傳熱學課程教學改革的分析與探討

何曉崐 姚 江 沈 妍 許 嘯

江蘇科技大學蘇州理工學院 江蘇張家港 215600

傳熱學課程教學改革的分析與探討

何曉崐 姚 江 沈 妍 許 嘯

江蘇科技大學蘇州理工學院 江蘇張家港 215600

根據傳熱學課程的特點以及教學過程中存在的問題，從教學方法革新、教學手段創新等方面探尋解決問題的途徑，并在此基礎上深化傳熱學課程的教學效果，以適應現代科學研究與產業發展對學生專業素質的需求。

傳熱學；教學方法；教學手段

傳熱學是研究由溫差引起的熱量傳遞現象的機理、規律、計算及測試方法等理論知識的科學，其應用廣泛，涉及能源動力、材料冶金、化工過程、土木建筑、機械制造、航天科技、軍事科學、氣象科學等領域。由此可見，學習好傳熱學的意義重大，不僅關系到學生是否能夠具備扎實的專業理論知識，進而影響后續專業課程的開展，更關系到學生能否在未來工作中具備解決實際工程問題的專業能力。根據筆者近幾年的傳熱學教學經驗，傳熱學的教學過程中還有許多亟待解決的問題。因此，為了提高學生的學習效果、培養學生理論聯系實際的能力，筆者在近幾年傳熱學教學過程中發現的問題的基礎上，從傳熱學教學方法、教學手段的改革與創新上提出一些個人的淺見。

1 傳熱學課程的特點與現階段教學過程存在的問題

根據筆者近幾年的傳熱學課程教學經驗，熱學課程的特點和傳熱學教學過程中存在的問題是因與果的關系，具體分析如下。

(1)傳熱學與工程熱力學、流體力學并稱能源動力類專業的三大專業主干課程，但是傳熱學與其他兩門課程又有所區別。工程熱力學、流體力學相對偏重理論知識、概念雖然比較抽象，但是系統性較強。例如：工程熱力學中先介紹熱力學第一定律，然后再談論第二定律，兩大定律之間有區別亦有聯系，知識層次有先易后難的關系。但是，傳熱學是研究自然界中3種基本傳熱方式的科學，并且每種傳熱方式都有各自的特點和理論體系，相互之間的關聯不是太強，例如：傳熱學首先介紹熱傳導、再依次介紹熱對流、熱輻射，三者之間的知識點結合較少，知識體系相對較松散。另外，由于傳熱學課程中涉及的概念、公式、圖表繁多，并且有些公式較為復雜，這造成了學生不知如何學習、不知如何運用已學知識的尷尬處境。

(2)傳熱學是一門發展中的科學。由于傳熱學與很多領域有關，因此傳熱學知識體系中有許多物理模型并不完善，還處于研究階段。許多介紹傳熱學的書本根據不同學科的發展都加入了一些較新的前沿知識[1-3]。例如：楊世銘、陶文銓主編的《傳熱學》由第一版的450頁增加到了第四版的591頁，在原來的基礎上增加了微尺度傳熱、射流沖擊傳熱等傳熱學的新興研究領域，圖1所示的燃氣輪機葉片冷卻即為近幾年

衍生出的射流沖擊傳熱的具體應用。傳熱學的知識點在增加，但傳熱學的學時并沒有相應增加，以我校為例：傳熱學的教學學時卻仍然維持在56學時不變，這就導致了教師在授課過程中將重點放在完成教學任務上，而很容易忽略培養學生掌握傳熱學知識體系的方法以及正確運用傳熱學知識解決實際問題的能力。學生由于不能正確掌握知識，久而久之就會產生畏學的消極情緒，積極性大大降低。

圖1 燃氣輪機葉片冷卻

(3)不同的專業側重點不同。例如，對能源與動力工程專業學生來講，就希望多了解一些管內兩相流動與沸騰傳熱、煙氣復合傳熱等方面的知識[4]，輪機工程的學生則希望多了解一些發動機內部燃燒過程涉及的傳熱現象，而其他專業也有相應的關注點。但是，大多數傳熱學書本上介紹的是適用于所有專業的基礎知識，即使新增一些知識，也不一定滿足某些專業的需求，這就造成了傳熱學的知識與現實需求相矛盾的結果。

2 教學方法的革新

2.1 教學內容方面

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師，老師則是點燃學生學習興趣的火炬”。因此教師合理選擇教學內容是至關重要的。筆者認為，應當確立以能量守恒定律為基礎，3種不同熱量傳遞方式為主線的教學內容，并且在此基礎上，教師在授課過程中應該引入與授課專業相關的工程知識或是同領域的前沿知識，例如，對于能源與動力工程專業，可以適當穿插一些工業領域的新型強化傳熱方式；對于建筑環境與設備工程專業，介紹一些人工環境、建筑節能的知識。這樣的教學內容，可以使學生在學習到基本理論知識的同時，了解所學知識在實際工程中的應用，增強對工程的感性認識。另外，在介紹原理性知識的時候，教師應該多舉一些生活中司空見慣的例子，例如：為什么手接觸同一溫度的金屬和木頭時會感覺到不同的溫度；同樣是25 ℃的室溫，為什么在夏天人感到熱，而冬天則感到冷；沸水和冷水同時放入冰箱，為什么沸水會先結冰？如此可以激發學生的興趣，促使他們積極思考，既鍛煉了學生的思維，又使其學習效率大大提高。

此外，由于傳熱學是一門以實驗為基礎發展起來的科學，因此在學習理論知識的同時，授課教師還應該強調實驗的重要性。通過實驗，學生不僅可以深化對理論知識的理解，同時還可以學習到某些熱工參數的測量方法，這對學生在未來專業工作中制訂參數測量方案、建立正確設計思路是極為重要的。

2.2 工程觀點培養方面

傳熱學是一門與實際聯系緊密的科學，這有別于工程熱力學的抽象性。但是由于現有教材編寫的固有模式以及傳統的教學方式，導致教師在教學過程中側重于理論與公式的講解，這導致學生從心理上認為該課程不重要或是不實用，而當學生日后真正走上工作崗位遇到實際工程問題時才意識到“書到用時方恨少”。因此，在教學過程中，教師應該多引用一些實際的工程案例進行介紹。例如：對于能源與動力工程專業，可以舉一個換熱器綜合設計的例子，分析換熱器傳熱系數的大小，在分析該工程實例的過程中，一方面使學生掌握了管內強制對流、管外強制對流不同實驗關聯式的異同及正確地選用原則，同時也訓練了學生將理論應用于實際的能力。

在引入工程實例的基礎上，在教學過程中可適當開設一些工程專題討論，指導教師課前布置一些工程題目，讓學生分成不同小組，以小組為單位對該工程問題進行綜合分析并得出結論。工程題目要求貼近實際且具有一定綜合性，例如：一幢玻璃建筑有兩種設計方案，即采用普通鋼化玻璃與low-e玻璃，試分析兩種情況下建筑在夏季的冷負荷、建筑成本與若干年內的運行費用。學生通過類似的例子，可以加強獨立思考問題的能力，同時在綜合考慮設計與成本時可以有效培養自己的工程思想，建立起對工程問題的理性認識。另外，在進行專題討論時，教師應明確指出學生設計或分析的不合理之處，并講明此類錯誤或是失誤會造成怎樣的危害，同時也可列舉一些實際工程中的失敗案例從反面教育學生，讓學生建立起科學、嚴謹的對待問題的態度，培養學生的職業道德。

2.3 考評機制的優化

傳統的傳熱學課程考評通常以期末考試成績為主，以我校為例，總評成績中期末考試成績占70%，考勤及作業成績占20%，課內實驗成績僅占10%。這

樣的考評機制導致學生只重視考試，對書本知識死記硬背，甚至有些學生指望考前突擊、臨時抱佛腳。為了改變這一現狀，需要對現有的考評機制進行一定優化，具體優化方案如下。

(1)適當削弱期末考試成績所占比重，例如從原來的70%下降到50%。

(2)為了讓學生重視實驗，可加大課內實驗成績所占比重，例如從原來的10%增加到20%。

(3)考評加入專題討論的成績，例如比重可占10%。一方面顯示出專題討論的重要性另一方面該激勵機制也可增加學生對專題討論的興趣。

3 教學手段的創新

3.1 多媒體教學與傳統教學結合

傳熱學是一門集理論知識、工程應用為一體的專業課程，由于經常涉及一些工程案例和物理現象，因此很難單純通過教師的語言表達清楚。為了達到教學目的，應當采用傳統教學與多媒體教學相結合的方式。傳統教學以教師的口述、板書為主，這樣的授課方式對于任何一門課程而言都是非常重要的。板書是課程的要點與精髓，通過板書教師不僅可以調動學生的注意力，也可以使學生清楚地了解教師上課的內容、明白知識點之間的關聯與邏輯關系。而對于無法準確用語言闡述的工程案例，則可以采用多媒體的方式進行演示，演示方式包括：圖片、動畫、視頻等。例如，傳熱學中關于流體外掠圓管邊界層的發展與脫體現象，就可以采用動畫演示，學生再也不用對著書本上呆板的文字苦思冥想而不得其解。

3.2 仿真軟件教學

傳熱學的發展歷程中，形成了實驗研究、理論分析、數值計算3種主要的研究方法。實驗研究是傳熱學的基礎，也是傳熱學的起源，它為傳熱學的分析提供了很多重要數據，但是其代價高昂、需時較長。理論分析是利用數學方法在定解條件下解偏微分方程，準確地描述了不同傳熱現象的本質，是深入理解傳熱現象的重要手段，同時現階段的理論公式、圖表很多是通過此方法得出的，但是由于數學上的困難，大多數復雜的工程問題都無法通過理論分析求出，因此使用不便。數值計算是隨計算機快速發展而衍生的產物，它將傳熱學中復雜的偏微分方程組轉化為代數方程，采用不同的迭代方法得出近似解，具有易操作、形象直觀、代價較低、耗時較少的優點，因此工程中越來越傾向于采用此方法，圖2為利用IcePak仿真軟件得出的電子器件溫度分布。有關傳熱學及相關領域的專業軟件非常多，如：ANSYS，Fluent，COMSOL，CFD-ACE+等。在傳熱學教學過程中，可引入數值模擬軟件的學習。一方面，類似Fluent之類的模擬軟件在很多領域都有廣泛應用，成為一種重要工具，學生應當掌握；另一方面，學生可通過在軟件中對邊界條件進行定義，從而深化對傳熱學現象的認知以及對理論知識的理解。最后正確利用軟件模擬出的結果，還可以使傳熱學的一些內容變得直觀易懂，如在討論一維平板非穩態導熱的非正規過程時，學生就常常不理解平板內部的溫度隨時間的變化趨勢，而利用Fluent計算得出的動畫結果，學生就很容易掌握。

圖2 電子器件溫度分布

4 結束語

當前的大學教育以培養復合型工程人才為出發點，而傳熱學作為許多工科專業的重要基礎課程，具有公式多、知識點分散、實用性強等特點。因此，在傳熱學的授課過程中，教師應當扭轉傳統的教育思想與教育方法，應該深入分析造成傳熱學教學過程中諸多問題的深層原因，在教學方法、教學手段上進行必要的創新，提高學生的學習興趣、鍛煉學生獨立思考問題的能力、培養學生具有科學嚴謹的工程素質與解決實際工程問題的創新能力，努力為國家的發展、社會的建設培養綜合型的優秀人才而努力。

[1] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] 戴鍋生.傳熱學[M].第二版.北京:高等教育出版社,1999.

[3] 王厚華.傳熱學[M].重慶:重慶大學出版社,2006.

[4] 李友榮,楊晨,吳雙應.“傳熱學”課程教學改革研究與思考[J].中國電力教育,2010(32):66-67.

Analysis and Discussion on the Reformation of Teaching of Heat Transfer

He Xiaokun, Yao Jiang, Shen Yan, Xu Xiao
Suzhou institute of technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang, 215600, China

According to the characteristics and the problems existing in the teaching process of “heat transfer”, to find out ways to resolve these problems from reformation of teaching methods and innovation of teaching devices. And improving effects of teaching of heat transfer to meet the needs of modern scientific research and industrial development.

heat transfer; teaching methods; teaching devices

投稿日期：2016-09-09

何曉崐，碩士，助教。姚江，碩士，助教。沈妍，博士，講師。許嘯，博士，講師。

江蘇科技大學教改項目。