熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程教學(xué)手段改革探索

王 健 于磊鑫

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院市政與環(huán)境工程系，遼寧 沈陽 110167）

0 引言

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)在工程領(lǐng)域的一門重要課程，重點(diǎn)研究物質(zhì)間動(dòng)、熱及質(zhì)之間的傳播現(xiàn)象，通過從傳遞規(guī)律的探討中獲得理論知識(shí)，以指導(dǎo)其在實(shí)際工程中的使用和實(shí)踐。本課程特點(diǎn)是涉及范圍廣、理論知識(shí)強(qiáng)，公式量多且符號(hào)表示雜亂，因此學(xué)生剛開始接觸和學(xué)習(xí)時(shí)，極容易感到枯燥乏味，課程學(xué)習(xí)效果較差。教師對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行授課時(shí)，通常列舉發(fā)生在實(shí)際生活中的相關(guān)現(xiàn)象，并針對(duì)現(xiàn)象背后的理論知識(shí)進(jìn)行剖析、歸納和總結(jié)。但是受傳統(tǒng)教學(xué)手段限制，板書結(jié)合PPT形式無法使學(xué)生對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)及原理進(jìn)行深入理解，不能夠使學(xué)生實(shí)現(xiàn)舉一反三的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，對(duì)于“線上”和“線下”相結(jié)合的混合式教學(xué)模式的提出及應(yīng)用尤為重要。

1 教學(xué)手段現(xiàn)狀及改革思路

1.1 教學(xué)現(xiàn)狀

沈陽城市建設(shè)學(xué)院熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的培養(yǎng)方案共設(shè)置四十八學(xué)時(shí)課程，其中包括實(shí)驗(yàn)兩學(xué)時(shí)，理論學(xué)時(shí)四十六學(xué)時(shí)。授課對(duì)象為我校建環(huán)專業(yè)大三學(xué)生。熱質(zhì)交換原理的教學(xué)內(nèi)容主要包括：傳質(zhì)現(xiàn)象簡(jiǎn)述、采用類比手法研究物質(zhì)間動(dòng)、熱及質(zhì)之間的傳播現(xiàn)象、明確空氣的熱濕處理過程和方法、探討吸附和吸收材料進(jìn)行空氣處理的理論方法；熱質(zhì)交換設(shè)備的教學(xué)內(nèi)容主要包括幾類主要熱工計(jì)算，如間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備、混合式熱質(zhì)交換設(shè)備、復(fù)合式熱質(zhì)交換設(shè)備等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為空氣的熱濕處理，主要強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

以往授課以課堂教學(xué)為主，授課教師采用了板書+多媒體的教學(xué)手段，成績(jī)考核由出勤、課堂筆記、課后作業(yè)、隨堂測(cè)驗(yàn)、參考閱讀課外書目情況等組成。平時(shí)成績(jī)占20%、期末試卷考試占70%和實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%共同組成。

目前存在的主要問題有：

（1）教學(xué)內(nèi)容連續(xù)性較差。在教授熱質(zhì)交換原理部分過程中，課程中涉及的傳質(zhì)過程，與傳熱學(xué)和流體力學(xué)中的動(dòng)量、熱量傳輸過程類似，同時(shí)還存在著密切聯(lián)系。因此學(xué)生對(duì)于傳熱學(xué)和流體力學(xué)的理解程度，直接影響對(duì)質(zhì)量傳遞過程機(jī)理的理解。但是受疫情影響，我校18級(jí)同學(xué)們的專業(yè)前序課程傳熱學(xué)、流體力學(xué)課程在2020年春季完全是線上授課，使得同學(xué)們對(duì)知識(shí)的理解存在欠缺。因此，授課教師在2020年秋季的熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的各種教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)展不連續(xù)，需要領(lǐng)著學(xué)生復(fù)習(xí)一下前續(xù)傳熱學(xué)以及流體力學(xué)課程內(nèi)容，保證教學(xué)內(nèi)容的連續(xù)性，否則，同學(xué)們對(duì)于傳熱學(xué)和流體力學(xué)的內(nèi)容不懂，使得對(duì)于傳質(zhì)的內(nèi)容也是一頭霧水。

（2）考核方式單一。以往的考核方式從本質(zhì)上看還是應(yīng)試教育，考察的是學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容的掌握程度，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)改革思路

綜上所述，為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)主動(dòng)性、學(xué)習(xí)自覺性，并就學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，同時(shí)有效提升教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生真正具備創(chuàng)新的意識(shí)、理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革。

1.2.1 教學(xué)手段的改變

最近兩年，由于疫情原因，及結(jié)合專業(yè)定位和學(xué)生的實(shí)際情況，教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變要緊緊圍繞著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方向和目標(biāo)。為了改變傳統(tǒng)教學(xué)過程中灌輸式的教學(xué)方式，要讓課堂活躍起來，各教師同行進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，提出了很多新的教學(xué)手段和教學(xué)方法。針對(duì)本課程具有理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用密切結(jié)合的特點(diǎn)，在疫情期間本門課程教學(xué)模式提出了“線上”和“線下”相結(jié)合的教學(xué)，混合式教學(xué)將課堂教學(xué)的核心由課堂知識(shí)講述轉(zhuǎn)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將以教師為教學(xué)的主體轉(zhuǎn)換為學(xué)生。本模式既能展示教師的輔導(dǎo)作用，又能體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

1.2.2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

本課程所用的教材是連之偉主編第四版的《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》。教材主要分為熱質(zhì)交換原理和熱質(zhì)交換設(shè)備兩部分。第一部分包括傳質(zhì)現(xiàn)象簡(jiǎn)述、采用類比手法研究物質(zhì)間動(dòng)、熱及質(zhì)之間的傳播現(xiàn)象、明確空氣的熱濕處理過程和方法、探討吸附和吸收材料進(jìn)行空氣處理的理論方法；第二部分主要包括幾類主要熱工計(jì)算，如間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備、混合式熱質(zhì)交換設(shè)備、復(fù)合式熱質(zhì)交換設(shè)備等。以第四章空氣的熱濕處理為例，焓濕圖的實(shí)踐應(yīng)用與濕空氣物理性質(zhì)與工程熱力學(xué)中內(nèi)容重復(fù)，主要由工程熱力學(xué)課程細(xì)致講述，需要帶領(lǐng)同學(xué)們鞏固復(fù)習(xí)前序課程；熱質(zhì)交換原理與設(shè)備中各類熱交換設(shè)備的熱工計(jì)算在本課程會(huì)主要講解，為日后學(xué)習(xí)空調(diào)工程課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本人在授課過程中結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況將教材的授課順序進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。首先對(duì)傳質(zhì)理論基礎(chǔ)、傳熱傳質(zhì)中分析計(jì)算問題的原理部分進(jìn)行講解；其次分開講授空氣熱濕處理過程及應(yīng)用，本部分中空氣與固體表面之間熱濕交換的熱工計(jì)算以及間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算進(jìn)行聯(lián)合講解。空氣與水直接接觸時(shí)的熱濕交換熱工計(jì)算、混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算進(jìn)行聯(lián)合講解；最后對(duì)吸附和吸收處理空氣的原理與方法進(jìn)行講解。這樣的劃分主要是遵循了理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的先后連續(xù)性，例如，把發(fā)生在空氣與固體表面之間的熱濕交換當(dāng)作問題講述和分析模型，從中得出的結(jié)論，可以在間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計(jì)算中進(jìn)行實(shí)際教學(xué)應(yīng)用。同樣熱濕交換發(fā)生在空氣與水直接接觸過程中，如常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中冷卻水系統(tǒng)，就是熱質(zhì)交換設(shè)備冷卻塔熱工計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用。在講述上述熱質(zhì)交換設(shè)備時(shí)，為了讓同學(xué)帶著真實(shí)的技術(shù)練習(xí)，選取實(shí)際工程如沈陽市某辦公樓項(xiàng)目作為教學(xué)內(nèi)容，將該辦公樓內(nèi)各類空調(diào)設(shè)備的選型應(yīng)用進(jìn)行講解，加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)課程的理解。

1.3 教學(xué)方法改變及建立客觀合理的考核方式

師生間勤交流常溝通，可以知曉學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容的掌握情況，注意與學(xué)生建立融洽的師生關(guān)系，立足人才培養(yǎng)目標(biāo)，從學(xué)生需求出發(fā)，遵循教育規(guī)律，以輕松和諧為宗旨，使學(xué)生對(duì)該門課程產(chǎn)生興趣。針對(duì)部分學(xué)生存在學(xué)習(xí)主動(dòng)性比較差的問題，要注重和他們的交流，培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)的興趣并及時(shí)在線上階段完成相應(yīng)的任務(wù)點(diǎn)。在考核方式上，將傳統(tǒng)的平時(shí)成績(jī)+期末成績(jī)進(jìn)行調(diào)整，除了在線下課堂教學(xué)中，將課堂討論環(huán)節(jié)增加進(jìn)來外，在課下，學(xué)生還可利用現(xiàn)代檢索工具搜集資料，課上進(jìn)行匯報(bào)，教師根據(jù)匯報(bào)情況進(jìn)行打分并計(jì)入學(xué)生過程性成績(jī)中，并將線上各位同學(xué)成績(jī)、學(xué)習(xí)內(nèi)容完成度及測(cè)驗(yàn)完成度進(jìn)行測(cè)評(píng)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)成績(jī)占比增大。

2 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 線上教學(xué)

通過對(duì)我校18級(jí)同學(xué)在2020年秋季學(xué)期對(duì)該門課程最后的成績(jī)來看，學(xué)生的期末成績(jī)并不理想，以此，在2021年秋季學(xué)期中對(duì)我校19級(jí)同學(xué)進(jìn)行了教學(xué)手段及教學(xué)方法的改革。學(xué)生線上教學(xué)分兩部分內(nèi)容，一部分是學(xué)習(xí)通中任務(wù)點(diǎn)、隨堂測(cè)驗(yàn)的完成，另一部分為課后作業(yè)及小結(jié)。此環(huán)節(jié)引入學(xué)習(xí)通上南京工業(yè)大學(xué)教師的教學(xué)示范包。為了保證學(xué)習(xí)通上的預(yù)習(xí)的質(zhì)量，學(xué)習(xí)通中的視頻任務(wù)點(diǎn)設(shè)置了闖關(guān)環(huán)節(jié)，以此監(jiān)督學(xué)生們的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)；線上學(xué)習(xí)通內(nèi)容主要包括基本概念及相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)等。例如，在講述傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)內(nèi)容時(shí)，課前需要進(jìn)行預(yù)習(xí)內(nèi)容包括質(zhì)量濃度、傳質(zhì)速率、傳質(zhì)通量等概念，并將該內(nèi)容與前序課程化學(xué)進(jìn)行對(duì)比論述等；講解斐克定律的時(shí)候，課前預(yù)習(xí)內(nèi)容包括流體力學(xué)中牛頓黏性定律、傳熱學(xué)中傅里葉導(dǎo)熱定律等。課后作業(yè)主要以簡(jiǎn)答題的形式論述，比如水的蒸發(fā)凝結(jié)的質(zhì)量擴(kuò)散率，更加強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)在實(shí)際問題中的應(yīng)用。在講述空氣的熱濕處理內(nèi)容時(shí)，課前預(yù)習(xí)內(nèi)容為處理空氣的設(shè)備的復(fù)習(xí)以及焓濕圖的復(fù)習(xí)，焓濕圖是空氣熱濕處理途徑的表現(xiàn)方式，對(duì)于焓濕圖中每個(gè)點(diǎn)、每條線都需要熟練掌握。講述三大類熱質(zhì)交換設(shè)備時(shí)，課前預(yù)習(xí)內(nèi)容包括空氣與固體表面之間、空氣與水直接接觸時(shí)的熱濕交換過程等。此外，為了讓學(xué)生對(duì)熱質(zhì)交換設(shè)備所在應(yīng)用系統(tǒng)中的作用有所了解，課后作業(yè)主要以主觀題的形式出現(xiàn)，更加強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)在解決實(shí)際問題中對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.2 線下教學(xué)

課堂教學(xué)中教師主要是以討論、提問、解答為主，師生之間以互動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué)。需要教師根據(jù)學(xué)生課前在學(xué)習(xí)通上預(yù)習(xí)的內(nèi)容，設(shè)置必要的隨堂測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)，進(jìn)而保證課堂環(huán)節(jié)的正常進(jìn)行。本課程在課堂教學(xué)中以學(xué)生常見的物理相態(tài)變化為主，通過物理變化和空氣熱濕處理設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行工程問題的分析討論，積極的找到使問題簡(jiǎn)化的途徑從而讓學(xué)生更好地理解課程的內(nèi)容。

傳統(tǒng)灌輸式授課模式學(xué)生上課缺乏主動(dòng)思考，教學(xué)效果較差，本次教學(xué)最大的改變是課前積極預(yù)習(xí)并將教師學(xué)習(xí)通里布置的任務(wù)完成的同學(xué)，課堂上學(xué)生的活躍度高了，課堂上學(xué)生精神面貌大為改觀，參與課堂教學(xué)的意識(shí)大幅提高，同時(shí)通過提前預(yù)習(xí)發(fā)現(xiàn)的問題也會(huì)在課上與教師進(jìn)行積極溝通，提高了學(xué)生對(duì)聽課率和記筆記率。這些狀態(tài)的改變要求同學(xué)們具有較高的自學(xué)積極性并且必須要有自學(xué)能力，課堂上授課的流暢性取決于課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的效果，反過來，對(duì)授課教師的要求也越來越高。

3 課程思政建設(shè)

在2016年全國高校思政工作會(huì)議上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面”。作為教師要在課堂中讓學(xué)生提高思想政治方面理論，需要把思想政治教育與課程教學(xué)緊密聯(lián)系在一起。熱質(zhì)交換原理與設(shè)備作為建環(huán)專業(yè)在工程領(lǐng)域中一門實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，把授課內(nèi)容與課程思政進(jìn)行有序高效結(jié)合，值得任課教師進(jìn)行好好思考。建環(huán)專業(yè)著重于培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型人才，主要學(xué)習(xí)工業(yè)與民用建筑的供暖、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)以及制冷系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都圍繞能源展開，建筑能耗中空調(diào)的能耗約占總能耗的一半，為了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，節(jié)約能耗受到國家相關(guān)主管部門的高度重視，成為我國目前改善經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、調(diào)整發(fā)展方式的重要突破口。隨著節(jié)能工作循序漸進(jìn)的推進(jìn)，在建筑的整個(gè)生命周期，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和最終使用，不僅執(zhí)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，還要注重建筑內(nèi)部各空調(diào)系統(tǒng)采用設(shè)備的精確選型，并加強(qiáng)建筑內(nèi)用能設(shè)備的管理，提高暖通設(shè)備的運(yùn)行效率，并且要積極使用可再生能源，通過本課程的講解，給同學(xué)們建立積極選取利用可再生能源為燃料的高效率設(shè)備，確保在不影響建筑物使用功能和室內(nèi)熱濕環(huán)境的情況下，有效降低建筑能耗。踐行習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)的人與自然和諧共生的理念，實(shí)現(xiàn)中國夢(mèng)第二個(gè)百年目標(biāo)，即生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。

課程思政才剛剛起步，需要教師找到與本課程的相關(guān)聯(lián)結(jié)合點(diǎn)最為關(guān)鍵。通過改變本課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段等，提高同學(xué)們的綜合素養(yǎng)，滿足對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

針對(duì)熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程涉及范圍面廣、理論知識(shí)強(qiáng)、內(nèi)容抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)理解困難等現(xiàn)狀，本文從課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行全面分析，提出了熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的教學(xué)改革手段和方法，并在課程教學(xué)中進(jìn)行了有效應(yīng)用。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐證明：“線上”+“線下”混合式教學(xué)方式可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)學(xué)生的參與和理解能力提升效果顯著。新型教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，具備分析解決問題能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才意義重大。