“雙碳”背景下面向新能源傳熱學的啟發(fā)式教學模式探究

謝果 徐永 陳云良 陳建野

摘? 要：在碳達峰、碳中和背景下，未來新能源產業(yè)迫切需要掌握專業(yè)知識且更具廣闊視野的人才，這給高校能源專業(yè)課堂教學帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。傳熱學作為能源專業(yè)的必修課程之一，結合新能源知識對其教學模式進行改進，有助于拓展學生視野和未來競爭力。本傳熱學課程采用課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)的漸進啟發(fā)式教學模式，首先激勵學生構想新能源未來發(fā)展和前沿技術，逐步引導學生運用傳熱學知識剖析新能源行業(yè)的經典案例，再通過課程設計等進一步強化學生對新能源產業(yè)實際問題的分析和解決能力?；诖私虒W模式，一方面可以鞏固學生所學傳熱學知識，并增強其學習興趣，另一方面可拓寬學生的學術視野，同時提高分析問題及動手實踐能力，為其未來從事相關產業(yè)打下堅實基礎。

關鍵詞：傳熱學;新能源;教學探究;啟發(fā)式教學

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）20-0140-04

Abstract： Under the background of carbon peak and carbon neutral， graduates need professional knowledge and wide vision to meet the requirements of the new energy industry in the future， which poses new challenge and opportunity for teaching in energy discipline of colleges and universities. Heat Transfer is one of the required courses for students in energy discipline. Improving the course by integration with new energy will help students to widen their vision and strengthen their competitiveness. With this aim， a progressive inspiring teaching composed of before-class， in-class and after-class period is adopted. Students will be firstly inspired by the new energy development and relevant frontier technology， then guided to analyze the typical cases in new energy via knowledge of heat transfer， and further consolidated their analytical and problem-solving skills in practice of new energy industry. Benefits of the proposed inspiring teaching include two parts. On one hand， heat transfer knowledge could be consolidated and learning interests of students could be enhanced. On the other hand， wide academic vision， analytical and problem-solving skills of the students could be achieved， paving their way for engaging relevant industry in the future.

Keywords： Heat Transfer; new energy; teaching exploration; inspiring teaching

在碳達峰、碳中和背景下，開展新能源學科建設及培養(yǎng)新能源方面人才是能源專業(yè)的重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)能源專業(yè)的工科人才，未來新能源產業(yè)需要實踐能力、適應性及創(chuàng)新性均更強的復合型人才[1]。在瞄準國際及產業(yè)未來發(fā)展的基礎上，人才培養(yǎng)應從過去“先培養(yǎng)后就業(yè)”的模式，逐步轉變?yōu)橐允袌鲂枨鬄閷虻尼槍π耘囵B(yǎng)模式。為深化該類工程教育改革，教育部在2017發(fā)布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函[2017]6號），該文件指明了工科教育新的改革方向。未來新能源方向的人才培養(yǎng)理念將更以市場為導向，強調未來人才在行業(yè)發(fā)展中的引領作用[2]。據(jù)此，能源專業(yè)應在保持完整專業(yè)知識體系的基礎上，進一步培養(yǎng)學生面對實際問題時的自主創(chuàng)新能力，使學生畢業(yè)后同時具備專業(yè)理論知識和動手能力[3]。這種培養(yǎng)模式的改進，不僅是能源專業(yè)自身發(fā)展的需求，更是高等教育引領相關產業(yè)所需承擔的社會責任和義務。

傳熱學作為能源專業(yè)的必修課程之一，對學生認知新能源方面知識有著十分重要的影響。一方面，該課程涉及能源行業(yè)的許多基本概念、原理和分析方法，是后續(xù)如新能源技術等其他專業(yè)課程的基礎。另一方面，該課程內容包括許多實際工程問題的案例分析，這些內容對培養(yǎng)學生實際分析問題和解決問題的能力十分重要[4-5]。然而，傳統(tǒng)的傳熱學教學內容和模式存在內容過于理論化且局限于課堂授課等問題，因此很難讓學生在有限的課程學習中建立起相關知識與新能源產業(yè)之間的聯(lián)系，無法很好地培養(yǎng)學生對新能源產業(yè)的興趣和熱情。面臨類似問題的專業(yè)課程嘗試了許多改進方法和思路，包括采用多元化的成績評價體系[6-9]、強化實踐教學環(huán)節(jié)、豐富教學實驗內容、結合各類網(wǎng)絡教學平臺[10-14]等。

據(jù)此，通過借鑒和參考上述課程的教學改革經驗，將新能源相關知識逐步引入到傳熱學課堂，使課程內容更好地適應未來新能源產業(yè)對畢業(yè)生的要求。同時，將傳統(tǒng)傳熱學教學改進為漸進啟發(fā)式教學。具體為，在整個教學環(huán)節(jié)中，將課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)有機整合起來，讓學生從了解新能源背景和前沿技術展望，逐步掌握運用傳熱學知識剖析新能源行業(yè)案例的方法，以此實現(xiàn)從理論到實踐的漸進啟發(fā)式教學過程。該教學改革不但可以增強學生對傳熱學知識的理解和學習動力，還能夠提高學生對新能源產業(yè)的興趣，培養(yǎng)學生未來涉足新能源產業(yè)的自信心和解決相關實際問題的能力，為其從事相關產業(yè)打下基礎。

一、創(chuàng)新教學模式

面向新能源的傳熱學教學采用啟發(fā)式教學模式，具體內容如圖1所示。在整個教學過程中，分別于課前、課中和課后對學生展開新能源及傳熱學有關的教學工作。課前環(huán)節(jié)內容為在傳熱學授課的前期階段，開展新能源概論、新能源講座和大創(chuàng)項目，通過背景知識引導學生積極思考，啟發(fā)學生關注新能源產業(yè)和前沿技術。課中環(huán)節(jié)內容為在傳熱學授課期間，除對學生講解理論知識以外，另輔以新能源相關的案例解析和課程實驗內容，啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生對具體問題的分析能力。課后環(huán)節(jié)內容為在授課環(huán)節(jié)之后，通過后續(xù)課程設計、學科競賽和論文專利寫作等，鍛煉學生面對新能源科研問題時的思考能力。借助于啟發(fā)式傳熱學教學，對學生思維模式、信息整理、課堂知識應用及實際解決問題等多方面能力進行培養(yǎng)，為學生未來從事新能源產業(yè)打下基礎。本文傳熱學教學內容將依托于太陽能熱利用科研項目展開，后續(xù)內容將對課前、課中和課后環(huán)節(jié)的具體內容進行描述。

（一）課前

課前環(huán)節(jié)內容包括新能源概論、新能源講座和大創(chuàng)項目。新能源概論課程中，學生將學習風電、核電、海洋能、地熱、光伏和光熱發(fā)電系統(tǒng)的相關背景知識和基本運行原理。其中，光熱發(fā)電系統(tǒng)涉及大量傳熱學知識的實際運用，與后續(xù)傳熱學教學的關系尤為密切。光熱發(fā)電系統(tǒng)，即利用鏡面反射實現(xiàn)太陽能高倍聚光集熱，然后加熱給水形成高溫高壓蒸汽后，所產生的蒸汽驅動汽輪機進行發(fā)電。上述過程中，高倍聚光集熱涉及到集熱器均勻吸熱和高效導熱技術，日間儲熱和夜間放熱過程涉及到非穩(wěn)態(tài)對流換熱和具有相變過程的熱傳導，乏汽在冷凝器內冷凝過程同樣涉及到其與冷卻介質之間的熱交換過程，這些知識的講解有助于啟發(fā)學生思考新能源系統(tǒng)與傳熱學之間密不可分的關系，并激發(fā)學生對傳熱相關知識的學習興趣。新能源講座則圍繞地熱利用講解，內容涉及地熱資源在我國分布、我國地熱能開發(fā)利用政策、地熱開采技術和最新地熱發(fā)電系統(tǒng)。在講座過程中，重點講解與傳熱相關的地熱研究工作，例如吸熱介質在熱井中的相變過程規(guī)律、熱井高溫巖土隨地熱開發(fā)的溫度變化和熱補償特性、熱介質滲透過程對介質吸熱特性的影響等。通過講座內容，啟發(fā)學生意識到傳熱學知識在新能源產業(yè)中的意義。大創(chuàng)項目則依托于光熱利用研究項目展開，針對部分對太陽能熱利用有興趣的大一大二新生，指導其參與具體工作。由于此階段的學生尚不具備相關專業(yè)知識，因此大創(chuàng)期間以調研文獻和動手測試為主，理論分析為輔。借助于大創(chuàng)項目，鋪設本科新生進實驗室了解新能源科研的渠道，鼓勵低年級本科生與高年級學生互動交流，共同參與相關實驗現(xiàn)象觀測和數(shù)據(jù)分析的工作，以此提高低年級本科生對新能源技術的興趣。

（二）課中

傳熱學是能源專業(yè)的必修課程之一，課堂內容涉及能源行業(yè)基本概念、原理和分析方法，對學生認知新能源方面知識有著十分重要的影響。在課堂傳授理論知識期間，將具體問題引入到課堂，從而更直觀地講解其內容。例如，在講解穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱時，可引入太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)儲熱過程，分析由于日照全天變化，導致的儲熱罐熱交換壁面非穩(wěn)態(tài)溫度邊界，以此進一步講解罐內儲熱介質內外熱阻、導熱系數(shù)、內熱源、Bi數(shù)和Fo數(shù)等基本概念及其計算過程。此后，結合實際工程案例對相關內容進行解析，并設置針對性的課堂練習環(huán)節(jié)，一方面加深學生對基本概念的認知，另一方面讓學生掌握具體問題的分析方法。例如，在講解自然對流章節(jié)時，結合太陽能加熱蒸餾過程中蒸汽自然對流換熱過程進行講解，如圖2所示。在講解完案例分析計算思路后，給出該蒸餾空腔內蒸汽的物性和溫度參數(shù)，讓學生計算該蒸餾空腔內的Gr數(shù)和對流換熱系數(shù)hc，以此作為課堂練習。在隨后的課程實驗中，則結合已有科研設備開展太陽能加熱相關的傳熱測試，具體為指導學生使用模擬光源照射具有光熱轉化涂層的平板，然后通過紅外攝像儀拍攝不同光照強度及散熱條件下平板的表面溫度分布。在實驗測試結束后，引導學生利用傳熱學知識分析計算吸光平板的吸熱功率及其向周圍環(huán)境散熱時的表面對流傳熱系數(shù)。通過上述從理論知識講解到案例剖析，再到課堂實驗的授課方式，啟發(fā)學生思考所學知識與實際生產實踐之間的聯(lián)系，拓展學生的思維和眼界，激發(fā)學生的學習興趣，從而提高學生解決實際問題的能力。

（三）課后

課后環(huán)節(jié)包括課程設計、學科競賽及論文寫作。該環(huán)節(jié)意義在于啟發(fā)學生用所學知識分析實際問題，從而使學生更好地理解新能源產業(yè)與所學傳熱學知識之間的聯(lián)系。其中，課程設計環(huán)節(jié)為針對塔式光熱電站鍋爐進行結構設計，并提交設計計算報告。報告內容包括物性及運行參數(shù)調研、換熱管尺寸選型、吸熱工質流速流量、流動阻力、換熱量、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、傳熱溫差、所需換熱面積及鍋爐整體結構設計。通過該課程設計，讓學生了解實際生產中新能源設備的研發(fā)設計過程。學科競賽則在前期大創(chuàng)項目的基礎上進一步展開，此階段參與過大創(chuàng)的學生已經儲備了相關知識，并具備了一定的動手能力，能夠自主調研文獻、分析問題并提出新方案，因此可在指導老師帶領下申報相關學科競賽。例如某學科競賽中，結合個人科研課題指導學生對一種仿生漂浮式太陽能凈水器進行了方案設計、樣機試制和測試工作，該裝置設計思路如圖3所示。論文專利寫作環(huán)節(jié)中，根據(jù)學生在大創(chuàng)競賽期間積累的數(shù)據(jù)和思路，指導學生繪制相關原理圖和數(shù)據(jù)圖表，并傳授文字內容書寫技巧。通過該論文專利寫作環(huán)節(jié)鍛煉學生的邏輯思維和表達能力，為學生后續(xù)工作和深造打下基礎。

二、教學改革效果

通過啟發(fā)式教學改革，推進面向新能源傳熱學的教學工作，使所授知識能夠契合碳達峰、碳中和背景下社會行業(yè)快速發(fā)展的需求?；诒窘虒W改革，一方面加深學生對傳熱學知識的印象，提高學生對所學知識靈活運用程度;另一方面激發(fā)學生對新能源產業(yè)的興趣，為其未來投身于相關產業(yè)打下基礎。其中，各個環(huán)節(jié)的教學改革效果如下：（1）課前環(huán)節(jié)，學生對新能源產業(yè)的興趣明顯提高，更踴躍地討論新能源行業(yè)動態(tài)發(fā)展問題，并積極聯(lián)想家鄉(xiāng)新能源產業(yè)，比如光伏或風力發(fā)電站等，更積極地申報新能源有關的大創(chuàng)項目，就新能源前沿技術與老師展開討論;（2）課中環(huán)節(jié)，學生對傳熱學知識掌握更加扎實，在課堂練習和提問環(huán)節(jié)表現(xiàn)更加積極，思路更具有邏輯性，對具體問題分析更加準確，能更好地運行傳熱知識分析實際工程問題，并對傳熱學和新能源知識表現(xiàn)出更大興趣;（3）課后環(huán)節(jié)，在課程設計環(huán)節(jié)聯(lián)想所學知識，主動熱情地參與新能源方面科研工作，并積極申報各類競賽和撰寫相關論文專利;近五年，指導的本科學生獲全國大學生水利創(chuàng)新設計大賽國家級特等獎一項、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽國家級二等獎一項及“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級獎勵兩項，指導的本科生畢業(yè)設計獲校級獎勵四次，指導的本科生完成科技論文兩篇并申請專利兩項。此外，許多學生在后續(xù)深造及就業(yè)中，選擇從事新能源相關工作。

三、結束語

在碳達峰、碳中和背景下，新技術新產業(yè)蓬勃發(fā)展，這對能源與動力工程學科教學帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。傳熱學作為能動專業(yè)基礎專業(yè)課程，對學生認知新技術和未來從事于新產業(yè)十分重要。該課程教學內容和模式也應從全局性、長遠性和導向性出發(fā)，結合新能源推進相關教學改進工作，使學生在了解相關產業(yè)的同時具備多面能力，為學生未來從事相關產業(yè)打下基礎。結合這一需求，將傳熱學教學模式改進為漸進啟發(fā)式教學，從背景知識到理論分析再到教學實踐，讓學生在不斷鞏固課堂所學知識的同時，對新能源產業(yè)有深刻認知。實踐表明，這些措施很好地激勵了學生參與后續(xù)課程設計、學科競賽和論文專利寫作，對啟發(fā)學生主動思考和涉足未來新產業(yè)起到了積極的引導作用，對培養(yǎng)學生多面能力也取得了較好的效果。本教學改革工作，對相關專業(yè)課程的改革具有參考和借鑒意義，將傳統(tǒng)教學模式改進為漸進啟發(fā)式教學模式，有利于構建更鞏固和與時俱進的知識體系，使畢業(yè)生更具有競爭力，更好地適應社會快速發(fā)展的需求。

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