换热器多角度实验教学设计探索

张淑荣 孙业山 巩志强

摘要：实验教学是应用型人才培养的关键环节，换热器实验教学是传热学课程教学的重点内容，通过对换热器理论、真实及虚拟实验教学设计与实施完成实验教学改革。实践结果表明：教学效果良好，能够有效地提高学生的实践操作能力，真正做到理论与实践相结合。

关键词：换热器；传热学；真实实验；虚拟实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0264-02

换热器是实现冷热两种流体热量传递的热交换设备，是一个综合了导热、对流、辐射三种换热方式的换热过程，是对传热学教学内容的一个综合应用，在整个的传热学教学中具有非常重要的地位。

一、换热器实验实践教学的重要性

换热器在石油、化工、动力、食品等领域的普遍应用，对换热器的研发、创新提出了越来越高的要求，既要保证各领域的热量传递质量，还要做到高效、环保节能[1]。这对高校的传热学教学提出了严峻的考验。而传热学作为一门专业基础课，承担着联系专业课和基础课的重要使命，在整个的培养体系中起到承下启下的作用。另外，教育部等部门于2012年提出应用型人才培养的改革目标，要求高等学校普通本科培养方案实践教学比例达到25%，充分体现了实验实践教学的重要地位。针对能源专业的传热学，我校采取理论与实践密切结合的教学模式，以理论为基础，夯实实验、实践教学环节，提高教学效果，提升学生就业能力。

二、换热器实验教学设计

根据换热器理论简单，而实际工程复杂、涵盖知识点多等特点[2-5]，文章着重从实验、实践工程角度，采用真实与虚拟两种教学方法对换热器的实验教学进行设计。

（一）真实实验教学

真实实验教学主要是将直观的东西呈现在学生面前，让学生对换热器有一个感性的认识与接触。换热器的真实实验教学分三部分，共设计16学时。

1.换热器多媒体理论教学。多媒体教学是指采用现代的教学媒体，并结合传统教学手段进行的一种教学形式，是现代教育不可或缺的教学形式。换热器型式多样化，若要在课堂短时间内讲授清楚换热器的换热原理，只通过课本图片及板书的讲解远远不够，如果借助多媒体方式把各种换热器以图片或动画的模式展现在同学面前，让同学有个感观的认识，更容易被理解和接受。同时，对于多种换热器，可以进行对比教学，类比换热器的结构、特点以及所适用场合的不同。多媒体的对比教学更容易激发学生的学习兴趣，加深对理论知识的理解。多媒体换热器教学约8学时。

2.换热器模型教学。为顺应理论教学的需求，实验室配备了部分换热器，如管壳式换热器、板式换热器的模型，在理论讲授的同时，向学生展示换热器模型，课后让每位学生近距离接触换热器演示实体，亲手拆装换热器模型，培养他们的动手操作能力及空间想象思维。

3.换热器实验台教学。换热器实验台实验有四项，其中两项必修项目、两项开放性选修项目。必修项设计包括换热器综合实验、自然对流换热系数实验测试，选修项设计包括水沸腾换热实验和辐射换热系数测定实验。实验的目的是增强学生对各种类型换热器换热系数范围的认知，学习换热器换热系数的测试及计算方法，掌握增强和削弱换热效果的措施。此类实验以验证性实验为主，缺乏创新性和综合性。

（二）虚拟实验教学

真实实验教学重点关注传热理论及计算方法，虚拟实验教学主要关注换热器的结构认识及学科间的融合，完成学生对换热器感性与理性认识的过渡[6]。通过虚拟换热器实验将能源专业学生应该掌握的几项基本技能结合起来，开设开放性实验，建立虚拟实验教学实验室，这也是应用型本科人才培养的需求。我校经过多年的教学探索，现暂定的虚拟实验项目有三个，实验学时为48小时。

1.CAD与换热器。Cad是能够以多种方式创建直线、圆、多边形、曲线等基本图形的绘图工具，是工科专业学生必备的基本技能。CAD学习中主要是以绘制样图的方式进行学习，缺乏具体的工程训练。换热器的理论教学以手绘为主。在CAD虚拟实验项目中，要求把cad与换热器设计充分结合，要求学生能够独立地将换热器二维cad图形完整表达，这样不但可以加深他们对换热器结构的认知，同时也能提升他们的绘图水平、空间想象能力，真正做到理论与实践相结合。

2.Inventor与换热器。Inventor是一款三维可视化绘图软件，因为它能够生成CAD工程图的优势被企事业单位广泛使用。通过inventor软件能够将换热器的三维效果展现出来，弥补二维空间软件立体感不足的缺点，通过三维软件的绘制，一方面拓展了学生的绘图能力，从cad的二维空间升级到三维视图；另一方面加深了学生对换热器内部管路与端盖、管路与折流板、折流板与板壁等的连接形式的认识。Inventor软件学习难度较cad大，所以三维立体换热器开放实验只针对少数对机械制图颇有兴趣和研究的学生。一般每次开放日实验只容纳2～3名学生。

3.Fluent与换热器。Fluent是一款能够呈现换热设备内流体流场、温度场分布等的仿真软件，是科研人员常用的模拟软件。目前Fluent软件对于本科级别的学生使用还有一定的难度，所以Fluent软件主要用于教师的演示教学，通过演示教学，学生掌握传热学中的数值计算方法，如网格的建立、迭代计算的方式，同时通过模拟结果掌握流体在换热器内的流动状况。

4.HIFR换热器设计。换热器课程除了理论课、实验课外，还有设计实践课，设计课程周期为两周，在第四学期传热学课程之后开展，共计80学时。通过给定一个换热目的，学生自行设计一台换热器。如：设计一个管壳式换热器，已知处理能力、热水、冷却介质的进出口温度，允许压降、运行时间等参数。换热器设计首先要求通过手算进行，并且设计需完整正确。通过手算，掌握了设计要领后，采用HIFR等软件进行核算。通过这两种设计方式对比，找出设计中存在的问题。不但使学生掌握了换热器的设计思路、计算方法、选型等关键问题，同时也掌握了先进的设计方法，贴合现代科技发展的需求。

三、教学效果分析

（一）实际教学表现

真实实验因为它的真实性、实物性很容易被大家接受，并且真实的实验能够给学生带来实际操作的愉悦感，一直备受实验教学的青睐。据统计每周开放日，约65%～80%的学生选择实体实验教室，一是实体实验室可容纳人数多，二是实体实验较为简单、难度低，尤其通过教师的讲解之后很容易掌握。

虚拟教学侧重于学科间的融合，注重学生综合素质的培养，其难度成为了学生的一道门槛。每周开放日，虚拟实验室人数较少，一是虚拟实验室本身可容纳人数少，二是虚拟实验占用时间多、难度大，学生缺乏“坐得住，稳扎稳打”的战斗精神。但随着网络化、信息化时代的发展，虚拟教学将以其独有的特性独领风骚。真实实验与虚拟实验教学是当代大学生不可或缺的实践教学模式，二者相得益彰，互为补充。

（二）改进建议

虚拟教学作为实践教学的重要组成部分，合理的设计至关重要。目前我校的设计考虑能源专业男生多、女生少的特点，侧重于换热器结构及部件间的链接形式认识，偏重于图形绘制，这对不想从事科研工作的学生吸引力较少。建议改善虚拟教学项目，增设Flash动画制作、3D虚拟教学等实验项目，进一步提高虚拟实验教学水平，让更多的学生走进虚拟实验室，真正受益，全面提高自己。当然这也对教师的教学提出了更高的要求，需要投入更多的师资力量保证虚拟实验室的教学。

四、结语

换热器实践教学是传热学实践教学的核心，真实实验教学与虚拟实验教学并重，真实实验教学更多的加深了学生对理论知识的理解，虚拟实验教学侧重学生创新性、综合性素质的提高，两者共同谱写了换热器实践教学的篇章。

参考文献：

[1]肖克，张巨伟，于妍.管壳换热器的发展和前景[J].当代化工，2015，（44）：2821-2824.

[2]施红，温华兵，唐春丽，等.“协同教学”及“教考分离”在传热学教学过程中的可行性分析[J].价值工程，2015，（36）：242-243.

[3]阮芳，龙激波，王平，周叶，等.传热学课程教学方法的研究与实践[J].高等建筑教育，2015，（24）：93-96.

[4]赵斌，梁静龙.“传热学”研究性实践教学体系的构建[J].中国电力教育，2009，（140）：123-125.

[5]邹艳芳.“传热学”实验教学改革与思考[J].中国电力教育，2014，（17）：106-107.

[6]侴爱辉，冯妍卉，张欣欣，郭美荣，高婷.虚拟实验在“传热学”实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2011，（30）：312-315.