傳熱學課堂教學引入淺析

趙斌 盧閃 孫鑫 鄭雨柔

摘要：課堂引入是上好一堂課的關鍵所在，我校傳熱學課堂教學嘗試實驗、音像等引入法，經過幾年的教學實踐，表明在傳熱學課堂教學過程中應用具有針對性、趣味性和科學性的課堂引入實例，可以激發學生的學習熱情，有助于培養學生的綜合應用能力和創造思維能力，在課堂教學中具有重要的地位和作用。

關鍵詞：課堂教學;課堂引入法;傳熱學

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）47-0138-03

一部成功的電影需要出奇制勝的預告片吸引觀眾的注意，教學亦是如此，生動有趣的教學引入對學生的課堂學習起著至關重要的作用，對傳熱學教學質量的提高以及人才培養也是舉足輕重的[1]。

經過多年的努力，我校傳熱學課程建設已日臻完備，并已形成自己的特色，于2007年被評為校優秀課程，2008年被評為省精品課程。教學實踐表明，對尚未接觸傳熱學課程的低年級大學生而言，受往屆傳熱學課程掛科率比較高等原因的影響，對傳熱學課程的學習仍存有畏懼心理。教師在課下與學生的交流發現，很多學生在傳熱學這門課的學習上不得要領，在初聽多維非穩態導熱問題、大容器沸騰傳熱實驗關聯式以及間壁式換熱器熱設計等類似問題時，就有種惴惴不安的感覺。因此，如何做好傳熱學課堂引入，激發學生對傳熱學的學習興趣，排除畏難情緒，愈發顯得關鍵。

一、傳熱學簡介

傳熱是一種自發的不可逆過程，而傳熱學是一門跨行業、專業技術的基礎性交叉學科，它是在數學（主要是微分方程理論）、熱力學、流體力學等基礎上發展起來的基礎應用學科。熱能傳遞的三種基本方式為熱傳導、熱對流和熱輻射。三種傳遞方式的主要區別在于相對位移和傳遞介質。

傳熱過程大多伴隨熱傳導、對流換熱和輻射換熱的綜合影響[2]。例如，生活中鐵板燒的傳熱過程和水壺燒水的過程就兼具這三種換熱方式，而不同案例下，這三種換熱方式所占比例又不盡相同。由此可見，對于傳熱過程的理解分析，存有一定的難度。學生在學習傳熱學課程之初，為消除大學生的畏難情緒，嘗試采用引入法從各個角度加深學生對熱量傳遞現象的深入理解[3]，以激發大學生對傳熱學課程的學習興趣。

二、引入法淺析

任課教師在傳熱學課堂上改變傳統的授課模式，初步探討研究出幾種教學引入方法。例如，在講到傅立葉定律時，教師通常會簡要介紹讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅立葉這位偉大的法國物理學家的生平事跡，繼而提及他是如何提出導熱基本定律以及求解導熱微分方程的無窮級數的。此外，教師還可依據教學重點與難點，為學生設疑，讓學生積極思考，開拓思維，主動發言，以此調動學生學習傳熱學課程的興趣。

1.實驗引入法。在課堂上，通過演示實驗，鼓勵學生一起參加，提高學生的動手操作能力，更重要的是，形象化的實物相比抽象的理論而言，更容易讓學生接受。

在傳熱學第一堂課中，任課教師帶著蠟燭、紙杯、托盤還有一瓶純凈水來到教室，學生都驚訝地看著教師，他們想象不到教師要在傳熱學課堂上為大家做一個簡單的小實驗，那就是用紙杯燒開水（見圖1）。實驗很成功，水也燒開了，但紙杯并沒有燒著。學生在底下議論紛紛，猜測這到底是為什么。在大家各抒己見后，總結出正確答案：紙的燃點在180℃左右，而水的沸點在100℃左右，當紙杯中裝了水，用蠟燭加熱紙杯底部時，紙杯吸熱升溫并將熱量迅速地傳遞給水，當紙杯中的水吸熱升溫至沸點時，水開始沸騰。因此，只要紙杯中有水，紙就不能達到燃點而燃燒。學生合理地解釋完實驗現象，教師可開始引入傳熱學內容，告訴學生，把水燒開的過程包含即將學習的三種換熱方式。類似的趣味實驗有很多，如一塊30mm×30mm×5mm的冰塊靜止地懸掛在20℃大氣中，冰塊融化時的形狀有什么變化，也可讓學生自己動手操作觀察，尋求原因，以達到課堂引入的良效。由此，學生帶著好奇心與求知欲，開始這學期的傳熱學課程。

2.音像引入法。如今，高校教學大多是多媒體授課，在開始課程講解前，可有效利用多媒體資源，為學生播放相關影片。當然，影片時長幾分鐘即可，重在引入課堂知識。

任課教師曾在開始講對流傳熱這章內容時，為學生播放經典影片《泰坦尼克號》片段，男主人公Jack在海水中被凍死，而女主人公Rose卻因躺在竹筏上幸存下來（見圖2）。影片戛然而止，學生興趣盎然，這時教師可以問大家為什么Jack沒有像Rose那樣撐到救援人員來的一刻？由于絕大多數的學生對該影片比較熟悉，各抒己見。有的說因為Jack把外套脫下給了Rose;有的說海水比較涼，Jack體質比較差。整個課堂開始活躍起來，大家爭相回答，而教師告訴學生，可以用傳熱學理論解釋：兩人與環境之間屬于自然對流換熱，但Jack是與海水發生自然對流換熱，而Rose在竹筏上，是與空氣發生自然對流換熱，在溫度等條件相同的前提下，水的自然對流強度要遠大于空氣，因此Jack所處環境的換熱強度要高于Rose，單位時間內Jack向水傳遞的熱量遠高于Rose向空氣傳遞的熱量，從而導致Jack被凍死，而Rose卻幸免于難。雖然只有短短幾分鐘的交流，學生卻明白課堂內容的重要性。為了獲取更多的知識，更合理地解釋其他一些實例，學生都開始認真聽講，使得課堂引入效果甚佳。

3.設置懸念法[4]。教師還可以嘗試根據課堂重點內容，在一堂課開始前先給學生留下幾個預先設計好的相關問題，讓大家思考，然后互相討論，激發學生的學習主動性。

例如，在講到輻射換熱這一章時，教師可以先問大家，我國北方地區在深秋季節的清晨，樹葉葉面上常常會結霜（見圖3），那么是樹葉上表面結霜還是下表面結霜？根據常識與經驗，大家異口同聲地回答是樹葉上表面結霜。教師可緊接著繼續問為什么？這時沒有學生能準確說出其中的原因。這時，教師要告訴學生，學完這堂課，你們就會找到其中的奧妙。這一堂課，大家帶著疑問聽得津津有味，而且全神貫注。課堂最后，學生也可以自己找到答案。這是由于清晨時分，樹葉上表面朝向太空，下表面朝向地面，而太空溫度低于地表溫度，即相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，導致樹葉上表面溫度低于下表面溫度。在寒冷天氣，樹葉上表面溫度會先于下表面達到零度，還有可能低于零度而出現結霜的現象。設置懸念的方法可以有效地引發學生的好奇心與積極探討的情緒，該方法實施的關鍵在于問題應符合教學內容，難度不應太大，使學生有一種“跳一跳，摘得到”的感覺。

4.聯系生活法[5]。在結束導熱、對流換熱與熱輻射的講解之后，教師開始對熱流傳遞的三種基本方式進行總結。即便是這樣的復習課，教師也可選取生活中的一些小事例進行課堂引入。這時的課堂引入不但是為了引發學生的興趣，更重要的是學以致用，回顧學過的知識，用學到的知識科學地解釋生活現象，提高思考能力與總結能力。

例如，人們都有這樣的經歷，對于相同的室溫，假設25℃，夏天在該溫度的房間內穿著單薄衣物，可能仍然覺得熱，而冬天在這樣的房間內穿著棉服，卻還有冷的感覺，這是什么原因？這是由于人體表面與室內環境發生對流與輻射產生的復合換熱量在冬夏之間差別巨大造成的。再如，許多人喜歡在冬天的陽光中曬被子（見圖4），棉被經過白天在太陽底下暴曬后，晚上蓋起來會很暖和，經過拍打后，效果更明顯。這時教師可以讓學生用傳熱學知識解釋原因，即：棉被經過晾曬后，棉花空隙中會進入更多的空氣，而空氣在狹小的棉絮空間中的熱量傳遞方式主要是導熱，由于空氣的導熱系數較小，具有良好的保溫性能，當棉被經過拍打后，可讓更多的空氣進入，效果更明顯。

5.工程實踐法。課本中的理論知識往往是枯燥乏味的，學生懂得應用傳熱學知識解釋相關生活現象，僅僅是基礎要求，但作為工科生，其最理想的學習效果是把已學知識合理應用到工程實踐中。往屆的很多學生雖然結束了一學期的傳熱學課程學習，但卻從未了解過工程實踐中的傳熱問題。因此，教師將聯系生產實例作為課堂教學引入方法，不僅可以開闊學生視野，同時也會把抽象的理論知識融合到具體的生產實例中，讓學生愿意聽，印象也更加深刻。

在講到傳熱過程分析與換熱器的熱計算這一章內容時，任課教師可以教室中的暖氣片（如圖5）為例，告訴學生暖氣是我國北方地區必不可少的家用設備，其重要性不言而喻。暖氣片是一種簡單的換熱器，其設計與安裝都有一定的學問。為使其能更有效地散熱，設計者會為其設計若干肋壁，以此加大散熱表面積，降低對流換熱的熱阻，增強傳熱作用。在安裝時，由所學對流換熱分析可知，應盡量將暖氣片安裝在窗戶下方，使進入室內的冷空氣加熱后上升，在房屋上空循環冷卻后，下降回流到暖氣片周圍進行再次加熱，從而使房間達到一個有效的空氣對流循環。這一引入法可讓學生明白專業知識在生產實例中的重要性，內心產生一種使命感和責任感，更踏實地投入專業學習中。

工程實踐引入法主要適用于有經驗的教師，對剛剛踏上講臺的教師來說，需要在后續工作和生活中積累經驗，才能有效地引導學生把理論知識與實際生產結合起來。

總之，課堂引入方法不勝枚舉。例如，斷橋殘雪是杭州西湖十景之一，可采用美景欣賞法為學生講述其中的傳熱原理;窗玻璃對紅外線幾乎不透明，但隔著玻璃曬太陽卻使人感覺很暖和，可采用親身感受法引入課堂內容。通過各種示例的引入、分享，逐步加深學生對熱量傳遞現象的認知理解。

三、結語

高等學校專業課程課堂教學引入法的目的是旨在提高學生的學習興趣，激發好奇心，提高教學質量，從而提高專業教學水平。但在課堂引入法的應用上，應注意引入方法的簡潔有效，要妙趣橫生，緊貼教學內容，具有科學依據。

在傳熱學課堂教學中，教師應針對每堂課的具體教學內容選擇行之有效的引入方法吸引學生，讓他們感受到傳熱學的魅力，學會用傳熱學基礎理論解釋生活中的現象，學會用所學專業知識指導生產實踐。

參考文獻：

[1]蔡恒玲，龍雙漣.“卓越工程師計劃”學校工作方案的探索與實踐[J].中國電力教育，2014，（2）：11-12

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]吳香俠.談課堂教學的引入法[J].劍南文學，2012，（11）：275.

[4]繆友誼.數學課堂教學引入探討[J].語數外學習，2013，（6）：53.

[5]朱達峰.新課程背景下高中數學有效課堂教學引入的十種方法[J].案例剖析，2011，（3）：63-65.