傳熱學課程教學方法的研究與實踐

阮芳+龍激波+王平等

摘要：根據傳熱學課程知識面廣、理論性和實踐性強、課程內容重要而又難學的特點，文章從教育心理學角度探討了傳熱學課程課堂教學方法，即在主要采用注意策略和記憶策略的基礎上，輔以問題討論法、類比法和案例分析法三種常用教學方法，實踐中獲得了較好的課堂教學效果。

關鍵詞：傳熱學；課堂教學；教學方法

中圖分類號：G642421；TK124文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06009304為了全面提高工程教育人才培養質量，教育部提出“卓越計劃”，要求在教學過程、教學方法、實踐過程和考核方法等人才培養過程中，體現大工程觀意識，以社會需求為導向，以實際工程為背景，拓展工程教育基礎，拓寬工程教育視野，著重培養學生創建和運作新產品、新流程和新系統的能力[1-5]。

為響應教育部“卓越計劃”，培養建筑環境與能源應用工程專業的創新應用型工程人才，必須重視專業基礎課程的教學。傳熱學是研究熱量傳遞規律的工程技術科學，傳熱學課程是建筑環境與能源應用工程專業的基礎課，對培養學生分析和處理工程實際問題的能力起著重要的作用。筆者結合8年來的教學經驗，根據傳熱學課程特點，對課堂教學方法進行了研究和實踐。

一、傳熱學課程特點及教學現狀

傳熱學課程作為建筑環境與能源應用工程專業的基礎課，與先修課程工程熱力學和流體力學一樣，內容具有理論性、邏輯性、系統性和完整性特點[5]，同時傳熱學課程還具有知識面更廣、實踐性更強等自身特點。導熱、對流換熱、輻射換熱、傳熱與換熱器是傳熱學的四大主體內容，導熱、對流換熱和輻射換熱這三部分具有相對的獨立性，而傳熱與換熱器則是導熱、對流換熱和輻射換熱的綜合及工程應用[6]。不同的傳熱方式其研究方法也有所不同，如對流換熱有用微分方程的理論分析方法、利用類比律的半經驗方法和相似理論指導實驗研究的經驗方法三種，而導熱和輻射換熱主要是理論分析方法。

筆者所在的湘潭大學2006年開始建筑環境與設備工程專業招生，當時制定的教學計劃中，傳熱學課程共56學時，其中課堂教學52學時，實驗4學時。但在教學中發現學時偏少，課堂教學需要56學時。2013級起該專業更名為建筑環境與能源應用工程，隨之專業培養方案也進行了調整，將傳熱學課程課堂教學增加為56學時，將工程熱力學、流體力學、傳熱學三門課程實驗合在一起開設專業基礎實驗課。實踐中傳熱學課程課堂教學主要存在以下兩個問題：一是，大部分學生反映傳熱學課程難學[7]。造成這一問題的主要原因有三個方面：首先，傳熱學不僅概念和公式多，而且與其他基礎課程聯系緊密，用到的數理基礎知識深而廣。其次，不同換熱涉及各種研究方法、計算公式，還有很多經驗式。最后計算難度較大，如數值計算和試算法，數值計算需用計算機編程計算；試算中計算繁瑣，計算量大。

二是，學生對傳熱學知識缺乏深刻的理解，基本原理的應用能力差。學生對很多傳熱學公式與概念只停留在機械記憶上，缺乏對其物理意義的理解，將傳熱學理論知識與工程實踐問題結合應用的能力較弱。比如對流換熱有很多種，具體分類見圖1，教材詳細列舉了各種對流換熱的計算實用關聯式，外掠平板邊界層對流換熱表面傳熱系數還有微分解和積分解的，各種情況下計算公式中物理量所用的定型尺寸和定性溫度不盡相同，很多學生在實際應用時混淆不清。

二、傳熱學課程教學模式和教學方法改革實踐

課堂教學管理“既要保證到課率，也要提高抬頭率”，也就是教師要將課上好，讓學生喜歡上課。課堂上，并不是教師講得越多、越具體詳細越好，重要的是學生能聽懂多少。因此，課堂教學并不是簡單的講述知識點，而是對教材的導讀，對教學過程及教學秩序的掌控，引導、啟發學生思考，學以致用，并進行歸納總結，教學生如何“出招”，使“教”為“學”和“用”服務。由于傳熱學課程課堂教學中常用數學語言推導熱物理規律，較為抽象。對此，可應用教育心理學的相關原理[8]，將學習策略應用于傳熱學課程教學[9]，即在工程教育中應用問題討論法、類比對比法、案例分析法。

（一）課堂教學應注意提高學生的注意力

“興趣是最好的老師”。首先課堂教學要激發學生的學習興趣，特別對這種理論性較強、難學的課程，課堂教學更要“精選內容，聯系實際，由淺入深，深入淺出，聲情并茂，引人入勝”。 具體手段很多，其中最有效的是在講課中例舉一些能引起學生興趣和思考的例子。教師日常應注意積累，從日常生活中的小事件引出問題，如講到沸騰換熱時，可先提到為什么“響水不開，開水不響”，引導學生思考，再講沸騰換熱原理，最后由學生自己來尋找答案。這種方法其本質和“基于問題的學習” [10]（Problem-Based Learning，簡稱PBL）一樣，也即問題討論法。

其次，教師必須盡量避免機械地將公式進行枯燥的理論推理并羅列結論，可簡化理論知識點的推導過程；在講解證明論點過程中，要結合工程實踐，每個知識點有什么作用，工程上是怎么應用的，條理清晰地一步步引導學生發散思維，進行思考解答。例如在講解肋片效率及肋片設計結構參數時，配合圖表并交代清楚每一環節的數學依據，力求能在推理過程中反映出數學的奧妙，獲得成功的喜悅感，使學生體會到在推理的起承轉合中所蘊含的樂趣，從而使學生注意力保持集中。

最后，為了更大程度提高學生學習基礎理論知識的熱情，消除對學習的刻板印象，教師還必須時常將課程知識學習與學科競賽、考研以及將來就業工作等結合起來，讓學生知道理論學習的具體功能，并意識到學習與自己將來前途的息息相關；在課堂上教師應隨時關注學生的反應，善于發現學生出現疑惑的表情，并將這些疑惑作為課后作業留給學生思考，適時再主動詢問并詳細解答；待學生理解后，再拋出深一層次或擴展問題引導其思考，讓學習課程知識像“剝洋蔥”和“破案”般，層層剝開，步步深入，直到找到真相。這種啟發式教學能引人入勝，使人欲罷不能，學生更容易獲得成就感，學習也更有自信。

（二）重視加強學生的記憶理解

在最初的傳熱學課程教學中，總覺得每一個知識點都很重要，都想教給學生，結果知識點太多，學生根本記不住。經過幾年教學實踐后，筆者總結出有效的教學方式：抓住傳熱學課程課堂教學的重點內容，即導熱、對流和輻射的相關理論、“第9章氣體輻射和太陽輻射”中太陽輻射部分的內容，在后續的冷熱源工程和建筑節能技術課程中作更詳細的講解；“第10章傳熱與換熱器”和“第11章質交換”內容，在后續的熱質交換原理與設備課程中學習，因此，在傳熱學課程課堂教學中對這三節內容僅作簡單介紹 [5]。

提升學生理解記憶的一種行之有效的方法是，應用思維導圖對課程內容或每一知識模塊進行總結，這樣可使學生抓住主線，快速記憶知識點，同時拓展學生思維 [11]。筆者在傳熱學課程教學中，并不畫思維導圖，而是讓學生在充分掌握教材內容后，自己總結各章節知識點，甚至整理出教材的知識框圖，讓他們在歸納知識點的同時進一步加深理解，按自己思維整理出的思維導圖更適合個人消化，記憶也更深刻。

此外，還應重視學生聯想和想象等發散思維的引導。如由導熱中復合平壁導熱熱阻分析圖聯系到電學中電路分析圖，在熱絕緣直徑應用中由空調熱力管道的保溫聯系到電導線的散熱，以及動量傳遞、傳熱和傳質的類比，這些具有相通性或相關性的內容，可充分利用已學知識合理推理，并串聯起來，這樣更有利于學生的理解應用，學習效率也更高。這種方法的實質就是類比法。

從邏輯上來講，思維導圖是歸納總結，是將書本讀薄，聯想和想象的發散是演繹推理，是將所學知識點在理論和實踐中進行合理擴展，是將書本讀厚。兩者結合起來就可以將多年所學的零碎知識點重組成一個有機的整體，各有各法，學以致用，一通百通。

（三）案例分析教學法的應用

教學過程中充分利用案例分析法，在具體的工程案例中應用傳熱學原理分析計算和設計過程，就可以綜合所學知識解決許多沒有時間去細化的應用問題。比如，應用傳熱學原理去指導換熱器的設計并強化換熱的過程，包括空調廠家產品研發、地源熱泵施工要點等也屬此列。也可以從鋁代銅等工程材料替代、螺紋管和翅片管等換熱器表面形狀的改進、換熱器的幾何參數優化設計等方面例舉幾個典型的案例設計。這種方式不僅能幫助學生解決學習中應特別關注的問題，而且通過對問題的層層剝離，了解換熱器設計過程中需要哪些傳熱學理論，以及如何從這些機理出發對傳熱過程進行強化，掌握技術的應用前景及發展趨勢等，將許多細節性的知識點或不容忽視的重要內容串到一起，能大大提高課堂教學的有效性[12]。

（四） 各教學環節的改革實踐

一是備課，應根據學生課堂表現、市場需求和科研前沿，從“學以致用”出發，不斷調整更新課件、教案、素材、案例以及實訓指導，確定教學方法，設計教學結構。

二是課堂教學，應語言直白，通俗易懂，結合教學經驗和教學手段，依據不同的教學內容調整教學方式。比如：采用黑板板書進行公式的推導和例題、習題的講解，講解中輔以啟發式提問，活躍課堂氣氛；而采用多媒體教學方式講解工程應用部分的內容，如可通過多媒體展示各種換熱器實圖和動畫模擬換熱過程等，這樣學生可以更清楚形象地掌握換熱器的構造，有助于他們對換熱器工作過程和工作原理的理解和掌握。

三是作業，每章課后都應布置適量不同難度的典型習題作為課后作業，讓學生熟悉知識點并加深理解和強化應用，教師也從中了解學生對理解所學知識的掌握情況。值得一提的是，筆者對學生的平時作業僅考察其是否交作業，而不在乎其答案的正誤，目的在于鼓勵學生打開思維，大膽應用新知識，這樣才能提高學生學習積極性，最大程度地減少抄襲。講解習題時，筆者會把學生中出現的各種解題方法羅列出來，讓學生討論分析對錯，這樣教師能了解學生的理解誤區，學生也能既知其然，還能知其所以然，理解記憶也更深刻。

四是考試，在考試中，學生對理解單獨的導熱、對流換熱和輻射換熱計算內容基本沒問題，但如果對復合換熱的綜合計算，能完全做對的學生極少。如水平架設在空中的熱水管道傳熱計算，很明顯里面涉及三種換熱——管內熱水受迫對流、管內壁到外壁的一維無限大復合圓筒壁導熱和冷空氣水平圓筒自然對流，雖然各種傳熱計算理論都學過，但綜合在一起，學生就感到無所適從。因此，平常作業要增加這種知識點綜合訓練的題目。

上述各環節教學改革的措施，旨在培養學生的問題意識與合作精神，引導學生積極思考、主動學習，激發學生的創造潛能。教改后學生對教師的課堂教學評價顯著提高，學生學習的積極性、主動性得以增強，學習效果也明顯改善。近5年來，學校建筑環境與設備工程專業學生成功申請大學生創新性實驗項目10項，其中教育部資助6項，學生考研、參加各種學科競賽都獲得優異成績，教學質量明顯提高[13]。

三、結語

傳熱學課程教學是一個系統工程，從課前準備到最后的考試，各個教學環節環環相扣，相互制約又相互促進，因此不能輕視任何一個環節，要處理好各個教學環節之間的關系。為了提高傳熱學課程教學質量，在教學上，一是應采用課堂講授與自學相結合的方法，重點突出，精講精練；二是應結合工程實踐，靈活采用問題討論法、類比對比法和案例分析法開展教學；三是采用多媒體教學增加課堂容量，并輔以傳統啟發式教學。總之，教學沒有包醫百病的方法，應因人、因時、因地、因知識點而選擇適合的方法和手段。

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[13] 龍激波，阮芳，王平，鐘珊.以創新實驗計劃為契機的地方高校大學生科研能力培養[J].中國電力教育，2012（13）：29-30.

Research and practice on teaching methods of heat transfer course

RUAN Fang， LONG Jibo， WANG Ping， ZHOU Ye， SUN Hongfa

（School of Civil Engineering & Mechanics， Xiangtan University， Xiangtan 411105， P. R. China）

Abstract： The heat transfer course has a broad scope of knowledge. It is theoretical and practical， which is hard to study. Based on the characteristics， we discussed classroomteaching methods of heat transfer from an educational psychology view， which focused on learning strategies and memory strategies accompanied by three useful methods of problembased learning， methods of analogue and correlation， and case study. The practice result shows a good classroom teaching quality.

Keywords： heat transfer； classroom teaching； teaching methods