驅(qū)動(dòng)式小組研討的傳熱學(xué)理論提升教學(xué)方法探討

白曉輝 劉存良 孟憲龍

西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 陜西西安 710129

一、概述

傳熱學(xué)是能源動(dòng)力類(lèi)、建筑環(huán)境類(lèi)本科生的專(zhuān)業(yè)必修課程，是一門(mén)研究熱力工程中熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。掌握傳熱學(xué)基本理論和熱分析的思維，對(duì)于學(xué)生在今后的工作中有效利用熱能、解決工程中的熱問(wèn)題、培養(yǎng)創(chuàng)新思維都具有重要的作用[1]。因此，本科傳熱學(xué)課程需要學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握傳熱學(xué)理論知識(shí)，同時(shí)，對(duì)于傳熱學(xué)課程的教學(xué)也提出了更高的要求。

目前，傳熱學(xué)課程的授課具有課程時(shí)間少、理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，而這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)理論認(rèn)識(shí)不深刻、應(yīng)用不熟練，特別是看到傳熱學(xué)理論公式的推導(dǎo)復(fù)雜就會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，從而對(duì)傳熱學(xué)課程逐漸失去興趣。為此，探索傳熱學(xué)有效的授課方式、教學(xué)模式、教學(xué)改革方法成為授課教師思考的問(wèn)題。華北電力大學(xué)的劉彥豐等[2]提出了傳統(tǒng)的傳熱學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題，即：

(1)教學(xué)目標(biāo)過(guò)于重知識(shí)的傳授，而忽視了學(xué)生能力的培養(yǎng)，即教學(xué)過(guò)程缺乏以學(xué)生為中心的思路；

(2)教學(xué)內(nèi)容過(guò)于理論化，不利于學(xué)生對(duì)理論的掌握和與工程實(shí)際的結(jié)合；

(3)教學(xué)方法多以教師講授為主，而這種模式大多都是學(xué)生被動(dòng)地接收知識(shí)，沒(méi)有發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主動(dòng)性。

為此，他對(duì)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了調(diào)整和整合，以實(shí)際工程問(wèn)題和項(xiàng)目為線(xiàn)索，提高學(xué)生的相關(guān)專(zhuān)業(yè)技能和綜合能力。高正陽(yáng)等[3]認(rèn)為傳熱學(xué)課程的教學(xué)有必要融入思政內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生的三觀(guān)、學(xué)習(xí)和生活態(tài)度、處世之道等，提供了課程思政內(nèi)容案例，總結(jié)提出了課程思政模式。李文強(qiáng)等[4]針對(duì)線(xiàn)下課堂授課模式單一和理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的問(wèn)題，提出了通過(guò)新媒體技術(shù)將前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)引入線(xiàn)下理論課堂的教學(xué)改革方式，取得了較好的效果。張賀磊等[5]提出了案例式教學(xué)在傳熱學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用的教學(xué)方法，結(jié)合傳熱學(xué)課程內(nèi)容及授課經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳熱學(xué)常用的教學(xué)案例進(jìn)行了總結(jié)。以上教學(xué)方法和模式對(duì)于傳熱學(xué)課程的教學(xué)改革和教學(xué)新模式的探索都具有重要的借鑒意義。

隨著網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)字傳媒的飛速發(fā)展，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑多樣化，國(guó)內(nèi)外名校公開(kāi)課、慕課、網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課等優(yōu)質(zhì)教育資源為授課方式的新型化和多元化提供了無(wú)限可能。翻轉(zhuǎn)課堂、線(xiàn)上線(xiàn)下結(jié)合課堂、KAPI課程體現(xiàn)等新型教學(xué)模式和方法也應(yīng)運(yùn)而生，這對(duì)學(xué)生知識(shí)的獲取和能力的提高提供了極大的便利。然而，針對(duì)傳熱學(xué)這種理論豐富、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的課程來(lái)說(shuō)，需要對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深入的理解和掌握。因此，本文提出了“知識(shí)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)式”“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式”和“調(diào)研驅(qū)動(dòng)式”小組研討的傳熱學(xué)教學(xué)方法，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，并討論了課程思政內(nèi)容的設(shè)計(jì)和思政元素的融入。

二、教學(xué)案例介紹

(一)知識(shí)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)式的小組研討教學(xué)方法

在講述傳熱學(xué)的第一章“緒論”時(shí)，不可避免要提到傳熱學(xué)的發(fā)展和研究目標(biāo)。傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱量傳遞規(guī)律具體指以下方面：

(1)熱量傳遞速率方程。傳熱學(xué)研究的熱量是單位時(shí)間的熱量傳遞，而熱量傳遞的快慢就必須要用熱量傳遞速率方程來(lái)描述；

(2)溫度分布。想要獲得溫度分布，首先就要建立傳熱的微分方程，再結(jié)合熱邊界條件進(jìn)行求解，便可以獲得某一區(qū)域或截面的溫度分布。

以上知識(shí)點(diǎn)的講述還要通過(guò)結(jié)合生活中的實(shí)際問(wèn)題，比如，一個(gè)人可以定性地分析在所處的環(huán)境中感覺(jué)的冷暖，而且也可以本能地采取措施進(jìn)行保暖或者散熱。但定量的分析在不同的環(huán)境下以及采取不同的保溫或散熱措施會(huì)如何改變熱量傳遞速率和大小？在這樣的環(huán)境下熱量究竟是怎么傳遞的呢？溫度分布的不同與熱量傳遞速率有何關(guān)系？如此以拓寬知識(shí)點(diǎn)而引起學(xué)生求知興趣的教學(xué)方法會(huì)激發(fā)學(xué)生去分析解決問(wèn)題的欲望。這種情況下可以通過(guò)分組討論，探討熱量傳遞速率方程、傳熱微分方程以及溫度分布都是什么、如何獲得，而此時(shí)再講解導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的熱量傳遞速率方程、推導(dǎo)傳熱微分方程便會(huì)起到事半功倍的效果，并加深學(xué)生對(duì)基本方程的理解。

(二)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式的小組研討式教學(xué)方法

在講到傳熱學(xué)第二章“穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)”時(shí)，首先要介紹傅里葉導(dǎo)熱定律，推導(dǎo)導(dǎo)熱微分方程，隨后就要介紹三類(lèi)熱邊界條件。傳統(tǒng)的教學(xué)中一般都會(huì)解釋這三類(lèi)熱邊界條件的定義和區(qū)別，而學(xué)生一般也會(huì)知道在不同的算例中給出的是第幾類(lèi)邊界條件，第三類(lèi)邊界條件給的是壁面?zhèn)鹊牧黧w溫度和對(duì)流換熱系數(shù)。但針對(duì)不同的對(duì)流換熱系數(shù)下，壁面?zhèn)攘黧w與壁面的換熱過(guò)程及其換熱強(qiáng)弱的問(wèn)題思考得不夠深入。這是因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的案例和問(wèn)題的引導(dǎo)。本文提出問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法，即先提出看似簡(jiǎn)單但有深度并能激發(fā)學(xué)生興趣的問(wèn)題，通過(guò)小組研討的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考并嘗試尋找答案，而在對(duì)答案有了一知半解但不確定的時(shí)候，再進(jìn)行理論的講解。例如，大家都知道第三類(lèi)邊界條件給出的是壁面?zhèn)攘黧w的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，那么對(duì)于具有相同厚度的銅墻和磚墻，在流體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)相同時(shí)，兩個(gè)墻壁的表面溫度是否相同？大家都能想到在寒冷的冬天用手觸摸金屬表面會(huì)感覺(jué)到更冷，那么這是因?yàn)閮煞N材料的壁面溫度不同，還是我們的感官出現(xiàn)了偏差？當(dāng)然，學(xué)生也會(huì)根據(jù)之前學(xué)過(guò)的傅里葉導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱機(jī)理、導(dǎo)熱系數(shù)定義等方面的內(nèi)容，定性地判斷由于材料的不同，即使在相同的環(huán)境條件下其表面溫度也會(huì)不同。在此問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生會(huì)嘗試從導(dǎo)熱微分方程和熱邊界條件的角度出發(fā)去尋找答案。同時(shí)，課程的內(nèi)容也可以按照此進(jìn)度開(kāi)展，即給學(xué)生講解導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)和定解條件的含義。經(jīng)過(guò)探討，學(xué)生有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)第三類(lèi)邊界條件中其實(shí)還包含另外一個(gè)邊界條件，就是固體壁面的導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度，或者最后由教師揭開(kāi)謎底，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)理論一定要注意它的完整性。最后，進(jìn)一步講解固體壁面導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度對(duì)壁面換熱效果的影響。

(三)調(diào)研驅(qū)動(dòng)式的小組研討式教學(xué)方法

除了課堂理論講解之外，組織學(xué)生開(kāi)展文獻(xiàn)調(diào)研也是加強(qiáng)掌握理論知識(shí)的重要手段。在作者講授的另一門(mén)課“多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)”中，在講到不同材料的導(dǎo)熱特性及其多孔介質(zhì)的應(yīng)用時(shí)，提前讓各小組的學(xué)生做了文獻(xiàn)調(diào)研。從每個(gè)組提交的調(diào)研報(bào)告中可以體現(xiàn)出學(xué)生感興趣的領(lǐng)域和方向不同，而正是這種差異拓展了學(xué)生的知識(shí)面，促進(jìn)了學(xué)生之間的交流。有學(xué)生在上臺(tái)講述調(diào)研的收獲和問(wèn)題時(shí)，講解了空調(diào)的制冷原理和沸騰換熱，提出多孔介質(zhì)可以通過(guò)提高汽化核心的數(shù)量和氣泡脫離的頻率來(lái)提高空調(diào)中的沸騰換熱。接下來(lái)由坐在下面的學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，而好幾名學(xué)生感興趣的是這里面的氣泡是如何產(chǎn)生的。有人又聯(lián)想到了燒開(kāi)水的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣泡，這時(shí)便出現(xiàn)了幾個(gè)傳熱學(xué)問(wèn)題：

(1)水壺中的氣泡是如何產(chǎn)生的？

(2)水壺中的水是如何被燒開(kāi)的？

(3)水壺中的水的熱量傳遞過(guò)程如何？

這就可以引入自然對(duì)流的知識(shí)，即由溫度差產(chǎn)生了密度差，不同溫度的水分子在浮力作用下不斷循環(huán)，自然對(duì)流的換熱系數(shù)的定義等。調(diào)研驅(qū)動(dòng)式的小組研討式教學(xué)方法可以更有效地帶動(dòng)學(xué)生的興趣，發(fā)散學(xué)生的思維，而對(duì)教師靈活應(yīng)變能力的要求也較高。因此，采用此方法時(shí)需要做大量的準(zhǔn)備工作，基于課堂的教學(xué)目標(biāo)，提前了解學(xué)生的調(diào)研情況，穩(wěn)步實(shí)施教學(xué)計(jì)劃。

三、課程思政內(nèi)容與設(shè)計(jì)

“立德樹(shù)人”是教育的根本任務(wù)，而傳熱學(xué)作為本科生必須學(xué)習(xí)的課程，最容易做到思政元素的有效融入。本課程在授課過(guò)程中圍繞家國(guó)情懷、三觀(guān)、學(xué)習(xí)生活態(tài)度等方面進(jìn)行了課程思政元素的融入和思政教育。在緒論部分，通過(guò)講述燃煤電站、核電站、航空航天等領(lǐng)域中的傳熱問(wèn)題，讓學(xué)生了解到我國(guó)科技發(fā)展、國(guó)家安全、能源危機(jī)等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的遠(yuǎn)大理想和人生目標(biāo)。在講到傳熱學(xué)一般定律時(shí)，如傅里葉導(dǎo)熱定律、牛頓冷卻定律，會(huì)講述這些定律的發(fā)展過(guò)程以及做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，讓學(xué)生知道在某一個(gè)領(lǐng)域有成就是需要長(zhǎng)時(shí)間的積累并持之以恒付出努力的。對(duì)于不同材料的兩個(gè)墻體，即使外部環(huán)境中流體的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)是相同的，墻體壁面溫度也不同。主要是因?yàn)椴煌牟馁|(zhì)，導(dǎo)致溫度梯度不同。與此類(lèi)似，每個(gè)人的性格不同，內(nèi)在條件不同，人生目標(biāo)也不同，因此，即使在相同的外部環(huán)境下也會(huì)有不同的人生軌跡，取得不同的成就。以此激勵(lì)學(xué)生培養(yǎng)自己的內(nèi)在修養(yǎng)，設(shè)定自己的人生目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自我人生價(jià)值。

四、課堂知識(shí)外延、科研反哺

本課程基于傳熱學(xué)理論探討多孔介質(zhì)在航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、陶瓷霧化芯等多領(lǐng)域的應(yīng)用，以及在新材料、新能源等多學(xué)科的前沿科技，很容易將本課程的內(nèi)容拓展延伸。學(xué)院經(jīng)常會(huì)邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者做報(bào)告，介紹目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展、我國(guó)商用飛機(jī)和大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研發(fā)歷程。例如，學(xué)生熟知的是我國(guó)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的獨(dú)立研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化取得了很大的成就，但是很少清楚CJ-2000大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中經(jīng)歷了多少艱難，發(fā)動(dòng)機(jī)中涉及了多少個(gè)零部件，每一種零部件從設(shè)計(jì)到制造都經(jīng)歷了一段怎樣艱辛的過(guò)程，其中包括材料、加工工藝和精度、熱力計(jì)算等方面的要求。這樣很容易將其中遇到的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和面臨的難題作為部分內(nèi)容放入教學(xué)課件，既可以作為課堂知識(shí)的外延，讓學(xué)生對(duì)本學(xué)科和本課程有更深入的認(rèn)識(shí)，又可以作為課程思政元素激勵(lì)學(xué)生設(shè)定遠(yuǎn)大的目標(biāo)。同時(shí)，隨著世界科技的發(fā)展，目前我國(guó)對(duì)專(zhuān)利成果的保護(hù)越來(lái)越重視，在自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、商用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)也特別注重專(zhuān)利成果的申請(qǐng)和保護(hù)。這些內(nèi)容對(duì)于提升學(xué)生的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)是非常有必要的。另外，本課程與筆者的研究方向聯(lián)系密切。通過(guò)在課堂上介紹課題組的研究方向和最新進(jìn)展，包括多孔介質(zhì)流動(dòng)換熱、渦輪葉片氣膜冷卻、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室隔熱屏冷卻等，啟發(fā)學(xué)生了解科學(xué)研究的意義和基本方法，有利于學(xué)生對(duì)科學(xué)研究、科研進(jìn)展有初步的了解，也便于學(xué)生盡早做好人生規(guī)劃。

結(jié)語(yǔ)

本文提出了“知識(shí)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)式”“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式”和“調(diào)研驅(qū)動(dòng)式”小組研討的傳熱學(xué)教學(xué)方法，詳細(xì)介紹了三種教學(xué)方法的問(wèn)題和實(shí)施方法。通過(guò)引起學(xué)生的興趣，從而讓學(xué)生提起主動(dòng)了解背后理論的興趣，加入解決問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)答案的過(guò)程中。這種方法對(duì)于學(xué)生深入理解和掌握傳熱學(xué)理論、激發(fā)學(xué)生的課堂熱情和創(chuàng)新思維起到了非常好的效果。同時(shí)，本文還介紹了本課程中的課程思政設(shè)計(jì)和思政元素融入方法，為本課程的教學(xué)改革和質(zhì)量提升提供了思路。