以科教融合為導(dǎo)向的高等傳熱學(xué)課程教學(xué)改革

楊帆　姜文全　鄭平　王衛(wèi)強(qiáng)

［摘 要］高等傳熱學(xué)是能源、動力、儲運(yùn)、石工、制冷空調(diào)和工程熱物理等專業(yè)研究生的一門重要課程，在研究生的培養(yǎng)過程中起到至關(guān)重要的作用。文章針對目前高等傳熱學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題，提出從課程內(nèi)容上進(jìn)行模塊設(shè)置，分為基礎(chǔ)模塊、方法模塊和案例模塊，使用線上和線下混合式教學(xué)手段使“教”更具靈活性，采用研究性、開放式方法使“學(xué)”更具目的性，同時結(jié)合石油石化的特點(diǎn)進(jìn)行了特色案例庫的建設(shè)，這樣既夯實(shí)了學(xué)生理論基礎(chǔ)又提高了學(xué)生的科學(xué)研究能力，以期為不同專業(yè)研究生的熱工類相關(guān)課程的教學(xué)改革提供新思路。

［關(guān)鍵詞］高等傳熱學(xué)；研究性；科教融合

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0129-03

隨著研究生教育戰(zhàn)略地位的日益凸顯，研究生培養(yǎng)質(zhì)量提升的緊迫性更加突出。課程學(xué)習(xí)作為研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是培養(yǎng)研究生基本科研素養(yǎng)和科研能力的基本途徑。已有學(xué)者[1-2]指出研究生課程教學(xué)存在的問題包括教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法“本科化”等，不僅使部分研究生對所學(xué)課程多有抱怨，也讓部分研究生導(dǎo)師深感目前的課程無助于研究生能力的培養(yǎng)[3]。因此，研究生課程的教學(xué)改革勢在必行。

高等傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科，是能源、動力、化工、制冷空調(diào)和工程熱物理等專業(yè)研究生必須學(xué)習(xí)的一門重要課程。傳熱理論的應(yīng)用幾乎涉及工程科學(xué)的各個領(lǐng)域，學(xué)好本課程是學(xué)生今后從事相關(guān)科研工作和解決工程應(yīng)用問題的基礎(chǔ)。國內(nèi)各高校相繼對高等傳熱學(xué)課程進(jìn)行了以下改革，張靖周[4]從教材建設(shè)出發(fā)，采用研究性和探究性教學(xué)方法以促進(jìn)研究生“三強(qiáng)一高”；各高校先后采用了研究性[5]、開放互動式[6]教學(xué)方法，以學(xué)習(xí)者為中心，從課程內(nèi)容[7]、實(shí)踐[8] 、案例庫的建設(shè)[9]方面進(jìn)行教學(xué)改革，從而最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，啟迪創(chuàng)新思維，提高科學(xué)研究能力。但研究生課程的教學(xué)改革應(yīng)從整體考慮，如果不分析本校學(xué)生的層次和特點(diǎn)而只是照貓畫虎，或是不從整體考慮而只是片面地改革教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)方法，那么教學(xué)改革也只會流于形式，不能真正起到作用。

一、高等傳熱學(xué)課程存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)

高等傳熱學(xué)課程針對導(dǎo)熱的理論解問題介紹了分離變量法、拉普拉斯變換法、近似積分法等方法，涉及煩瑣的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)過程，但是當(dāng)學(xué)生遇到實(shí)際工程問題時，只能解決簡單的幾何邊界下的導(dǎo)熱問題，稍復(fù)雜的幾何邊界的問題就無法用解析解解決，導(dǎo)致學(xué)生會對課程產(chǎn)生疑問：建立數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜的解析解有什么用？

（二）課程設(shè)置的導(dǎo)向性不強(qiáng)

目前課程的內(nèi)容設(shè)置偏重于基礎(chǔ)理論分析，而且對于數(shù)學(xué)推導(dǎo)要求較高，學(xué)生會有一種在學(xué)習(xí)數(shù)理方程的感覺。但對于應(yīng)用型高校的研究生來說，科研課題大多來源于實(shí)際工程實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)理論對實(shí)踐的指導(dǎo)，追求化煩瑣為簡單、可以進(jìn)行工程估算，對于過于繁雜的理論公式推導(dǎo)，得到的復(fù)雜解析解（如特征值問題得到的特征函數(shù)）沒有辦法進(jìn)行數(shù)值上或工程上的驗(yàn)證，這樣學(xué)習(xí)就變成了一種應(yīng)試型教育，無法學(xué)以致用，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，更談不上鉆研精神了。研究生導(dǎo)師寄予厚望的課程沒有達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生用傳熱學(xué)方法解決問題的能力的目的，學(xué)生也浪費(fèi)時間和精力。

（三）授課對象基礎(chǔ)差異大

由于學(xué)習(xí)高等傳熱學(xué)課程需要本科階段工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)，跨專業(yè)的研究生雖然在研究生入學(xué)考試和復(fù)試時對上述專業(yè)基礎(chǔ)課程有一定的認(rèn)識，但沒有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過，因此在知識體系中理論框架的構(gòu)建上還是差強(qiáng)人意。本專業(yè)成績較好的學(xué)生能夠很快地進(jìn)入學(xué)習(xí)，而跨專業(yè)的學(xué)生雖說補(bǔ)修了本科階段的專業(yè)課程，但在專業(yè)基礎(chǔ)課上還有很大欠缺。筆者在每屆學(xué)生的第一次課上，都會進(jìn)行摸底問卷調(diào)查，如果跨專業(yè)比例較大，就會用4～6個學(xué)時進(jìn)行熱工學(xué)課程的概述，這在研究生教學(xué)中也是一個難點(diǎn)。

綜上所述，高等傳熱學(xué)課程教學(xué)中存在的理論性強(qiáng)、導(dǎo)向性差和授課差異大的問題在大多數(shù)工科類高校研究生課程中是共性存在的。為了使學(xué)生不僅能夠掌握更豐富的相關(guān)知識、夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，而且能夠提升運(yùn)用高等傳熱學(xué)理論解決科研和工程問題的能力，我校高等傳熱學(xué)課題組從科教融合和凸顯石油石化特色兩個思路出發(fā)，采用線上+線下混合式教學(xué)和研究性教學(xué)方法對高等傳熱學(xué)課程進(jìn)行了深入的系統(tǒng)的課程建設(shè)，以科教融合為導(dǎo)向，在學(xué)位課程和研究課題間建立聯(lián)系，在任課教師和指導(dǎo)教師間搭建橋梁，形成反饋，夯實(shí)基礎(chǔ)，提升學(xué)生的科研能力。

二、教學(xué)改革的探索

（一）課程內(nèi)容的模塊化

一般來講，高等傳熱學(xué)課程內(nèi)容的展開和本科階段課程內(nèi)容的展開是略有不同的。本科階段是按照熱量傳遞的基本方式導(dǎo)熱、熱對流和熱輻射來展開的，而高等傳熱學(xué)則是按導(dǎo)熱和對流來展開的，如果有輻射參與則考慮為復(fù)合傳熱過程。導(dǎo)熱部分分為導(dǎo)熱的基本理論、多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，研究方法有分離變量法、格林函數(shù)法、拉普拉斯變換法等；模塊化的目的是將授課內(nèi)容功能化，讓學(xué)生清楚哪些是課程的理論知識，哪些是解決問題的數(shù)學(xué)手段。將基礎(chǔ)理論模塊設(shè)置在開課前期，然后引入方法模塊，完成后再進(jìn)入案例分析模塊。部分內(nèi)容的模塊化過程如圖1所示。

（二）教學(xué)體系的建設(shè)與方法的改革

在完成課程模塊化設(shè)置后，采用混合式教學(xué)方法來解決授課對象差異大的難題。要完成前述基礎(chǔ)性內(nèi)容體系的教學(xué)，僅靠課堂時間很難實(shí)現(xiàn)。為此，教師可以基于知識共享、信息共享理念，采用混合式教學(xué)方法將線上與線下有效對接，將有限的課堂教學(xué)與無限的課外學(xué)習(xí)合理銜接，具體內(nèi)容分配如圖2所示。如在導(dǎo)熱部分的學(xué)習(xí)中，學(xué)生首先進(jìn)行導(dǎo)熱基本定律、導(dǎo)熱方程、單值性條件等的線上學(xué)習(xí)以夯實(shí)基礎(chǔ)?？鐚I(yè)的學(xué)生可反復(fù)多次進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，而本專業(yè)的學(xué)生則可迅速進(jìn)入專業(yè)案例模塊學(xué)習(xí)中。對于油氣儲運(yùn)專業(yè)特色案例模塊中的地下埋管的導(dǎo)熱分析，需要使用到數(shù)學(xué)方法模塊中的內(nèi)熱源法，若管道敷設(shè)在凍土層內(nèi)則涉及各向異性材料的導(dǎo)熱部分知識，我們均采用線下面授的方式進(jìn)行教學(xué)，案例和專業(yè)特色的結(jié)合將會使學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性增強(qiáng)，興趣也會增加，從而達(dá)到科教融合的目的。

我校高等傳熱學(xué)課程的計劃學(xué)時為48學(xué)時，在學(xué)時分配上將其分成3部分：16學(xué)時為基礎(chǔ)模塊學(xué)習(xí)，16學(xué)時為方法模塊學(xué)習(xí)，16學(xué)時為案例模塊學(xué)習(xí)。教師在課程開設(shè)前將教學(xué)大綱模塊從線上推送給學(xué)生，要求每個學(xué)生根據(jù)自己的研究方向選擇模塊任務(wù)來進(jìn)行學(xué)習(xí)并提交學(xué)習(xí)計劃表，這樣學(xué)生就有了學(xué)習(xí)主動權(quán)，有了明確的學(xué)習(xí)計劃，也使任課教師可以因“計劃”施教。

（三）特色案例模塊的建立

為了使學(xué)習(xí)更有指向性、提升研究生的科研素質(zhì)和能力，進(jìn)行特色案例庫的建設(shè)是非常必要的。筆者征詢了碩士研究生導(dǎo)師負(fù)責(zé)的科研項(xiàng)目，把其中的一些與傳熱有關(guān)的經(jīng)典問題和前沿科研問題進(jìn)行了特色案例模塊的設(shè)置，包含導(dǎo)熱部分的地下埋管的導(dǎo)熱、熱油管道的傳熱過程、停輸再啟動的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程等經(jīng)典問題，還有些任課教師研究的納米流體傳熱機(jī)理和微尺度流動與換熱等前沿問題。這樣既增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性，又提升了運(yùn)用課程相關(guān)知識去解決工程問題的能力，拓寬了學(xué)習(xí)的思路。但特色案例庫的建設(shè)需要任課教師和指導(dǎo)教師花費(fèi)大量的時間與精力共同研究、反復(fù)研討，最后凝練出適合學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的案例。案例庫的建設(shè)在任課教師和指導(dǎo)教師之間進(jìn)行了無縫對接，不僅夯實(shí)了學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識，而且與導(dǎo)師的研究課題進(jìn)行了緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與科研的深層次結(jié)合。在案例庫的基礎(chǔ)上，我們也設(shè)置了開放性課題，學(xué)生可以選擇生活中或是工程實(shí)際中自己感興趣的課題來共同分析和研究，因?yàn)殚_放性課題是案例課題的拓展。具體課題形式如表1所示。

（四）高等傳熱學(xué)微課的錄制

由于研究生課程網(wǎng)上資源的有限性，必要的微課錄制至關(guān)重要。微課的核心組成部分是課堂教學(xué)視頻。盡管微課時間短，但其仍是具有相對完整教學(xué)結(jié)構(gòu)和流程的獨(dú)立課程[10]。微課教學(xué)目標(biāo)明確、重難點(diǎn)知識突出、針對性強(qiáng)，短時間內(nèi)可以吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生一目了然，因而可以提高教學(xué)效果。微課的出現(xiàn)符合當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)時代的特點(diǎn)，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方學(xué)習(xí)者就可以隨時隨地地學(xué)習(xí)，并且可以根據(jù)自身對知識點(diǎn)的掌握情況有選擇性地學(xué)習(xí)，靈活支配學(xué)習(xí)的內(nèi)容、時間和場所，打破了學(xué)習(xí)的時間和空間限制，不僅能夠解決課堂上大量、反復(fù)地講授重點(diǎn)難點(diǎn)知識占用寶貴學(xué)時的問題，又可方便學(xué)生進(jìn)行期末復(fù)習(xí)和考研復(fù)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。任課教師團(tuán)隊(duì)對熱油管道的傳熱過程等特色課程進(jìn)行了微課的錄制，在后續(xù)的改革中將會對其逐漸完善。

（五）考核方式改革

高等傳熱學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備應(yīng)用傳熱學(xué)的理論知識去認(rèn)識和解決相關(guān)的工程問題的能力，考核的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)只考慮能否用固定的理論去分析、用固定的公式去推導(dǎo)，而應(yīng)考慮能否應(yīng)用傳熱學(xué)知識解決實(shí)際問題。成績的組成分別為學(xué)時成績30%、卷面成績30%、案例成績20%和結(jié)果成績20%。成績優(yōu)秀的條件滿足以下一條即可：（1）在核心期刊或更高水平雜志上發(fā)表相關(guān)的科技論文；（2）針對某一實(shí)際案例提出科學(xué)的、系統(tǒng)的解決方案，形成展報或進(jìn)行PPT展示；（3）在傳統(tǒng)的傳熱學(xué)問題的基礎(chǔ)上提出了開放性問題，解決思路和方法得到了大家的一致認(rèn)可；（4）對某一傳熱課題進(jìn)行微視頻的錄制，得到了大家的一致認(rèn)可。這樣的結(jié)果考核方式既調(diào)動了學(xué)生的積極性，又突出了成果導(dǎo)向。

三、教學(xué)改革實(shí)踐與反思

高等傳熱學(xué)的教學(xué)改革已在2016級、2017級和2018級油氣儲運(yùn)工程、石油工程專業(yè)的研究生范圍內(nèi)實(shí)施。學(xué)生自主選擇模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)的熱情很高，都能夠在自己的研究方向上找到與高等傳熱學(xué)課程的契合點(diǎn)來進(jìn)行自己課程的設(shè)置，其中絕大多數(shù)學(xué)生選擇了課程優(yōu)質(zhì)模塊來完成理論知識模塊的學(xué)習(xí)，因?yàn)殪`活性較大?？鐚I(yè)的學(xué)生可以多修，而本專業(yè)的學(xué)生可以花費(fèi)較多的時間和精力在方法模塊學(xué)習(xí)上，也可以更早地進(jìn)入案例模塊的學(xué)習(xí)。有了選擇權(quán)的學(xué)生變成了課程的主人，使以學(xué)生為主體的教學(xué)目的得以實(shí)現(xiàn)，也使研究性學(xué)習(xí)課堂的氛圍活躍起來。新的考核方式弱化了應(yīng)試的卷面成績，突出了教學(xué)參與過程和成果導(dǎo)向。3屆學(xué)生的期末考核成績平均分為85分以上，高分段在95分左右，同時形成了大量的優(yōu)秀展報、PPT課件和開放性課題，也有論文發(fā)表。從學(xué)生成績看，成果導(dǎo)向作用明顯，這些成果為任課教師的教學(xué)和指導(dǎo)教師的科研都注入了新鮮血液。

四、結(jié)語

為了激勵研究生更好地進(jìn)行學(xué)位課程的學(xué)習(xí)，學(xué)有所用、學(xué)以致用，開展了科教融合為導(dǎo)向的高等傳熱學(xué)課程的教學(xué)改革，旨在注重教學(xué)和科研的有機(jī)融合，采用混合式、研究性和開放性的教學(xué)方法和手段，在學(xué)位課和科研課題間建立橋梁，推動和促進(jìn)研究生參與指導(dǎo)教師的科研活動，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，提高其開展科學(xué)研究的能力。然而高等傳熱學(xué)的課程教學(xué)改革在探索過程中依然存在局限性，要想取得好的效果，需要研究生指導(dǎo)教師的投入和配合，更有待方家指正。

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］