李威 張亮

摘? 要：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞過(guò)程的一門(mén)科學(xué)，是眾多工科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。本文主要基于傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)踐過(guò)程存在的問(wèn)題，從課堂教學(xué)效果、教學(xué)內(nèi)容與手段和師生交流三方面論述課堂教學(xué)過(guò)程中的改革探索，通過(guò)在課堂教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)時(shí)熱點(diǎn)問(wèn)題的討論，強(qiáng)化計(jì)算流體力學(xué)軟件的普及與應(yīng)用，以及建立健全的師生雙向溝通渠道等措施，在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)基礎(chǔ)? 課堂教學(xué)? 師生交流? 機(jī)械電子工程

中圖分類(lèi)號(hào)：TK12-4;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0127-03

Multi-Dimensional Optimization of the Teaching Reform and Practice of the Basics Heat Transfer Course

LI Wei*? ZHANG Liang

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013 China）

Abstract：Heat transfer is a subject that studies the process of heat transfer， and it is a basic course for many engineering disciplines. This article is mainly based on the characteristics and existing problems of the Basic Heat Transfer course. It discusses the reform and practice of the course teaching process from the three aspects of classroom teaching effect， teaching content and methods， and teacher-student communication. By strengthening the discussion of real-time hot issues in classroom teaching， strengthening the popularization and application of computational fluid dynamics software， and establishing a sound two-way communication channel between teachers and students， it has achieved good classroom teaching effects in practice.

Key Words：Basic heat transfer; Classroom teaching; Teacher-student communication; Mechatronic engineering

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部自2017年以來(lái)，積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，著力培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，逐步建立中國(guó)模式、制定中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、形成中國(guó)品牌，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地。在此背景下，培養(yǎng)合格的機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用型工程人才，必須重視其專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)積累與創(chuàng)新思維鍛煉。筆者結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，廣泛收集學(xué)生學(xué)情反饋，對(duì)傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究與改革實(shí)踐。

1? 課程簡(jiǎn)介

傳熱學(xué)是研究在溫差作用下熱量傳遞過(guò)程原理、熱量傳遞速率計(jì)算與控制等基礎(chǔ)理論知識(shí)的一門(mén)學(xué)科，主要圍繞導(dǎo)熱換熱、對(duì)流換熱、輻射換熱和傳熱與換熱器四大主體內(nèi)容展開(kāi)研究，內(nèi)容具有很強(qiáng)的理論性、邏輯性、系統(tǒng)性和歸納性。同時(shí)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種基本傳熱方式相對(duì)獨(dú)立又互相融合，共同構(gòu)成實(shí)際環(huán)境中的熱量傳遞過(guò)程。傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)共同構(gòu)成能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生選修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，在專(zhuān)業(yè)課程體系建設(shè)中具有承上啟下的重要作用[1]。

由于諸多工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中都存在溫度控制，許多功課專(zhuān)業(yè)都將傳熱學(xué)納入到培養(yǎng)計(jì)劃中。但不同專(zhuān)業(yè)背景對(duì)傳熱學(xué)認(rèn)知要求不盡相同，因此傳熱學(xué)課程在課時(shí)安排上有多有少。在江蘇大學(xué)，機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃將傳熱學(xué)基礎(chǔ)作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)選修課程，規(guī)劃32學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)28學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)4學(xué)時(shí)。課堂教學(xué)主要內(nèi)容包含緒論、導(dǎo)熱基本定律、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱基礎(chǔ)、單相對(duì)流傳熱的計(jì)算、熱輻射及其計(jì)算和工程應(yīng)用等方面;實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包含材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試和對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)試兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。本文主要論述傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)過(guò)程中的改革探索。

2? 課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

在以往的傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)過(guò)程中，主要存在以下幾個(gè)共性問(wèn)題。

（1）傳熱學(xué)課程難學(xué)，主要體現(xiàn)在傳熱微分方程推導(dǎo)、相似理論分析、對(duì)流換熱微分方程推導(dǎo)和輻射角系數(shù)計(jì)算等[2，3]。經(jīng)過(guò)與學(xué)生的廣泛交流得知，造成這一共性問(wèn)題的主要因素：首先，傳熱微分方程組數(shù)學(xué)描述較為復(fù)雜，難以記憶，并且課上主要推導(dǎo)能量方程;其次，相似理論課時(shí)分配較少，相關(guān)概念極易混淆，對(duì)不同無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)的物理意義無(wú)直觀感受;再次，對(duì)流換熱模式分類(lèi)復(fù)雜，并且每種分類(lèi)又可細(xì)分為層流、湍流及其組合的情景，難以正確選擇經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式;最后，輻射換熱部分不僅概念較多，角系數(shù)計(jì)算過(guò)程繁瑣，計(jì)算量大。

（2）在對(duì)流換熱和輻射換熱章節(jié)的課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生參與度較差。分析其中原因主要有：一方面，這部分內(nèi)容記憶性質(zhì)較強(qiáng)，公式和概念較多，對(duì)流傳熱模式分類(lèi)相對(duì)繁雜，導(dǎo)致學(xué)生難以抓住重點(diǎn)，出現(xiàn)麻木的學(xué)習(xí)狀態(tài);另一方面，此部分內(nèi)容主要以課件講授為主，由于課時(shí)緊內(nèi)容多，導(dǎo)致課堂教學(xué)氛圍枯燥。

（3）學(xué)生從課程學(xué)習(xí)中獲得感較差，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)僅是掌握了選擇合適的公式解答設(shè)計(jì)好的題目，而對(duì)于實(shí)際傳熱問(wèn)題的分析能力難以得到鍛煉，難以運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件解決相關(guān)復(fù)雜傳熱問(wèn)題。

3? 課程教學(xué)改革與實(shí)踐

為解決上述課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提高課程教學(xué)質(zhì)量，下面分別從課堂教學(xué)管理、教學(xué)方法與形式和師生交流渠道建設(shè)等方面來(lái)論述課程教學(xué)改革與實(shí)踐。

3.1 加強(qiáng)課堂教學(xué)效果

課堂教學(xué)管理“既要保證到課率，也要提高抬頭率”，也就是教師要將課上好，讓學(xué)生喜歡上課。一般情況下，每門(mén)課的第一節(jié)課學(xué)生到課率是很高的，同時(shí)緒論是對(duì)本課程的整體概述，因此第一節(jié)課對(duì)于教師塑造形象、構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)興趣極為重要，每位教師應(yīng)高度重視第一節(jié)課的準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)。課件內(nèi)容既要簡(jiǎn)明扼要地介紹傳熱學(xué)發(fā)展歷程，又要列舉生活中常見(jiàn)的傳熱學(xué)現(xiàn)象，如經(jīng)過(guò)暴曬的被子更加保暖和在同樣寒冷條件下屋頂結(jié)霜的房子保溫效果更好等實(shí)例。此外，還要結(jié)合科技發(fā)展前沿，介紹傳熱學(xué)在尖端科技生產(chǎn)中的應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冷卻、激光祛斑中噴霧冷卻和微電子芯片熱管冷卻等技術(shù)介紹，以便激發(fā)學(xué)生對(duì)新鮮知識(shí)的濃厚興趣。為保證抬頭率，可以使用一些協(xié)助手段，如在第一節(jié)課立下規(guī)矩，上課不允許玩手機(jī)，如確有重要事情要處理，可以到教室外處理。

教師應(yīng)加強(qiáng)日常信息收集，如人物典故、工程案例和熱點(diǎn)事件等，以便提高學(xué)生課堂注意力，具體可以從以下幾方面著手：在課堂教學(xué)中在相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)中穿插講解一些人物典故，生動(dòng)形象地介紹有關(guān)定律的提出與發(fā)展歷程;在課前提出經(jīng)典工程案例中存在的傳熱命題，要求學(xué)生在課上尋找答案，在課尾或者課后開(kāi)展分組討論，作為平時(shí)成績(jī)考核內(nèi)容;在課程教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)引入一些熱點(diǎn)事件討論[4，5]，這些熱點(diǎn)事件不一定與傳熱學(xué)相關(guān)，但要能引發(fā)學(xué)生思考，并參與到討論中來(lái)。通過(guò)熱點(diǎn)事件的討論，構(gòu)建和諧師生關(guān)系，正確引導(dǎo)學(xué)生思想發(fā)展，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。最后，教師應(yīng)充分利用圖片、視頻和數(shù)值仿真等內(nèi)容，將學(xué)生帶入特定的應(yīng)用場(chǎng)景中，使學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)內(nèi)容構(gòu)成已知直觀的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感受。

3.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段

課堂上，并不是教師講得越多、越具體詳細(xì)越好，還應(yīng)考慮到專(zhuān)業(yè)背景需要和學(xué)生理解能力，重要的是學(xué)生能吸收多少和用到多少。因此，課堂并不是簡(jiǎn)單地將教科書(shū)里內(nèi)容進(jìn)行敘述，教師應(yīng)根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，選擇教科書(shū)中部分內(nèi)容有重點(diǎn)地講解。例如，對(duì)于機(jī)械電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)，由于機(jī)械電子器件工作環(huán)境溫度適中，器件冷卻主要以對(duì)流換熱方式實(shí)現(xiàn)，因此，在課時(shí)安排中應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)流換熱這部分課時(shí)占比。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真在工業(yè)設(shè)計(jì)中扮演的角色越來(lái)越重要，因此，工科背景學(xué)生培養(yǎng)中，應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用CFD軟件解決工程問(wèn)題的能力[6]。常用CFD軟件有Fluent、Star-CD、comsol、CFX和OpenFOAM等，其中OpenFOAM為開(kāi)源平臺(tái)，包含多種標(biāo)準(zhǔn)求解器，可以解決各類(lèi)流動(dòng)傳熱問(wèn)題。在導(dǎo)熱傳熱和對(duì)流傳熱章節(jié)講解過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)引入一些簡(jiǎn)單幾何形狀的傳熱問(wèn)題數(shù)值分析算例，并結(jié)合算例講解邊界條件和初值條件的概念與意義。在導(dǎo)熱傳熱和對(duì)流傳熱章節(jié)之后，安排2個(gè)課時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生分組完成一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的傳熱過(guò)程數(shù)值仿真計(jì)算，鍛煉學(xué)生運(yùn)用CFD解決實(shí)際傳熱問(wèn)題能力。

由于傳熱學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，包含許多計(jì)算公式和方程組，并且方程組推導(dǎo)過(guò)程對(duì)數(shù)學(xué)要求較高，此部分內(nèi)容應(yīng)結(jié)合板書(shū)進(jìn)行講授。教師通過(guò)合理的板書(shū)設(shè)計(jì)，能夠讓學(xué)生抓住課堂重點(diǎn)。特別是導(dǎo)熱微分方程推導(dǎo)和簡(jiǎn)化章節(jié)，教師應(yīng)抽出一課時(shí)詳細(xì)演示的微分方程推導(dǎo)過(guò)程，包含各個(gè)節(jié)點(diǎn)所作假設(shè)。此外，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)通過(guò)板書(shū)形式講解課后習(xí)題效果較好，在板書(shū)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，同時(shí)提問(wèn)一些學(xué)生，能夠很大限度地抓取學(xué)生注意力，提高習(xí)題講解效果。

3.3 完善雙向暢通師生交流渠道

教學(xué)過(guò)程包含教師“講授”和學(xué)生“學(xué)習(xí)”兩部分，因此教師要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)情況，包含課堂學(xué)情和課后學(xué)情，利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，加快構(gòu)建有效交流機(jī)制[7]。對(duì)于課堂學(xué)情，可以通過(guò)學(xué)生出勤率和抬頭率等硬指標(biāo)體現(xiàn)，也可以通過(guò)學(xué)生面部表情、課堂氣氛等軟指標(biāo)進(jìn)行主觀感知。課后學(xué)情可以通過(guò)課后作業(yè)和課后答疑等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了能讓所有學(xué)生自由發(fā)聲，筆者在教學(xué)過(guò)程中建立了一個(gè)QQ群，在群里學(xué)生們可以自由發(fā)言，并且可以自由選擇是否匿名發(fā)言，這樣每個(gè)學(xué)生都可以自由表達(dá)對(duì)教學(xué)過(guò)程的意見(jiàn)與建議，及時(shí)反饋學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，從而構(gòu)建了和諧的雙向暢通的師生交流渠道。

4? 結(jié)語(yǔ)

傳熱學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)工程，本文主要基于往年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，論述了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題及一些改革實(shí)踐。為提升傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)業(yè)務(wù)能力，引導(dǎo)學(xué)生思想構(gòu)筑，在教學(xué)過(guò)程中，一是要精煉教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，將課堂教學(xué)講得豐富多彩;二是要課堂教學(xué)聯(lián)系熱點(diǎn)問(wèn)題，端正思想觀念，激勵(lì)學(xué)生參與討論，多方位培養(yǎng)學(xué)生處理問(wèn)題能力;三是要建立良好的師生交流渠道，確保師生雙向信息傳達(dá)順暢，讓學(xué)生能及時(shí)反饋問(wèn)題，讓教師能夠及時(shí)解答疑惑?？偠灾?，每一門(mén)課的教學(xué)都是多方位的系統(tǒng)工程，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)實(shí)地、因人而異、因內(nèi)容而異地選擇教學(xué)方法，不斷完善教學(xué)過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉海涌，郭濤.混合式學(xué)習(xí)方法在傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（11）：39-40.

[2] 閆曉娜，郭思宇.傳熱學(xué)教學(xué)方法與改革實(shí)踐[J].制冷與空調(diào)（四川），2019，33（2）：208-210.

[3] 孫健，樊斌，張任平.工程認(rèn)證背景下“傳熱學(xué)”混合式教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].科技與創(chuàng)新，2021（10）：140-141.

[4] 李志國(guó)，劉學(xué)東，邵理堂.傳熱學(xué)課程中的思政教育實(shí)踐[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（31）：194-195.

[5] 張會(huì)肖.課程思政建設(shè)是提升大學(xué)生文化自信的重要抓手[J].科技資訊，2021，19（3）：118-120.

[6] 張欣，朱超，湯吉昀，等.本科生傳熱學(xué)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].山東化工，2020（49）：230-231.

[7] 向迎春."互聯(lián)網(wǎng)+教育"背景下師生關(guān)系的嬗變[J]. 科技資訊，2020，18（30）：150-152.