“新工科”背景下能源與動力工程專業(yè)《傳熱學(xué)》案例教學(xué)改革與實踐

黃軍 武文斐 張智羽 伍永福

摘? ?要：隨著我國“新工科”建設(shè)的深入開展，對新時期工程人才培養(yǎng)提出了更高要求，更加重視實踐能力的培養(yǎng)。案例教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要教學(xué)方法，本文結(jié)合能源與動力工程《傳熱學(xué)》課程實踐，利用從日常生活及工程實踐中開發(fā)出的典型案例，開展有效的案例教學(xué)設(shè)計與實踐。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)? 傳熱學(xué)? 教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0226-02

Abstract：With the deepening of the construction of "new engineering" in China， higher requirements are put forward for the training of engineering talents in the new period， and more emphasis is placed on the training of practical ability. Case teaching is an important teaching method to cultivate students' engineering practice ability. This paper combines the practice of energy and power engineering "heat transfer" course and the typical cases developed from daily life and engineering practice to carry out effective case teaching design and practice.

Key Words： Case teaching; Heat transfer; The teaching reform

1? 引言

當前，世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進行，迫切需要高等學(xué)校培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。高等學(xué)校要主動服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，主動服務(wù)行業(yè)企業(yè)需要，加快建設(shè)發(fā)展新工科，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進中國從工程教育大國走向工程教育強國[1-2]。內(nèi)蒙古科技大學(xué)作為內(nèi)蒙古地方高校，其能源與動力工程專業(yè)立足內(nèi)蒙古，面向全國，緊密結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展，為國家電力、冶金、化工、機械、市政工程等行業(yè)培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展，基礎(chǔ)扎實，具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

《傳熱學(xué)》是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，是整個工程學(xué)科的基礎(chǔ)性學(xué)科，涉及能源，化工，材料，冶金，機械等專業(yè)。能源與動力工程專業(yè)中遇到的大部分技術(shù)問題都和熱量傳遞問題有關(guān)，傳熱學(xué)課程是其基礎(chǔ)核心課程，在課程體系和學(xué)生的認知體系中均占據(jù)重要地位。新工科這一概念的提出，對傳熱學(xué)教學(xué)提出了新的任務(wù)和挑戰(zhàn)。傳熱學(xué)課程教學(xué)過程中，必須緊密結(jié)合新工科特征，與時俱進，積極吸收新的教學(xué)理念，探索新的教學(xué)方法，從而促進本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的轉(zhuǎn)型與提高。

2? 課堂教學(xué)中存在的問題

能源與動力工程《傳熱學(xué)》教學(xué)目標是使學(xué)生明確傳熱研究對象，掌握傳熱過程基本原理、基本規(guī)律，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供充分的理論準備;也為學(xué)生以后應(yīng)用基本規(guī)律解決生產(chǎn)實際問題、將來從事科學(xué)研究打下必要的理論基礎(chǔ)。在教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生運用技術(shù)基礎(chǔ)課的能力，培養(yǎng)其分析和解決實際問題的綜合素質(zhì)。要求學(xué)生掌握工業(yè)及生活中常見傳熱過程的基本原理，基本規(guī)律;利用前期的微積分的知識針對常見的傳熱過程建立必要的數(shù)學(xué)模型并求解，掌握解決傳熱問題的科學(xué)方法;針對特定的工業(yè)過程，利用傳熱學(xué)的方法及手段能夠分析和解決常見的傳熱過程;對能源與動力工程相關(guān)的熱現(xiàn)象進行研究和實驗驗證，能夠?qū)Ρ緦I(yè)涉及到的傳熱對象制定實驗方案，進行實驗研究。

在本專業(yè)多年的《傳熱學(xué)》教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)課堂教學(xué)存在以下兩個問題[3-4]。

第一是大部分學(xué)生反映傳熱學(xué)課程難學(xué)。造成這一問題的主要原因有三個方面： 首先，傳熱學(xué)不僅概念和公式多，而且與其他基礎(chǔ)課程聯(lián)系緊密，利用對于對流傳熱的講解就需要用到流體力學(xué)的知識，同時對于高等數(shù)學(xué)的知識也有一定的要求。其次，不同換熱涉及各種研究方法、計算公式，還有很多經(jīng)驗式。最后計算難度較大，如數(shù)值計算和試算法，數(shù)值計算需用計算機編程計算; 試算中計算繁瑣，計算量大，這些具體的計算過程往往對學(xué)生造成較大的困擾。

第二是學(xué)生對傳熱學(xué)知識缺乏深刻的理解，基本原理的應(yīng)用能力差。學(xué)生對很多傳熱學(xué)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(xué)理論知識與工程實踐問題結(jié)合應(yīng)用的能力較弱。如何利用學(xué)習(xí)的傳熱知識去分析和求解一個傳熱過程是本課程的核心目的，只有通過大量的實例分析，才能增強對傳熱學(xué)知識的理解。

3? 案例教學(xué)的關(guān)鍵點及實施

由于傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)中常用數(shù)學(xué)語言推導(dǎo)熱物理規(guī)律，較為抽象。因此如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生認識到傳熱學(xué)課程的必要性和趣味性，對提高課堂授課效果至關(guān)重要。一個重要的方法是在《傳熱學(xué)》教學(xué)實踐中引入案例分析法來加強教學(xué)工作，降低理論學(xué)習(xí)的枯燥性，提高課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的可理解性，有效激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)新意識。在案例教學(xué)中涉及的關(guān)鍵問題如下[5-8]：

第一，讓學(xué)生理解傳熱學(xué)的研究內(nèi)容。傳熱學(xué)是研究由于溫差而引起的熱能傳遞的學(xué)科，物體中溫差（△T）多少與單位時間內(nèi)傳遞多少熱量（Q）之間的關(guān)系。表征溫差（△T）需要借助數(shù)學(xué)工具梯度的概念，引入溫度梯度▽T，表征熱量（Q）可以表述為熱流量（Φ）和熱流密度（q）。傳熱學(xué)表征不同傳熱過程就是尋找溫度梯度▽T與熱流密度（q）之間的關(guān)系。導(dǎo)熱、對流、輻射三種傳熱方式的溫差和熱流之間的關(guān)系如圖1所示，利用數(shù)學(xué)工具表征溫差和熱流。

第二，案例的選擇。選取的案例首先要針對傳熱學(xué)本科教學(xué)的重點內(nèi)容，例如傳遞過程、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、零維問題、邊界層對流傳熱等，其次案例的選擇要緊密和教學(xué)內(nèi)容貼合，要體現(xiàn)教材中的重難點，同時案例要具有生動性、吸引性、時效性，在調(diào)動學(xué)生積極性的同時，也應(yīng)注意吸引學(xué)生參與案例的討論，使其對相關(guān)內(nèi)容印象深刻。此外，所選的案例要充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)程度，以及學(xué)習(xí)能力的差異，避免分析難度大，涉及知識點多且知識點相互交叉的教學(xué)案例。傳熱學(xué)案例教學(xué)法是通過分析課程的特點和課程的教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)內(nèi)容上嘗試選用生活中的傳熱學(xué)實例，一些可以借鑒的已完成的科研項目，將這些案例應(yīng)用到該課程的基礎(chǔ)知識中，通過案例設(shè)計、組織并呈現(xiàn)于課堂上。在具體的教學(xué)實踐中，對于《傳熱學(xué)》課程中的導(dǎo)熱、對流、輻射三大板塊，每個板塊設(shè)計4～5個生活和科研上的案例，在課堂教學(xué)中專門講解與互動。

第三，教學(xué)案例的解析與實施。傳熱學(xué)教學(xué)案例引入手段可以是文字描述，也可以是多媒體或者圖表，也可以是經(jīng)過精心設(shè)計的小教具，例如強制對流的小裝置等。將案例呈現(xiàn)后，根據(jù)教學(xué)目標，在教學(xué)過程中來循序漸進地啟發(fā)學(xué)生，不斷引導(dǎo)學(xué)生積極地進行思考;課堂形式也變得靈活多變，比如讓學(xué)生組成多個小組，每個小組合作分析和討論案例中的各種問題，探索解決問題的方法，通過這樣的方式培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。

第四，教具的使用。一些在課堂教學(xué)中容易實施的小教具，可以在課堂教學(xué)中起到提高教學(xué)效果的作用。例如，利用電腦CPU散熱的強制對流裝置制作多層平壁導(dǎo)熱和強制對流換熱的小教具，滿足課堂上的演示需要，并傳熱學(xué)教學(xué)實踐中實施。

傳熱學(xué)課程是能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程主要是為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。課程本身雖然是專業(yè)基礎(chǔ)課，但也具有很多實踐問題。生活中碰到的傳熱問題非常多，同時我校能源與動力工程專業(yè)涉及電力、冶金行業(yè)的很多項目及課題，將這些工程實際項目歸納整理，然后與課程知識對接，可以使學(xué)生更好地體會到如何將理論知識應(yīng)用于實際工程，這擴寬了學(xué)生的視野，消除了學(xué)生認為學(xué)習(xí)理論知識無用和不知如何用的想法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生的工程觀念[9-12]。

案例教學(xué)在目前日常教學(xué)中涉及較少，通過《傳熱學(xué)》案例教學(xué)改革與實踐，對教師而言，教學(xué)方式和教學(xué)方法的改進對教師提出了更高的要求，不僅要及時關(guān)注和更新案例，而且要求教師要具備更強的組織、駕馭和協(xié)調(diào)能力，對學(xué)生來說，案例教學(xué)可以讓學(xué)生將理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4? 結(jié)語

在本科《傳熱學(xué)》教學(xué)實踐中，通過將案例和目前的教學(xué)大綱有機結(jié)合，穿插在現(xiàn)有的教學(xué)過程中。通過案例問題與任務(wù)模擬，搭建起“以學(xué)生為主體”的“問題導(dǎo)向”與“任務(wù)導(dǎo)向”學(xué)習(xí)框架，將工程知識和技能學(xué)習(xí)與工程實踐經(jīng)驗連結(jié)起來，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程師素養(yǎng)，適應(yīng)“新工科”的教學(xué)要求。

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