難以正確選擇經(jīng)驗計算公式;最后，輻射換熱部分不僅概念較多，角系數(shù)計算過程繁瑣，計算量大。

（2）在對流換熱和輻射換熱章節(jié)的課堂教學(xué)過程中，學(xué)生參與度較差。分析其中原因主要有：一方面，這部分內(nèi)容記憶性質(zhì)較強，公式和概念較多，對流傳熱模式分類相對繁雜，導(dǎo)致學(xué)生難以抓住重點，出現(xiàn)麻木的學(xué)習(xí)狀態(tài);另一方面，此部分內(nèi)容主要以課件講授為主，由于課時緊內(nèi)容多，導(dǎo)致課堂教學(xué)氛圍枯燥。

（3）學(xué)生從課程學(xué)習(xí)中獲得感較差，通過課程的學(xué)習(xí)僅是掌握了選擇合適的公式解答設(shè)計好的題目，而對于實際傳熱問題的分析能力難以得到鍛煉，難以運用計算機仿真軟件解決相關(guān)復(fù)雜傳熱問題。

3? 課程教學(xué)改革與實踐

為解決上述課程教學(xué)中存在的問題，提高課程教學(xué)質(zhì)量，下面分別從課堂教學(xué)管理、教學(xué)方法與形式和師生交流渠道建設(shè)等方面來論述課程教學(xué)改革與實踐。

3.1 加強課堂教學(xué)效果

課堂教學(xué)管理“既要保證到課率，也要提高抬頭率”，也就是教師要將課上好，讓學(xué)生喜歡上課。一般情況下，每門課的第一節(jié)課學(xué)生到課率是很高的，同時緒論是對本課程的整體概述，因此第一節(jié)課對于教師塑造形象、構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)興趣極為重要，每位教師應(yīng)高度重視第一節(jié)課的準備與設(shè)計。課件內(nèi)容既要簡明扼要地介紹傳熱學(xué)發(fā)展歷程，又要列舉生活中常見的傳熱學(xué)現(xiàn)象，如經(jīng)過暴曬的被子更加保暖和在同樣寒冷條件下屋頂結(jié)霜的房子保溫效果更好等實例。此外，還要結(jié)合科技發(fā)展前沿，介紹傳熱學(xué)在尖端科技生產(chǎn)中的應(yīng)用，如航空發(fā)動機葉片冷卻、激光祛斑中噴霧冷卻和微電子芯片熱管冷卻等技術(shù)介紹，以便激發(fā)學(xué)生對新鮮知識的濃厚興趣。為保證抬頭率，可以使用一些協(xié)助手段，如在第一節(jié)課立下規(guī)矩，上課不允許玩手機，如確有重要事情要處理，可以到教室外處理。

教師應(yīng)加強日常信息收集，如人物典故、工程案例和熱點事件等，以便提高學(xué)生課堂注意力，具體可以從以下幾方面著手：在課堂教學(xué)中在相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)中穿插講解一些人物典故，生動形象地介紹有關(guān)定律的提出與發(fā)展歷程;在課前提出經(jīng)典工程案例中存在的傳熱命題，要求學(xué)生在課上尋找答案，在課尾或者課后開展分組討論，作為平時成績考核內(nèi)容;在課程教學(xué)過程中，適當引入一些熱點事件討論[4，5]，這些熱點事件不一定與傳熱學(xué)相關(guān)，但要能引發(fā)學(xué)生思考，并參與到討論中來。通過熱點事件的討論，構(gòu)建和諧師生關(guān)系，正確引導(dǎo)學(xué)生思想發(fā)展，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。最后，教師應(yīng)充分利用圖片、視頻和數(shù)值仿真等內(nèi)容，將學(xué)生帶入特定的應(yīng)用場景中，使學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)內(nèi)容構(gòu)成已知直觀的視覺、聽覺、感受。

3.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段

課堂上，并不是教師講得越多、越具體詳細越好，還應(yīng)考慮到專業(yè)背景需要和學(xué)生理解能力，重要的是學(xué)生能吸收多少和用到多少。因此，課堂并不是簡單地將教科書里內(nèi)容進行敘述，教師應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的培養(yǎng)目標，選擇教科書中部分內(nèi)容有重點地講解。例如，對于機械電子類專業(yè)，由于機械電子器件工作環(huán)境溫度適中，器件冷卻主要以對流換熱方式實現(xiàn)，因此，在課時安排中應(yīng)適當加強對流換熱這部分課時占比。

隨著計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）的發(fā)展，計算機數(shù)值仿真在工業(yè)設(shè)計中扮演的角色越來越重要，因此，工科背景學(xué)生培養(yǎng)中，應(yīng)該加強學(xué)生運用CFD軟件解決工程問題的能力[6]。常用CFD軟件有Fluent、Star-CD、comsol、CFX和OpenFOAM等，其中OpenFOAM為開源平臺，包含多種標準求解器，可以解決各類流動傳熱問題。在導(dǎo)熱傳熱和對流傳熱章節(jié)講解過程中，應(yīng)適當引入一些簡單幾何形狀的傳熱問題數(shù)值分析算例，并結(jié)合算例講解邊界條件和初值條件的概念與意義。在導(dǎo)熱傳熱和對流傳熱章節(jié)之后，安排2個課時，指導(dǎo)學(xué)生分組完成一個相對復(fù)雜的傳熱過程數(shù)值仿真計算，鍛煉學(xué)生運用CFD解決實際傳熱問題能力。

由于傳熱學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，包含許多計算公式和方程組，并且方程組推導(dǎo)過程對數(shù)學(xué)要求較高，此部分內(nèi)容應(yīng)結(jié)合板書進行講授。教師通過合理的板書設(shè)計，能夠讓學(xué)生抓住課堂重點。特別是導(dǎo)熱微分方程推導(dǎo)和簡化章節(jié)，教師應(yīng)抽出一課時詳細演示的微分方程推導(dǎo)過程，包含各個節(jié)點所作假設(shè)。此外，在教學(xué)實踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)通過板書形式講解課后習(xí)題效果較好，在板書過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，同時提問一些學(xué)生，能夠很大限度地抓取學(xué)生注意力，提高習(xí)題講解效果。

3.3 完善雙向暢通師生交流渠道

教學(xué)過程包含教師“講授”和學(xué)生“學(xué)習(xí)”兩部分，因此教師要時刻關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)情況，包含課堂學(xué)情和課后學(xué)情，利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，加快構(gòu)建有效交流機制[7]。對于課堂學(xué)情，可以通過學(xué)生出勤率和抬頭率等硬指標體現(xiàn)，也可以通過學(xué)生面部表情、課堂氣氛等軟指標進行主觀感知。課后學(xué)情可以通過課后作業(yè)和課后答疑等方面進行評價。為了能讓所有學(xué)生自由發(fā)聲，筆者在教學(xué)過程中建立了一個QQ群，在群里學(xué)生們可以自由發(fā)言，并且可以自由選擇是否匿名發(fā)言，這樣每個學(xué)生都可以自由表達對教學(xué)過程的意見與建議，及時反饋學(xué)習(xí)過程中存在的問題，從而構(gòu)建了和諧的雙向暢通的師生交流渠道。

4? 結(jié)語

傳熱學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)是一個系統(tǒng)工程，本文主要基于往年教學(xué)經(jīng)驗，論述了教學(xué)過程中存在的問題及一些改革實踐。為提升傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)業(yè)務(wù)能力，引導(dǎo)學(xué)生思想構(gòu)筑，在教學(xué)過程中，一是要精煉教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，將課堂教學(xué)講得豐富多彩;二是要課堂教學(xué)聯(lián)系熱點問題，端正思想觀念，激勵學(xué)生參與討論，多方位培養(yǎng)學(xué)生處理問題能力;三是要建立良好的師生交流渠道，確保師生雙向信息傳達順暢，讓學(xué)生能及時反饋問題，讓教師能夠及時解答疑惑。總而言之，每一門課的教學(xué)都是多方位的系統(tǒng)工程，教師在教學(xué)過程中應(yīng)實時實地、因人而異、因內(nèi)容而異地選擇教學(xué)方法，不斷完善教學(xué)過程。

參考文獻

[1] 劉海涌，郭濤.混合式學(xué)習(xí)方法在傳熱學(xué)實驗課教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（11）：39-40.

[2] 閆曉娜，郭思宇.傳熱學(xué)教學(xué)方法與改革實踐[J].制冷與空調(diào)（四川），2019，33（2）：208-210.

[3] 孫健，樊斌，張任平.工程認證背景下“傳熱學(xué)”混合式教學(xué)模式改革與實踐[J].科技與創(chuàng)新，2021（10）：140-141.

[4] 李志國，劉學(xué)東，邵理堂.傳熱學(xué)課程中的思政教育實踐[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（31）：194-195.

[5] 張會肖.課程思政建設(shè)是提升大學(xué)生文化自信的重要抓手[J].科技資訊，2021，19（3）：118-120.

[6] 張欣，朱超，湯吉昀，等.本科生傳熱學(xué)課程教學(xué)模式改革與實踐[J].山東化工，2020（49）：230-231.

[7] 向迎春."互聯(lián)網(wǎng)+教育"背景下師生關(guān)系的嬗變[J]. 科技資訊，2020，18（30）：150-152.