新工科背景下“傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

摘"要：“傳熱學(xué)”是國(guó)內(nèi)外能源動(dòng)力、機(jī)械、化工、航空航天等多個(gè)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心技術(shù)基礎(chǔ)課之一，課程具有典型的“難教、難學(xué)、難考”特點(diǎn)。傳統(tǒng)的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)單一授課方式已不能有效滿(mǎn)足新工科人才能力培養(yǎng)，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在“傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上做了三方面的嘗試：一是轉(zhuǎn)變教學(xué)方式；二是引入數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)；三是豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件內(nèi)容。新的教學(xué)方法提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)性、拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑、激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果顯著。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。凡是有溫差的地方，熱量就能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，或從物體的高溫部分傳向低溫部分［1］。由于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中幾乎到處存在著溫差，所以熱量傳遞不僅存在于自然界中常見(jiàn)的風(fēng)、霜、雪、雨等自然現(xiàn)象中，而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域，如在能源動(dòng)力、機(jī)械、化工、冶金、航空航天等技術(shù)領(lǐng)域。

本專(zhuān)業(yè)傳熱學(xué)教材采用陶文銓院士所編《傳熱學(xué)》第五版。內(nèi)容包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、輻射傳熱、傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算四大部分的內(nèi)容，具體包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種基本熱量傳遞方式的物理概念、特點(diǎn)和基本規(guī)律；綜合應(yīng)用這些基礎(chǔ)知識(shí)正確分析工程實(shí)際傳熱問(wèn)題的方法；計(jì)算各類(lèi)熱量傳遞過(guò)程的基本方法；典型的工程傳熱問(wèn)題計(jì)算方法；強(qiáng)化或削弱熱量傳遞過(guò)程的方法及切實(shí)可行地強(qiáng)化或削弱傳熱的措施等。課程具有典型的“難教、難學(xué)、難考”三難特點(diǎn)。

針對(duì)課程內(nèi)容多、概念抽象、難點(diǎn)多及理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合等教學(xué)難點(diǎn)，能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)同時(shí)開(kāi)設(shè)了傳熱學(xué)的系列實(shí)驗(yàn)，包括強(qiáng)迫對(duì)流單管外放熱系數(shù)的測(cè)定、大容器內(nèi)水沸騰換熱實(shí)驗(yàn)、中溫輻射時(shí)物體黑度的測(cè)試以及綜合傳熱性能實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式把一些晦澀難懂的知識(shí)點(diǎn)更加形象、直觀地表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生更易于接受。由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)同時(shí)涉及幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可以使學(xué)生把所學(xué)理論知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，最后內(nèi)化、吸收，變成自己的知識(shí)。理論與實(shí)踐相結(jié)合，可使學(xué)生能夠?qū)碚撝R(shí)有更加深入的理解與掌握。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，能夠增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生掌握一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，掌握數(shù)據(jù)采集、整理、分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性不言而喻。傳統(tǒng)的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)單一授課方式已不能有效地滿(mǎn)足新工科人才能力培養(yǎng)的要求［2］，除完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，輔以行之有效的教學(xué)方法，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高將起到事半功倍的作用［3］。為更好地與理論課相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解，在傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中做了以下嘗試。

1"轉(zhuǎn)變教學(xué)方式

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師是實(shí)驗(yàn)課的主體，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，這種“填鴨式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不利于學(xué)生學(xué)習(xí)、思考［4］，學(xué)生只是為了做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，或者說(shuō)只是為了修夠?qū)W分而做實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)很好的思考，自然也就達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)更深層次的效果。為此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上做了以下嘗試：以課前—課中—課后的模式開(kāi)展教學(xué)。

課前預(yù)習(xí)：利用某學(xué)習(xí)軟件發(fā)布課前預(yù)習(xí)材料，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)（數(shù)據(jù)采集與處理部分除外），提出問(wèn)題與反饋。課中線下教學(xué)：檢查預(yù)習(xí)效果、講解實(shí)驗(yàn)原理等重點(diǎn)知識(shí)、指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)學(xué)生提出該實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)點(diǎn)。課后復(fù)習(xí)：學(xué)生通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢查自己的預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)效果，重溫知識(shí)點(diǎn)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解；學(xué)生參與教學(xué)效果討論，對(duì)教師的教學(xué)方式、教學(xué)效果提出合理性建議。教師反思教學(xué)效果、查漏補(bǔ)缺授課內(nèi)容，如圖1所示。

在課中部分，以二維導(dǎo)熱物體溫度場(chǎng)的電模擬實(shí)驗(yàn)為例，教師可以提出以下問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去思考。比如，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為電阻網(wǎng)絡(luò)式電模型，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為電壓值，為什么可以換算成溫度值描述溫度場(chǎng)，從而引出實(shí)驗(yàn)裝置是建立在導(dǎo)熱和導(dǎo)電現(xiàn)象有類(lèi)似的數(shù)學(xué)描寫(xiě)的基礎(chǔ)上；類(lèi)似的數(shù)學(xué)描寫(xiě)包括微分方程類(lèi)似、定解條件類(lèi)似，那么微分方程和定解條件類(lèi)似是如何實(shí)現(xiàn)的；如何通過(guò)離散的點(diǎn)計(jì)算墻體的散熱量；為什么測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算存在差異，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)有哪些，減小誤差的措施有哪些；等等。面對(duì)這些問(wèn)題時(shí)，學(xué)生就會(huì)迫切需要找尋相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決這些問(wèn)題，產(chǎn)生對(duì)知識(shí)的渴求心理，從而激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)行為。

通過(guò)課前—課中—課后的教學(xué)方式，學(xué)生帶著問(wèn)題去思考，能夠用理論知識(shí)更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。反之，也能夠用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去驗(yàn)證理論知識(shí)，從而把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，達(dá)到更深層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。理論與實(shí)踐有機(jī)融合，收獲了1+1＞2的效果，而不僅僅是上了理論課、完成了實(shí)驗(yàn)課；同時(shí)教師通過(guò)學(xué)生的合理性建議，也會(huì)不斷進(jìn)步，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

2"引入數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

數(shù)值模擬可以簡(jiǎn)單地理解為用計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展的今天，作為新興的科學(xué)技術(shù)，數(shù)值模擬已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，如冶金、化工、航天、生物醫(yī)學(xué)等。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)依附于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的種類(lèi)、先進(jìn)性，亦受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，當(dāng)我們所研究的對(duì)象因?qū)嶒?yàn)條件苛刻而不易操作或不易實(shí)現(xiàn)時(shí)，會(huì)耗費(fèi)很多人力、物力，而且不能保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行或?qū)嶒?yàn)結(jié)果可靠。數(shù)值模擬在某種意義上講比做實(shí)驗(yàn)對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更清晰、深刻，也更細(xì)致。通過(guò)數(shù)值模擬，不僅可以了解問(wèn)題的結(jié)果，而且可隨時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、重復(fù)地顯示事物發(fā)展的整體與局部的細(xì)致過(guò)程；可以通過(guò)計(jì)算機(jī)比較直觀地顯示出目前還不易觀察到的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更容易被同學(xué)們理解和接受；可以觀察到發(fā)生在試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的一些物理現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象并不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到。同時(shí)，數(shù)值模擬可以替代一些危險(xiǎn)、昂貴的甚至是難于實(shí)施的實(shí)驗(yàn)。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍存在前期投入較大、更新費(fèi)用高、場(chǎng)地空間受限、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以拓展等特點(diǎn)［5］。為合理改變這種現(xiàn)狀，傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以自主設(shè)計(jì)與搭建（與模型相符），而且能夠滿(mǎn)足不同層次、不同個(gè)性的學(xué)生的需求，有利于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。同時(shí)，在高度逼真的環(huán)境下，可以增進(jìn)對(duì)抽象概念、原理的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，我們?cè)趯W(xué)習(xí)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，可以開(kāi)展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，用Fluent模擬一塊鐵塊的加熱過(guò)程。

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，不但避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)設(shè)備的要求（實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難測(cè)量鐵塊內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化）、實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在的安全隱患，而且能夠更加形象地觀察整個(gè)加熱過(guò)程中鐵塊溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，使學(xué)生更加深入了解“非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱”。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)對(duì)數(shù)值模擬有一定的了解，如建立模型、劃分網(wǎng)格等，也為學(xué)生以后從事與之相關(guān)的科研工作打下基礎(chǔ)。

3"豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件內(nèi)容

到目前為止，課件仍是應(yīng)用較為廣泛的教學(xué)資源之一。從教學(xué)內(nèi)容上來(lái)說(shuō)，課件不應(yīng)該僅僅是課本內(nèi)容的復(fù)制品，教師應(yīng)該在課件中增加新的內(nèi)容，從而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者認(rèn)為可以從以下三個(gè)方面豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件內(nèi)容。

第一，傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但要完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。實(shí)驗(yàn)在高等教育中具有不可替代的育人價(jià)值，更是開(kāi)展科學(xué)研究的重要手段，而實(shí)驗(yàn)室在人才培養(yǎng)的過(guò)程當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用，無(wú)論是科研、教學(xué)，還是學(xué)科競(jìng)賽，特別是在理工科院校。作為工科學(xué)生，走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)是必不可少的。如果學(xué)生和教師安全意識(shí)淡薄或防范措施做得不夠，做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生安全事故，比如著火、高溫燙傷等，可能會(huì)造成不可挽回的后果。因此，實(shí)驗(yàn)室有哪些安全注意事項(xiàng)？如何避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生？如果發(fā)生安全事故，選擇什么樣的處理方法可以將損失降到最低？課件中可以增加相應(yīng)的內(nèi)容或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源（如MOOC等）向?qū)W生普及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。

第二，良好的開(kāi)端是成功的一半，按部就班的“講解員”式的講解方式已不足夠吸引學(xué)生的注意力。為引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)興趣，除了課件要形象、生動(dòng)、條理清楚、圖文并茂外，還要結(jié)合板書(shū)以及對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)備的詳細(xì)描述，講解設(shè)備的操作方法、原理以及注意事項(xiàng)等，這樣既能提高學(xué)生對(duì)課堂的專(zhuān)注度、活躍課堂的氣氛，又能使學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作過(guò)程等，在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中也會(huì)更加得心應(yīng)手。

第三，結(jié)合本專(zhuān)業(yè)特色以及已有的相關(guān)科研平臺(tái)，把本學(xué)科的重大科研成果引入相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目講授之中。如在對(duì)流換熱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)引入“冶金節(jié)能減排”團(tuán)隊(duì)在強(qiáng)化換熱方面所做的研究工作以及相應(yīng)的研究成果，如精準(zhǔn)均勻強(qiáng)化加熱、直接接觸式強(qiáng)化傳熱、旋流混沌強(qiáng)化混合及利用納米流體強(qiáng)化傳熱等，這樣既能開(kāi)闊學(xué)生的視野，又能提高學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣或科研興趣。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性不言而喻，為使學(xué)生能夠?qū)碚撝R(shí)有更加深入的理解與掌握，也能夠讓學(xué)生更加全面地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及提高工程實(shí)踐能力，本文在傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中做了三個(gè)方面的嘗試：一是轉(zhuǎn)變教學(xué)方式；二是引入數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)；三是豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件內(nèi)容。新的教學(xué)方法提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)性、拓寬了學(xué)習(xí)途徑、激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果顯著。

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基金項(xiàng)目：2023年云南省本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科”背景下基于“數(shù)智賦能”的高校精準(zhǔn)課程思政建設(shè)研究（No.JG2023106）

作者簡(jiǎn)介：黃曉艷（1985—"），女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事中低溫余熱高效利用研究。

*通訊作者：翟玉玲（1986—"），女，漢族，廣西欽州人，博士，教授，主要從事中低溫余熱高效利用研究。