热质交换原理与设备课程设计的实践与创新

（南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京 210094）

热质交换原理与设备是针对建筑环境与能源应用工程专业本科三年级学生的一门专业基础课，重点研究发生在建筑环境与能源应用工程及其相关领域里的质量传递、热量和质量同时传递的规律及其应用［1］。本课程分为原理部分和设备部分，是连接基础课和技术课的桥梁。其来源是将不同专业课程（包括建筑环境学、供热工程、通风工程、空气调节、制冷技术等）涉及热质交换原理及相应设备的内容抽出、整合而成，因而具有涉及面广、综合性与理论性强、难度大的特点［2］。但是只要掌握了建筑环境热质交换的特点，加上课堂内容的精心设计、丰富多样的课堂教学形式以及将传统的“教师出题”改为“师生共同出题，教师统一把关”的新模式，学生是能够很好地掌握并熟练应用热质交换原理与设备中的相关知识的。

本文针对热质交换原理与设备课程的特点，结合普通高等工科院校学生的实际情况，从精心设计课堂教学、丰富课堂教学形式、改革传统考核方式以及科研和工程实践相结合这四个方面，对如何发挥学生的主观能动性，激发学生的学习热情，提高热质交换原理与设备教学效果等方面进行了深入的探讨。

一、精心设计课堂内容

建筑环境中的热质交换不同于其他领域中的热质交换，它具有如下特点：①基本涉及所有传质学机理问题。②浓度较低，浓度场几乎不影响温度场、速度场。③传热学和传质学很大部分存在异体同构现象等［3］。其中最重要并且能够为我所用的特点是传热和传质存在异体同构的现象，这就是说，传热的方式包括热传导、热对流和热辐射，传质中除了没有质辐射，质传导和质对流都存在，并且与热传导、热对流一一对应。但是在传质学中质传导叫作扩散传质，质对流叫作对流传质。这就衍生出本门课程的主要学习方法即类比法，也叫作温故知新法。这种学习方法贯穿于课程学习的始终。教师需要引导学生通过传热学已学过的知识来学习热质传递规律的新知识，排除学生的陌生感和畏难情绪。

要提升教师的授课效果，必须从学生的需求出发，做到“有用”并且“有趣”。“有用”即要求授课教师通过将预讲授的知识和专业应用或者生活中的实例相结合的方法，引出授课内容。现以第二章第二节扩散传质为例。由于本课程在深秋时节开课，因此列举了金秋十月，清风送爽，丹桂飘香的实例，引导学生想象路过学院楼下几株桂花树的情景，并且特别假设一种理想情况（必须是无风，如果有风则变成我们下节课要讲的对流传质）。通过这个实例，学生切身体会到什么是扩散传质，并且知道了扩散传质和对流传质的区别与联系。在这个实例的基础上，笔者又列举了家庭中常用的樟脑丸，并要求学生用本节所学知识来解决“一颗樟脑丸多长时间可以用完”这个问题。这样会使学生感到既“有用”又“有趣”。授课内容方面需要精心设计，现在主流的教学方式为PPT和板书联合教学。首先，在PPT的设计中要让学生明确预学内容在整个章节中的地位及其与前后章节的逻辑关系。同时，也要列出本节所要讲授的具体内容以及阐明各个小节之间的逻辑关系。例如，本节要讲重要内容“Fick定律”，然后讲授运用Fick定律解决气体、液体、固体中的稳态扩散问题的“应用举例”环节，接着讲授为了加深理解Fick定律的重要参数“扩散系数”，进行正式内容的讲授时在PPT的左侧同时列出课程内容的框架。这样做的好处是一方面可以克服板书上罗列课程标题框架浪费时间的弊端，另一方面可以时刻提醒学生明晰所学内容的位置，这样有助于学生构建知识体系，理清各个知识点之间的逻辑关系。与此同时，板书方面也需要精心设计，因为黑板的可利用空间有限。笔者在黑板利用方面秉承的原则是典型基本公式的推导用板书，系统和装置的展示用PPT。演示推导基本公式的过程可使学生理解其来龙去脉，深刻领会处理问题的方法。由于笔者在PPT的设计中考虑了课程内容的框架（PPT的左侧提纲部分），因此在板书中并没有重复列出这个框架，而是将有助于加深理解扩散系数的一个问题（Fick定律中组分A在组分B中的扩散系数DAB是否等于组分B在组分A中的扩散系数DBA？）进行板书推导，配合课件写出一些并不复杂的演算过程，引导学生更加深入地思考问题［4］。讲完本节所有内容后的小结必不可少。通过小结可以进一步加深学生对所学知识的印象，梳理、理解所学知识的逻辑关系，用学生能否回答“一颗樟脑丸多长时间可以用完”这个问题来检验本节课的授课效果。

除此之外，教师的授课方式也至关重要。笔者认为以教师为主体地位的灌输式教学方式不可取，于是采用“问答式”或者叫“互动式”“启发式”的教学方法。整个课堂大都以聊天的方式展开，由于本课程和许多已学的基础课程联系密切，因此“温故”的部分通常可以考查学生对已学知识的掌握程度，“知新”的部分学生就会听得更加专注，从而建立起新旧知识之间的联系。例如，在讲Fick定律时，由于传热和传质存在异体同构现象，因此可以引导学生回忆传热学中的Fourier定律。通过对Fourier定律的回顾，我们知道由于温度梯度的存在产生了热量的传递，热量传递的大小跟材料本身的性质有关，从而引出导热系数，公式中负号的存在是由于温度梯度的方向和热量传导的方向相反。通常热量是由高温物体传递给低温物体，那么温度梯度的方向就是从低温物体指向高温物体。接下来引导学生采用类比的方法写出Fick定律的表达式并分析每个字母和符号的含义，进一步反问学生“Fick定律是否适用于所有条件”，从而讲解Fick定律的适用条件。总之，整个课堂氛围比较活跃，这有利于培养学生的发散性思维和创新精神。

二、丰富教学形式

以多媒体辅助板书作为主要的教学方式。多媒体教学的主要优势是使抽象的学习内容通过图形、动画等表现形式而变得直观，便于学生理解，同时还可以提高教学效率。但也存在教学速度过快，信息容量大，学生对知识的消化困难，学生笔记跟不上、思路跟不上，影响听课效果等缺点［5］。这时就需要板书辅助教学，板书内容呈现过程有利于学生从中获取有效信息。因此，笔者授课时就用板书推导典型的基本公式而用多媒体展示系统和装置图的办法。

除此之外，笔者会在课前选择内容相对简单的两块内容分别随机布置给两名学生，让学生做好备课后走上讲台讲课，将传统的“老师讲课，学生听课”改为“局部课程学生讲，教师点评和补充”的新教学形式。实践证明，此种教学形式穿插在传统的教学形式中有以下优点：①可以增强学生的参与感和主体地位。当学生已经适应了传统的教学模式后就容易产生懈怠感，其思维的活跃性和与老师的互动性都会减弱，此时如果出现新的教学形式，势必会增加学生的新鲜感，从而提升学生的课程参与度，改善听课效果。②有利于培养学生的竞争意识和自主学习能力；教师设立奖励机制，通过增加其平时成绩的办法来鼓励上台讲课的学生。让报名参与的学生进行说课竞赛，叙述教学目的、教学重点难点等，最终全班推选出获胜的同学在规定的时间进行课程讲授。在此任务的督促下，学生会主动地查找资料，制作多媒体课件并思考如何以浅显易懂的方式向同学讲明白课程的重点和难点。学生在备课过程中，其自主搜集、汇总资料、制作展示课件和自主学习的能力都随之提高。③促进学生之间的讨论和交流，培养合作意识；在学生走上讲台进行“授课”的过程中，台下学生可能会有听不懂的地方或者台上学生无法及时回答台下学生的提问的情况，这些都促使学生之间课后进行交流与讨论，共同探讨如何将存在的问题加以解决。④有利于活跃课堂气氛，改进教师教学；学生“授课”的教学形式让台下学生因有新鲜感而将注意力较长时间集中于其讲课内容，发现错误后会立即做出反应，而不会像教师讲课时迷信于老师的权威，相信老师讲的都是对的。这就引发了学生的思考，增强了学生的思辨能力。另外，学生“授课”会有意无意地模仿其自认为最好的上课方式，教师在此过程中可以借鉴一些有益的讲课方式来改进自己的教学。

三、改进考核方式

笔者通过多年的教学实践发现，学生普遍存在的问题是学习的主观能动性差、学习热情不高，其所学课程内容均等到课程结束后通过突击复习的方式进行学习。这种短时间内输入大量信息的方式不利于学生深入领会和掌握课程的精髓。因此必须减小期末卷面考试成绩所占比重，加大平时成绩所占比重。传统考核方式中平时成绩包括课后作业和考勤，最多占期末总成绩的30%。随着信息化时代的到来，知识的更新周期不断缩短，知识的接受不再如以往那么重要，对知识的选择、整合、转换的重要性增加。这些知识并非是靠言语所能传授的，它只能通过学生主动地“构建”和“再创造”而获得，这对学生创新意识和创新能力的要求大为提高，在学生整体能力培养方面发挥更大的作用。

为此，我们设计了鼓励学生积极主动进行课程学习的实施方案，将传统的“教师出题”改为“师生共同出题，教师统一把关”，这样可以充分发挥学生的主观能动性，激发学生的学习热情，丰富教育形式，促进学生深入掌握课程的基本知识并加以灵活运用。其具体方案分为4部分：①所有学生每人出一份完整的试卷，试卷内容包括判断题（2分∕题）、简答题（8分∕题）、案例分析题（10分∕题）、计算题（15分∕题）等题型中的任意3种，每题给出分值、答案解析和评分标准，同时标明题目来源。课程结束后上交试卷。②此项学习任务占期末总成绩的50%，以提高学生对其的重视程度和参与的积极性。③试题可在国内外网站上搜索，还可对搜索到的试题进行综合改编（改编处需用不同颜色标出），也可以是学生根据所学知识自己拟题，对于后两类评分时可适当加分。所有题目中必须有一道题来源于外文试题。对于试题大面积雷同者，按提交时间先后顺序排序，第一名正常给分，其余适当给予低分。文字部分与出题来源完全一样的试题，数据必须改变，答案必须重新计算一遍。④对试卷进行分类整理和分析，根据学生的学习态度及其对课程内容的掌握程度评出优秀、良好和一般三个等级。

这项工作有利于培养学生搜寻、处理和应用信息的能力，激发学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力，丰富教育形式，促使学生系统、深入地掌握热质交换原理与设备这门课程的基本概念、基本理论和基本规律，提高学生分析和解决问题的能力，为后续学习、科研和工作奠定较为扎实的理论和实践基础。教师对改编试题的审核，对学生在出题过程中表述不够严谨的修改等都是对教师本身储备知识的扩充和深化。教师在学生完善试题库的过程中一方面不断引导学生站在教师的角度从所要掌握的基本知识出发来搜集、整理和改编试题，另一方面提醒学生要重视加强与老师和同学之间的交流，提高综合能力。

四、将课程教学与科研、工程实践相结合

目前我国高校毕业生的主要去向是工作和继续深造。关于课程教学如何与工程实践相结合，前文已有论述。将课程教学与科研相结合，争取做到科研反哺教学。南京理工大学坚持人才培养的中心地位，立足于精英教育，造就求真务实、开拓创新、引领发展、具有国际视野的社会中坚力量。这就要求教师将课程相关的最新科研成果、研究方法带入课堂，让学生感受到科研的魅力。例如，在讲授第二章第三节对流传质中的紊流传质机理时，本科阶段在理解和处理紊流传递机理时，可以认为除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热量和质量的传递，其结果从表象上看，相当于在流体中产生了附加的“紊流切应力”“紊流热传导”和“紊流质量扩散”。这个反映在最终的表达式上就是将分子微观运动引起的分子扩散中的动力黏度系数、导热系数和质扩散系数变成流体微团宏观运动引起的紊流传递中的有效动力黏度系数、有效导热系数和有效质扩散系数。此时可向学生拓展现在计算紊流的主流计算方法即大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS），并对这两种方法进行详细的解释和优缺点介绍。最后鼓励感兴趣的学生进老师的项目组进行尝试，参与力所能及的研究工作，培养科学素养。

五、结语

笔者结合在热质交换原理与设备这门课中的教学经验，阐述了如何通过精心设计课程内容，丰富教学形式，改进传统考核方式以及将课程教学与科研、工程实践相结合等举措来激发学生学习兴趣，发挥学生主观能动性，使学生能灵活运用所学知识和提高课堂授课效果。与此同时，要营造良好的课内外专业学习氛围，使学生学有所用，以用促学，从而提高学生对专业课程的学习兴趣和学习效果。