新工科背景下飛行器動力工程專業(yè)傳熱學(xué)課程中案例式教學(xué)的實施

摘 要 隨著我國“新工科”建設(shè)的深入開展，工科課程對教學(xué)新理念、新方法的探索與實踐迫在眉睫。文章以飛行器動力工程專業(yè)傳熱學(xué)課程為例，針對目前課程教學(xué)中所存在的問題進(jìn)行了整理與分析。通過在課程教學(xué)中有效實施案例教學(xué)環(huán)節(jié)，將工程實踐及科研問題中的傳熱學(xué)問題與教學(xué)內(nèi)容相融合，可以豐富課程教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)的專業(yè)性和實用性，同時激發(fā)學(xué)生對傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)效果和質(zhì)量，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生在工程傳熱問題上專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維的目的，對推進(jìn)新工科人才培養(yǎng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞 案例式教學(xué)；傳熱學(xué)；新工科；教學(xué)效果

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.02.007

Implementation of Case-based Teaching in the Heat Transfer Course of Aircraft Power Engineering Major under the Background of Emerging Engineering Education

——Taking the Sino-European Institute of Aviation Engineering at Civil Aviation University of China as an example

WANG Ying， WANG Xiaodong， DENG Tian

（Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract With the in-depth development of \"Emerging Engineering Education\" in China， it is urgent to explore and practice new teaching concepts and methods for engineering courses. Taking the Heat Transfer course of the Aircraft Power Engineering major as an example， this paper"sorts out and analyzes the existing problems in the current course teaching. By effectively implementing the case teaching link in the course teaching， integrating heat transfer problems in engineering practice"and scientific research with teaching content， it can enrich the course teaching model， enhance the professionalism and practicality of teaching， stimulate students' interest in learning heat transfer， improve"the teaching effectiveness and quality of the classroom. Ultimately，"it aims to cultivate students' professional qualities and innovative thinking in engineering heat transfer problems， which is of great significance for promoting the cultivation of emerging engineering talents.

Keywords case-based teaching; heat transfer; emerging engineering education; teaching effectiveness

1" 傳熱學(xué)課程簡介

1.1" 課程描述

傳熱學(xué)是飛行器動力工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，主要從工程應(yīng)用的角度討論熱量傳遞的基本規(guī)律，廣泛應(yīng)用于能源動力、航空航天、建筑工程、化工等領(lǐng)域[1]。傳熱學(xué)課程在飛行器動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中起到承上啟下的作用，一方面需要學(xué)生熟練掌握高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等前修課程的相關(guān)知識，另一方面為后續(xù)專業(yè)課程，如燃燒學(xué)、航空發(fā)動機(jī)原理、航空發(fā)動機(jī)設(shè)計與維修等，提供專業(yè)支撐。理解傳熱學(xué)的基本理論、原理，掌握分析和解決工程傳熱問題的基本方法并具備相應(yīng)的計算能力，對飛行器動力工程專業(yè)的學(xué)生尤為重要。

隨著新工科教育理念的興起，工科專業(yè)課程的教學(xué)面臨著新的任務(wù)和挑戰(zhàn)。相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來需要的是實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。因此，傳熱學(xué)課程的教學(xué)過程必須緊跟時代步伐，更加貼近工程實際，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，開展實踐性教學(xué)和課程設(shè)計，加強(qiáng)與工業(yè)界合作，以提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力[2]。同時，需要探索飛行器動力工程專業(yè)教學(xué)新理念、新方法，從而促進(jìn)本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的轉(zhuǎn)型與優(yōu)化。

1.2" 傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院（以下簡稱“中歐學(xué)院”）是經(jīng)教育部批準(zhǔn)，與法國航空航天大學(xué)校集團(tuán)合作成立的辦學(xué)機(jī)構(gòu)，旨在系統(tǒng)引進(jìn)法國精英工程師教育理念和培養(yǎng)模式，培養(yǎng)兼具寬厚數(shù)理基礎(chǔ)、完備工程能力和綜合創(chuàng)新能力，能勝任研發(fā)、設(shè)計、制造、適航、運(yùn)行等航空全產(chǎn)業(yè)鏈任務(wù)的國際化復(fù)合型人才[3]。本文所討論的傳熱學(xué)課程是隸屬于中歐學(xué)院的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，面向本科生第七學(xué)期開設(shè)。課程充分借鑒了法國精英工程師教育體系，吸取了法國國立高等機(jī)械與航空技術(shù)大學(xué)（ISAE-ENSMA）同類課程的教學(xué)精華和授課經(jīng)驗，注重理論與應(yīng)用相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力、工程實踐思維以及使用基礎(chǔ)理論解決傳熱系統(tǒng)問題的能力為目標(biāo)。課程共計46學(xué)時（理論44學(xué)時和實驗2學(xué)時），采用法語版自編講義及習(xí)題冊，結(jié)合中法雙語進(jìn)行授課。在多輪傳熱學(xué)教學(xué)工作的開展過程中，盡管已經(jīng)針對課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，并得到良好的反饋，但也存在以下問題。

①課程內(nèi)容繁多，理論性強(qiáng)，涉及大量的公式推導(dǎo)和物理概念，特別是一些概念抽象難懂，而且不同的傳熱方式又用到各種研究方法、經(jīng)驗式，計算難度大，對學(xué)生造成較大的困擾。此外，傳熱學(xué)課程與其他課程聯(lián)系緊密，例如，對流傳熱的講解需要用到流體力學(xué)知識，多維導(dǎo)熱問題的數(shù)值解法對高等數(shù)學(xué)知識有一定要求等。②學(xué)生對課程內(nèi)容的理解僅停留在碎片化的知識點(diǎn)和概念，雖然能夠利用簡單的公式套用固定類型的計算，但缺乏對其物理意義的理解，以及運(yùn)用知識分析解決實際問題的能力。特別對于飛行器動力工程專業(yè)的學(xué)生來講，發(fā)動機(jī)內(nèi)耦合了燃燒、流動、傳熱等多種物理問題，學(xué)生必須弄清楚這些物理現(xiàn)象背后的科學(xué)原理，具備將傳熱學(xué)理論知識與工程實踐問題結(jié)合應(yīng)用的能力。

2" 案例教學(xué)在傳熱學(xué)課程中的實施

華東理工大學(xué)的苗雨等在課程教學(xué)中增設(shè)了工程和科研案例環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生對理論知識的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力[4]；合肥工業(yè)大學(xué)的劉佩貴等進(jìn)行了案例教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革探索，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]；昆明理工大學(xué)的孔令鑫等通過實施案例式教學(xué)，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力[6]?；谝陨辖?jīng)驗，教學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)初步展開案例式教學(xué)在傳熱學(xué)課程中的實際應(yīng)用，本文將從三個方面分別介紹其具體實施辦法。

2.1" 案例教學(xué)要立足實際、與時俱進(jìn)

在以往的教學(xué)過程中，主要是引入一些日常生活和工業(yè)生產(chǎn)過程中的常見現(xiàn)象來展開教學(xué)內(nèi)容。雖然這些實例很好地體現(xiàn)了課程的知識點(diǎn)，但比較枯燥乏味，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣。為切實提升教學(xué)效果，教學(xué)團(tuán)隊面向飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生對當(dāng)前航空航天領(lǐng)域傳熱問題認(rèn)知和分析思維的鍛煉需求，將具有行業(yè)特色的傳熱問題引入課堂，形成新的教學(xué)案例庫，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生在工程傳熱問題上的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維。以我國空間站問天實驗艙太陽電池翼中的傳熱問題為例：

2022年7月24日，問天實驗艙成功發(fā)射，為了讓航天員在太空工作、生活實現(xiàn)用電自由，問天實驗艙配置了中國最大面積的柔性太陽電池翼。受太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽翼的發(fā)電效率會因時段、姿態(tài)不同而產(chǎn)生相應(yīng)變化。為了24小時不間斷追蹤太陽，保持最高發(fā)電效率為空間站保障用電，問天實驗艙首次采用太陽翼雙自由度同時轉(zhuǎn)動，確保陽光垂直照射在太陽翼上。將上述問題進(jìn)行合理簡化，嵌入課程的案例教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生把握問題關(guān)鍵，思考影響表面之間輻射傳熱的主要因素。這部分可以通過掃描二維碼上傳答案的方式進(jìn)行，吸引學(xué)生注意力。之后借助自制教具進(jìn)行深入講解，利用電烤燈和熱能風(fēng)扇的演示實驗形象地解釋表面相對位置對輻射傳熱的作用，并引入角系數(shù)這個專業(yè)術(shù)語來定量表述空間相對位置的影響。在學(xué)生能夠理解角系數(shù)的概念和性質(zhì)后，對案例進(jìn)行簡化，例如考慮圓柱體內(nèi)三個表面之間的輻射傳熱，計算所有的角系數(shù)，將原來較為復(fù)雜的工程案例精練為適合本科生親自演練的作業(yè)。最后，向?qū)W生介紹太陽翼的設(shè)計時，引導(dǎo)學(xué)生了解工程師不僅要研究成千上萬個輻射表面，還要考慮太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的動態(tài)變化，將學(xué)生看待問題的方式從以往平面式的公式思維縱向拉伸到基于一定經(jīng)驗的工程思維，從而鼓勵學(xué)生采用合理簡化、數(shù)值仿真等方式對實際工程問題進(jìn)行分析。

2.2" 以具體案例為牽引突破課程重難點(diǎn)

公式和概念繁多且內(nèi)容抽象難懂是傳熱學(xué)課程的一個主要問題，讓學(xué)生弄清楚這些數(shù)學(xué)推導(dǎo)背后的物理意義以及物理概念的本質(zhì)一直是教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。僅在輻射傳熱部分，就涉及輻射強(qiáng)度、輻照密度、黑體、發(fā)射率與吸收率等概念。而在肋片導(dǎo)熱問題上，需要理解四類不同邊界條件下肋片傳熱基礎(chǔ)方程的推導(dǎo)和求解。此外，傳熱學(xué)還涉及傅里葉定律、導(dǎo)熱微分方程、牛頓冷卻公式、普朗克定律、斯蒂芬―玻爾茲曼定律等眾多知識點(diǎn)。要想完全靠死記硬背來記住這些內(nèi)容幾乎是不可能的，而將這些概念和公式熟練應(yīng)用則更加困難。

由于教材上教學(xué)內(nèi)容所對應(yīng)的案例過于空泛，很難讓學(xué)生有代入感地去理解這些知識點(diǎn)，更別提建立起理論與實踐之間的聯(lián)系。針對這一問題，教學(xué)團(tuán)隊從工程應(yīng)用中尋找合適的案例來引出教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生自主解決傳熱學(xué)具體案例，訓(xùn)練學(xué)生的實際應(yīng)用能力。比如，讓學(xué)生觀察紅外熱像儀測量粘貼絕緣膠帶的不銹鋼保溫壺溫度的工作過程，當(dāng)保溫壺裝滿接近沸騰的熱水時，測量結(jié)果顯示膠帶溫度更接近實際水溫，而壺身溫度會低于實際水溫。由此引出物體輻射發(fā)射能力取決于材料種類，進(jìn)而給出輻射發(fā)射率的定義和不同材料表面的發(fā)射率大小（ 不銹鋼0.10， 絕緣膠帶0.10）。最后通過介紹紅外熱像儀的正確使用方法和校準(zhǔn)技巧，幫助學(xué)生理解熱輻射測溫原理等基礎(chǔ)知識，并讓學(xué)生提前了解紅外熱像儀在科研工作中的重要性。再比如向?qū)W生展示芯片的構(gòu)造，介紹芯片散熱效果決定了芯片的穩(wěn)定性和可靠性，這里就引出了傳熱學(xué)中熱阻的概念。材料的熱導(dǎo)率越高，熱阻越小，散熱效果越好。同時，芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計也會影響散熱效果，散熱面積越大，散熱效率越高。最后根據(jù)熱阻的定義（導(dǎo)熱熱阻）和（對流熱阻），引導(dǎo)學(xué)生理解材料熱物理性質(zhì)（，）與結(jié)構(gòu)設(shè)計（，）對散熱效果的影響。

2.3" 科研案例與課堂教學(xué)內(nèi)容相融合

不少教學(xué)嘗試已經(jīng)表明，科研向教學(xué)的轉(zhuǎn)化有利于開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)科研興趣，是一種非常值得提倡的做法[7-8]。因此，教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合曾參與或正在進(jìn)行的科研項目中遇到的傳熱學(xué)問題，以問題引導(dǎo)的方式嘗試將科研案例與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行融合，借此激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。以某型真空泵溫度異常故障為例，目前需要借助數(shù)值模擬手段調(diào)整真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計以達(dá)到優(yōu)化散熱效果的目的。已知該型真空泵由泵體、電機(jī)、電控、鈑金箱等組成，使用過程中熱量自泵體內(nèi)部流道的工質(zhì)產(chǎn)生，通過熱傳導(dǎo)方式從泵體內(nèi)表面?zhèn)鬟f至外表面，隨后在泵表面冷卻板處以熱輻射和熱對流耦合形式與外圍鈑金箱之間的流體發(fā)生熱交換。

首先，這個案例可以讓學(xué)生意識到熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種傳遞熱量的基本方式在實際應(yīng)用中往往耦合在一起，通常不會單獨(dú)出現(xiàn)。其次，在課堂教學(xué)中，通過案例引入帶領(lǐng)學(xué)生了解工程問題的簡要建模以及應(yīng)用ANSYS-CFD分析傳熱問題、計算云圖的流程。在課后，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)了解工業(yè)過程中鈑金箱開孔和冷卻板肋片設(shè)計中的各項影響因素（如開孔排列方式、開孔形狀、肋片間距、肋片面積等），探究傳熱因子（）關(guān)于不同參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)一步思考真空泵的散熱優(yōu)化設(shè)計方案有哪些，放到課堂上進(jìn)行分組互動討論。在這個教學(xué)過程中，不僅更新了教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，還通過結(jié)合科研案例適時引入了仿真工具培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具的能力，有助于提升學(xué)生在工程問題上熱分析和熱設(shè)計的綜合能力，并為后續(xù)課程及畢業(yè)設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。

3" 結(jié)語

本文以飛行器動力工程專業(yè)傳熱學(xué)課程為例，探討了新工科教育背景下課程面臨的新挑戰(zhàn)。針對傳熱學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的諸多問題，提出了“案例式教學(xué)”的設(shè)計方案，進(jìn)一步探索了具有行業(yè)特色的工程案例以及前沿科研案例在傳熱學(xué)課程中的具體實施方法。當(dāng)前“案例式教學(xué)”在傳熱學(xué)課程教學(xué)中已經(jīng)初步展開實際應(yīng)用，這種授課方法有助于學(xué)生更好地理解相關(guān)知識并應(yīng)用到實際問題中，從而提升分析解決問題的能力，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生在工程傳熱問題上專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新性思維的目的。

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