美國—加拿大—澳大利亞相關高校傳熱類課程的對比研究

曲 燕

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東 青島 266580）

在經濟全球化和高等教育國際化的背景下，課程國際化的核心地位日益凸顯，但對課程國際化的定義、內涵和特征仍存在分歧。在歐美大學課程國際化的進程中，增加外語課程數量、將國際化內容融入課程、增加課程的國際認可，以培養學生在國際化和多元化社會工作環境下生存的能力，是課程國際化的主要的措施和根本目的[1]。筆者在高校從事專業課“傳熱強化技術”的教學工作，多年來針對教材[2]、教學模式[3-5]、教學內容[6]對課程進行了初步的雙語教學實踐和探索，發現課程的改革是個系統的、長期的、日新的過程，教學效果也不可能立竿見影，很多問題，如課程的國際化視野不夠、教材更新相對滯后、教學評價方法的改變對教學模式及教學內容的影響等，都需要從系統的角度去考量。美國、加拿大、澳大利亞是傳統的高等教育強國，在熱工課程的教學中有很多值得借鑒之處。筆者通過海外同行和留學生，收集了美國的兩所公立高校羅格斯大學（Rutgers University）和紐約城市大學（City College of New York）、加拿大綜合性大學卡爾頓大學（Carleton University）、澳大利亞八校聯盟之一的新南威爾士大學（The University of New South Wales）等4 所高校的面向本科、研究生開設的傳熱類課程資料，在課程設置、教材、內容架構、評價4 個方面進行了對比研究。

1 課程設置

這4 所學校的傳熱類課程設置如表1 所示。對于研究生，主要是按專題設置：①按照熱傳導、熱對流等傳熱方式，如美國羅格斯大學開設的“熱傳導”（Heat conduction）、“熱對流”（Heat convection）等；②針對行業特色及傳熱學在行業中的應用，如加拿大卡爾頓大學機械與航空航天系，開設“傳熱學在航空航天中的應用”（Heat transfer for aerospace applications）。

對于本科生，主要有兩種方式。

（1）單獨開課，如紐約城市大學開設的“傳熱學”（Heat transfer）。

（2）與其他課程合并開設：①傳熱學與熱力學合并，如新南威爾士大學的“高等熱流體學”（Advanced thermofluids）、卡爾頓大學的“熱力學與傳熱學”（Thermodynamics and heat transfer）；②傳熱學與流體力學合并，如“流體流動與傳熱導論”（Introduction to fluid flow and heat transfer）；③傳熱學與傳質學合并，如“傳熱傳質學”（Heat and mass transfer）。

表1 國外4 所大學傳熱類課程設置

本科生的課時通常為48 學時或54 學時，其中作業輔導或問題分析的非課堂學時至少占總學時的1/3或1/2。研究生的課程一般按專題設置，課堂學時相對較少，沒有明確的作業輔導課時，與教師討論問題時可以私下預約時間。

2 課程的教材

表2 綜述了美、加、澳這4 所大學傳熱類課程選用的部分教材及參與書。其中，北美高校主要選用Holman 或Cengel 教授編著的傳熱教材。Cengel 教授在工程熱流體領域出版了多部非常有影響力的教材，筆者將這些教材的封面圖匯總在圖1 中，供讀者按需閱讀。我國熱工領域的兩位院士、國家級教學名師何雅玲、陶文銓專門撰文分析了Cengel 兩本教材（見圖1(a)、(b)）的特色[7]，還在“傳熱學、熱力學教材的編寫”[8-9]“熱工基礎課發展的思考”[10]中特別提到這兩本教材。相比Holman[11]的教材，Cengel 的《傳熱傳質學—基礎與應用（第 5 版）》（Heat and Mass Transfer—Fundamentals and Applications (5th ed.)）[12]，在以下3 個方面更加突出：

（1）引入大量的現實生活、工程實踐的習題、案例和特色專題。比如，第5 版教材新增了350 個習題，幾乎在每章最后都引入了拓展性的特色專題，如表3所示[12]。這些專題有的涉及傳熱學新的學科分支，如微尺度傳熱學、生物傳熱學、逆流換熱器的人體心血管系統，有的涉及新能源、建筑傳熱等傳熱學的新應用，對拓寬學生的國際視野、培養創新思維和獨立求解科學問題的能力很有幫助。

（2）豐富的課程網絡資源。教材的最后三章內容（第15—17 章），從第5 版開始改成網絡課程，授權的用戶可以從網站www.mhhe.com/cengel 直接下載相關課程資源。

（3）教學工具EES 的使用推動了學生對傳熱問題物理意義的理解，而不再困擾于方程的求解。EES（engineering equation solver）是工程方程求解器的簡稱，主要求解非線性代數方程和微分方程。EES 內置了很多流體的熱力性能函數，包括水、干/濕空氣、制冷劑、燃燒氣體等，可以方便地進行參數分析、微分

方程求解。教材中很多典型習題的求解也放到了EES中，學生可以在Help 下的Heat Transfer 菜單中找到，還可以改變問題的參數，思考其對結果的影響，方便學生對傳熱問題的深入思考。本教材充分反映了Cengel 教授的編寫目的，即：用簡單精確的方式與未來的工程師進行思想交流，使學生對傳熱的基本原理有清晰的理解和牢固的掌握，鼓勵創新思維、開發對傳熱學的深層理解和直觀感受，以興趣和熱情激發學生閱讀，而不是作為解題的工具去閱讀。

表2 國外4 所大學傳熱類課程的部分教材及參考書

圖1 Cengel 在工程熱流體科學領域出版的教材

表3 Cengel 教授傳熱學教材[12]中各章的特色專題

3 課程的內容架構

課程的內容要根據專業培養方案的畢業要求和課程的教學目標來設置，用相關的指標點來達成。表4列出了澳、美、加這4 所高校本科、研究生傳熱類課程的教學內容，從中可以看到：

（1）本科生課程，傳熱學部分，如果是與其他課程合并開設，受學時的限制，所講內容相對較基礎，但穩態導熱、集總參數法暫態導熱、管內強制對流/大空間自然對流是必講的內容。如果是單獨開設的傳熱學課，課程內容的深度和廣度都有增大，比如輻射計算以及傳熱的應用等。

表4 國外4 所大學傳熱類課程的教學內容

（2）研究生類課程，內容多針對較復雜的傳熱問題的解析解法和數值解法，更專業難度更深。如在美國羅格斯大學的“熱傳導”課中，熱傳導部分主要涉及分離變量法（多維穩態導熱、一般的非穩態導熱）、Green 函數法（多維穩態導熱）、Laplace 變換法（非齊次邊界條件下非穩態導熱）、Duhamel 定理（含有與時間相關的非齊次項的偏微分方程的求解）、有限差分方法等。

4 課程的評價

表5 展示了國外這4 所高校傳熱類課程的評價方式。從中可以看出：（1）國外課程普遍重視過程評價，期末考試的權重不超過70%。其中，美國高校一般在40%，澳大利亞高校為35%～60%，加拿大高校最高為70%，并要求期末考試的得分率必須超過60%。（2）評價方式多樣化。主要的考核形式有7 種：隨堂測驗、課后作業、期中考試、問題分析、實驗、項目、期末考試，各部分的占比一般設置為：隨堂測驗 10%～20%，課后作業15%～20%，期中考試25%～30%。

表5 國外這4 所大學傳熱類課程評價方式

5 小結

通過對比國外這4 所高校傳熱類課程，可以發現本科課程的建設和優秀的教材是關鍵。因為，教材在很大程度上決定了課程內容的廣度和深度。研究生的課程，以授課教師的講義為主，內容設置更專業化、模塊化。國外課程更重視過程評價，探究式、項目式、報告答辯式等作業評價方式占很大比例。新時代的中國高等工程教育將新工科放到了領跑高等教育變革的重要位置，加強工程類課程建設，是建設一流高校、一流專業、一流課程的根本，也是切實推進專業認證和高等教育國際化的重要舉措。

借鑒國外這4 所大學傳熱類課程設置、教材、內容架構、評價體系方面的經驗，可以更好地促進和推動國內大學傳熱類專業的教學改革和創新，有利于該領域的人才培養。