新工科背景下“換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程建設(shè)探索

摘 要 “換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的必修課程，在教學(xué)過程中，面臨課程內(nèi)容多、教材更新慢、跨學(xué)科知識(shí)要求高及考核單一等問題。文章對此提出多項(xiàng)改進(jìn)措施：采用比較學(xué)習(xí)法整合課程內(nèi)容，凸顯知識(shí)脈絡(luò)；小組合作探索前沿，激發(fā)創(chuàng)新思維；形象教學(xué)與延時(shí)鞏固結(jié)合，提升學(xué)習(xí)興趣與效率；多元化評(píng)價(jià)體系促進(jìn)知識(shí)實(shí)踐應(yīng)用；以知識(shí)為載體融入思政，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)與責(zé)任感。這一系列舉措旨在全面優(yōu)化教學(xué)過程，提升學(xué)生綜合能力，為培養(yǎng)能源領(lǐng)域的技術(shù)人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 工科；換熱器；課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.33.041

Exploration of the Construction of the Course Principles and

Design of Heat Exchangers

ZHANG Xiaowan， PEI Songpeng， ZHOU Yu

（School of Physics and Electrical Engineering， Liupanshui Normal University， Liupanshui， Guizhou 553004）

Abstract As a compulsory course for energy and power engineering， \"Principles and Design of Heat Exchangers\" faces problems such as too many contents， slow updates， high interdisciplinary requirements and single assessment in the teaching process. This paper proposes a number of improvement measures： using the comparative learning method to integrate the curriculum content and highlight the curriculum knowledge context; Group cooperation to explore frontiers and stimulate innovative thinking; The combination of image teaching and delayed consolidation can enhance learning interest and efficiency; Diversified evaluation system promotes the practical application of knowledge; Integrate ideological and political elements with knowledge as the carrier to cultivate students' professionalism and sense of responsibility. This series of measures aims to comprehensively optimize the teaching process， improve students' comprehensive ability， and lay a solid foundation for cultivating future elites in the energy field.

Keyword engineering; heat exchanger; curriculum construction

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和科技的日新月異，社會(huì)對人才的需求也在發(fā)生著深刻的變化，這種變化要求高等教育，特別是工科教育，必須與時(shí)俱進(jìn)，培養(yǎng)能夠適應(yīng)和引領(lǐng)未來社會(huì)發(fā)展的新型人才。對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造，在實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合的同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的家國情懷、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、工程倫理和工匠精神，成為既有專業(yè)素養(yǎng)，又有人文情懷的新時(shí)代人才，是極具時(shí)代意義的。

換熱器是一種依靠內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同溫度流體的熱量傳遞，達(dá)到工藝流程指標(biāo)的設(shè)備。在石油化工企業(yè)中，換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%―40%，在冶金、建材等行業(yè)中的應(yīng)用也極為普遍[1]。“換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)中一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)必修課，旨在幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握各式換熱器的工作原理及相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路和方法。對工程問題進(jìn)行分析并提出解決方案，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合工程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對計(jì)算合理性與標(biāo)準(zhǔn)化問題，能有效培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、處理換熱器相關(guān)原理與設(shè)計(jì)問題的能力，使學(xué)生具備從事相關(guān)工作的綜合素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，對學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)和專業(yè)能力的提高具有舉足輕重的作用。作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支柱的一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，通常有著“能源密集，碳排放高”等特點(diǎn)，使用先進(jìn)節(jié)能設(shè)備、提高能源利用效率是助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳轉(zhuǎn)型、國家早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手，培養(yǎng)一批懂原理、會(huì)設(shè)計(jì)、勇創(chuàng)新的應(yīng)用型專業(yè)人才是最根本的驅(qū)動(dòng)力。

1" 教學(xué)中存在的問題

1.1" 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)不匹配

“換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程通常要求學(xué)生掌握各式換熱器（如間壁式、混合式和蓄熱式）的基本構(gòu)造、工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及性能優(yōu)化等內(nèi)容，對于此類實(shí)踐性較強(qiáng)且與設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)的課程，對設(shè)備外觀和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是掌握其工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，但目前筆者所在系部的實(shí)驗(yàn)室只有結(jié)構(gòu)最為簡單的套管式和管翅式換熱元件，實(shí)踐教學(xué)環(huán)境欠佳，且該課程在人才培養(yǎng)方案中僅32學(xué)時(shí)，使學(xué)生在較為緊湊的課程學(xué)時(shí)內(nèi)全面把握各類換熱器的原理與設(shè)計(jì)精髓成為一大教學(xué)考驗(yàn)。

1.2" 教材內(nèi)容更新遲緩

從市場規(guī)模、國家政策、應(yīng)用領(lǐng)域多角度來看，換熱器行業(yè)仍處于一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料、新工藝的應(yīng)用，以及數(shù)字化、智能化技術(shù)的引入，都會(huì)對換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)產(chǎn)生直接的影響。但產(chǎn)學(xué)研合作不夠緊密、教育體系與市場需求脫節(jié)、教材編寫與更新周期較長等原因，導(dǎo)致教材內(nèi)容呈現(xiàn)滯后于工程實(shí)踐的現(xiàn)象，如東南大學(xué)出版社2019年出版的《換熱器原理與設(shè)計(jì)》第6版，教材中包含了各式換熱器的工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算的詳細(xì)介紹，但缺乏視頻資源、實(shí)際工程案例、新技術(shù)與新發(fā)展、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等相關(guān)內(nèi)容，任課教師通常會(huì)花大量時(shí)間和精力對此進(jìn)行補(bǔ)充。

1.3" 對學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)要求高

換熱器設(shè)計(jì)過程中涵蓋了傳熱計(jì)算、阻力分析、強(qiáng)度校核及圖紙繪制等多個(gè)維度，深度融合了“傳熱學(xué)”“工程熱力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“流體力學(xué)”“工程力學(xué)”及“機(jī)械制圖”等多學(xué)科的知識(shí)。這一跨學(xué)科的教學(xué)體系，不僅要求學(xué)生掌握扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，還需具備靈活運(yùn)用與綜合分析的能力，無疑是對學(xué)生的一大挑戰(zhàn)。面對如此復(fù)雜的知識(shí)體系，部分學(xué)生可能會(huì)因畏難情緒而信心受挫，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)熱情。

1.4" 考核模式單一

“換熱器原理與設(shè)計(jì)”這門課程在有的高校為考試課，成績主要由占比較小的平時(shí)成績和占比較大的卷面成績組成；在有的高校為考查課，成績主要由占比較小的平時(shí)成績和占比較大的小論文成績組成，目前均面臨檢驗(yàn)學(xué)生應(yīng)用能力不足的問題。該課程強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，現(xiàn)有評(píng)定體系多側(cè)重理論考核，難以全面反映學(xué)生實(shí)踐能力。因此，需重構(gòu)評(píng)價(jià)體系，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核，通過綜合評(píng)價(jià)體系，激勵(lì)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，提升其解決實(shí)際問題的能力，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

2" 課程教學(xué)改進(jìn)措施

2.1" 拋磚引玉，融會(huì)貫通

“換熱器原理與設(shè)計(jì)”這門課程豐富的教學(xué)內(nèi)容對教師提出高要求，教師需精心備課，深研教材，明確每次課的知識(shí)、能力與素質(zhì)目標(biāo)，通過系統(tǒng)梳理，精準(zhǔn)把握重難點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋靈活調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，在傳授知識(shí)的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力與專業(yè)素養(yǎng)，全面提升教學(xué)質(zhì)量。課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括緒論、換熱器計(jì)算的基本原理、各式換熱器和換熱器的試驗(yàn)與研究四大部分，其中，“各式換熱器”是教學(xué)內(nèi)容占比最高的部分，各式換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理都有其自身的特色，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱設(shè)計(jì)、流動(dòng)阻力設(shè)計(jì)和測試實(shí)驗(yàn)的思路大致是相同的，鑒于課時(shí)有限，教師在教學(xué)過程中選取工業(yè)生產(chǎn)中使用最為廣泛的管殼式換熱器作為教學(xué)重點(diǎn)，全面剖析其結(jié)構(gòu)、原理與設(shè)計(jì)計(jì)算。在此之后，通過比較學(xué)習(xí)法，引導(dǎo)學(xué)生理解其他類型換熱器的異同點(diǎn)，挑選出特別之處進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)。對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、流道難以構(gòu)思的換熱器，教師可收集各類資料，借助學(xué)習(xí)通等教學(xué)平臺(tái)建立學(xué)習(xí)資料庫，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前課后學(xué)習(xí)。

2.2" 與時(shí)俱進(jìn)，賦能學(xué)生

換熱器的研究是集換熱原理、設(shè)計(jì)、制作到測試的體系，無論是其中傳熱機(jī)理的深入探索、防腐蝕技術(shù)的創(chuàng)新突破，還是防振措施的巧妙實(shí)施、設(shè)計(jì)制造技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，每一研究方向所取得的任何新進(jìn)展，都能為換熱器技術(shù)的前進(jìn)注入強(qiáng)大的動(dòng)力。在教材構(gòu)建的知識(shí)體系基礎(chǔ)上，授課教師應(yīng)充分發(fā)揮主導(dǎo)作用以提升教學(xué)實(shí)效，如制作教學(xué)視頻資源庫、推薦參考書籍和文獻(xiàn)、融入最新科研成果、引入企業(yè)實(shí)際工程中的換熱器設(shè)計(jì)案例、組織專題研討會(huì)和講座、優(yōu)化教學(xué)方法；與此同時(shí)，采取小組協(xié)作學(xué)習(xí)模式將學(xué)生劃分為5人一組的團(tuán)隊(duì)，每隊(duì)認(rèn)領(lǐng)探索換熱器某一前沿領(lǐng)域的任務(wù)，通過課前文獻(xiàn)搜集、整理深入各自研究方向，在課上10分鐘的“智慧碰撞時(shí)間”分享探索收獲與個(gè)人見解，激發(fā)全班同學(xué)進(jìn)行思考與討論，在有效拓寬學(xué)生知識(shí)邊界與專業(yè)視野的同時(shí)，還能對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與表達(dá)溝通能力進(jìn)行全面錘煉。

2.3" 形象教學(xué)，延時(shí)鞏固

在對換熱器工作原理、應(yīng)用過程進(jìn)行分析或結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通常會(huì)涉及其他專業(yè)基礎(chǔ)課中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在課程開始前，通過教學(xué)平臺(tái)的預(yù)習(xí)材料或發(fā)起討論等形式喚醒學(xué)生記憶中前置課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)；在上課過程中，教師可充分使用實(shí)物圖、動(dòng)畫、設(shè)備仿真拆裝視頻及手工模型等教學(xué)資源，直觀展示換熱器的工作原理、設(shè)計(jì)過程及跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用，幫助學(xué)生克服畏難情緒，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度；課后則可發(fā)布一系列以判斷題為主的小測對學(xué)生進(jìn)行測驗(yàn)，測驗(yàn)內(nèi)容覆蓋課程所涉及的各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，采用“總分揭曉，細(xì)節(jié)隱藏”的策略讓學(xué)生在每一次揭曉答案時(shí)都能感受到未知的驚喜與挑戰(zhàn)，持續(xù)激發(fā)他們的好奇心與求知欲。每兩次課之間間隔一周，學(xué)生有充分的時(shí)間翻閱資料、回顧要點(diǎn)、深化理解；下次課的前十分鐘使用學(xué)習(xí)通“搖一搖選人”功能隨機(jī)抽取學(xué)生分享對上節(jié)課跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的理解與思考，這既是對學(xué)生鞏固成果的及時(shí)檢驗(yàn)，又是鼓勵(lì)他們勇于表達(dá)、深化理解的寶貴機(jī)會(huì)。

2.4" 小組合作，項(xiàng)目學(xué)習(xí)

構(gòu)建全方位、多維度的評(píng)價(jià)體系能促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)踐技能更深度融合。為強(qiáng)調(diào)過程性學(xué)習(xí)的重要性，課程 組將平時(shí)成績的比例設(shè)置為40%，并將考核方式多元化為課堂測驗(yàn)、章節(jié)作業(yè)、課堂表現(xiàn)、前沿匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)與答辯和創(chuàng)新加分項(xiàng)等部分。其中，實(shí)驗(yàn)與答辯是組織學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成換熱實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的點(diǎn)滴疑惑與獨(dú)到見解，并要求精心準(zhǔn)備匯報(bào)與答辯，挖掘?qū)嶒?yàn)的深層價(jià)值與創(chuàng)新點(diǎn)；基于實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生以小組合作的形式，針對某特定換熱器展開深入分析，運(yùn)用Aspen" EDR或Fluent等工具，進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、成本估算及繪圖，更加全方位、多角度地進(jìn)行優(yōu)化探索；除此之外，還特別設(shè)立創(chuàng)新加分項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生參與學(xué)科競賽、科研項(xiàng)目、發(fā)表學(xué)術(shù)論文、申請專利等活動(dòng)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和研究能力。過程性學(xué)習(xí)考核的多元化，在幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用能力的同時(shí)，還促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力的提升。

2.5" 貫穿思政，互評(píng)促長

作為技術(shù)領(lǐng)域的后備人才，除了要有扎實(shí)的理論知識(shí)，還要有規(guī)范工藝流程、提高思維能力、強(qiáng)化安全生產(chǎn)的意識(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)建立及時(shí)反饋與自我評(píng)價(jià)的良性循環(huán)機(jī)制，爭取在每一堂課后都進(jìn)行反思與交流，就知識(shí)理解與掌握、應(yīng)用能力鍛煉、標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)與工程觀念、教學(xué)互動(dòng)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)及反饋，這不僅有助于學(xué)生及時(shí)鞏固所學(xué)知識(shí)，還能促進(jìn)教學(xué)相長，提升教學(xué)質(zhì)量。在工科專業(yè)課程中開展思政建設(shè)，是推動(dòng)學(xué)生全面發(fā)展、深化思想政治教育內(nèi)涵的有效途徑[2-4]。在“換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中融入思政教育，旨在培養(yǎng)一批德才兼?zhèn)涞墓こ處煟O(shè)計(jì)瑕疵、制造紕漏、選材不當(dāng)、違規(guī)操作和維護(hù)疏漏是導(dǎo)致?lián)Q熱器發(fā)生燃燒爆炸、嚴(yán)重泄漏和管束失控事故的主要原因。通過“斬盡荊棘路自開”“花式降壓分流”“器度不凡”等富含思政意蘊(yùn)的案例生動(dòng)詮釋愛崗敬業(yè)的執(zhí)著與科學(xué)創(chuàng)新的勇氣，引導(dǎo)學(xué)生早日樹立職業(yè)信念的燈塔；通過“汽車玻璃的中國夢筑造者”“高原凍土上的忠誠守護(hù)者”“雙碳戰(zhàn)役中的冷卻塔英雄”等思政案例照亮學(xué)生們心中的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)之路，激勵(lì)他們樹立遠(yuǎn)大職業(yè)理想，勇于承擔(dān)社會(huì)賦予的使命；同時(shí)，展示我國在換熱器技術(shù)領(lǐng)域的成就，以增強(qiáng)學(xué)生的文化自信與民族自豪感，激發(fā)其愛國熱情與報(bào)國志向。這樣的教育模式不僅關(guān)注學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)，還重視其道德品質(zhì)、社會(huì)責(zé)任感及創(chuàng)新能力的全面提升，為培養(yǎng)適應(yīng)未來社會(huì)需求的優(yōu)秀人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3" 結(jié)語

“換熱器原理與設(shè)計(jì)”課程是能源與動(dòng)力工程專業(yè)較重要的一門必修課，授課教師須深入備課、靈活施教，在整合教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建教學(xué)資源庫的基礎(chǔ)上，積極融入科研案例、優(yōu)化教學(xué)方法、強(qiáng)化思政教育。學(xué)生應(yīng)主動(dòng)協(xié)作，課前研學(xué)、課上互動(dòng)、課后鞏固，多元實(shí)踐深化知識(shí)，學(xué)思政案例樹職業(yè)信念。師生共同努力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

基金項(xiàng)目：六盤水師范學(xué)院教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（2023-07-011）；六盤水師范學(xué)院一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)項(xiàng)目（LPSSYYLZY2008）；貴州省高等學(xué)校教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項(xiàng)目（2022288）；六盤水師范學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（LPSSYKYJJ202208）；貴州省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目（青年項(xiàng)目）（黔教技〔2022〕348號(hào)）。

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