传热学课程教学改革的分析与探讨

何晓崐 姚 江 沈 妍 许 啸

江苏科技大学苏州理工学院 江苏张家港 215600

传热学课程教学改革的分析与探讨

何晓崐 姚 江 沈 妍 许 啸

江苏科技大学苏州理工学院 江苏张家港 215600

根据传热学课程的特点以及教学过程中存在的问题，从教学方法革新、教学手段创新等方面探寻解决问题的途径，并在此基础上深化传热学课程的教学效果，以适应现代科学研究与产业发展对学生专业素质的需求。

传热学；教学方法；教学手段

传热学是研究由温差引起的热量传递现象的机理、规律、计算及测试方法等理论知识的科学，其应用广泛，涉及能源动力、材料冶金、化工过程、土木建筑、机械制造、航天科技、军事科学、气象科学等领域。由此可见，学习好传热学的意义重大，不仅关系到学生是否能够具备扎实的专业理论知识，进而影响后续专业课程的开展，更关系到学生能否在未来工作中具备解决实际工程问题的专业能力。根据笔者近几年的传热学教学经验，传热学的教学过程中还有许多亟待解决的问题。因此，为了提高学生的学习效果、培养学生理论联系实际的能力，笔者在近几年传热学教学过程中发现的问题的基础上，从传热学教学方法、教学手段的改革与创新上提出一些个人的浅见。

1 传热学课程的特点与现阶段教学过程存在的问题

根据笔者近几年的传热学课程教学经验，热学课程的特点和传热学教学过程中存在的问题是因与果的关系，具体分析如下。

(1)传热学与工程热力学、流体力学并称能源动力类专业的三大专业主干课程，但是传热学与其他两门课程又有所区别。工程热力学、流体力学相对偏重理论知识、概念虽然比较抽象，但是系统性较强。例如：工程热力学中先介绍热力学第一定律，然后再谈论第二定律，两大定律之间有区别亦有联系，知识层次有先易后难的关系。但是，传热学是研究自然界中3种基本传热方式的科学，并且每种传热方式都有各自的特点和理论体系，相互之间的关联不是太强，例如：传热学首先介绍热传导、再依次介绍热对流、热辐射，三者之间的知识点结合较少，知识体系相对较松散。另外，由于传热学课程中涉及的概念、公式、图表繁多，并且有些公式较为复杂，这造成了学生不知如何学习、不知如何运用已学知识的尴尬处境。

(2)传热学是一门发展中的科学。由于传热学与很多领域有关，因此传热学知识体系中有许多物理模型并不完善，还处于研究阶段。许多介绍传热学的书本根据不同学科的发展都加入了一些较新的前沿知识[1-3]。例如：杨世铭、陶文铨主编的《传热学》由第一版的450页增加到了第四版的591页，在原来的基础上增加了微尺度传热、射流冲击传热等传热学的新兴研究领域，图1所示的燃气轮机叶片冷却即为近几年

衍生出的射流冲击传热的具体应用。传热学的知识点在增加，但传热学的学时并没有相应增加，以我校为例：传热学的教学学时却仍然维持在56学时不变，这就导致了教师在授课过程中将重点放在完成教学任务上，而很容易忽略培养学生掌握传热学知识体系的方法以及正确运用传热学知识解决实际问题的能力。学生由于不能正确掌握知识，久而久之就会产生畏学的消极情绪，积极性大大降低。

图1 燃气轮机叶片冷却

(3)不同的专业侧重点不同。例如，对能源与动力工程专业学生来讲，就希望多了解一些管内两相流动与沸腾传热、烟气复合传热等方面的知识[4]，轮机工程的学生则希望多了解一些发动机内部燃烧过程涉及的传热现象，而其他专业也有相应的关注点。但是，大多数传热学书本上介绍的是适用于所有专业的基础知识，即使新增一些知识，也不一定满足某些专业的需求，这就造成了传热学的知识与现实需求相矛盾的结果。

2 教学方法的革新

2.1 教学内容方面

爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师，老师则是点燃学生学习兴趣的火炬”。因此教师合理选择教学内容是至关重要的。笔者认为，应当确立以能量守恒定律为基础，3种不同热量传递方式为主线的教学内容，并且在此基础上，教师在授课过程中应该引入与授课专业相关的工程知识或是同领域的前沿知识，例如，对于能源与动力工程专业，可以适当穿插一些工业领域的新型强化传热方式；对于建筑环境与设备工程专业，介绍一些人工环境、建筑节能的知识。这样的教学内容，可以使学生在学习到基本理论知识的同时，了解所学知识在实际工程中的应用，增强对工程的感性认识。另外，在介绍原理性知识的时候，教师应该多举一些生活中司空见惯的例子，例如：为什么手接触同一温度的金属和木头时会感觉到不同的温度；同样是25 ℃的室温，为什么在夏天人感到热，而冬天则感到冷；沸水和冷水同时放入冰箱，为什么沸水会先结冰？如此可以激发学生的兴趣，促使他们积极思考，既锻炼了学生的思维，又使其学习效率大大提高。

此外，由于传热学是一门以实验为基础发展起来的科学，因此在学习理论知识的同时，授课教师还应该强调实验的重要性。通过实验，学生不仅可以深化对理论知识的理解，同时还可以学习到某些热工参数的测量方法，这对学生在未来专业工作中制订参数测量方案、建立正确设计思路是极为重要的。

2.2 工程观点培养方面

传热学是一门与实际联系紧密的科学，这有别于工程热力学的抽象性。但是由于现有教材编写的固有模式以及传统的教学方式，导致教师在教学过程中侧重于理论与公式的讲解，这导致学生从心理上认为该课程不重要或是不实用，而当学生日后真正走上工作岗位遇到实际工程问题时才意识到“书到用时方恨少”。因此，在教学过程中，教师应该多引用一些实际的工程案例进行介绍。例如：对于能源与动力工程专业，可以举一个换热器综合设计的例子，分析换热器传热系数的大小，在分析该工程实例的过程中，一方面使学生掌握了管内强制对流、管外强制对流不同实验关联式的异同及正确地选用原则，同时也训练了学生将理论应用于实际的能力。

在引入工程实例的基础上，在教学过程中可适当开设一些工程专题讨论，指导教师课前布置一些工程题目，让学生分成不同小组，以小组为单位对该工程问题进行综合分析并得出结论。工程题目要求贴近实际且具有一定综合性，例如：一幢玻璃建筑有两种设计方案，即采用普通钢化玻璃与low-e玻璃，试分析两种情况下建筑在夏季的冷负荷、建筑成本与若干年内的运行费用。学生通过类似的例子，可以加强独立思考问题的能力，同时在综合考虑设计与成本时可以有效培养自己的工程思想，建立起对工程问题的理性认识。另外，在进行专题讨论时，教师应明确指出学生设计或分析的不合理之处，并讲明此类错误或是失误会造成怎样的危害，同时也可列举一些实际工程中的失败案例从反面教育学生，让学生建立起科学、严谨的对待问题的态度，培养学生的职业道德。

2.3 考评机制的优化

传统的传热学课程考评通常以期末考试成绩为主，以我校为例，总评成绩中期末考试成绩占70%，考勤及作业成绩占20%，课内实验成绩仅占10%。这

样的考评机制导致学生只重视考试，对书本知识死记硬背，甚至有些学生指望考前突击、临时抱佛脚。为了改变这一现状，需要对现有的考评机制进行一定优化，具体优化方案如下。

(1)适当削弱期末考试成绩所占比重，例如从原来的70%下降到50%。

(2)为了让学生重视实验，可加大课内实验成绩所占比重，例如从原来的10%增加到20%。

(3)考评加入专题讨论的成绩，例如比重可占10%。一方面显示出专题讨论的重要性另一方面该激励机制也可增加学生对专题讨论的兴趣。

3 教学手段的创新

3.1 多媒体教学与传统教学结合

传热学是一门集理论知识、工程应用为一体的专业课程，由于经常涉及一些工程案例和物理现象，因此很难单纯通过教师的语言表达清楚。为了达到教学目的，应当采用传统教学与多媒体教学相结合的方式。传统教学以教师的口述、板书为主，这样的授课方式对于任何一门课程而言都是非常重要的。板书是课程的要点与精髓，通过板书教师不仅可以调动学生的注意力，也可以使学生清楚地了解教师上课的内容、明白知识点之间的关联与逻辑关系。而对于无法准确用语言阐述的工程案例，则可以采用多媒体的方式进行演示，演示方式包括：图片、动画、视频等。例如，传热学中关于流体外掠圆管边界层的发展与脱体现象，就可以采用动画演示，学生再也不用对着书本上呆板的文字苦思冥想而不得其解。

3.2 仿真软件教学

传热学的发展历程中，形成了实验研究、理论分析、数值计算3种主要的研究方法。实验研究是传热学的基础，也是传热学的起源，它为传热学的分析提供了很多重要数据，但是其代价高昂、需时较长。理论分析是利用数学方法在定解条件下解偏微分方程，准确地描述了不同传热现象的本质，是深入理解传热现象的重要手段，同时现阶段的理论公式、图表很多是通过此方法得出的，但是由于数学上的困难，大多数复杂的工程问题都无法通过理论分析求出，因此使用不便。数值计算是随计算机快速发展而衍生的产物，它将传热学中复杂的偏微分方程组转化为代数方程，采用不同的迭代方法得出近似解，具有易操作、形象直观、代价较低、耗时较少的优点，因此工程中越来越倾向于采用此方法，图2为利用IcePak仿真软件得出的电子器件温度分布。有关传热学及相关领域的专业软件非常多，如：ANSYS，Fluent，COMSOL，CFD-ACE+等。在传热学教学过程中，可引入数值模拟软件的学习。一方面，类似Fluent之类的模拟软件在很多领域都有广泛应用，成为一种重要工具，学生应当掌握；另一方面，学生可通过在软件中对边界条件进行定义，从而深化对传热学现象的认知以及对理论知识的理解。最后正确利用软件模拟出的结果，还可以使传热学的一些内容变得直观易懂，如在讨论一维平板非稳态导热的非正规过程时，学生就常常不理解平板内部的温度随时间的变化趋势，而利用Fluent计算得出的动画结果，学生就很容易掌握。

图2 电子器件温度分布

4 结束语

当前的大学教育以培养复合型工程人才为出发点，而传热学作为许多工科专业的重要基础课程，具有公式多、知识点分散、实用性强等特点。因此，在传热学的授课过程中，教师应当扭转传统的教育思想与教育方法，应该深入分析造成传热学教学过程中诸多问题的深层原因，在教学方法、教学手段上进行必要的创新，提高学生的学习兴趣、锻炼学生独立思考问题的能力、培养学生具有科学严谨的工程素质与解决实际工程问题的创新能力，努力为国家的发展、社会的建设培养综合型的优秀人才而努力。

[1] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] 戴锅生.传热学[M].第二版.北京:高等教育出版社,1999.

[3] 王厚华.传热学[M].重庆:重庆大学出版社,2006.

[4] 李友荣,杨晨,吴双应.“传热学”课程教学改革研究与思考[J].中国电力教育,2010(32):66-67.

Analysis and Discussion on the Reformation of Teaching of Heat Transfer

He Xiaokun, Yao Jiang, Shen Yan, Xu Xiao
Suzhou institute of technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang, 215600, China

According to the characteristics and the problems existing in the teaching process of “heat transfer”, to find out ways to resolve these problems from reformation of teaching methods and innovation of teaching devices. And improving effects of teaching of heat transfer to meet the needs of modern scientific research and industrial development.

heat transfer; teaching methods; teaching devices

投稿日期：2016-09-09

何晓崐，硕士，助教。姚江，硕士，助教。沈妍，博士，讲师。许啸，博士，讲师。

江苏科技大学教改项目。