案例式教学在大学专业课中的应用

蒋贵文　王学仁　周伟

摘要：通过阐述传热学课程特点和教学中存在的重点问题，结合案例式教学方法的优势分析，提出在传热学教学中引入案例式教学的可行性和重要性，并且针对青藏铁路冻土施工技术案例的传热学分析，阐释了案例式教学应用的优越性。

关键词：传热学；案例式教学；青藏鐵路

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）33-0197-02

传热学是研究热量传递及其规律的一门科学，经过近一个世纪，传热学在理论、计算和应用方面都获得了巨大的发展，现在已经成为一门重要的技术基础学科。高校传热学课程知识面广、理论性强、重点难点较多，需要有效的教学方式提高学生的学习效果。案例教学法是一种以学生为主体、老师引导学生以专业知识分析具体案例的教学方法[1]，具有目的明确、形象生动、启发深刻、学生主动性强等特点，能够提高学生分析问题和解决问题的能力，对于传热学教学具有较高的应用价值。

一、传热学课程特点及教学现状

传热学课程作为建筑环境与能源应用工程专业的基础课，其本身涉及的公式多、概念多、定律多，学生学习时存在较多问题：

1.概念理解不深刻，原理应用能力差。传热学不仅概念和公式多，而且与其他基础课程联系密切，涉及到的数理基础知识深而广。学生缺乏对概念和原理物理意义的理解，多数停留在机械记忆层面。

2.分析计算能力弱。传热学课程中的导热、对流换热、辐射换热内容各自具有多种研究方法和计算公式，其中还涉及大量的经验公式，导致具体计算步骤繁杂，难度较大。学生面对计算问题大多搞不清楚计算的具体步骤和其中的逻辑，对具体的数值计算更是束手无策。

3.传热学理论知识与工程实践问题结合应用能力较弱。学生习惯了传统教学中的知识灌输，学习的内容更多停留在理论分析层面，针对实际问题的建模和计算分析能力较弱，不能较好的将理论学习内容用于解决工程实际中的具体问题。

二、案例式教学法的操作过程和优点

（一）基本操作过程

首先，根据课程内容和学生接受能力，老师在课前选编典型案例，拟定讨论题目和学习要求。其次，进入课堂教学后，老师通过多媒体向学生展示案例并提出相关问题。然后，学生按小组就案例事实和具体问题展开讨论，老师在关注学生讨论内容的时候因势利导，揭示各种论点之间的内在联系，及时引导讨论热点。最后，学生就讨论的内容形成本小组结论，老师对讨论的结果和存在的问题进行评价和解答，对其中的知识点和重难点进行进一步的补充强调。

（二）优点

1.从教学方面讲，案例内容来源于工程实际，具有较强的拓展性和实践性，将学生学习的理论性的知识点与现实生活中的工程实际问题相结合，使理论学习具有更高的趣味性和接受性，实现了学校教学与社会实践的真实沟通。

2.从老师方面讲，老师在案例式教学中的主导作用得到充分发挥。传统教学中，老师主要进行课程内容的讲解和具体疑问的解答。而在案例式教学中，老师首先要提供贴合教学内容的案例，然后组织和引导学生解读、讨论案例内容和具体问题，最后评价和解释学生提出的结论和问题。

3.从学生角度来讲，学生参与程度明显提高，学习效果显著改善。案例式教学中，学生不仅需要理解案例内容，还要针对老师提出的问题进行深入讨论并提出自己的观点，其分析能力、思辨能力、口头表达能力均得到了提高。学生将教材内容与社会实际紧密联系起来，达到理论分析与实践论证的有机统一。

当前，社会的快速发展促使高校教学改革不断深化。针对传热学课程特点和教学现状，探索发挥案例式教学优势，提升传热学课程教学效果，促进专业人才培养。

难易适度、贴合工程实际和教学内容的案例是案例式教学的基础，下面通过一个典型案例具体阐释案例式教学在传热学课程中的具体应用。

三、案例：青藏铁路冻土施工技术

青藏铁路是目前世界上平均海拔最高、最长的高原铁路，其线路全长的49%穿越高原多年冻土区。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，对温度变化极为敏感，且性质不稳定。冻土在正负温度交替变化的过程中，产生冻胀和融沉现象，导致冻土上结构产生冻胀和融沉变形，从而破坏结构。因此冻土保护问题是修建该条铁路面临的最大难题，其中蕴含着丰富的传热学知识。要求学生结合课程学习内容对案例进行深入分析，并回答相关问题。

为解决冻土施工技术问题，青藏铁路建设主要采用了通风管路堤技术、热管技术、片石通风路堤技术等冻土路基施工技术。

（一）通风管路堤技术

青藏冻土地区居民在修建房屋时采用在根基铺设通风管的方法防止房屋根基因冻土受热发生变形，从而使房屋稳定性明显增强，工程技术人员受当地居民的启发，在路堤基底或中部横向铺设一定直径的通风管，与路堤填料组成复合式通风路堤。

问题1：试结合传热学流体对流换热知识点对其中的机理进行分析。

答：冬季冷空气置换管内的热空气，对流加强了路基填土的散热，降低了基底的地温，能够有效提高冻土的稳定性。而暖季由于外界气温高于堤身温度，抑制了对流换热作用，减少了路堤中的热量积累，从而达到保护多年冻土的目的。

通风管路基与气候特征密切相关，只有当通风管处于顺风区时才能起到降温作用，当通风管处于息风区或通风不畅时，通风管路基不起降温作用[2]。

问题2：根据案例，引入传热学算例——通过圆筒壁的导热计算并做适当拓展。

答：外径为200mm的蒸汽管道，管壁厚8mm，管外包硬质聚氨酯泡沫塑料保温层，热导率λ1=0.022W/（m·K），厚40mm。外壳为高密度聚乙烯管，热导率λ2=0.3W/（m·K），厚5mm。给定第三类边界条件：管内蒸汽温度tf1=300℃，管内蒸汽与管壁面之间对流传热的表面传热系数h1=120W/（m2·K）；周围空气温度tf2=25℃，管外壳与空气之间的表面传热系数h2=10W/（m2·K）。求单位管长的传热系数kl、散热量ql和外壳表面温度tw3。（注：本例中钢管和外壳热阻均很小，可在计算中省略）

计算过程略，主要采用了圆筒壁热阻、总换热过程等概念进行了计算，单位管长的传热系数kl为0.388W/（m·K）、散热量ql为107W/m、外壳表面温度tw3为36.7℃。

（二）熱管技术

热管是青藏铁路最为广泛使用的主动保护多年冻土的措施之一。青藏铁路使用的热管在冻土中的作用像重力热二极管，吸热段在下，放热段在上，内部充有低沸点液体做冷却剂。

我们知道，在金属中铜和银的导热能力较强，而热管的热传导系数比铜和银高1000倍。一根直径为25mm的“热管”（相当于普通自来水管粗细），传热的效果跟直径为2.7m的铜棒差不多，是名副其实的导热冠军，故热管有热超导体之称。

问题3：试利用热传导和热对流两种换热方式分析热管在冷季和热季的具体工作过程。

答：冷季，冻土层温度高于地表，冻土层以热传导的方式将热量传给热管管体，冷却剂通过热对流的方式吸收管体的热量，以气体状态将热量带到放热段，再将热量以热对流的方式传给管体，管体再以热对流的方式将热量传给地表空气，冷却剂气体液化并在重力作用下回到吸热段，如此完成循环制冷；热季，管内热传递很慢，可认为热管不工作。

热管的优点是无运动部件，因而无需外加动力，也无需日常维修养护。在人烟稀少、动力缺乏的边远地区的道路施工中有其不可替代的作用。

问题4：试根据以上分析提出热管的缺点。

答：热管只在寒季工作，在暖季停止工作，对于暖季保护冻土不利，需采用其他方法弥补。

（三）片石通风路堤技术

片石通风路堤是在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的片石层，通过改变路堤结构来改变传热方式，其倾填片石层是自由堆积体，片石层的孔隙率大，石块之间基本上为点接触。而且片石块径较大，表面无吸附水，其含水量可近似认为是零。因而倾填片石层可视为固、气两相组合体。片石层中空隙的存在使片石层中空气可自由与外界对流。片石层中热传输方式主要为热对流和热传导，其有效导热系数主要由热对流来决定。片石通风路堤利用高原冻土区负积温远大于正积温的特征，改变路堤中的温度场，从而降低基底温度，维持多年冻土上下限不变，防止产生冻胀和融沉病害，以达到保护多年冻土的目的。

问题5：根据以上详细的资料描述，在图纸上画出路堤结构简图，然后分别分析暖季和寒季具体的传热过程和传热路线。

答：暖季，太阳辐射热通过路堤表面以传导方式将热量传到堤中和基底，路堤空隙中的空气被加热，在向下传递热量的同时，因密度减小而沿空隙上升，热流方向与传热方向相反，同时因为空隙起到了热屏蔽作用，从而大大地减少了热量的传入；寒季，堤中温度高于外界气温，密度大的冷空气在冷却堤表面的同时进入堤中空隙，不断置换空隙中相对较热的空气，从而通过对流换热降低堤身和基底的温度。此时导热换热与对流换热的热流方向一致，堤身与基底热量散发的速率加快，较大地增加了地基中的冷储量。暖季蓄热量的减少和寒季冷储量的增加使片石结构通风路堤能够降低路堤堤身和基底温度，有效地保护多年冻土的稳定。

四、结束语

上述对青藏铁路冻土施工技术案例的分析主要运用了传热学热传递方式部分的知识点，详细分析了施工技术中的具体功能实现，使学生在具体问题的分析、计算过程中对传热学知识有了较为深入的理解。

随着传热学成果对多领域技术的促进，传热学已经成为高等教育的重要基础学科之一，案例教学作为一种高效、实用的教学方法在传热学中的应用将更加深入，其中优秀案例的作用会越加明显。

参考文献：

[1]王学仁，艾春安，宁超.高等院校“传热学”案例式教学法探讨[J].中国电力教育，2010，（12）：74-75.

[2]阮芳，龙激波，王平，周叶，孙宏发.传热学课程教学方法的研究与实践[J].高等建筑教育，2015，24（6）：93-96.