以科教融合為導向的高等傳熱學課程教學改革

楊帆　姜文全　鄭平　王衛強

［摘 要］高等傳熱學是能源、動力、儲運、石工、制冷空調和工程熱物理等專業研究生的一門重要課程，在研究生的培養過程中起到至關重要的作用。文章針對目前高等傳熱學的教學現狀與存在的問題，提出從課程內容上進行模塊設置，分為基礎模塊、方法模塊和案例模塊，使用線上和線下混合式教學手段使“教”更具靈活性，采用研究性、開放式方法使“學”更具目的性，同時結合石油石化的特點進行了特色案例庫的建設，這樣既夯實了學生理論基礎又提高了學生的科學研究能力，以期為不同專業研究生的熱工類相關課程的教學改革提供新思路。

［關鍵詞］高等傳熱學；研究性；科教融合

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0129-03

隨著研究生教育戰略地位的日益凸顯，研究生培養質量提升的緊迫性更加突出。課程學習作為研究生培養環節的重要組成部分，是培養研究生基本科研素養和科研能力的基本途徑。已有學者[1-2]指出研究生課程教學存在的問題包括教學內容陳舊、教學方法“本科化”等，不僅使部分研究生對所學課程多有抱怨，也讓部分研究生導師深感目前的課程無助于研究生能力的培養[3]。因此，研究生課程的教學改革勢在必行。

高等傳熱學是研究熱量傳遞規律的一門學科，是能源、動力、化工、制冷空調和工程熱物理等專業研究生必須學習的一門重要課程。傳熱理論的應用幾乎涉及工程科學的各個領域，學好本課程是學生今后從事相關科研工作和解決工程應用問題的基礎。國內各高校相繼對高等傳熱學課程進行了以下改革，張靖周[4]從教材建設出發，采用研究性和探究性教學方法以促進研究生“三強一高”；各高校先后采用了研究性[5]、開放互動式[6]教學方法，以學習者為中心，從課程內容[7]、實踐[8] 、案例庫的建設[9]方面進行教學改革，從而最大限度地調動學生的學習積極性，啟迪創新思維，提高科學研究能力。但研究生課程的教學改革應從整體考慮，如果不分析本校學生的層次和特點而只是照貓畫虎，或是不從整體考慮而只是片面地改革教學內容或教學方法，那么教學改革也只會流于形式，不能真正起到作用。

一、高等傳熱學課程存在的問題

（一）教學內容涉及大量的數學推導

高等傳熱學課程針對導熱的理論解問題介紹了分離變量法、拉普拉斯變換法、近似積分法等方法，涉及煩瑣的數學分析和推導過程，但是當學生遇到實際工程問題時，只能解決簡單的幾何邊界下的導熱問題，稍復雜的幾何邊界的問題就無法用解析解解決，導致學生會對課程產生疑問：建立數學模型和復雜的解析解有什么用？

（二）課程設置的導向性不強

目前課程的內容設置偏重于基礎理論分析，而且對于數學推導要求較高，學生會有一種在學習數理方程的感覺。但對于應用型高校的研究生來說，科研課題大多來源于實際工程實踐，強調理論對實踐的指導，追求化煩瑣為簡單、可以進行工程估算，對于過于繁雜的理論公式推導，得到的復雜解析解（如特征值問題得到的特征函數）沒有辦法進行數值上或工程上的驗證，這樣學習就變成了一種應試型教育，無法學以致用，導致學生缺乏學習興趣，更談不上鉆研精神了。研究生導師寄予厚望的課程沒有達到培養學生用傳熱學方法解決問題的能力的目的，學生也浪費時間和精力。

（三）授課對象基礎差異大

由于學習高等傳熱學課程需要本科階段工程熱力學、流體力學和傳熱學的基礎，跨專業的研究生雖然在研究生入學考試和復試時對上述專業基礎課程有一定的認識，但沒有系統地學習過，因此在知識體系中理論框架的構建上還是差強人意。本專業成績較好的學生能夠很快地進入學習，而跨專業的學生雖說補修了本科階段的專業課程，但在專業基礎課上還有很大欠缺。筆者在每屆學生的第一次課上，都會進行摸底問卷調查，如果跨專業比例較大，就會用4～6個學時進行熱工學課程的概述，這在研究生教學中也是一個難點。

綜上所述，高等傳熱學課程教學中存在的理論性強、導向性差和授課差異大的問題在大多數工科類高校研究生課程中是共性存在的。為了使學生不僅能夠掌握更豐富的相關知識、夯實專業基礎，而且能夠提升運用高等傳熱學理論解決科研和工程問題的能力，我校高等傳熱學課題組從科教融合和凸顯石油石化特色兩個思路出發，采用線上+線下混合式教學和研究性教學方法對高等傳熱學課程進行了深入的系統的課程建設，以科教融合為導向，在學位課程和研究課題間建立聯系，在任課教師和指導教師間搭建橋梁，形成反饋，夯實基礎，提升學生的科研能力。

二、教學改革的探索

（一）課程內容的模塊化

一般來講，高等傳熱學課程內容的展開和本科階段課程內容的展開是略有不同的。本科階段是按照熱量傳遞的基本方式導熱、熱對流和熱輻射來展開的，而高等傳熱學則是按導熱和對流來展開的，如果有輻射參與則考慮為復合傳熱過程。導熱部分分為導熱的基本理論、多維穩態導熱和多維非穩態導熱，研究方法有分離變量法、格林函數法、拉普拉斯變換法等；模塊化的目的是將授課內容功能化，讓學生清楚哪些是課程的理論知識，哪些是解決問題的數學手段。將基礎理論模塊設置在開課前期，然后引入方法模塊，完成后再進入案例分析模塊。部分內容的模塊化過程如圖1所示。

（二）教學體系的建設與方法的改革

在完成課程模塊化設置后，采用混合式教學方法來解決授課對象差異大的難題。要完成前述基礎性內容體系的教學，僅靠課堂時間很難實現。為此，教師可以基于知識共享、信息共享理念，采用混合式教學方法將線上與線下有效對接，將有限的課堂教學與無限的課外學習合理銜接，具體內容分配如圖2所示。如在導熱部分的學習中，學生首先進行導熱基本定律、導熱方程、單值性條件等的線上學習以夯實基礎。跨專業的學生可反復多次進行線上學習，而本專業的學生則可迅速進入專業案例模塊學習中。對于油氣儲運專業特色案例模塊中的地下埋管的導熱分析，需要使用到數學方法模塊中的內熱源法，若管道敷設在凍土層內則涉及各向異性材料的導熱部分知識，我們均采用線下面授的方式進行教學，案例和專業特色的結合將會使學生學習的目的性增強，興趣也會增加，從而達到科教融合的目的。

我校高等傳熱學課程的計劃學時為48學時，在學時分配上將其分成3部分：16學時為基礎模塊學習，16學時為方法模塊學習，16學時為案例模塊學習。教師在課程開設前將教學大綱模塊從線上推送給學生，要求每個學生根據自己的研究方向選擇模塊任務來進行學習并提交學習計劃表，這樣學生就有了學習主動權，有了明確的學習計劃，也使任課教師可以因“計劃”施教。

（三）特色案例模塊的建立

為了使學習更有指向性、提升研究生的科研素質和能力，進行特色案例庫的建設是非常必要的。筆者征詢了碩士研究生導師負責的科研項目，把其中的一些與傳熱有關的經典問題和前沿科研問題進行了特色案例模塊的設置，包含導熱部分的地下埋管的導熱、熱油管道的傳熱過程、停輸再啟動的非穩態導熱過程等經典問題，還有些任課教師研究的納米流體傳熱機理和微尺度流動與換熱等前沿問題。這樣既增強了學生學習的目的性，又提升了運用課程相關知識去解決工程問題的能力，拓寬了學習的思路。但特色案例庫的建設需要任課教師和指導教師花費大量的時間與精力共同研究、反復研討，最后凝練出適合學生進行研究性學習的案例。案例庫的建設在任課教師和指導教師之間進行了無縫對接，不僅夯實了學生的專業基礎知識，而且與導師的研究課題進行了緊密結合，實現了教學與科研的深層次結合。在案例庫的基礎上，我們也設置了開放性課題，學生可以選擇生活中或是工程實際中自己感興趣的課題來共同分析和研究，因為開放性課題是案例課題的拓展。具體課題形式如表1所示。

（四）高等傳熱學微課的錄制

由于研究生課程網上資源的有限性，必要的微課錄制至關重要。微課的核心組成部分是課堂教學視頻。盡管微課時間短，但其仍是具有相對完整教學結構和流程的獨立課程[10]。微課教學目標明確、重難點知識突出、針對性強，短時間內可以吸引學生的注意力，讓學生一目了然，因而可以提高教學效果。微課的出現符合當下網絡時代的特點，只要有網絡的地方學習者就可以隨時隨地地學習，并且可以根據自身對知識點的掌握情況有選擇性地學習，靈活支配學習的內容、時間和場所，打破了學習的時間和空間限制，不僅能夠解決課堂上大量、反復地講授重點難點知識占用寶貴學時的問題，又可方便學生進行期末復習和考研復習，提高學生的學習效率。任課教師團隊對熱油管道的傳熱過程等特色課程進行了微課的錄制，在后續的改革中將會對其逐漸完善。

（五）考核方式改革

高等傳熱學的教學目標是培養學生具備應用傳熱學的理論知識去認識和解決相關的工程問題的能力，考核的標準不應只考慮能否用固定的理論去分析、用固定的公式去推導，而應考慮能否應用傳熱學知識解決實際問題。成績的組成分別為學時成績30%、卷面成績30%、案例成績20%和結果成績20%。成績優秀的條件滿足以下一條即可：（1）在核心期刊或更高水平雜志上發表相關的科技論文；（2）針對某一實際案例提出科學的、系統的解決方案，形成展報或進行PPT展示；（3）在傳統的傳熱學問題的基礎上提出了開放性問題，解決思路和方法得到了大家的一致認可；（4）對某一傳熱課題進行微視頻的錄制，得到了大家的一致認可。這樣的結果考核方式既調動了學生的積極性，又突出了成果導向。

三、教學改革實踐與反思

高等傳熱學的教學改革已在2016級、2017級和2018級油氣儲運工程、石油工程專業的研究生范圍內實施。學生自主選擇模塊進行學習的熱情很高，都能夠在自己的研究方向上找到與高等傳熱學課程的契合點來進行自己課程的設置，其中絕大多數學生選擇了課程優質模塊來完成理論知識模塊的學習，因為靈活性較大。跨專業的學生可以多修，而本專業的學生可以花費較多的時間和精力在方法模塊學習上，也可以更早地進入案例模塊的學習。有了選擇權的學生變成了課程的主人，使以學生為主體的教學目的得以實現，也使研究性學習課堂的氛圍活躍起來。新的考核方式弱化了應試的卷面成績，突出了教學參與過程和成果導向。3屆學生的期末考核成績平均分為85分以上，高分段在95分左右，同時形成了大量的優秀展報、PPT課件和開放性課題，也有論文發表。從學生成績看，成果導向作用明顯，這些成果為任課教師的教學和指導教師的科研都注入了新鮮血液。

四、結語

為了激勵研究生更好地進行學位課程的學習，學有所用、學以致用，開展了科教融合為導向的高等傳熱學課程的教學改革，旨在注重教學和科研的有機融合，采用混合式、研究性和開放性的教學方法和手段，在學位課和科研課題間建立橋梁，推動和促進研究生參與指導教師的科研活動，夯實學生的理論基礎，提高其開展科學研究的能力。然而高等傳熱學的課程教學改革在探索過程中依然存在局限性，要想取得好的效果，需要研究生指導教師的投入和配合，更有待方家指正。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 胡甲剛.我國博士生培養模式的問題剖析[J] .中國高等教育，2009（6）：42-44.

[2] 孫晶.深化研究生課程與教學改革的幾點思考[J].淮北師范大學學報（哲學社會科學版）， 2013 （5）： 164-166.

[3] 姚莉，劉偉.研究生課程教學改革的幾點思考[J].高等教育研究學報，2010（4）：36-39.

[4] 張靖周. 高等傳熱學教學中的“三強一高”[J].科技資訊，2015（19）：167-168.

[5] 陳柳，姬長發，姜華，等. 研究性學習法在《高等傳熱學》課程中的應用[J].中國電力教育， 2019（10）：66-67.

[6] 邱林. 開放互動式教學方式在高等傳熱學研究生課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2008（4）：95-97.

[7] 任洪波， 姜未汀，翁建華，等. 新形勢下研究生高等傳熱學教學改革探索[J]. 教育教學論壇，2020（30）：269-270.

[8] 耿麗萍，楊杰，陳慧，等. 從實踐中提升專業碩士研究生“高等傳熱學” 課程的學習效果[J].科技與創新，2020 （17）：94-95.

[9] 毛前軍.高等傳熱學學習體會及案例庫課堂教學[J].教育教學論壇，2020（41）：285-286.

[10] 刑曉丹.“微課化”重構提高高校MOOC平臺有效學習率研究[J].大學教育，2020（12）：1-3，13.

［責任編輯：鐘 嵐］