驅(qū)動式小組研討的傳熱學(xué)理論提升教學(xué)方法探討

白曉輝 劉存良 孟憲龍

西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院 陜西西安 710129

一、概述

傳熱學(xué)是能源動力類、建筑環(huán)境類本科生的專業(yè)必修課程，是一門研究熱力工程中熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。掌握傳熱學(xué)基本理論和熱分析的思維，對于學(xué)生在今后的工作中有效利用熱能、解決工程中的熱問題、培養(yǎng)創(chuàng)新思維都具有重要的作用[1]。因此，本科傳熱學(xué)課程需要學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握傳熱學(xué)理論知識，同時，對于傳熱學(xué)課程的教學(xué)也提出了更高的要求。

目前，傳熱學(xué)課程的授課具有課程時間少、理論與實踐脫節(jié)的問題，而這會導(dǎo)致學(xué)生對傳熱學(xué)理論認識不深刻、應(yīng)用不熟練，特別是看到傳熱學(xué)理論公式的推導(dǎo)復(fù)雜就會產(chǎn)生畏難情緒，從而對傳熱學(xué)課程逐漸失去興趣。為此，探索傳熱學(xué)有效的授課方式、教學(xué)模式、教學(xué)改革方法成為授課教師思考的問題。華北電力大學(xué)的劉彥豐等[2]提出了傳統(tǒng)的傳熱學(xué)教學(xué)中存在的問題，即：

(1)教學(xué)目標過于重知識的傳授，而忽視了學(xué)生能力的培養(yǎng)，即教學(xué)過程缺乏以學(xué)生為中心的思路；

(2)教學(xué)內(nèi)容過于理論化，不利于學(xué)生對理論的掌握和與工程實際的結(jié)合；

(3)教學(xué)方法多以教師講授為主，而這種模式大多都是學(xué)生被動地接收知識，沒有發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)知識的主動性。

為此，他對課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行了調(diào)整和整合，以實際工程問題和項目為線索，提高學(xué)生的相關(guān)專業(yè)技能和綜合能力。高正陽等[3]認為傳熱學(xué)課程的教學(xué)有必要融入思政內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生的三觀、學(xué)習(xí)和生活態(tài)度、處世之道等，提供了課程思政內(nèi)容案例，總結(jié)提出了課程思政模式。李文強等[4]針對線下課堂授課模式單一和理論與實驗脫節(jié)的問題，提出了通過新媒體技術(shù)將前沿科學(xué)實驗引入線下理論課堂的教學(xué)改革方式，取得了較好的效果。張賀磊等[5]提出了案例式教學(xué)在傳熱學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用的教學(xué)方法，結(jié)合傳熱學(xué)課程內(nèi)容及授課經(jīng)驗，對傳熱學(xué)常用的教學(xué)案例進行了總結(jié)。以上教學(xué)方法和模式對于傳熱學(xué)課程的教學(xué)改革和教學(xué)新模式的探索都具有重要的借鑒意義。

隨著網(wǎng)絡(luò)平臺和數(shù)字傳媒的飛速發(fā)展，學(xué)生獲取知識的途徑多樣化，國內(nèi)外名校公開課、慕課、網(wǎng)絡(luò)公開課等優(yōu)質(zhì)教育資源為授課方式的新型化和多元化提供了無限可能。翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下結(jié)合課堂、KAPI課程體現(xiàn)等新型教學(xué)模式和方法也應(yīng)運而生，這對學(xué)生知識的獲取和能力的提高提供了極大的便利。然而，針對傳熱學(xué)這種理論豐富、實踐經(jīng)驗的課程來說，需要對理論知識進行深入的理解和掌握。因此，本文提出了“知識點驅(qū)動式”“問題驅(qū)動式”和“調(diào)研驅(qū)動式”小組研討的傳熱學(xué)教學(xué)方法，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，并討論了課程思政內(nèi)容的設(shè)計和思政元素的融入。

二、教學(xué)案例介紹

(一)知識點驅(qū)動式的小組研討教學(xué)方法

在講述傳熱學(xué)的第一章“緒論”時，不可避免要提到傳熱學(xué)的發(fā)展和研究目標。傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱量傳遞規(guī)律具體指以下方面：

(1)熱量傳遞速率方程。傳熱學(xué)研究的熱量是單位時間的熱量傳遞，而熱量傳遞的快慢就必須要用熱量傳遞速率方程來描述；

(2)溫度分布。想要獲得溫度分布，首先就要建立傳熱的微分方程，再結(jié)合熱邊界條件進行求解，便可以獲得某一區(qū)域或截面的溫度分布。

以上知識點的講述還要通過結(jié)合生活中的實際問題，比如，一個人可以定性地分析在所處的環(huán)境中感覺的冷暖，而且也可以本能地采取措施進行保暖或者散熱。但定量的分析在不同的環(huán)境下以及采取不同的保溫或散熱措施會如何改變熱量傳遞速率和大小？在這樣的環(huán)境下熱量究竟是怎么傳遞的呢？溫度分布的不同與熱量傳遞速率有何關(guān)系？如此以拓寬知識點而引起學(xué)生求知興趣的教學(xué)方法會激發(fā)學(xué)生去分析解決問題的欲望。這種情況下可以通過分組討論，探討熱量傳遞速率方程、傳熱微分方程以及溫度分布都是什么、如何獲得，而此時再講解導(dǎo)熱、對流、輻射的熱量傳遞速率方程、推導(dǎo)傳熱微分方程便會起到事半功倍的效果，并加深學(xué)生對基本方程的理解。

(二)問題驅(qū)動式的小組研討式教學(xué)方法

在講到傳熱學(xué)第二章“穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)”時，首先要介紹傅里葉導(dǎo)熱定律，推導(dǎo)導(dǎo)熱微分方程，隨后就要介紹三類熱邊界條件。傳統(tǒng)的教學(xué)中一般都會解釋這三類熱邊界條件的定義和區(qū)別，而學(xué)生一般也會知道在不同的算例中給出的是第幾類邊界條件，第三類邊界條件給的是壁面?zhèn)鹊牧黧w溫度和對流換熱系數(shù)。但針對不同的對流換熱系數(shù)下，壁面?zhèn)攘黧w與壁面的換熱過程及其換熱強弱的問題思考得不夠深入。這是因為缺乏相應(yīng)的案例和問題的引導(dǎo)。本文提出問題驅(qū)動式的教學(xué)方法，即先提出看似簡單但有深度并能激發(fā)學(xué)生興趣的問題，通過小組研討的形式引導(dǎo)學(xué)生進行深入思考并嘗試尋找答案，而在對答案有了一知半解但不確定的時候，再進行理論的講解。例如，大家都知道第三類邊界條件給出的是壁面?zhèn)攘黧w的溫度和對流換熱系數(shù)，那么對于具有相同厚度的銅墻和磚墻，在流體溫度和對流換熱系數(shù)相同時，兩個墻壁的表面溫度是否相同？大家都能想到在寒冷的冬天用手觸摸金屬表面會感覺到更冷，那么這是因為兩種材料的壁面溫度不同，還是我們的感官出現(xiàn)了偏差？當(dāng)然，學(xué)生也會根據(jù)之前學(xué)過的傅里葉導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱機理、導(dǎo)熱系數(shù)定義等方面的內(nèi)容，定性地判斷由于材料的不同，即使在相同的環(huán)境條件下其表面溫度也會不同。在此問題的驅(qū)動下，學(xué)生會嘗試從導(dǎo)熱微分方程和熱邊界條件的角度出發(fā)去尋找答案。同時，課程的內(nèi)容也可以按照此進度開展，即給學(xué)生講解導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)和定解條件的含義。經(jīng)過探討，學(xué)生有可能會發(fā)現(xiàn)第三類邊界條件中其實還包含另外一個邊界條件，就是固體壁面的導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度，或者最后由教師揭開謎底，強調(diào)學(xué)習(xí)理論一定要注意它的完整性。最后，進一步講解固體壁面導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度對壁面換熱效果的影響。

(三)調(diào)研驅(qū)動式的小組研討式教學(xué)方法

除了課堂理論講解之外，組織學(xué)生開展文獻調(diào)研也是加強掌握理論知識的重要手段。在作者講授的另一門課“多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)”中，在講到不同材料的導(dǎo)熱特性及其多孔介質(zhì)的應(yīng)用時，提前讓各小組的學(xué)生做了文獻調(diào)研。從每個組提交的調(diào)研報告中可以體現(xiàn)出學(xué)生感興趣的領(lǐng)域和方向不同，而正是這種差異拓展了學(xué)生的知識面，促進了學(xué)生之間的交流。有學(xué)生在上臺講述調(diào)研的收獲和問題時，講解了空調(diào)的制冷原理和沸騰換熱，提出多孔介質(zhì)可以通過提高汽化核心的數(shù)量和氣泡脫離的頻率來提高空調(diào)中的沸騰換熱。接下來由坐在下面的學(xué)生進行提問，而好幾名學(xué)生感興趣的是這里面的氣泡是如何產(chǎn)生的。有人又聯(lián)想到了燒開水的過程中會產(chǎn)生氣泡，這時便出現(xiàn)了幾個傳熱學(xué)問題：

(1)水壺中的氣泡是如何產(chǎn)生的？

(2)水壺中的水是如何被燒開的？

(3)水壺中的水的熱量傳遞過程如何？

這就可以引入自然對流的知識，即由溫度差產(chǎn)生了密度差，不同溫度的水分子在浮力作用下不斷循環(huán)，自然對流的換熱系數(shù)的定義等。調(diào)研驅(qū)動式的小組研討式教學(xué)方法可以更有效地帶動學(xué)生的興趣，發(fā)散學(xué)生的思維，而對教師靈活應(yīng)變能力的要求也較高。因此，采用此方法時需要做大量的準備工作，基于課堂的教學(xué)目標，提前了解學(xué)生的調(diào)研情況，穩(wěn)步實施教學(xué)計劃。

三、課程思政內(nèi)容與設(shè)計

“立德樹人”是教育的根本任務(wù)，而傳熱學(xué)作為本科生必須學(xué)習(xí)的課程，最容易做到思政元素的有效融入。本課程在授課過程中圍繞家國情懷、三觀、學(xué)習(xí)生活態(tài)度等方面進行了課程思政元素的融入和思政教育。在緒論部分，通過講述燃煤電站、核電站、航空航天等領(lǐng)域中的傳熱問題，讓學(xué)生了解到我國科技發(fā)展、國家安全、能源危機等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的遠大理想和人生目標。在講到傳熱學(xué)一般定律時，如傅里葉導(dǎo)熱定律、牛頓冷卻定律，會講述這些定律的發(fā)展過程以及做出貢獻的科學(xué)家，讓學(xué)生知道在某一個領(lǐng)域有成就是需要長時間的積累并持之以恒付出努力的。對于不同材料的兩個墻體，即使外部環(huán)境中流體的溫度和對流換熱系數(shù)是相同的，墻體壁面溫度也不同。主要是因為不同的材質(zhì)，導(dǎo)致溫度梯度不同。與此類似，每個人的性格不同，內(nèi)在條件不同，人生目標也不同，因此，即使在相同的外部環(huán)境下也會有不同的人生軌跡，取得不同的成就。以此激勵學(xué)生培養(yǎng)自己的內(nèi)在修養(yǎng)，設(shè)定自己的人生目標，實現(xiàn)自我人生價值。

四、課堂知識外延、科研反哺

本課程基于傳熱學(xué)理論探討多孔介質(zhì)在航空航天、電動汽車、陶瓷霧化芯等多領(lǐng)域的應(yīng)用，以及在新材料、新能源等多學(xué)科的前沿科技，很容易將本課程的內(nèi)容拓展延伸。學(xué)院經(jīng)常會邀請行業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者做報告，介紹目前航空發(fā)動機的研究進展、我國商用飛機和大推力渦扇發(fā)動機的自主研發(fā)歷程。例如，學(xué)生熟知的是我國國產(chǎn)大飛機的獨立研發(fā)和國產(chǎn)化取得了很大的成就，但是很少清楚CJ-2000大推力發(fā)動機的研發(fā)過程中經(jīng)歷了多少艱難，發(fā)動機中涉及了多少個零部件，每一種零部件從設(shè)計到制造都經(jīng)歷了一段怎樣艱辛的過程，其中包括材料、加工工藝和精度、熱力計算等方面的要求。這樣很容易將其中遇到的一些關(guān)鍵科學(xué)問題和面臨的難題作為部分內(nèi)容放入教學(xué)課件，既可以作為課堂知識的外延，讓學(xué)生對本學(xué)科和本課程有更深入的認識，又可以作為課程思政元素激勵學(xué)生設(shè)定遠大的目標。同時，隨著世界科技的發(fā)展，目前我國對專利成果的保護越來越重視，在自主研發(fā)國產(chǎn)航空發(fā)動機、商用發(fā)動機時也特別注重專利成果的申請和保護。這些內(nèi)容對于提升學(xué)生的知識產(chǎn)權(quán)保護意識是非常有必要的。另外，本課程與筆者的研究方向聯(lián)系密切。通過在課堂上介紹課題組的研究方向和最新進展，包括多孔介質(zhì)流動換熱、渦輪葉片氣膜冷卻、發(fā)動機燃燒室隔熱屏冷卻等，啟發(fā)學(xué)生了解科學(xué)研究的意義和基本方法，有利于學(xué)生對科學(xué)研究、科研進展有初步的了解，也便于學(xué)生盡早做好人生規(guī)劃。

結(jié)語

本文提出了“知識點驅(qū)動式”“問題驅(qū)動式”和“調(diào)研驅(qū)動式”小組研討的傳熱學(xué)教學(xué)方法，詳細介紹了三種教學(xué)方法的問題和實施方法。通過引起學(xué)生的興趣，從而讓學(xué)生提起主動了解背后理論的興趣，加入解決問題、發(fā)現(xiàn)答案的過程中。這種方法對于學(xué)生深入理解和掌握傳熱學(xué)理論、激發(fā)學(xué)生的課堂熱情和創(chuàng)新思維起到了非常好的效果。同時，本文還介紹了本課程中的課程思政設(shè)計和思政元素融入方法，為本課程的教學(xué)改革和質(zhì)量提升提供了思路。