王義江+周國慶+馮偉

摘要：針對傳熱學課程內容豐富、側重理論分析、知識點相對獨立和關聯(lián)課程眾多等特點，圍繞教學過程中所遇到的數(shù)學分析繁多枯燥、理論知識拓展不夠、課堂教學形式單一和實驗與理論課程脫節(jié)等問題，分別從科研難題融入教學、重視理論背景知識、遴選優(yōu)秀教材內容和改革考試出題方式四個方面對教學內容進行調整，通過加強過程考核、強化實踐能力、開展問題導向授課和建立微信課堂四個方面對教學手段進行改革。結果顯示，學生學習興趣得到顯著提升，對傳熱學課程知識也掌握得更加牢固。

關鍵詞：傳熱學；興趣學習；教學改革；方法研究

中圖分類號：G6420；TK文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2017）05005404

一、傳熱學課程概況

（一）課程概述

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，在科學技術和工程領域具有重要的應用價值。傳熱學課程是建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)學科基礎課程[1-2]。該課程課堂學時為56學時，另有6學時的試驗課，與流體力學、工程熱力學課程一起單獨設置熱工與流體基礎試驗課，一般在二年級下學期開設。

傳熱學主要內容包含三部分[3]：導熱部分，包括穩(wěn)態(tài)導熱、非穩(wěn)態(tài)導熱及數(shù)值計算；對流換熱部分，包括對流換熱基本理論、單相流體對流換熱（含內流、外流和自然對流）、沸騰及凝結換熱；輻射換熱部分，包括熱輻射基本定律、輻射換熱計算。三部分內容相對獨立，均有各自的分析方法和求解思路。

傳熱學課程教學目的是，通過課程學習使學生理解熱量傳遞的基本規(guī)律及分析思路，掌握傳熱強化與削弱傳熱的基本方法。同時通過課程學習，提升學生邏輯思維能力和綜合素質，鍛煉學生解決實際工程傳熱問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實基礎[4]。

（二）課程特點

1.課程內容豐富

中國礦業(yè)大學建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)培養(yǎng)方案從2000版開始歷經(jīng)5

次修改，傳熱學課程學時逐漸壓縮到課堂56學時+試驗6學時（單獨設課）。雖然學時不斷減少，但教學內容卻未曾減少，甚至還有所增加。從導熱基本理論到穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)導熱和數(shù)值計算，從對流換熱基本原理到外掠、內流換熱以及相變傳熱，從輻射換熱基本定律到輻射換熱計算，從傳熱過程到換熱器設計、校核計算，內容十分豐富，教學進程相對緊張。

2.側重理論分析

傳熱學課程包含大量公式推導，無論是導熱、對流還是輻射傳熱問題，均有若干計算公式。比如肋片導熱問題就與微分方程求解密切相關，描述對流換熱過程的質量、動量和能量守恒方程組，表面輻射換熱公式的推導過程等都有計算公式。學生對相關公式推導過程大都感覺枯燥乏味，難以跟上授課節(jié)奏，學習積極性不高。

3.知識點相對獨立

從傳熱學的三大核心內容看，導熱問題與微分方程關聯(lián)密切，如一維大平板非穩(wěn)態(tài)傳熱問題中采用的分離變量法求解等，大多與嚴格的解析計算有關。對流換熱雖然也有三大守恒方程，但由于動量守恒方程求解的復雜性，在實際工程計算時多采用準則關聯(lián)式進行分析，側重于經(jīng)驗公式的選擇而不強調計算結果的嚴格精確。輻射換熱計算則介于導熱和對流之間，既有計算過程的理論推導，也有相應結論的直接應用。但由于輻射換熱計算與空間位置有關，導致學生在知識理解和實際計算中容易出現(xiàn)各類問題。

4.關聯(lián)課程眾多

與傳熱學各知識點相關聯(lián)的課程內容較多，如穩(wěn)態(tài)導熱肋片溫度分布計算中需要用到高等數(shù)學的微分方程內容，非穩(wěn)態(tài)導熱則要用到數(shù)學物理方程相關內容，數(shù)值計算則需要線性代數(shù)和計算機語言的知識，對流換熱分析與流體力學關系密切，輻射換熱分析則要用到相關物理知識。因此，要想學好傳熱學，必須先把這些關聯(lián)課程的有關內容知識搞清楚。

高等建筑教育

二、教學過程中面臨的問題

（一）數(shù)學分析繁多枯燥

傳熱學課程內容理論性強，知識結構邏輯嚴密，理解起來較枯燥。此外，現(xiàn)在大學生對數(shù)理類課程整體興趣不高，而傳熱學恰恰與數(shù)理類課程關聯(lián)密切，學生學習積極性和興趣不高，

影響課堂參與的主動性，學習效果難以得到保證[5]。

（二）理論知識拓展不夠

傳熱學理論公式大多源于試驗規(guī)律的總結，其背景知識對于理解傳熱學相關公式具有重要參考意義。此外，理論知識最終還是要用來解決實際工程問題，導熱、對流和輻射三種基本熱量傳遞方式均與工程問題聯(lián)系密切。因此，課堂教學除了講授相關知識點外，還需將理論知識加以拓展，以有助于學生理解，并提高學生學習興趣。

（三）課堂教學形式單一

建環(huán)專業(yè)每年招收兩個班約60人，受人數(shù)限制，課堂教學大多采用多媒體集中教學模式。多媒體教學最大優(yōu)勢是可以在短時間內推送大量信息，加快教學節(jié)奏，保證在較短學時內完成大量知識點的講授。然而這樣也容易導致“滿堂灌”，學生課堂壓力大，容易疲勞，學習積極性降低[6-7]。

（四）實驗與理論課程脫節(jié)

培養(yǎng)方案中將流體力學、工程熱力學和傳熱學三門課程實驗合并為熱工與流體基礎實驗課程。雖然這樣有利于加強對實踐環(huán)節(jié)的管理與監(jiān)督，但實際實驗教學滯后于理論教學，實驗與理論知識脫節(jié)，不利于學生及時將理論知識與實際相聯(lián)系。

三、理論聯(lián)系實際，完善教學內容

（一）將科研難題融入教學

結合團隊承擔的973課題中有關青藏高原凍土方面的科研問題，將其中與傳熱學知識點相關的若干科學問題引入課堂。比如在講授對流換熱時，引入青藏鐵路采用通風管路基、塊石路基等技術手段的內容，冬季通過對流換熱來降低路基底部凍土溫度，才不會因為在凍土地表修筑路基引起其溫度升高融化而導致凍土承載力下降；在講授相變傳熱時，引入青藏公路兩側采用熱棒技術來降低路基溫度，保證凍土強度的方法；在講到傳熱強化和削弱時，引入高溫礦井采用巷道壁面隔熱技術來實現(xiàn)地下熱環(huán)境的改善，還可以對隔熱效果進行相關分析等內容。將科研endprint

問題引入課堂教學中，可以大幅提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生實際工程中分析解決傳熱問題的能力，同時也鞏固拓展所學的理論知識[8]。

（二）強化理論背景知識

在理論講授中，可增加適當?shù)谋尘爸R的介紹。傅里葉定律是研究導熱問題的基本方程。實際上，傅里葉對傳熱問題的研究非常深入。他求解了實心立方體、實心圓柱、實心球等熱傳導方程，并通過三角級數(shù)方法獲得了這些問題的嚴格解析表達式。傅里葉在數(shù)學和物理方面的成就體現(xiàn)在兩個方面[9]：一是把物理問題表述為線性偏微分方程的邊值問題；二是在求解導熱方程中所發(fā)明的求解方法，為數(shù)學分析提出了許多新的研究課題，傅里葉級數(shù)和傅里葉積分便是其代表性成就。沸騰曲線中Leidenfrost點名稱的由來，是1756年德國醫(yī)生

萊頓弗羅斯特在一把燒得通紅的鐵勺上滴上一滴水珠，水珠竟然懸浮起來并持續(xù)30秒。其根本原因是接觸炙熱的鐵勺后，水滴底部立即形成一層水蒸汽，把水珠與鐵勺隔開，使得水滴懸浮起來，懸浮起來的水滴暫時不能吸收更多熱量從而減慢了汽化速度。黑體輻射中單色輻射力隨波長和溫度變化的Planck定律，是德國科學家普朗克提出的，他21歲即獲得博士學位，1900年提出量子論，并于1918年獲得諾貝爾物理學獎。發(fā)現(xiàn)黑體輻射力的玻爾茲曼22歲時獲得博士學位，畢業(yè)于維也納大學，他與奧斯特瓦爾德間發(fā)生的“原子論”和“唯能論”爭論持續(xù)多年。這些背景知識，對學生理解傳熱學理論發(fā)展歷程有很大幫助，也有助于激發(fā)學生的學習熱情。

（三）遴選優(yōu)秀教材

傳熱學課程教材為天津大學章熙民教授編寫，系建環(huán)專業(yè)指導委員會推薦的教材。在授課過程中，還應參考其他國內外經(jīng)典傳熱學課程教材。非穩(wěn)態(tài)傳熱的正規(guī)狀況階段，借鑒陶文銓所編教材提出的平板任意一點過余溫度與板中心過余溫度的比值不再變化這一規(guī)律，學生更容易理解；對于一維非穩(wěn)態(tài)導熱問題的求解方法，可參考奧奇西克所著的《熱傳導》中關于非穩(wěn)態(tài)導熱方程求解所用的分離變量法、格林函數(shù)法和拉普拉斯變換法等方法。管內對流換熱分析時需要用到圓管內流體速度分布的知識，可參考Incropera[10]關于內流換熱部分圓管流體速度分布的推導過程。此外，還可引入Munson所著《流體力學基礎》[11]中關于管內流動進口段和充分發(fā)展段特征的分析思路，將管內流動發(fā)展規(guī)律與管內傳熱發(fā)展規(guī)律結合起來理解。

（四）改革考試出題方式

課程考試是評價學生學習效果的重要手段。改變傳統(tǒng)的改編

教材例題及課后習題，收集“人環(huán)杯”競賽、各高校研究生招生及注冊考試等部分經(jīng)典考題建立考試題庫的做法；教學過程中也可引入部分試題作為范例，加強學生對傳熱學知識的理解。凝練工程問題，增加主觀題比例，讓學生切實體會到學習傳熱學知識是能夠真正解決實際問題的，避免學生僅靠死記硬背來應付考試。

四、改革教學方式，提高學習興趣

良好的教學手段是學生保持學習興趣的重要保障，以學生為中心，不斷改進授課方式，切實提高學生學習興趣。

（一）加強過程考核

有的學生上課不認真，考前才突擊復習，以致知識掌握不牢、理解不深，因此應該加強平時過程考核。如傳熱學課程按照導熱、對流和輻射三部分內容分別設置小考，且在總評成績中占一定比例；課堂授課時也隨機增加一些小測驗，幫助教師及時了解學生對知識的掌握程度；根據(jù)需要設置若干綜合性大作業(yè)，5～6名學生一組任選一題，并在課堂預留五分鐘由小組代表敘述結題思路，培養(yǎng)學生的協(xié)作能力。所有這些過程考核均作為平時成績的重要組成部分，對作業(yè)認真、優(yōu)秀的學生及時予以表揚，以調動全體學生參與課堂教學的積極性。

（二）強化實踐能力

傳熱學實驗單獨設課，共開設恒熱流準穩(wěn)態(tài)法測定材料熱物性、液體導熱系數(shù)測定、強迫對流管族管外換熱系數(shù)和中溫輻射黑度測試四個實驗，僅由實驗教師負責指導。由于實驗課開設時間滯后于理論教學，造成實驗與理論不能緊密銜接，實驗課教學起不到應有的作用。為此調整了實驗課開設的時間，且要求理論課教師同步參與實驗教學。此外，在講授導熱問題數(shù)值解法時，指導學生采用VBA或所學的計算機語言進行上機編程操作，來完成課后習題的數(shù)值計算，旨在提高學生實踐能力，也讓學生體驗應用所學理論知識解決實際問題的樂趣。

（三）問題導向授課

盡量將授課內容中的重點難點與工程或生活案例相結合，在每次授課時先提出問題，讓學生帶著問題去聽課。如在講授穩(wěn)態(tài)導熱時，通過對教室墻體保溫效果的分析，提出熱流密度與哪些參數(shù)有關的問題，通過學習幫助學生認識到溫度梯度、導熱系數(shù)等物理參數(shù)的具體含義；講授相變傳熱時，一滴水在120℃和400℃鐵板上哪個蒸發(fā)更快？按照之前講述的對流傳熱知識，學生必然認為400℃鐵板上水蒸發(fā)得更快，然而事實卻恰好相反，這一實際案例可以加深學生對沸騰曲線的理解；輻射換熱中維恩位移定律說明峰值波長會隨溫度升高而向短波方向移動，那么與黑體溫度相同的灰體峰值波長會出現(xiàn)“藍移”現(xiàn)象又應該如何解釋呢？課前提出這類與所講授知識相關的具體問題，可以激發(fā)學生的想象力和興趣，讓學生帶著問題來聽課，課堂學習效率會更高。

（四）建立微信課堂

傳熱學課程多采用多媒體結合板書的授課方式，教學模式相對單一。針對學生普遍使用手機的特點，建立傳熱學課程微信公眾號，主要設置以下功能：一是下次課所講授課程的重難點介紹與分析，同時發(fā)布多媒體課件；二是發(fā)布課后習題、大作業(yè)等答案和解題思路；三是推送與傳熱學研究相關的科技論文、經(jīng)典教材案例等資料；四是解答學生學習過程中遇到的各種問題。

圖1為2016年6月12日～7月7日間所發(fā)布教學課件的點擊人數(shù)及次數(shù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該段時間內學生點擊人數(shù)246人次，點擊次數(shù)812次。課程結束后學生反映建立課程教學公眾號這一方式更方便課后復習，能夠及時解答學習過程中所遇到的困惑，也拉近了學生與教師之間的距離。endprint

圖1微信課堂圖文點擊統(tǒng)計

五、教學改革效果

（一）提升學習興趣

大部分學生對教學中引入工程和生活案例進行講解的做法非常贊同，且大都建議應進一步增強傳熱學理論與實際工程問題的聯(lián)系。學生認為課前引入問題，帶著問題聽課，對加深相關知識點的理解非常有幫助。建立微信課堂，大大提升了師生間的溝通效率，能及時解決學生遇到的難題，提升學習積極性。

（二）學習效果顯著

學生能較好完成各類大作業(yè)，課程考試成績分布更趨于合理。此外，學生還積極參與相關競賽活動，如人環(huán)杯、制冷空調大賽、節(jié)能減排大賽和各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等，并獲得不同等級的獎勵。這些活動鍛煉了學生獨立思考和團隊協(xié)作的能力，也提升了學生學習的主動性和創(chuàng)新能力。

（三）提高教學水平

教師認真準備各類教學輔助資料，積極探索有效的教學方法，既提升了教學效果，激發(fā)了學生學習的積極性，同時也提高了教師的業(yè)務水平，

達到了雙贏的目的。

六、結語

傳熱學課程教學改革是一項系統(tǒng)工程，需要緊緊圍繞傳熱學課程教學過程中所遇到的問題，從授課內容、授課方法、課外輔導和課程考試等多個環(huán)節(jié)進行全方位改革，牢固樹立以學生為中心的教學理念，才能不斷激發(fā)學生對傳熱學的學習興趣，提高學習效果，幫助學生切實掌握傳熱學知識。參考文獻：

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[11] Munson B R， Okiishi T H， Huebsch W W， et al. Fundamentals of Fluid Mechanics[M]. Seventh edition. Hoboken： John Wiley & Sons， 2013.

Abstract： Heat transfer is a course with characteristics of numerous contents especially rich theoretical analysis， independent knowledge and many related courses. The problems such as boring mathematical analysis， nonexpanded theoretical knowledge， single teaching form and disjointed theoretical and practical teaching appeared one after another during the whole teaching process. Aiming at the above problems， the following aspects related with teaching contents were improved， including merging research problems into teaching， strengthening theoretical background， selecting outstanding textbook and reforming test mode. In addition， teaching methods， including strengthening process assessment and practical capability， carrying out problem oriented teaching and WeChat classroom， were employed. The results showed that students learning interest was improved， and the knowledge of heat transfer was more firmly mastered.

Keywords： heat transfer； interestled learning； teaching reform； method research

（編輯王宣）endprint