機械類專業“傳熱學”課程教學探討

舒盛榮 劉樂平

摘 要：針對傳熱學課堂上出現的一些問題，對課堂教學方法進行了探討，主要包括聯系實際生活和工程實際的案例講解、增加課堂互動環節方法、采用有限元軟件輔助教學等，為了鞏固所學知識并培養學生學以致用的能力，對課后作業、大作業和考試題目的設置進行了討論。

關鍵詞：機械類專業;傳熱學;教學方法

傳熱學是研究溫差作用下熱量傳遞過程和傳熱速率的科學[1]，熱能的傳遞在自然界和工程技術領域中是一種非常普遍的物理現象。如能源動力、制冷、化工、建筑環境、航空航天、微機電系統、納米技術、生命科學與生物技術等領域中大量存在傳熱傳質過程與熱控技術問題。傳熱學是當今科學技術發展的最重要的技術基礎之一。[2]

學習機械類專業時會碰到大量與傳熱有關的工程實際問題，如金屬切削過程的冷卻、機械制造裝備的熱變形、機械零部件（如軸承、齒輪）工作時摩擦生熱的影響等等，要解決好這些問題除了掌握專業知識外，還需具備扎實的傳熱學知識。因此，很多高校的機械類專業都會開設傳熱學課程，但課時數比較少。為了在有限的課時內讓學生掌握傳熱學基礎知識并能夠運用傳熱學的規律分析解決工程實際問題，必須通過各種高效的教學方法來保證課堂效率。下面結合自己的教學經歷介紹一些課堂教學方法。

1 課程介紹

傳熱學課程主要講解導熱傳熱、對流傳熱以及輻射傳熱三種基本傳熱方式，主要內容是研究熱量宏觀傳遞規律和現象[1]。由于它們的傳熱機理不一樣，所以三種傳熱方式相互獨立，各自構成一個知識體系，到目前還沒有統一的理論將此三種傳熱方式整合，所以對傳熱現象研究的方式一般采用單個研究，而后進行綜合[3]。

華東交通大學機械設計制造及其自動化專業把傳熱學課程設為一門必修的基礎課程，為后續專業課的學習提供傳熱學知識儲備。傳熱學課程設置在大三上學期，總共為32學時的理論課，教材使用的是楊世銘和陶文銓主編高等教育出版社出版的《傳熱學》第四版，該教材是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，下面就傳熱學課堂教學做一些探討。

2 課堂教學方法

課程中很多章節都有復雜的理論公式的和抽象難懂的概念，如果教學方法不得當，容易使學生覺得很枯燥上課分神、聽不進去，學習主動性不夠的同學就會低頭玩手機;針對出現的這些問題，下面提出以下方法來改善教學效果。

2.1 少些公式推導，多些實例講解

如講解熱傳導在直角坐標系下的導熱微分方程的推導，學生們理解起來還可以接受，但由于它是偏微分方程，其求解方法在本科階段的高等數學里面基本不涉及，后面章節的數值解法也是針對簡單幾何形狀問題的熱傳導進行講解，由于課時較少，數值解法這部分也主要是學生自學為主，這一下就讓學生失去很多興趣。此時，通過生活和工程案例講解清楚如何將三維傳熱問題簡化成容易求解的一維導熱問題顯得非常重要，這可以通過相對簡單的平壁導熱問題進行講解來吸引學生并啟發他們思考，如平底鍋、雙層玻璃窗戶、多層墻壁等的導熱分析計算，將工程中的導熱問題進行合理簡化而得到解的過程，可以把學生們的學習熱情帶回來。

對流換熱章節涉及的連續性方程、動量微分方程、能量微分方程等，這些方程也都是偏微分方程，且它們是耦合在一起的，后面的比擬理論、相似理論也比較抽象，有關對流傳熱實驗關聯式非常復雜也不易理解和掌握，因此，學生覺得對流傳熱部分理論性太強實用性低，此時學生的學習興趣可能降到了最低。因此這部分內容要以實際應用講解為主，對公式的推導簡略講解，應通過工程實例幫學生們理清書中各公式的應用場合及涉及到的特征數的意義，以使得學生覺得通過學習確實可以解決一些工程傳熱問題，這樣他們的學習興趣自然會提高。

關于輻射傳熱部分，發現部分同學對斯忒藩-玻爾茲曼定律、普朗克定律、蘭貝特定律之間的關系都很難搞清楚，這時可以通過課本上例子的講解來掌握這些公式之間的內在聯系，接著要通過例子把輻射力、光譜輻射力、定向輻射力、發射率、光譜發射率和定向發射率等基本概念和關系理順，而這些基本概念的理解和掌握是后面計算輻射傳熱的基礎。

教學過程中的案例需要多與實際相聯系，以實際生活現象作為范例，讓學生時刻感到傳熱學知識就在生活中，能夠學以致用，從而對傳熱學課程產生很大的興趣[3]。此外，為了銜接后面的專業課，講解中也要注重機械制造專業有關傳熱問題的滲透，教學過程中理論聯系實際的案例講解是提高學生學習興趣行之有效的重要方法。

2.2 課堂互動調動學生學習的主動性

課堂上如果老師一直通過PPT課件灌輸知識而和學生沒有很好的互動，下面的學生就會感覺疲勞從而失去學習興趣，因此每當講完一個知識點后，需要通過一定的方式和學生進行互動以了解他們的掌握程度，為了提高學生的主動性和教學效果，可以從以下幾方面考慮。

首先，課堂提問是吸引學生注意力的基本方法，比如講完物理現象相似的概念后，馬上舉幾個例子提問學生讓其判斷這些現象是否相似，這樣可以吸引學生集中注意力進行深入思考，提高上課效率。其次，課堂上做些小實驗或放映一些小片段關于傳熱知識點的影像資料也是調動學生學習積極性的好方法，比如，講到萊登佛羅斯特現象時，有條件的可以帶一個溫度可調的電熱板和滴管做實驗，或放映一段相關的小視頻，這樣很容易就把枯燥的理論講解課堂氣氛給活躍起來，通過觀察實驗現象學生對知識點會掌握的更牢固。此外，增加學生上講臺展示的機會，這提供了學生自我學習和相互學習的平臺，這不但可以拉近老師和學生之間的距離，而且還有利于培養學生的表達能力;如在習題講解時，要鼓勵學生們上講臺到黑板上書寫答案并進行講解，課后大作業完成后，要求每個小組上臺展示結果等。

2.3 將有限元軟件用于傳熱學課程教學

由于人體的局限性，只能通過眼睛來觀察物體表面顏色及發生的一些現象或通過身體的觸碰來感知外界的溫度變化，不能準確監測物體表面及其內部溫度變化，生活和工程中涉及的傳熱過程一般都需要借助專用儀器進行測量。另外，傳熱學知識點多，概念也比較抽象，為了保證教學質量，最好能生動形象地將傳熱過程呈現給學生以增強對傳熱過程的感性認識。傳熱學是理論聯系實際很強的課程，目前由于剛開設此課程不久，本學院還缺少相關實驗裝置。

解決上述問題最簡單的途徑就是借助有限元商業軟件，如ANSYS workbench仿真平臺，它集成了結構、傳熱、流體分析等眾多模塊，利用其中的Fluent軟件可以模擬流體-結構之間的換熱，計算完成后通過后處理模塊可以得到流場、溫度場，還可以將流體流動以及傳熱過程做成動畫。課堂上可以用事先準備好的相對簡單的例子作為示范，演示整個操作過程，如管內強制對流傳熱、流體橫掠單管對流傳熱等，這不但可以提高學生們的學習興趣，還可以引導學生們自己動手模擬一些簡單的傳熱問題，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，并培養其創新能力。

3 課后作業及任務安排

課堂上講的理論知識和概念，必須通過課后作業加以鞏固和理解，要不然下課后很容易就會忘掉。傳熱學作為專業基礎課，課后作業要注重滲透日常生活、工程應用為背景的實際運用的練習。課后任務主要包括兩部分。

（1）課后作業。以課本章節后面的習題為主，這樣可以增加學生翻閱課本的時間，引導他們對課堂知識的復習和應用;同時還可以在課程QQ群里上傳一些精心準備的題目，題目要和生活與機械專業背景關聯性更密切，以鞏固和加強基礎知識在工程上的應用的訓練，作業要及時交，不能集中到課程快結束時交，這會導致部分學生拖延、跟不上教學進度。

（2）大作業。大作業以3-4人一組，要求學生們以生活或工程實際中存在的傳熱現象、機電產品中的組件或元件為例，介紹其中的傳熱規律、工作原理和作用等，利用所學知識對其傳熱過程進行分析、合理簡化建模、計算和結果討論，根據計算結果和查閱文獻資料探討它的發展方向等等。這個過程有利于培養學生將所學知識靈活應用于工程實際中的能力，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，并鍛煉它們的溝通和協作能力。

4 期末考試題目注重機械專業的滲透

由于傳熱學知識點和公式眾多，期末考試可以采取開卷形式，題目類型可以是填空題、選擇題、簡答題和計算題等，題目不能太容易就讓學生看出答案，難易程度要適中。由于授課對象是機械專業的學生，因此考試題目要加入一定的專業背景知識，特別是簡答題和計算題，最好以機械專業碰到的傳熱問題為背景來出題，這樣既考察了知識點，又能引導學生用傳熱學知識解決自己專業所碰到的問題，這為后續專業課程的學習做好了鋪墊，為深入研究專業相關問題打下良好的基礎。

5 結語

傳熱學作為我校機械類專業的一門重要學科基礎課程，教學效果直接影響后續專業課中涉及傳熱問題的理解，因此，必須重視課堂教學方法、持續改進課堂教學模式，并著力提升教師自身的專業水平。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）.高等教育出版社.

[2]趙宇含，蔡穎玲，陳帥.傳熱學教學中的體會[J].科教導刊，2014.

[3]齊曉霓，魏麗霞.機械大類專業“傳熱學”教學改革探討[J].2014.