新工科背景下“換熱器原理與設計”課程建設探索

摘 要 “換熱器原理與設計”課程作為能源與動力工程專業(yè)的必修課程，在教學過程中，面臨課程內容多、教材更新慢、跨學科知識要求高及考核單一等問題。文章對此提出多項改進措施：采用比較學習法整合課程內容，凸顯知識脈絡；小組合作探索前沿，激發(fā)創(chuàng)新思維；形象教學與延時鞏固結合，提升學習興趣與效率；多元化評價體系促進知識實踐應用；以知識為載體融入思政，培養(yǎng)學生職業(yè)素養(yǎng)與責任感。這一系列舉措旨在全面優(yōu)化教學過程，提升學生綜合能力，為培養(yǎng)能源領域的技術人才奠定堅實的基礎。

關鍵詞 工科；換熱器；課程建設

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.33.041

Exploration of the Construction of the Course Principles and

Design of Heat Exchangers

ZHANG Xiaowan， PEI Songpeng， ZHOU Yu

（School of Physics and Electrical Engineering， Liupanshui Normal University， Liupanshui， Guizhou 553004）

Abstract As a compulsory course for energy and power engineering， \"Principles and Design of Heat Exchangers\" faces problems such as too many contents， slow updates， high interdisciplinary requirements and single assessment in the teaching process. This paper proposes a number of improvement measures： using the comparative learning method to integrate the curriculum content and highlight the curriculum knowledge context; Group cooperation to explore frontiers and stimulate innovative thinking; The combination of image teaching and delayed consolidation can enhance learning interest and efficiency; Diversified evaluation system promotes the practical application of knowledge; Integrate ideological and political elements with knowledge as the carrier to cultivate students' professionalism and sense of responsibility. This series of measures aims to comprehensively optimize the teaching process， improve students' comprehensive ability， and lay a solid foundation for cultivating future elites in the energy field.

Keyword engineering; heat exchanger; curriculum construction

隨著社會的快速發(fā)展和科技的日新月異，社會對人才的需求也在發(fā)生著深刻的變化，這種變化要求高等教育，特別是工科教育，必須與時俱進，培養(yǎng)能夠適應和引領未來社會發(fā)展的新型人才。對傳統(tǒng)工科專業(yè)進行升級改造，在實現學科交叉融合的同時，強化學生的家國情懷、責任擔當、工程倫理和工匠精神，成為既有專業(yè)素養(yǎng)，又有人文情懷的新時代人才，是極具時代意義的。

換熱器是一種依靠內部結構實現不同溫度流體的熱量傳遞，達到工藝流程指標的設備。在石油化工企業(yè)中，換熱器的投資大約占設備總投資的30%―40%，在冶金、建材等行業(yè)中的應用也極為普遍[1]?！皳Q熱器原理與設計”課程作為能源與動力工程專業(yè)中一門綜合性較強的專業(yè)必修課，旨在幫助學生系統(tǒng)掌握各式換熱器的工作原理及相應的設計思路和方法。對工程問題進行分析并提出解決方案，在設計過程中結合工程標準應對計算合理性與標準化問題，能有效培養(yǎng)學生獨立分析、處理換熱器相關原理與設計問題的能力，使學生具備從事相關工作的綜合素質，激發(fā)學生的求知熱情、探索精神和創(chuàng)新意識，對學生專業(yè)素質的培養(yǎng)和專業(yè)能力的提高具有舉足輕重的作用。作為我國經濟發(fā)展重要支柱的一些傳統(tǒng)產業(yè)，通常有著“能源密集，碳排放高”等特點，使用先進節(jié)能設備、提高能源利用效率是助力企業(yè)實現節(jié)能低碳轉型、國家早日實現“雙碳”目標的重要抓手，培養(yǎng)一批懂原理、會設計、勇創(chuàng)新的應用型專業(yè)人才是最根本的驅動力。

1" 教學中存在的問題

1.1" 教學內容與學時不匹配

“換熱器原理與設計”課程通常要求學生掌握各式換熱器（如間壁式、混合式和蓄熱式）的基本構造、工作原理、設計計算及性能優(yōu)化等內容，對于此類實踐性較強且與設備設計計算相關的課程，對設備外觀和結構的認識是掌握其工作原理和設計計算的基礎，但目前筆者所在系部的實驗室只有結構最為簡單的套管式和管翅式換熱元件，實踐教學環(huán)境欠佳，且該課程在人才培養(yǎng)方案中僅32學時，使學生在較為緊湊的課程學時內全面把握各類換熱器的原理與設計精髓成為一大教學考驗。

1.2" 教材內容更新遲緩

從市場規(guī)模、國家政策、應用領域多角度來看，換熱器行業(yè)仍處于一個快速發(fā)展的時期。科學技術的不斷進步，新材料、新工藝的應用，以及數字化、智能化技術的引入，都會對換熱設備的設計、制造、運行和維護產生直接的影響。但產學研合作不夠緊密、教育體系與市場需求脫節(jié)、教材編寫與更新周期較長等原因，導致教材內容呈現滯后于工程實踐的現象，如東南大學出版社2019年出版的《換熱器原理與設計》第6版，教材中包含了各式換熱器的工作原理和設計計算的詳細介紹，但缺乏視頻資源、實際工程案例、新技術與新發(fā)展、行業(yè)標準與規(guī)范等相關內容，任課教師通常會花大量時間和精力對此進行補充。

1.3" 對學生跨學科知識要求高

換熱器設計過程中涵蓋了傳熱計算、阻力分析、強度校核及圖紙繪制等多個維度，深度融合了“傳熱學”“工程熱力學”“機械設計基礎”“流體力學”“工程力學”及“機械制圖”等多學科的知識。這一跨學科的教學體系，不僅要求學生掌握扎實的專業(yè)基礎，還需具備靈活運用與綜合分析的能力，無疑是對學生的一大挑戰(zhàn)。面對如此復雜的知識體系，部分學生可能會因畏難情緒而信心受挫，進而影響學習熱情。

1.4" 考核模式單一

“換熱器原理與設計”這門課程在有的高校為考試課，成績主要由占比較小的平時成績和占比較大的卷面成績組成；在有的高校為考查課，成績主要由占比較小的平時成績和占比較大的小論文成績組成，目前均面臨檢驗學生應用能力不足的問題。該課程強調實踐，現有評定體系多側重理論考核，難以全面反映學生實踐能力。因此，需重構評價體系，強化實踐環(huán)節(jié)的考核，通過綜合評價體系，激勵學生將理論知識應用于實踐，提升其解決實際問題的能力，真正實現理論與實踐相結合的教學目標。

2" 課程教學改進措施

2.1" 拋磚引玉，融會貫通

“換熱器原理與設計”這門課程豐富的教學內容對教師提出高要求，教師需精心備課，深研教材，明確每次課的知識、能力與素質目標，通過系統(tǒng)梳理，精準把握重難點，根據學生的學習反饋靈活調整教學計劃，在傳授知識的同時，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維、實踐能力與專業(yè)素養(yǎng)，全面提升教學質量。課程的教學內容主要包括緒論、換熱器計算的基本原理、各式換熱器和換熱器的試驗與研究四大部分，其中，“各式換熱器”是教學內容占比最高的部分，各式換熱器的結構和工作原理都有其自身的特色，但結構設計、傳熱設計、流動阻力設計和測試實驗的思路大致是相同的，鑒于課時有限，教師在教學過程中選取工業(yè)生產中使用最為廣泛的管殼式換熱器作為教學重點，全面剖析其結構、原理與設計計算。在此之后，通過比較學習法，引導學生理解其他類型換熱器的異同點，挑選出特別之處進行有針對性的學習。對于結構較為復雜、流道難以構思的換熱器，教師可收集各類資料，借助學習通等教學平臺建立學習資料庫，引導學生進行課前課后學習。

2.2" 與時俱進，賦能學生

換熱器的研究是集換熱原理、設計、制作到測試的體系，無論是其中傳熱機理的深入探索、防腐蝕技術的創(chuàng)新突破，還是防振措施的巧妙實施、設計制造技術的持續(xù)優(yōu)化，每一研究方向所取得的任何新進展，都能為換熱器技術的前進注入強大的動力。在教材構建的知識體系基礎上，授課教師應充分發(fā)揮主導作用以提升教學實效，如制作教學視頻資源庫、推薦參考書籍和文獻、融入最新科研成果、引入企業(yè)實際工程中的換熱器設計案例、組織專題研討會和講座、優(yōu)化教學方法；與此同時，采取小組協(xié)作學習模式將學生劃分為5人一組的團隊，每隊認領探索換熱器某一前沿領域的任務，通過課前文獻搜集、整理深入各自研究方向，在課上10分鐘的“智慧碰撞時間”分享探索收獲與個人見解，激發(fā)全班同學進行思考與討論，在有效拓寬學生知識邊界與專業(yè)視野的同時，還能對學生的自主學習能力與表達溝通能力進行全面錘煉。

2.3" 形象教學，延時鞏固

在對換熱器工作原理、應用過程進行分析或結構進行優(yōu)化時，通常會涉及其他專業(yè)基礎課中的相關知識點。在課程開始前，通過教學平臺的預習材料或發(fā)起討論等形式喚醒學生記憶中前置課程的關鍵知識點；在上課過程中，教師可充分使用實物圖、動畫、設備仿真拆裝視頻及手工模型等教學資源，直觀展示換熱器的工作原理、設計過程及跨學科知識的應用，幫助學生克服畏難情緒，提高學生的學習興趣和參與度；課后則可發(fā)布一系列以判斷題為主的小測對學生進行測驗，測驗內容覆蓋課程所涉及的各相關知識點，采用“總分揭曉，細節(jié)隱藏”的策略讓學生在每一次揭曉答案時都能感受到未知的驚喜與挑戰(zhàn)，持續(xù)激發(fā)他們的好奇心與求知欲。每兩次課之間間隔一周，學生有充分的時間翻閱資料、回顧要點、深化理解；下次課的前十分鐘使用學習通“搖一搖選人”功能隨機抽取學生分享對上節(jié)課跨學科知識點的理解與思考，這既是對學生鞏固成果的及時檢驗，又是鼓勵他們勇于表達、深化理解的寶貴機會。

2.4" 小組合作，項目學習

構建全方位、多維度的評價體系能促進理論知識與實踐技能更深度融合。為強調過程性學習的重要性，課程 組將平時成績的比例設置為40%，并將考核方式多元化為課堂測驗、章節(jié)作業(yè)、課堂表現、前沿匯報、實驗與答辯和創(chuàng)新加分項等部分。其中，實驗與答辯是組織學生進入實驗室完成換熱實驗，記錄實驗過程中的點滴疑惑與獨到見解，并要求精心準備匯報與答辯，挖掘實驗的深層價值與創(chuàng)新點；基于實驗，鼓勵學生以小組合作的形式，針對某特定換熱器展開深入分析，運用Aspen" EDR或Fluent等工具，進行熱力設計、機械設計、成本估算及繪圖，更加全方位、多角度地進行優(yōu)化探索；除此之外，還特別設立創(chuàng)新加分項，鼓勵學生參與學科競賽、科研項目、發(fā)表學術論文、申請專利等活動，以激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和研究能力。過程性學習考核的多元化，在幫助學生實現將知識轉化為實際應用能力的同時，還促進學生工程實踐能力的提升。

2.5" 貫穿思政，互評促長

作為技術領域的后備人才，除了要有扎實的理論知識，還要有規(guī)范工藝流程、提高思維能力、強化安全生產的意識。學生在學習過程中應建立及時反饋與自我評價的良性循環(huán)機制，爭取在每一堂課后都進行反思與交流，就知識理解與掌握、應用能力鍛煉、標準化意識與工程觀念、教學互動等方面進行評價及反饋，這不僅有助于學生及時鞏固所學知識，還能促進教學相長，提升教學質量。在工科專業(yè)課程中開展思政建設，是推動學生全面發(fā)展、深化思想政治教育內涵的有效途徑[2-4]。在“換熱器原理與設計”課程教學中融入思政教育，旨在培養(yǎng)一批德才兼?zhèn)涞墓こ處?，設計瑕疵、制造紕漏、選材不當、違規(guī)操作和維護疏漏是導致?lián)Q熱器發(fā)生燃燒爆炸、嚴重泄漏和管束失控事故的主要原因。通過“斬盡荊棘路自開”“花式降壓分流”“器度不凡”等富含思政意蘊的案例生動詮釋愛崗敬業(yè)的執(zhí)著與科學創(chuàng)新的勇氣，引導學生早日樹立職業(yè)信念的燈塔；通過“汽車玻璃的中國夢筑造者”“高原凍土上的忠誠守護者”“雙碳戰(zhàn)役中的冷卻塔英雄”等思政案例照亮學生們心中的責任與擔當之路，激勵他們樹立遠大職業(yè)理想，勇于承擔社會賦予的使命；同時，展示我國在換熱器技術領域的成就，以增強學生的文化自信與民族自豪感，激發(fā)其愛國熱情與報國志向。這樣的教育模式不僅關注學生專業(yè)技能的培養(yǎng)，還重視其道德品質、社會責任感及創(chuàng)新能力的全面提升，為培養(yǎng)適應未來社會需求的優(yōu)秀人才奠定堅實的基礎。

3" 結語

“換熱器原理與設計”課程是能源與動力工程專業(yè)較重要的一門必修課，授課教師須深入備課、靈活施教，在整合教學內容、構建教學資源庫的基礎上，積極融入科研案例、優(yōu)化教學方法、強化思政教育。學生應主動協(xié)作，課前研學、課上互動、課后鞏固，多元實踐深化知識，學思政案例樹職業(yè)信念。師生共同努力，實現教學質量的全面提升。

基金項目：六盤水師范學院教育教學研究與改革項目（2023-07-011）；六盤水師范學院一流本科專業(yè)建設點項目（LPSSYYLZY2008）；貴州省高等學校教學內容和課程體系改革項目（2022288）；六盤水師范學院高層次人才科研啟動基金項目（LPSSYKYJJ202208）；貴州省教育廳高等學校科學研究項目（青年項目）（黔教技〔2022〕348號）。

參考文獻

[1] 史美中，王忠錚.換熱器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，2009.

[2] 閔輝.課程思政與高校哲學社會科學育人功能[J].中國高等教育，2017（Z3）：21-24.

[3] 邱偉光.論課程思政的內在規(guī)定與實施重點[J].思想理論教育，2018（8）：62-65.

[4] 何玉海.關于“課程思政”的本質內涵與實現路徑的探索[J].思想理論教育導刊，2019（10）：130-134.