探究式教學(xué)模式在《熱交換原理與技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用*

胡 冰，陳佰滿

(東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808)

熱交換原理與技術(shù)是能源、化學(xué)、化工、食品等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程介紹的熱交換原理與技術(shù)是解決生活、能源、化學(xué)、環(huán)境及相關(guān)領(lǐng)域許多科研問題的一種實驗方法[1]，也是一門具有較強(qiáng)理論和實踐意義的工具課程[2]。

熱交換實驗是熱交換原理與技術(shù)課程的重要實踐環(huán)節(jié)，與理論課程內(nèi)容相輔相成。它不僅是熱交換原理理論知識的應(yīng)用，而且是理論課內(nèi)容[3]的延續(xù)和完善。熱交換實驗一般包括熱交換器的傳熱試驗，傳熱強(qiáng)化，優(yōu)化及設(shè)計性能評價等。無論采用何種實驗進(jìn)行熱交換測試，要求學(xué)生在完成實驗課程后至少要達(dá)到兩個認(rèn)知目標(biāo)，即掌握傳熱系數(shù)的測定和強(qiáng)化換熱的方法。

由于熱交換實驗通常受到實驗場地大小、換熱器數(shù)量、儀器價格、實驗課程學(xué)時限制等因素的影響[4]，傳統(tǒng)的熱交換實驗教學(xué)模式是由實驗教師先講解實驗內(nèi)容，演示儀器的操作方法，再由學(xué)生按照現(xiàn)有的實驗方案進(jìn)行實驗。這種教學(xué)方法的缺點是師生之間缺乏互動。同時，學(xué)生對實驗內(nèi)容和方法缺乏獨立思考。他們只需遵循程序，掌握測試方法，并按照標(biāo)準(zhǔn)實驗步驟驗證實驗結(jié)果[5-6]。大部分學(xué)生在完成熱交換實驗后，只知道測定換熱系統(tǒng)的操作規(guī)則，對實驗原理、實驗內(nèi)容、強(qiáng)化換熱等沒有深刻的記憶。實驗認(rèn)知目標(biāo)沒有很好地實現(xiàn)，實驗課程與理論課程的教學(xué)內(nèi)容不能相互補(bǔ)充和促進(jìn)，也不能提高學(xué)生的實踐能力和探索能力。

本文要討論的就是在熱交換實驗教學(xué)中，如何改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，引入更有效的實驗教學(xué)模式；以及在實驗場地、儀器數(shù)量、實驗課時有限的情況下，如何開展高質(zhì)量的熱交換實驗教學(xué)，提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)新時期高素質(zhì)人才。

探究式教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過自主、探究、合作的學(xué)習(xí)模式，對當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容中的主要知識點進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究、分組交流的一種教學(xué)方式，找到并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論。探究式教學(xué)模式已經(jīng)在許多學(xué)科的理論教學(xué)中得到了嘗試和應(yīng)用[7]，但很少有人將其應(yīng)用于實驗教學(xué)中。我們的熱交換原理與技術(shù)實驗教研組根據(jù)熱交換實驗項目的內(nèi)容，明確了熱交換實驗中每個實驗項目學(xué)生要探索的內(nèi)容和方法，將探究式教學(xué)模式應(yīng)用于熱交換實驗課程，建立了一套科學(xué)的、可操作的實驗教學(xué)模式。

1 根據(jù)實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)確定探究內(nèi)容

在熱交換實驗過程中，學(xué)生探索的實驗內(nèi)容是什么，直接決定了探究式教學(xué)模式能否成功地應(yīng)用于熱交換實驗，因此應(yīng)避免探究內(nèi)容的隨意性。這就需要確定每個實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)，從而確定學(xué)生探究的內(nèi)容。要求每個實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)具有探索性，難度適中，不能簡單等同于傳統(tǒng)實驗講義中的實驗?zāi)康?。?yīng)根據(jù)實驗項目的內(nèi)容和實驗課程的目標(biāo)提出。同時，應(yīng)與熱交換原理與技術(shù)理論課程的內(nèi)容相結(jié)合，并盡可能地補(bǔ)充理論課程的內(nèi)容。

例如，熱交換實驗中的一個實驗項目是測量熱交換器中的對流換熱系數(shù)。本實驗項目通常采用威爾遜(E. E. Wilson)圖解法進(jìn)行確定對流換熱系數(shù)。威爾遜(E. E. Wilson)圖解法是熱交換實驗中對流換熱系數(shù)測定的常用方法。因此，實驗項目的首要認(rèn)知目標(biāo)是掌握威爾遜(E. E. Wilson)圖解法間接確定對流換熱系數(shù)的方法。另外，從熱交換理論的過程來看，在換熱管內(nèi)加某些插入物以及添加一些新的工質(zhì)會使換熱效果得到明顯改善。因此，改變換熱管的結(jié)構(gòu)以及使用新的工質(zhì)可以提高換熱性能，如果這一知識點僅僅由教師在理論課上講解，對學(xué)生來說無疑是抽象的，難以深刻理解，不能靈活運(yùn)用。因此，可以將這一知識點引入到實驗探究內(nèi)容中，使學(xué)生從實驗中得出自己的結(jié)論，加深對這一知識點的理解，并通過實驗使理論教學(xué)內(nèi)容具體化，因此確定了第二個認(rèn)知目標(biāo)：掌握通過改變換熱器結(jié)構(gòu)和使用新的工質(zhì)以提高換熱效果的方法。

2 探究式教學(xué)模式在熱交換實驗課中的應(yīng)用

在確定實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)后，如何將探究式教學(xué)模式應(yīng)用到熱交換實驗中，應(yīng)包括以下幾個步驟。

(1)實驗課開始前，實驗教師根據(jù)每個實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)提出要探究的問題。學(xué)生被分成兩組，每組2～4人。根據(jù)教師提出的探究內(nèi)容，查閱文獻(xiàn)，設(shè)計實驗方案，提交給教師復(fù)習(xí)。老師指出實驗計劃的可行性以及是否需要修改。學(xué)生根據(jù)老師的建議修改實驗計劃，直到實驗計劃可行為止。

(2)在實驗課上，老師首先演示熱交換系數(shù)的測量方法。在學(xué)生掌握了操作方法后，每組學(xué)生在課前按照設(shè)計的實驗方案完成實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)。

(3)實驗結(jié)束后，每組學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)自己的實驗結(jié)果總結(jié)結(jié)論，并向老師提交實驗報告或論文。老師評價實驗結(jié)果。

為了鑒定一臺新設(shè)計的熱交換器能否達(dá)到預(yù)定的傳熱性能，或檢驗一臺已運(yùn)行一段時期 的熱交換器的實際性能有何變化，或確定在改變遠(yuǎn)行條件下(如改變參數(shù)與熱交換器的介質(zhì))的傳熱性能，或為了比較不同型式和種類的熱交換器的傳熱性能的好壞，常常需要測定熱交換器的傳熱系數(shù)。

根據(jù)傳熱計算的基本方程式，可以得出傳熱系數(shù)K為：

K=Q/FΔtm

對于一臺已有的熱交換器，傳熱面積F是已知值。傳熱量Q在不計熱損失的條件下可以 通過熱平衡方程式來計算。在非順流或逆流的情況下，Δtm可以按逆流時對數(shù)平均溫差Δtm，c再乘以修正系數(shù)ψ來求得。因而，只要在試驗中測得冷、熱流體的流量和進(jìn)、出口溫度， 并利用流體的熱物性數(shù)據(jù)表查得它們的比熱數(shù)值，即可求得在相應(yīng)的運(yùn)行條件下的傳熱系數(shù) K值。

今以某一試驗裝置為例，說明試驗測定K值的方法和步驟。圖1為水一水套管式熱交換 器的試驗系統(tǒng)。電熱水箱1中的水在被加熱到一定溫度后，經(jīng)水泵2送入套管熱交換器的內(nèi) 管，與套管的夾層空間6中流過的冷卻水換熱后返回?zé)崴?。冷水從冷卻水池(或其他來源) 進(jìn)入冷水箱8，被水泵9抽出后，通過閥12和溫度測點18(構(gòu)成逆流工況)，或通過閥11和溫 度測點17(構(gòu)成順流工況)，進(jìn)入夾層空間6，再由測點17、閥13(逆流時)，或測點18、閥14(順 流時)，排入冷卻水池。冷、熱水溫度可用玻璃溫度計或熱電偶等方法測量，分別在測量點17、 18及15、16處讀取。冷、熱水流量可用孔板流量計，轉(zhuǎn)子流量計或渦輪流量計(配頻率計數(shù)儀)。

圖1 水一水管套式熱交換器實驗系統(tǒng)

試驗可按以下步驟進(jìn)行：

(1)了解試驗系統(tǒng)、操作方法及測量儀表使用方法。

(2)接通熱水箱電加熱器的電源，將水加熱到預(yù)定溫度。

(3)啟動冷、熱水泵。

(4)根據(jù)預(yù)定的試驗要求，分別調(diào)節(jié)冷、熱水流量達(dá)到預(yù)定值，然后維持在此工況下運(yùn) 行。

(5)當(dāng)冷、熱水的進(jìn)、出口溫度均達(dá)穩(wěn)定時，測量并記錄冷、熱水流量及各項溫度值。

(6)改變冷水(或熱水)流量若干次，即改變運(yùn)行工況，再進(jìn)行5的測量。

(7)如需要，調(diào)節(jié)加熱功率，將水加熱到另一預(yù)定溫度，重復(fù)4～6步驟。

(8)試驗中如有必要，可以改變?nèi)我粋?cè)流體的流向，重復(fù)5、6兩步驟。

(9)試驗完畢依次關(guān)閉電加熱器、熱水泵及冷水泵等。

為使實驗正確而又順利地進(jìn)行，試驗中應(yīng)注意以下幾點：

(1)試驗前必須校驗所使用的儀器儀表在系統(tǒng)中的安裝位置與校驗方法是否適當(dāng)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

(2)試驗中，如流體進(jìn)出口溫差不大，應(yīng)特別注意測溫 的準(zhǔn)確。方法有：采用高一級精度的溫度計，如用1/10 ℃刻度的玻璃溫度計；在測點處接入一個混合器(如圖2所示)使流體充分地混合，同時在管徑較小時仍能保證玻璃溫度計有相當(dāng)大的插入深度；測點加以保溫。

(3)當(dāng)熱交換器的散熱面較大，或熱交換器的外殼溫度與室溫相差較大時，應(yīng)將熱交換器的外殼保溫，以減少熱平衡誤差。

(4)為了提高流量測量的精度，對于液體流量的測量，在有條件的測量系統(tǒng)中，可考慮采用直接稱重法測定(特別是在流量較小時)。

(5)每一個試驗工況應(yīng)在穩(wěn)定條件下測定。但絕對的穩(wěn)定是不可能的，只能要求被測量值在允許范圍內(nèi)波動。所以，每改變一個試驗工況，應(yīng)有相當(dāng)?shù)臅r間間隔(如20 min左右)，并視各點溫度值基本不變時才測取。測定中，對于同一個試驗工況，應(yīng)連續(xù)同時測取各點數(shù)值三次，以便在數(shù)據(jù)整理時淘汰不符合要求的值。

(6)在利用蒸汽加熱的熱交換器中，在試驗過程中應(yīng)特別注意在適當(dāng)部位排放非凝結(jié)性氣體(如空氣)，否則將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 測溫混合器

對于試驗數(shù)據(jù)的整理，應(yīng)注意以下幾點：

(1)關(guān)于傳熱量Q，由于種種原因，通過測試求得的冷流體吸熱量不會完全等于熱流體 的放熱量，所以應(yīng)以它們的算術(shù)平均值，即Q=(Q1+Q2)/2作為實際的傳熱量。在某些情況 下，如果可以確認(rèn)其中某一側(cè)的熱量計算可靠，而另一側(cè)的熱量難于準(zhǔn)確計算時，則也可以該 側(cè)的熱量為依據(jù)。例如，對一般的油一水熱交換，水的比熱可以相當(dāng)準(zhǔn)確地得出，但油的比熱如未經(jīng)專門的試驗測定，僅憑一般手冊上的數(shù)據(jù)，那是不可靠的，此時就可以水側(cè)的換熱量作為傳熱量。

(2)關(guān)于數(shù)據(jù)點的選取，試驗過程中，誤差總是避免不了的。為了保證結(jié)果的正確性， 在數(shù)據(jù)整理時應(yīng)舍取一些不合理的點。通常，工程上以熱平衡的相對誤差

ζ=(Q1-Q2)/[(Q1+Q2)/2]≤5%

為標(biāo)準(zhǔn)。凡ζ>5%的點，應(yīng)予舍棄。在試驗中進(jìn)行的測定，屬于非工程性試驗，此相對誤差還可以取得稍為小一些。

(3)關(guān)于傳熱面積，對于大多數(shù)熱交換器，計算傳熱系數(shù)時，有一個以哪一種表面積為基準(zhǔn)的問題，在整理試驗數(shù)據(jù)時同樣應(yīng)注意這一問題。

(4)為了較直觀地表示熱交換器的傳熱性能，通常要用曲線或圖表示傳熱系數(shù)K與流體流速w之間的關(guān)系，如圖3所示。并且，常常選取流速w=lm/s時的K值作為比較不同型式熱交換器的傳熱性能的標(biāo)準(zhǔn)(與此同時還應(yīng)比較它們的阻力降ΔP。)

(5)為使試驗結(jié)果清晰明了和便于分析，最后可將測得的數(shù)據(jù)和整理結(jié)果列成表格。

上面提到的實驗項目——對流換熱系數(shù)的測定——有兩個認(rèn)知目標(biāo)。實驗課開始前，根據(jù)這兩個認(rèn)知目標(biāo)，學(xué)生被分成幾個小組。根據(jù)教師提出的探究內(nèi)容，查閱文獻(xiàn)，設(shè)計實驗方案，并提交教師審核，確定方案的可行性。在實驗課上，老師首先演示熱交換系數(shù)的測量方法。在學(xué)生掌握了操作方法后，每組學(xué)生在課前按照設(shè)計的實驗方案完成實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，每組學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)自己的實驗結(jié)果總結(jié)結(jié)論，然后將實驗報告或論文提交給老師，老師將對實驗結(jié)果進(jìn)行評估。

圖3 K=f(w)曲線

實驗教師在評價實驗結(jié)果時，應(yīng)注意在探究式教學(xué)模式下，實驗結(jié)果的評價不能只依據(jù)實驗報告或論文提供的信息，而應(yīng)是所有實驗項目得分的加權(quán)平均值。而對每個實驗項目的成績評價應(yīng)是實驗方案設(shè)計、實驗操作、實驗報告或論文的綜合體現(xiàn)。否則，學(xué)生只會關(guān)注結(jié)果，而不會關(guān)注實驗過程[8]。

在對實驗結(jié)果進(jìn)行評價后，計算每個實驗項目認(rèn)知目標(biāo)的實現(xiàn)程度，找出實現(xiàn)認(rèn)知目標(biāo)的薄弱環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié)的原因，進(jìn)一步改進(jìn)和完善教學(xué)模式。

3 結(jié) 論

改變了傳統(tǒng)的熱交換原理與技術(shù)實驗教學(xué)模式，將探究式教學(xué)模式應(yīng)用于熱交換原理與技術(shù)實驗教學(xué)中。根據(jù)每個實驗項目的認(rèn)知目標(biāo)，確定學(xué)生討論的內(nèi)容，克服討論內(nèi)容的隨機(jī)性。建立了一套科學(xué)的、可操作的實驗教學(xué)模式，并進(jìn)一步提高了認(rèn)知目標(biāo)的實現(xiàn)程度。探究式教學(xué)模式在熱交換原理與技術(shù)實驗中的應(yīng)用，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，變被動的接受為主動的探究，使學(xué)生自主探索，從實驗數(shù)據(jù)中總結(jié)得出結(jié)論，有助于學(xué)生對熱交換原理與技術(shù)方法建立最直觀、最深刻的認(rèn)識，培養(yǎng)實踐能力和科研能力。