換熱器原理與設(shè)計教學(xué)改革探討

摘" 要：為了應(yīng)對現(xiàn)代工程教育中理論與實踐脫節(jié)的問題，以換熱器原理與設(shè)計中熱管換熱器這一內(nèi)容為例，探討有效的教學(xué)改革模式，改革方案通過實施個性化教學(xué)、結(jié)合社會熱點問題、應(yīng)用多媒體教學(xué)資源、融入課程思政和引入前瞻性知識等，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動性和創(chuàng)新能力。教學(xué)改革的實施可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和滿意度，增強(qiáng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：換熱器原理與設(shè)計；熱管換熱器；教學(xué)改革；個性化教學(xué)；課程思政

文章編號：1671-489X（2025）02-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.0

0" 引言

換熱器作為能源動力領(lǐng)域的重要設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于多種工業(yè)過程，如動力、石油、化工、制冷空調(diào)等[1-3]。因此，在工程教育領(lǐng)域，換熱器原理與設(shè)計課程的教學(xué)尤為重要，旨在向?qū)W生介紹熱交換的基本理論和實際應(yīng)用[4]。然而，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方法逐漸顯示出其局限性，主要體現(xiàn)在理論教學(xué)與實際應(yīng)用之間的脫節(jié)以及缺乏有效的實踐和互動環(huán)節(jié)[5-7]。在現(xiàn)代工程教育中，隨著新工科教育改革的推進(jìn)[8-9]，課程內(nèi)容與教學(xué)方式需要全面更新。新工科倡導(dǎo)跨學(xué)科融合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)與工業(yè)界的緊密合作，從而更好地適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的需求。在這一框架下，換熱器原理與設(shè)計課程教學(xué)改革應(yīng)當(dāng)充分響應(yīng)新工科教育理念，整合最新的工業(yè)技術(shù)進(jìn)展和市場需求，使學(xué)生能夠在實踐中掌握先進(jìn)的熱交換技術(shù)和設(shè)計方法。

本文以熱管換熱器為例，探討換熱器原理與設(shè)計課程的教學(xué)改革模式。熱管換熱器因其高效的熱傳遞性能在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如航空航天、電子制冷和化工過程等[10-11]。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式常忽略將實際應(yīng)用案例融入教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生將理論知識應(yīng)用于解決實際工程問題的能力不足。為了解決這一問題，本文探討如何通過引入項目導(dǎo)向和問題導(dǎo)向的教學(xué)方法，將理論知識與實際工程案例結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的探索精神，增強(qiáng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。結(jié)合新工科教育理念，提出換熱器原理與設(shè)計教學(xué)改革方案，旨在通過理論與實踐的深度融合以及與工業(yè)界的緊密合作，全面提升教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，符合當(dāng)前工程教育的發(fā)展趨勢。

1" 教學(xué)目標(biāo)

換熱器原理與設(shè)計課程中針對熱管換熱器部分的教學(xué)目標(biāo)為提高學(xué)生的理論知識掌握水平、應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力。

1.1" 深入理解熱管的工作原理和超導(dǎo)機(jī)理

學(xué)生需要學(xué)習(xí)并掌握熱管內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和對流機(jī)制，包括相變過程及其對熱管性能的影響。這一部分還包括對熱管的超導(dǎo)性質(zhì)的探討，特別是在極端環(huán)境下的工作效率和性能表現(xiàn)以及熱管的熱傳遞特性分析（如熱阻、熱流密度和溫度分布）。

1.2" 掌握不同類型熱管換熱器的設(shè)計和運(yùn)行原理

換熱器原理與設(shè)計課程涵蓋各種類型的熱管換熱器，如兩相閉式熱虹吸管、重力熱管和毛細(xì)泵回路，學(xué)生需要了解這些熱管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)作原理、優(yōu)勢和局限性以及不同材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計對其性能的影響。

1.3" 熟悉熱管的循環(huán)動力學(xué)和控制方法

學(xué)生需要理解熱管的循環(huán)動力學(xué)原理，特別是熱驅(qū)動循環(huán)和流體循環(huán)機(jī)制。課程涉及控制熱管工作狀態(tài)的多種方法，如溫度調(diào)節(jié)和壓力控制，以及在不同工作條件下的動力學(xué)表現(xiàn)和穩(wěn)定性分析。

1.4" 能夠分析應(yīng)用熱管換熱器的實際案例

通過分析熱管換熱器在電子冷卻、航天器熱管理和化工過程等領(lǐng)域的實際應(yīng)用案例，學(xué)生能夠理解熱管設(shè)計的實際考慮因素和面臨的挑戰(zhàn)。案例分析可以幫助學(xué)生將理論知識應(yīng)用于解決實際工程問題。

1.5" 培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新思維能力

通過實驗室實踐和項目式教學(xué)，學(xué)生有機(jī)會設(shè)計、搭建和測試熱管換熱器原型，不僅可以增強(qiáng)實踐操作能力，還可以激發(fā)對傳統(tǒng)熱管換熱器進(jìn)行改進(jìn)的創(chuàng)新思維。

1.6" 強(qiáng)化跨學(xué)科知識的融合與應(yīng)用

課程整合物理、化學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程等學(xué)科知識，使學(xué)生能夠全面理解熱管換熱器的工作原理和應(yīng)用?？鐚W(xué)科知識的融合旨在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2" 學(xué)情分析

在推進(jìn)換熱器原理與設(shè)計課程教學(xué)改革前，充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和需求至關(guān)重要。本次課程教授對象為能源與動力工程專業(yè)大三學(xué)生，總?cè)藬?shù)為101人。通過與相關(guān)前序課程的教師進(jìn)行溝通和對學(xué)習(xí)環(huán)境的細(xì)致觀察，對該課程學(xué)生群體的學(xué)情進(jìn)行總結(jié)：學(xué)生已完成傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，為理解換熱器的原理奠定一定的理論基礎(chǔ)；大部分學(xué)生對專業(yè)有一定的認(rèn)知，掛科率較低，但學(xué)習(xí)主動性較差，對相對枯燥的專業(yè)課學(xué)習(xí)熱情較差。換熱器原理與設(shè)計課程涉及較多專業(yè)綜合知識，傳統(tǒng)的講授式教學(xué)容易使學(xué)生處于被動接受的狀態(tài)，在課堂上缺乏積極性，這與新工科要求的培養(yǎng)具有廣闊視野、創(chuàng)新能力和實踐能力的復(fù)合型人才之間存在差距。盡管多數(shù)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)掌握良好，但仍有少數(shù)學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，主動學(xué)習(xí)意愿不足。

針對上述分析，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力并增強(qiáng)其學(xué)習(xí)效果，提出以下教學(xué)改革措施。

1）理論與實踐相結(jié)合。引入實際工程案例，使理論知識與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，以提升學(xué)生的興趣和理解能力。

2）使用圖文并茂的教學(xué)材料。使用包含豐富圖表和實例的課件，使抽象的理論知識更加直觀、易懂。

3）開展混合式教學(xué)。采用線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式，提高學(xué)生的參與度，增強(qiáng)互動性。

4）開展個性化教學(xué)。根據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)態(tài)度實施個性化教學(xué)，對學(xué)習(xí)意愿較低的學(xué)生提供額外的輔導(dǎo)和激勵。

5）增強(qiáng)實驗和實踐環(huán)節(jié)。通過實驗室實踐、項目制作等方式，增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

這些改革措施可以有效增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，加深學(xué)生對換熱器原理與設(shè)計的理解，提高學(xué)生將理論知識應(yīng)用于解決實際工程問題的能力。

3" 教學(xué)改革方案的實施

本次教學(xué)改革方案旨在通過實施個性化教學(xué)、結(jié)合社會熱點問題、應(yīng)用多媒體教學(xué)資源、融入課程思政和引入前瞻性知識等，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動性和創(chuàng)新能力，為學(xué)生立足未來的工程領(lǐng)域打下堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。

3.1" 調(diào)查學(xué)生實際需求，實施個性化教學(xué)

在課程正式開始前，讓學(xué)生通過閱讀教材和觀看線上視頻，對熱管換熱器的基本概念進(jìn)行初步了解。通過線上問卷調(diào)查的方式收集學(xué)生對熱管教學(xué)內(nèi)容的具體需求，如感興趣的知識點、對熱管技術(shù)前沿的好奇等。這一步驟不僅有助于教師了解學(xué)生的興趣和需求，而且能增強(qiáng)學(xué)生的參與感和對課程的期待感。教師根據(jù)問卷結(jié)果對教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行個性化調(diào)整，因材施教，如對于對實驗感興趣的學(xué)生，可以增加更多的實驗演示和實踐機(jī)會。

3.2" 結(jié)合社會熱點問題，引發(fā)學(xué)生興趣

以青藏鐵路中的熱棒作為教學(xué)的切入點，將學(xué)科知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，同時通過此案例提出問題：為什么熱棒能解決凍土問題？這一舉措旨在引起學(xué)生對熱管技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣。再從案例過渡到理論，教師逐步深入到熱管換熱器的運(yùn)行原理、主要特征和運(yùn)行極限的講解，讓學(xué)生通過對熱管理論系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)后，最終解答為什么熱棒能解決凍土問題。這種與實際應(yīng)用相結(jié)合的問題導(dǎo)向教學(xué)方法能更好地幫助學(xué)生理解和吸收復(fù)雜的理論知識。

3.3" 應(yīng)用多媒體教學(xué)資源

通過實驗視頻和動畫的形式，直觀展示熱管的工作狀態(tài)和特點，這種圖文并茂的多媒體教學(xué)資源的運(yùn)用能幫助學(xué)生更好地理解理論知識并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。比如展示熱管在不同溫度條件下的工作狀態(tài)的實驗視頻，幫助學(xué)生理解熱管的等溫特性和高導(dǎo)熱性，部分課件如圖1所示。

另外，本課程詳細(xì)介紹熱管換熱器的各種類型，如兩相閉式熱虹吸管、旋轉(zhuǎn)熱管等，以及它們在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，如高性能芯片散熱、衛(wèi)星均溫、手術(shù)刀、太陽能發(fā)電等。通過這些內(nèi)容的介紹，學(xué)生不僅能夠理解熱管的多樣性，還能夠了解熱管在實際工程中的廣泛應(yīng)用。

3.4" 融入課程思政

3.4.1" 弘揚(yáng)大國工匠精神

在課程中穿插介紹中國熱管技術(shù)的發(fā)展歷程，強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)人員在國家發(fā)展中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生的國家認(rèn)同感和職業(yè)自豪感，激發(fā)他們的愛國心和報國志。

3.4.2" 培養(yǎng)創(chuàng)新精神，樹立正確“三觀”

通過展示國內(nèi)外熱管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和對工程技術(shù)的熱愛，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。例如，介紹熱管在航天器中的應(yīng)用，讓學(xué)生了解工程技術(shù)對于國家科技進(jìn)步的重要性，從而堅定學(xué)生為國家科技進(jìn)步作貢獻(xiàn)的決心。

3.5" 引入前瞻性知識

為了增強(qiáng)課程的前瞻性，介紹最新的熱管技術(shù)發(fā)展和潛在應(yīng)用，如在可持續(xù)能源、空間技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，不僅能激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲，而且有助于提高他們對行業(yè)發(fā)展趨勢的認(rèn)識。在介紹新技術(shù)的同時，鼓勵學(xué)生思考如何利用這些技術(shù)解決現(xiàn)實世界的問題，讓學(xué)生了解熱管技術(shù)的前沿動態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。

4" 教學(xué)反饋與評價

為了確保課程的教學(xué)效果，采用多元化的教學(xué)評價方法，包括在線測試、課后作業(yè)和期末考試等，全面評估學(xué)生對學(xué)習(xí)目標(biāo)的掌握程度。

4.1" 在線測試

利用學(xué)習(xí)通軟件對學(xué)生進(jìn)行在線測試，主要針對熱管換熱器的特點、不同種類的熱管在各應(yīng)用領(lǐng)域的使用等。這種測試不僅能即時檢驗學(xué)生對課堂內(nèi)容的掌握情況，而且能增強(qiáng)學(xué)生的參與度和互動性。通過學(xué)習(xí)通軟件的自動分析系統(tǒng)，快速獲得測試結(jié)果，并據(jù)此進(jìn)行點評和分析。這一環(huán)節(jié)對于實時分析學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成情況至關(guān)重要，教師可以根據(jù)測試結(jié)果及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

4.2" 課后作業(yè)

設(shè)計開放性課后作業(yè)，旨在充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵他們進(jìn)行深入思考和探索。例如：選擇一種類型的熱管，要求學(xué)生論述該類熱管的發(fā)展現(xiàn)狀，包括其背景、結(jié)構(gòu)、原理、發(fā)展史等，幫助學(xué)生加深對特定熱管類型的理解，培養(yǎng)學(xué)生的研究和分析能力；選擇一個特定領(lǐng)域，讓學(xué)生從需求、解決方案和發(fā)展現(xiàn)狀的角度論述熱管的應(yīng)用情況，理解熱管技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，激發(fā)創(chuàng)新思維。最后，教師針對作業(yè)的內(nèi)容進(jìn)行評價，關(guān)注學(xué)生對問題的理解深度、分析能力和創(chuàng)新思考，以便更全面地評估學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用能力。

4.3" 期末考試

期末考試可以綜合評估學(xué)生對整個課程包括熱管換熱器部分的理解和掌握情況。以試卷為載體，設(shè)置客觀題和主觀題，測試學(xué)生對理論知識的掌握和應(yīng)用能力。熱管換熱器章節(jié)內(nèi)容的測試以論述題為主，如分析重力熱管的運(yùn)行原理，舉例說明重力熱管的應(yīng)用領(lǐng)域。期末考試結(jié)果將與課堂測試、課后作業(yè)等其他評價方式結(jié)合，形成對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的綜合評價。這種多元化的評價方法可以更全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助教師和學(xué)生了解學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成程度。

通過上述綜合性的教學(xué)評價方法，可以有效地監(jiān)控和評估學(xué)生對熱管換熱器這一章節(jié)的理解和掌握情況，不僅有助于教師及時調(diào)整教學(xué)方法，以更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，而且能夠幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識到自己的進(jìn)步和不足，從而不斷增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。通過這種方式，確保教學(xué)目標(biāo)的有效實現(xiàn)。

5" 教學(xué)改革成效

本文以熱管換熱器為例，探討換熱器原理與設(shè)計教學(xué)改革方案，通過實施個性化教學(xué)、結(jié)合社會熱點案例、應(yīng)用多媒體教學(xué)資源、融入課程思政和引入前瞻性知識的方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)他們的主動性和創(chuàng)新能力。此外，通過在線測試、課后作業(yè)和期末考試等多元化的教學(xué)評價方式，全面評估學(xué)生對學(xué)習(xí)目標(biāo)的掌握程度，確保取得理想的教學(xué)效果。對所教授的學(xué)生（共101位學(xué)生）進(jìn)行滿意度問卷調(diào)查和單元測試結(jié)果分析，調(diào)查結(jié)果和單元測試分?jǐn)?shù)分布情況分別如圖2和圖3所示。

圖2表明，針對本次教學(xué)改革后的課堂，約75%的學(xué)生表示非常滿意，基本滿意度達(dá)到100%。圖3表明，學(xué)生對這一章節(jié)知識的掌握情況良好，85分以上的人數(shù)超過75%，全部學(xué)生都能得到65分以上?？傮w而言，教學(xué)改革效果良好，學(xué)生對熱管換熱器這一章節(jié)的知識掌握情況達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6" 結(jié)束語

本教學(xué)改革方案不僅為換熱器原理與設(shè)計課程提供了一種新的教學(xué)思路，也為工程類課程的教學(xué)改革提供了可借鑒的范例。本次教學(xué)改革后續(xù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化，比如：利用增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)為學(xué)生提供更為直觀的學(xué)習(xí)體驗，通過虛擬實驗室，學(xué)生可以模擬熱交換過程，進(jìn)行實驗設(shè)計和結(jié)果分析；增設(shè)與工業(yè)界合作的環(huán)節(jié)，通過實習(xí)、講座和項目合作，學(xué)生有機(jī)會直接參與換熱器的研發(fā)和應(yīng)用過程，從而深入理解課堂上學(xué)到的知識如何在實際工作中被應(yīng)用。通過持續(xù)的教學(xué)實踐和評估，期望能夠進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展這種教學(xué)模式，為工程教育的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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