多維度融合下的“熱交換器原理與設計”教學實踐

鞠曉麗 王富強 于秋紅

[摘 要] “熱交換器原理與設計”是能源動力專業的核心課程之一，為了培養適應新世紀能源動力類創新型人才，本文針對目前課程教學中存在的突出問題，提出了“學與問”“經典與前沿”“科研與教學”“正反向思維”多維度融合的教學模式和教學方法，并用具體的實例探討了一些體會和觀點。

[關鍵詞] 多維度融合;熱交換器原理與設計;教學實踐

[基金項目] 2018年度山東省本科教改項目“‘能源與動力工程專業階梯式科教融合的教學方法對創新人才培養的研究”（M2018B3312）

[作者簡介] 鞠曉麗（1977—），女，山東威海人，工學碩士，講師（通信作者），研究方向為熱交換器設計;王富強（1983—），男，黑龍江鶴崗

人，工學博士，教授、博士生導師，研究方向為高效太陽能熱利用;于秋紅（1963—），女，黑龍江哈爾濱人，工學學士，副教授，

研究方向為燃燒污染物排放控制。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）30-0277-02? ? [收稿日期] 2019-11-21

一、引言

熱交換器的應用可以說是無處不有，它不僅是一種廣泛應用的通用設備，同時也是諸多工業產品的關鍵部件[1]。隨著能源的日趨緊張、環境保護要求的提高以及節能減排技術的發展，給熱交換器提供了日益廣闊的應用前景，促進了熱交換器技術的快速發展[2]。

熱交換器原理與設計是我校能源與動力專業本科生的專業核心課程之一，總學時為56個學時。通過該課程的學習，使學生掌握各種常見熱交換器的工作原理、分類、設計方法，了解熱交換器的實驗研究方法、強化技術及性能評價，使學生具有設計能源動力設備的能力和初步的創新能力。本課程涉及面較廣，工程實踐性很強，學生在學習過程中很容易感到枯燥乏味。為了激發學生的學習熱情，培養創新意識，提升實踐能力，筆者結合近幾年的教學經驗，對本課程提出了多維度融合的教學實踐改革。

二、教學實踐

1.學與問的融合。課堂教學是一種有組織、有計劃的師生互動的過程。傳統課堂的互動環節，通常以教師為中心，題目由教師設計，采取“教師提問—學生回答”的單向模式。長期以來，導致學生的思維模式完全受教師的教學思路所束縛，缺乏主動性，自主意識薄弱。為此，教師需要轉換角色定位，放棄對教學的絕對控制，讓學生成為問題的提出者。

“傳熱有效度—單元數法”是熱交換器設計的重要方法之一，是本課程的核心理論，具有概念抽象、公式復雜的特點。筆者在課堂中，首先拋開有效度復雜的計算公式，由簡單的線圖入手提出問題：“從順、逆流有效度曲線圖中，分別能發現哪些規律？”引導學生帶著問題去思考，鼓勵他們大膽提出疑問。針對提出的問題，課堂上給予充分肯定與解答。通過這種“學與問”的融合，學生不再是消極地接受知識，而是主動去理解，去探究知識的本質，提升了獲取和應用知識的能力。

另外，學生在問題中也潛移默化地感受到了工程設計的理念，比如在設計熱交換器時，不能不惜一切成本去追求高有效度、系統設計時要顧全大局、不能過度關注某個設備的性能等，這些理念的灌輸為本課程的后續學習乃至未來的職業生涯都打下良好的基礎。

2.經典與前沿融合。熱交換器自誕生至今已經歷了九個多世紀，在漫長的發展過程中，對熱交換器設計的改進及新技術的開發從未間斷過[2]。如何實現課程的與時俱進是教師必須思考的問題，筆者主要從以下兩方面入手。

首先是優化課程內容。教材是課程內容，但不完全等于課程內容，因為課程內容所包含的新技術、新方法等在教材中難以同步更新。在講到“管殼式熱交換器”時，折流板作為管殼式熱交換器的主要部件之一，影響著熱交換器的傳熱和壓降性能。教材中僅僅介紹了弓形和圓環（圓盤）形兩種經典結構，這兩種折流板雖然結構簡單、可靠性高，但存在著壓降與傳熱之間的突出矛盾。帶著這一問題，引導學生去探索、了解多種前沿新型折流結構，比如螺旋折流板、改進型螺旋折流板、折流桿及折流柵等。通過課程內容的優化加深了學生對經典理論的理解，同時也領會到科學研究就是一個不斷探索、不斷創新的過程。

其次是優化教學方法，充分利用現代化教學手段，給學生營造一個以文字、圖像、視頻等為手段的多方位立體學習情景。在學習“板式熱交換器”一節，首先通過動畫讓學生對該熱交換器的原理產生初步的感性認識;然后利用視頻展示制造加工工藝，對結構和特點產生更深入的理解;最后，針對關鍵元件—傳熱板展開詳細探討。筆者以某型號人字紋換熱板片為例，引導學生利用計算流體動力學軟件CFD進行數值模擬，并將模擬結果在課堂上進行演示分析。這種多媒體參與的教學過程，使學生對知識的認識實現了從“生動直觀”到“抽象思維”的螺旋上升型路線前進，極大提高了學生的認知能力。

3.科教融合。開展科研與教學之間的良性互動是高校提高人才培養質量的重要手段。科教融合可使最新的科研成果轉化為最新的教學內容，使學生能隨著科學技術的進步而掌握最前沿的科技[3]。筆者所在的能源與動力工程專業，很多教師的科研項目都是圍繞著熱交換器設計及其應用，具備了較強的科研基礎和豐富的實踐經驗。在講到“緊湊式熱交換器”時，由于涉及多類型的熱交換器，內容繁雜。筆者以自身科研項目中LED燈散熱器作為案例，將實際所設計的板翅式、熱管式、針翅式等多種類型的散熱器實體帶到課堂上，并介紹所用過的設計方法及模擬軟件ICEPAK的功能及使用情況。這種近距離觀察和感受，激發了學生內在的學習動機，培養了科學研究的興趣。

4.正、逆向思維的融合。長期以來，本課程教材內容的編寫大都是正向思維模式，在介紹每一類熱交換器時，通常按照基本構造、分類、工作原理和設計計算的順序進行。學生在學習過程中，往往也沿著問題的正向去思考，造成學生對知識的理解表面化，影響了學生分析、解決問題的能力和創新能力的鍛煉。而逆向思維是求異思維，是指為實現某一創新或解決某一因常規思路難以解決的題目和問題時，讓思維向對立的方向發展和引申而采取反向思維尋求解決問題的方法[5]。

筆者在講到“管殼式冷凝器”時，由于存在著復雜的相態變化，其結構上較常規管殼式熱交換器有許多特殊之處。為了便于學生更好地理解這部分內容，在課堂上通過引入幾個典型的工程失誤案例，指出這些熱交換器使用中存在著“排液不暢”“冷卻效果差”及“振動或液擊”等諸多問題，引導學生去思考。經過分組討論與論證，學生很快找到了問題所在，這些問題的解決正體現了冷凝器所獨有的特點。通過這種以問題為導向，“由果索因”的教學模式，不僅讓學生能夠在輕松的氛圍中理解和接納了那些原本難以理解的知識，更重要的是學會了如何學習，如何發現問題，如何推理、論證，同時也從中體會到發現自我及學以致用的喜悅。

三、結束語

學生個體發展總是要與社會的發展交織在一起[6]。隨著我國能源結構的調整，可再生能源的開發和各種余熱回收利用的推進，各種新型熱交換器技術不斷涌現，培養適應新時代的能源類創新型人才迫在眉睫。熱交換器原理與設計作為能源與動力工程專業核心課程之一，必須緊跟社會需求步伐。本文結合教學內容和課程特點，提出的多維度融合的課程教學改革實踐已初現成效，但仍需不斷用心去探索、去實踐。

參考文獻

[1]史美中，王中錚.熱交換器原理與設計（第6版）[M].南京：東南大學出版社，2018：1-2.

[2]張利，李友榮.換熱器原理與計算[M].北京：中國電力出版社，2017：6-7.

[3]黃崇杏，許樹沛，黃麗婕.科教融合的創新型工程專業人才培養模式[J].高教學刊，2019（17）：37-38.

[4]沙拉.換熱器設計技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5]熊淑艷.高等數學教學中培養大學生逆向思維能力的探討[J].2019（6）：66-67.

[6]李朝輝.教學論（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2016：121.

Teaching Practice of the Course on Heat Exchanger Principle and Design from the Perspective of Multi-dimensional Integration

JU Xiao-li，WANG Fu-qiang，YU Qiu-hong

（College of New Energy，Harbin Institute of Technology，Weihai，Shandong 264209，China）

Abstract：Principle and Design of Heat Exchanger is one of the core courses of energy and power specialty.In order to cultivate innovative talents for energy and power in the new century，this paper puts forward a multi-dimensional integrated teaching model and method of "learning and asking"，"classic and frontier"，"scientific research and teaching"，"positive and negative thinking" in view of the outstanding problems existing in the current course teaching.Some experiences and viewpoints are discussed with concrete examples.

Key words：multi-dimensional integration;Principle and Design of Heat Exchanger;teaching practice