基于學生實踐能力的熱交換器原理與設計課程改革研究

吳詩勇 朱偉卓

摘 要 通過教學內容、教學方法、考核模式等方面，對《熱交換器原理與設計》這門課程進行了改革，著重培養學生的專業技能與實踐能力，加強學生對于知識的實際運用，引導學生自主思考與學習。課程改革堅持以人為本的思想，運用多種方法，引導學生聯系生活，科研以及工程中的換熱器問題。實踐證明提高了教學質量，提升了學生們的實踐能力。

關鍵詞 換熱器原理與設計 實踐能力 課程改革

中圖分類號：G642.4文獻標識碼：A

0引言

在能源短缺的今天，能源利用率的提高已經成為各國關注的重點。換熱器作為日常生活和工業生產中的非常常見的熱交換設備，擁有著舉足輕重的地位，換熱器技術是否進步與國民經濟以及人民生活水平密切相關，它的工作原理與設計計算方法更是能源與動力工程專業的學生所必須掌握的專業知識，所以，對于換熱器原理與設計這門課程的不斷探索與改革就顯得尤為重要。隨著生產技術的發展，工藝流程不斷完善與現代化，換熱器的設計必須適應各種特殊或者苛刻的條件，換熱器在設計過程中包含了傳熱學、流體力學、材料科學等多門學科的基礎知識，兼容并蓄又自成一體，增加了教學過程的難度。

換熱器原理與設計在教學過程中主要介紹了管殼式、間壁式、混合式和蓄熱式換熱器，通過對各類型換熱器工作原理的講解以及相應的熱計算、結構計算和流體阻力計算，使學生形成換熱器設計的基本概念，具備解決生產實際問題的能力。然而計算中的大量公式要借助高等數學知識進行推導，對學生的邏輯推理能力有一定的要求，因此需要教師運用更加有效的方法把理論抽象的計算推導變得易于掌握，提高學生的學習熱情與參與感。換熱器相關的知識最終還是要應用于生產實踐中，不能僅僅停留在理論知識層面，通過教學方法的革新使學生高效地理解與運用相關知識，對換熱器產生系統性的概念，將是授課教師需要達到的終極目標。

1教學內容優化

本專業在換熱器課程的教學過程中選用了東南大學出版社出版的《熱交換器原理與設計》，并在此基礎上進行了整合與取舍，力求讓學生能夠將設計原則與理論計算有機地結合起來，培養學生工程化的思維方式。東南大學出版社出版的教材作為高等學校工程熱物理專業規劃教材具有較強的系統性，且在內容上并不拘泥于介紹工作原理與設計方法，還添加了性能評價等方面的內容，使得整本教材的實用價值很高，符合本專業培養應用型人才的初衷。另外添加設計課程選用了化學工業出版社的《換熱器設計手冊》介紹不同類型換熱器的結構型式和主要參數，選用設計，以及各種換熱器相關計算，力求實現學生們對換熱器的整體理解，并嘗試結合實際問題，解決工程上的設計選型問題。

在課時分配上增加基礎的傳熱計算與阻力計算課時，確保學生正確理解基礎參數的物理意義及公式推導過程，在介紹公式時引導學生注意公式的假設條件和適用范圍。由于熱計算過程中涉及傳熱學的相關知識，所以在講解時加入了對傳熱學的回顧，使學生對換熱器與傳熱學建立系統性認知。同時考慮到設計性熱計算與校核性熱計算的側重點一個在于確定傳熱面積，另一個在于能否實現設計目標，所以采用不同熱計算方法時復雜程度具有明顯的差異，在教學中需要學生深刻領會靈活應用。教材中對兩種熱計算方法的比較篇幅極小，在教學過程中特意借助了具體案例來比較平均溫差法與傳熱單元數法。通過計算可以發現校核性計算時傳熱單元數法具有明顯的優勢，能大大縮減計算步驟。阻力計算則是影響實際工業過程經濟性的關鍵計算，是換熱器設計必不可少的環節。阻力計算較傳熱計算來說公式數量少，更多的是與結構計算相結合。

對學生在習題中遇到的重點問題進行專題講解，保證學生能夠及時發現問題解決問題。著重關注學生們在習題中出現的問題，可以針對性地為學生提供講解，保證知識的全面性，為解決實際工業問題打下堅實的基礎。同時通過對往屆學生習題中問題的總結，可以在授課過程中更有側重性，確保在首次教授過程中就將相關問題講解清楚，提高教學效率。

2教學方法優化

換熱器在教學過程中設計各種傳熱計算，因此傳熱計算是該學科的教學基礎。傳熱計算中的各種參數則是學生易混淆的重點。針對這一情況，首先需要逐一講解各參數的物理意義，特別是熱容量、熱流量、流量等相似的參數要仔細探討其中的差異。正確理解參數物理意義有助于學生對方程的理解與掌握。在方程推導過程中，擺脫PPT的輔助，通過板書逐步推導，有助于學生整理思路，跟上教學節奏。在推導過程中提出關鍵問題的假設，能夠讓學生能夠更好地理解方程的適用范圍，同時也能讓他們發現理論與實際工程實例之間的聯系與差異，這將有助于學生解決工程中的實際問題。

高素質人才培養應根據學生的職業規劃進行一定的區分，立志于投身工程實踐的應用型人才需要加大對專業技能與實踐能力的培養;而針對想要成為研究者的學生則應培養其科研創新的能力。通過教學方法的不斷優化，增加對不同類型學生的區分和針對性的指導，才能滿足社會對高素質人才的需求。在本科教育中大部分還是以專業技能以及工程實踐能力的培養為主，所以我們以這部分教學為主，并穿插部分開放問題，讓感興趣的同學選擇性的去了解。

換熱器這門課程在多年的教學過程中還存在一些問題：教材中采用的大多是換熱器的局部示意圖或剖面圖，學生在認知過程中存在一定障礙，無法更加直觀的去理解換熱器，特別是在考慮冷熱流體流動時需要將二維的換熱器結構示意圖拓展成三維空間，學生理解起來比較吃力。因此在實際教學過程中，在介紹換熱器結構時添加了實物圖片與視頻資料，尋找或者制作模型視頻，給學生提供了三維立體的視角。同時實現了更加直觀地介紹工程應用中的實際問題，例如結垢易發生在什么位置，熱應力可能對整個換熱器造成哪些影響等，加深了學生對相關知識的印象。

換熱器這門課程與工程實際密切相關，總歸還是要回歸到聯系工程實際，不能一味的讓學生去應試性的學習。高素質人才的教育，在從書本知識轉變為工程應用上還存在一些問題，學生在課堂上學習到的知識經常難以在工程中使用，在這門課中我們通過一些設計計算，工程選型教學，更多的使課本上的知識與工程實際相結合，培養學生們的應用能力。另外增加設計課程，讓學生自己動手嘗試解決工程問題，讓其身在其中的學習，不再單一的進行書本上的學習。