舒盛榮 劉樂(lè)平

摘 要：針對(duì)傳熱學(xué)課堂上出現(xiàn)的一些問(wèn)題，對(duì)課堂教學(xué)方法進(jìn)行了探討，主要包括聯(lián)系實(shí)際生活和工程實(shí)際的案例講解、增加課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)方法、采用有限元軟件輔助教學(xué)等，為了鞏固所學(xué)知識(shí)并培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，對(duì)課后作業(yè)、大作業(yè)和考試題目的設(shè)置進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：機(jī)械類專業(yè);傳熱學(xué);教學(xué)方法

傳熱學(xué)是研究溫差作用下熱量傳遞過(guò)程和傳熱速率的科學(xué)[1]，熱能的傳遞在自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中是一種非常普遍的物理現(xiàn)象。如能源動(dòng)力、制冷、化工、建筑環(huán)境、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)、納米技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)等領(lǐng)域中大量存在傳熱傳質(zhì)過(guò)程與熱控技術(shù)問(wèn)題。傳熱學(xué)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一。[2]

學(xué)習(xí)機(jī)械類專業(yè)時(shí)會(huì)碰到大量與傳熱有關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題，如金屬切削過(guò)程的冷卻、機(jī)械制造裝備的熱變形、機(jī)械零部件（如軸承、齒輪）工作時(shí)摩擦生熱的影響等等，要解決好這些問(wèn)題除了掌握專業(yè)知識(shí)外，還需具備扎實(shí)的傳熱學(xué)知識(shí)。因此，很多高校的機(jī)械類專業(yè)都會(huì)開(kāi)設(shè)傳熱學(xué)課程，但課時(shí)數(shù)比較少。為了在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)并能夠運(yùn)用傳熱學(xué)的規(guī)律分析解決工程實(shí)際問(wèn)題，必須通過(guò)各種高效的教學(xué)方法來(lái)保證課堂效率。下面結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷介紹一些課堂教學(xué)方法。

1 課程介紹

傳熱學(xué)課程主要講解導(dǎo)熱傳熱、對(duì)流傳熱以及輻射傳熱三種基本傳熱方式，主要內(nèi)容是研究熱量宏觀傳遞規(guī)律和現(xiàn)象[1]。由于它們的傳熱機(jī)理不一樣，所以三種傳熱方式相互獨(dú)立，各自構(gòu)成一個(gè)知識(shí)體系，到目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論將此三種傳熱方式整合，所以對(duì)傳熱現(xiàn)象研究的方式一般采用單個(gè)研究，而后進(jìn)行綜合[3]。

華東交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)把傳熱學(xué)課程設(shè)為一門(mén)必修的基礎(chǔ)課程，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供傳熱學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備。傳熱學(xué)課程設(shè)置在大三上學(xué)期，總共為32學(xué)時(shí)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(xué)》第四版，該教材是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，下面就傳熱學(xué)課堂教學(xué)做一些探討。

2 課堂教學(xué)方法

課程中很多章節(jié)都有復(fù)雜的理論公式的和抽象難懂的概念，如果教學(xué)方法不得當(dāng)，容易使學(xué)生覺(jué)得很枯燥上課分神、聽(tīng)不進(jìn)去，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠的同學(xué)就會(huì)低頭玩手機(jī);針對(duì)出現(xiàn)的這些問(wèn)題，下面提出以下方法來(lái)改善教學(xué)效果。

2.1 少些公式推導(dǎo)，多些實(shí)例講解

如講解熱傳導(dǎo)在直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)，學(xué)生們理解起來(lái)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(shù)學(xué)里面基本不涉及，后面章節(jié)的數(shù)值解法也是針對(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀問(wèn)題的熱傳導(dǎo)進(jìn)行講解，由于課時(shí)較少，數(shù)值解法這部分也主要是學(xué)生自學(xué)為主，這一下就讓學(xué)生失去很多興趣。此時(shí)，通過(guò)生活和工程案例講解清楚如何將三維傳熱問(wèn)題簡(jiǎn)化成容易求解的一維導(dǎo)熱問(wèn)題顯得非常重要，這可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的平壁導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行講解來(lái)吸引學(xué)生并啟發(fā)他們思考，如平底鍋、雙層玻璃窗戶、多層墻壁等的導(dǎo)熱分析計(jì)算，將工程中的導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化而得到解的過(guò)程，可以把學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情帶回來(lái)。

對(duì)流換熱章節(jié)涉及的連續(xù)性方程、動(dòng)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(guān)對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式非常復(fù)雜也不易理解和掌握，因此，學(xué)生覺(jué)得對(duì)流傳熱部分理論性太強(qiáng)實(shí)用性低，此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可能降到了最低。因此這部分內(nèi)容要以實(shí)際應(yīng)用講解為主，對(duì)公式的推導(dǎo)簡(jiǎn)略講解，應(yīng)通過(guò)工程實(shí)例幫學(xué)生們理清書(shū)中各公式的應(yīng)用場(chǎng)合及涉及到的特征數(shù)的意義，以使得學(xué)生覺(jué)得通過(guò)學(xué)習(xí)確實(shí)可以解決一些工程傳熱問(wèn)題，這樣他們的學(xué)習(xí)興趣自然會(huì)提高。

關(guān)于輻射傳熱部分，發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)對(duì)斯忒藩-玻爾茲曼定律、普朗克定律、蘭貝特定律之間的關(guān)系都很難搞清楚，這時(shí)可以通過(guò)課本上例子的講解來(lái)掌握這些公式之間的內(nèi)在聯(lián)系，接著要通過(guò)例子把輻射力、光譜輻射力、定向輻射力、發(fā)射率、光譜發(fā)射率和定向發(fā)射率等基本概念和關(guān)系理順，而這些基本概念的理解和掌握是后面計(jì)算輻射傳熱的基礎(chǔ)。

教學(xué)過(guò)程中的案例需要多與實(shí)際相聯(lián)系，以實(shí)際生活現(xiàn)象作為范例，讓學(xué)生時(shí)刻感到傳熱學(xué)知識(shí)就在生活中，能夠?qū)W以致用，從而對(duì)傳熱學(xué)課程產(chǎn)生很大的興趣[3]。此外，為了銜接后面的專業(yè)課，講解中也要注重機(jī)械制造專業(yè)有關(guān)傳熱問(wèn)題的滲透，教學(xué)過(guò)程中理論聯(lián)系實(shí)際的案例講解是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣行之有效的重要方法。

2.2 課堂互動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

課堂上如果老師一直通過(guò)PPT課件灌輸知識(shí)而和學(xué)生沒(méi)有很好的互動(dòng)，下面的學(xué)生就會(huì)感覺(jué)疲勞從而失去學(xué)習(xí)興趣，因此每當(dāng)講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，需要通過(guò)一定的方式和學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)以了解他們的掌握程度，為了提高學(xué)生的主動(dòng)性和教學(xué)效果，可以從以下幾方面考慮。

首先，課堂提問(wèn)是吸引學(xué)生注意力的基本方法，比如講完物理現(xiàn)象相似的概念后，馬上舉幾個(gè)例子提問(wèn)學(xué)生讓其判斷這些現(xiàn)象是否相似，這樣可以吸引學(xué)生集中注意力進(jìn)行深入思考，提高上課效率。其次，課堂上做些小實(shí)驗(yàn)或放映一些小片段關(guān)于傳熱知識(shí)點(diǎn)的影像資料也是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的好方法，比如，講到萊登佛羅斯特現(xiàn)象時(shí)，有條件的可以帶一個(gè)溫度可調(diào)的電熱板和滴管做實(shí)驗(yàn)，或放映一段相關(guān)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(lái)，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)會(huì)掌握的更牢固。此外，增加學(xué)生上講臺(tái)展示的機(jī)會(huì)，這提供了學(xué)生自我學(xué)習(xí)和相互學(xué)習(xí)的平臺(tái)，這不但可以拉近老師和學(xué)生之間的距離，而且還有利于培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力;如在習(xí)題講解時(shí)，要鼓勵(lì)學(xué)生們上講臺(tái)到黑板上書(shū)寫(xiě)答案并進(jìn)行講解，課后大作業(yè)完成后，要求每個(gè)小組上臺(tái)展示結(jié)果等。

2.3 將有限元軟件用于傳熱學(xué)課程教學(xué)

由于人體的局限性，只能通過(guò)眼睛來(lái)觀察物體表面顏色及發(fā)生的一些現(xiàn)象或通過(guò)身體的觸碰來(lái)感知外界的溫度變化，不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)物體表面及其內(nèi)部溫度變化，生活和工程中涉及的傳熱過(guò)程一般都需要借助專用儀器進(jìn)行測(cè)量。另外，傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)多，概念也比較抽象，為了保證教學(xué)質(zhì)量，最好能生動(dòng)形象地將傳熱過(guò)程呈現(xiàn)給學(xué)生以增強(qiáng)對(duì)傳熱過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)。傳熱學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際很強(qiáng)的課程，目前由于剛開(kāi)設(shè)此課程不久，本學(xué)院還缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置。

解決上述問(wèn)題最簡(jiǎn)單的途徑就是借助有限元商業(yè)軟件，如ANSYS workbench仿真平臺(tái)，它集成了結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)之間的換熱，計(jì)算完成后通過(guò)后處理模塊可以得到流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，還可以將流體流動(dòng)以及傳熱過(guò)程做成動(dòng)畫(huà)。課堂上可以用事先準(zhǔn)備好的相對(duì)簡(jiǎn)單的例子作為示范，演示整個(gè)操作過(guò)程，如管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱、流體橫掠單管對(duì)流傳熱等，這不但可以提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，還可以引導(dǎo)學(xué)生們自己動(dòng)手模擬一些簡(jiǎn)單的傳熱問(wèn)題，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

3 課后作業(yè)及任務(wù)安排

課堂上講的理論知識(shí)和概念，必須通過(guò)課后作業(yè)加以鞏固和理解，要不然下課后很容易就會(huì)忘掉。傳熱學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，課后作業(yè)要注重滲透日常生活、工程應(yīng)用為背景的實(shí)際運(yùn)用的練習(xí)。課后任務(wù)主要包括兩部分。

（1）課后作業(yè)。以課本章節(jié)后面的習(xí)題為主，這樣可以增加學(xué)生翻閱課本的時(shí)間，引導(dǎo)他們對(duì)課堂知識(shí)的復(fù)習(xí)和應(yīng)用;同時(shí)還可以在課程QQ群里上傳一些精心準(zhǔn)備的題目，題目要和生活與機(jī)械專業(yè)背景關(guān)聯(lián)性更密切，以鞏固和加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)在工程上的應(yīng)用的訓(xùn)練，作業(yè)要及時(shí)交，不能集中到課程快結(jié)束時(shí)交，這會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生拖延、跟不上教學(xué)進(jìn)度。

（2）大作業(yè)。大作業(yè)以3-4人一組，要求學(xué)生們以生活或工程實(shí)際中存在的傳熱現(xiàn)象、機(jī)電產(chǎn)品中的組件或元件為例，介紹其中的傳熱規(guī)律、工作原理和作用等，利用所學(xué)知識(shí)對(duì)其傳熱過(guò)程進(jìn)行分析、合理簡(jiǎn)化建模、計(jì)算和結(jié)果討論，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和查閱文獻(xiàn)資料探討它的發(fā)展方向等等。這個(gè)過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用于工程實(shí)際中的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并鍛煉它們的溝通和協(xié)作能力。

4 期末考試題目注重機(jī)械專業(yè)的滲透

由于傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)和公式眾多，期末考試可以采取開(kāi)卷形式，題目類型可以是填空題、選擇題、簡(jiǎn)答題和計(jì)算題等，題目不能太容易就讓學(xué)生看出答案，難易程度要適中。由于授課對(duì)象是機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，因此考試題目要加入一定的專業(yè)背景知識(shí)，特別是簡(jiǎn)答題和計(jì)算題，最好以機(jī)械專業(yè)碰到的傳熱問(wèn)題為背景來(lái)出題，這樣既考察了知識(shí)點(diǎn)，又能引導(dǎo)學(xué)生用傳熱學(xué)知識(shí)解決自己專業(yè)所碰到的問(wèn)題，這為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好了鋪墊，為深入研究專業(yè)相關(guān)問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

傳熱學(xué)作為我校機(jī)械類專業(yè)的一門(mén)重要學(xué)科基礎(chǔ)課程，教學(xué)效果直接影響后續(xù)專業(yè)課中涉及傳熱問(wèn)題的理解，因此，必須重視課堂教學(xué)方法、持續(xù)改進(jìn)課堂教學(xué)模式，并著力提升教師自身的專業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）.高等教育出版社.

[2]趙宇含，蔡穎玲，陳帥.傳熱學(xué)教學(xué)中的體會(huì)[J].科教導(dǎo)刊，2014.

[3]齊曉霓，魏麗霞.機(jī)械大類專業(yè)“傳熱學(xué)”教學(xué)改革探討[J].2014.