熱輻射及輻射換熱的教學組織和方法探討

唐愛坤+邵霞

摘 要 結合熱輻射和輻射換熱部分教學內容的特點和教學實踐，在教學組織和開展方面進行了總結和探討。提出漸進式教學引導學生的學習興趣，注意區分幾組重要概念引導學生深入理解問題，并培養學生工程視角，提升靈活處理問題的能力。

關鍵詞 輻射換熱 傳熱學 教學組織

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A

傳熱學是高等學校能源動力類專業重要的基礎課程，它研究因溫差而引起的熱量傳遞規律的科學，具有應用性強的特點，其相關理論和規律被廣泛用于指導人類進行科學的熱管理和控制。傳熱學的研究綜合了理論分析、實驗測定和數值計算，經驗公式較多，具有明顯的工程特點，學生在學習過程中不易透徹掌握。本文結合教學實踐經驗，以傳熱學中熱輻射及輻射換熱部分為例，探討其教學特點和方法。

熱輻射是三大基本傳熱方式之一，是傳熱學中重要的組成部分，具有重要的學術研究價值和廣泛的工程應用價值。其內容特點主要有：

（1）基本概念多，且經常集中出現。如不進行認真的語言組織則很容易引起混淆。例如熱輻射與輻射換熱、投入輻射與有效輻射、定向發射率、半球光譜發射率和半球總發射率等。

（2）同一參數的計算方法多。較為突出的有角系數的計算，可用代數分析法、直接積分法、幾何分析法和蒙特卡洛方法進行計算；輻射換熱的計算則涉及了凈熱量法和網絡法等等。如何深入淺出地引導學生理解并掌握各種方法之間的聯系與區別并能靈活選擇應用，是教學組織過程中的難點。

（3）理想物體與實際物體的熱輻射特性的聯系、區別和推演。從理想物體表面的輻射、吸收特性出發，利用灰體、漫灰體作為過渡，將其推演到對實際物體的相關計算過程中。這些過渡逐步揚棄不利于定量計算的因素，簡化計算并使結果符合工程實際。這在教學過程中也是不易為學生理解和掌握的部分，需要注重建立學生的工程視角，以幫助理解知識點。

針對上述特點，主要從以下幾個方面進行教學準備和實踐：

1充分備課，用豐富的工程應用激發學生學習興趣

熱輻射和輻射傳熱在工程領域普遍存在，尤其是高溫物體傳熱、紅外加熱技術、航空航天工程、輻射采暖輻射冷卻等領域中占有非常重要的地位。在教學組織過程中，結合學生的認知特點，先從日常生活中簡單的熱輻射現象開始，例如分析太陽能熱水器的集熱器設計，冬天人們烤火等，初步建立學生對熱輻射和輻射換熱的感性認識；之后可通過介紹溫室效應、溫室大棚種植等將對熱輻射的理解引向深入。在簡單講解基礎上通過提問方式引導學生主動思考諸如輻射力的計算、影響熱輻射和換熱的因素、輻射與吸收之間的聯系與區別等。通過漸進式教學，讓學生在產生學習興趣的同時，了解熱輻射部分內容安排上的邏輯，并建立起較為清晰的學習思路。

2重點講解幾組概念，培養學生的工程視角

熱輻射及輻射換熱知識體系是基于對理想模型黑體的描述而建立的。因此對于理想模型以及模型演化的理解十分重要。黑體是一種現實中并不存在的理想物體，在相同溫度下，具有最大輻射能力和對能量全部吸收的能力，因此成為研究和比較一般物體輻射能力的基礎，對于定量研究輻射換熱具有重要意義。教學過程中通過舉例法降低學生理解黑體概念的難度。在日常生活中，我們眺望遠處建筑物的窗戶幾乎都是漆黑一片，基本原因在于從窗戶進入建筑物內部的能量極少可從窗戶出來，視覺上該處就顯現黑色，因此可將建筑物內部視為黑體表面。這與課本上的提到的球形空腔上開小孔的黑體模型是類同的。至于其具有同溫度下最大輻射力的部分的理解，則放到后續的計算公式中予以說明。

在進行實際物體的熱輻射相關計算過程中，逐步提出了灰體和漫灰體等理想模型，它們兼顧材料的工程特性，確定實際物體和黑體之間熱輻射的偏離程度，利用偏離程度系數來簡化實際物體的輻射換熱計算。對于灰體，需要明確它也是一類理想模型，是考慮到在紅外范圍內，大多數的工程材料光譜吸收比與波長無關，其輻射和吸收特性與黑體之間十分類似，只存在修正系數上的差別而提出的，這樣可將針對黑體的輻射計算引入到一定范圍的實際物體，拓展了應用范圍。漫灰體則是在灰體的基礎上進一步提出的，它匡定了一類工程材料：在一定溫度下光譜發射率和光譜吸收率均與波長無關，為常數，且相等。在幾個概念的演進過程中，每一處都可以看到工程實際的影響，因此應順勢培養學生工程視覺以及科學靈活的法論。

在講解實際物體的定向輻射強度部分時，常規的簡略化講解會使學生在后續計算過程中產生理解上的困難，因為前一節介紹的公式只是針對方向和光譜平均的情況。但實際上，真實表面的發射能力是隨方向和光譜變化的。這里應該將幾組概念對比講解，分別是方向光譜發射率、定向發射率、半球光譜發射率和半球總發射率。只有在定義和計算公式上對上述概念有了明確區分之后，才能的將實際物體的定向輻射強度這一概念梳理清晰，這樣的教學組織對于理解實際表面與服從蘭貝特定律的表面之間的差距和引出漫射表面的原因是十分有利的。

3增加例題比重，強化對角系數和輻射換熱計算的理解和掌握

角系數的確定對于輻射換熱的計算至關重要，兩表面或多表面間的輻射換熱根本問題在于確定角系數。角系數的基本性質以及計算方法是教學過程中的基本內容，有必要安排一定量的例題增強理解，在題型的安排上兼顧一般性和特殊性。在計算方法的介紹上也需要有所側重，例如在某些復雜輻射換熱情況下，如何多重積分求解角系數等。

在輻射換熱的計算部分，教材按照兩特殊表面間的輻射換熱到多表面間輻射換熱進行編寫。由于熱阻網絡圖法能使輻射傳熱更為直觀化，是計算多表面間輻射換熱的重要方法。在這一部分的例題講解中，應在常規輻射換熱系統的基礎上兼顧具有熱阻并聯、黑表面和重輻表面等特殊情況輻射系統，引導學生深刻理解空間和表面熱阻的物理意義。

4結語

熱輻射及輻射換熱是傳熱學的重要組成部分，相關的技術成果已經應用到了國民生產的各個領域。由于在內容上存在概念雜多、算法各異，且具有鮮明的工程性等特點，向來是教學中的重點和難點，考驗教師的語言組織和教學水平。筆者，對該部分的內容特點和重要部分的教學組織進行了思考和探討，在教學實踐過程中取得了良好的教學效果。

參考文獻

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

[2] 李雪梅，李金成.傳熱學課程中輻射換熱部分教學的探討[J].化工高等教育， 2007 （01）：59-60.

[3] 唐愛坤，潘劍鋒，邵霞，張彭崗，張墨.卓越工程師背景下“傳熱學”課程教學的思考[J].中國電力教育，2013（29）：62-63.endprint