多维度优化《传热学基础》课程教学改革实践

李威 张亮

摘  要：传热学是研究热量传递过程的一门科学，是众多工科专业的专业基础课程。本文主要基于传热学基础课程教学特点和教学实践过程存在的问题，从课堂教学效果、教学内容与手段和师生交流三方面论述课堂教学过程中的改革探索，通过在课堂教学中加强实时热点问题的讨论，强化计算流体力学软件的普及与应用，以及建立健全的师生双向沟通渠道等措施，在教学实践中取得了较好的课程教学效果。

關键词：传热学基础  课堂教学  师生交流  机械电子工程

中图分类号：TK12-4;G642 文献标识码：A 文章编号：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

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部自2017年以来，积极推进“新工科”建设，着力培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，逐步建立中国模式、制定中国标准、形成中国品牌，打造世界工程创新中心和人才高地。在此背景下，培养合格的机械电子工程专业的创新应用型工程人才，必须重视其专业基础知识积累与创新思维锻炼。笔者结合以往教学经验，广泛收集学生学情反馈，对传热学基础课程课堂教学过程进行了研究与改革实践。

1  课程简介

传热学是研究在温差作用下热量传递过程原理、热量传递速率计算与控制等基础理论知识的一门学科，主要围绕导热换热、对流换热、辐射换热和传热与换热器四大主体内容展开研究，内容具有很强的理论性、逻辑性、系统性和归纳性。同时热传导、热对流和热辐射3种基本传热方式相对独立又互相融合，共同构成实际环境中的热量传递过程。传热学、工程热力学和流体力学共同构成能源动力类专业的核心专业基础课程，同时也是机械电子工程专业学生选修的专业基础课程，在专业课程体系建设中具有承上启下的重要作用[1]。

由于诸多工业生产活动中都存在温度控制，许多功课专业都将传热学纳入到培养计划中。但不同专业背景对传热学认知要求不尽相同，因此传热学课程在课时安排上有多有少。在江苏大学，机械电子工程专业培养计划将传热学基础作为专业基础选修课程，规划32学时，其中课堂教学28学时，实验教学4学时。课堂教学主要内容包含绪论、导热基本定律、稳态热传导、非稳态热传导、对流传热基础、单相对流传热的计算、热辐射及其计算和工程应用等方面;实验教学主要包含材料导热系数测试和对流换热系数测试两个实验。本文主要论述传热学基础课程课堂教学过程中的改革探索。

2  课程教学中存在的问题

在以往的传热学课程课堂教学过程中，主要存在以下几个共性问题。

（1）传热学课程难学，主要体现在传热微分方程推导、相似理论分析、对流换热微分方程推导和辐射角系数计算等[2，3]。经过与学生的广泛交流得知，造成这一共性问题的主要因素：首先，传热微分方程组数学描述较为复杂，难以记忆，并且课上主要推导能量方程;其次，相似理论课时分配较少，相关概念极易混淆，对不同无量纲准则数的物理意义无直观感受;再次，对流换热模式分类复杂，并且每种分类又可细分为层流、湍流及其组合的情景，难以正确选择经验计算公式;最后，辐射换热部分不仅概念较多，角系数计算过程繁琐，计算量大。

（2）在对流换热和辐射换热章节的课堂教学过程中，学生参与度较差。分析其中原因主要有：一方面，这部分内容记忆性质较强，公式和概念较多，对流传热模式分类相对繁杂，导致学生难以抓住重点，出现麻木的学习状态;另一方面，此部分内容主要以课件讲授为主，由于课时紧内容多，导致课堂教学氛围枯燥。

（3）学生从课程学习中获得感较差，通过课程的学习仅是掌握了选择合适的公式解答设计好的题目，而对于实际传热问题的分析能力难以得到锻炼，难以运用计算机仿真软件解决相关复杂传热问题。

3  课程教学改革与实践

为解决上述课程教学中存在的问题，提高课程教学质量，下面分别从课堂教学管理、教学方法与形式和师生交流渠道建设等方面来论述课程教学改革与实践。

3.1 加强课堂教学效果

课堂教学管理“既要保证到课率，也要提高抬头率”，也就是教师要将课上好，让学生喜欢上课。一般情况下，每门课的第一节课学生到课率是很高的，同时绪论是对本课程的整体概述，因此第一节课对于教师塑造形象、构建学生学习兴趣极为重要，每位教师应高度重视第一节课的准备与设计。课件内容既要简明扼要地介绍传热学发展历程，又要列举生活中常见的传热学现象，如经过暴晒的被子更加保暖和在同样寒冷条件下屋顶结霜的房子保温效果更好等实例。此外，还要结合科技发展前沿，介绍传热学在尖端科技生产中的应用，如航空发动机叶片冷却、激光祛斑中喷雾冷却和微电子芯片热管冷却等技术介绍，以便激发学生对新鲜知识的浓厚兴趣。为保证抬头率，可以使用一些协助手段，如在第一节课立下规矩，上课不允许玩手机，如确有重要事情要处理，可以到教室外处理。

教师应加强日常信息收集，如人物典故、工程案例和热点事件等，以便提高学生课堂注意力，具体可以从以下几方面着手：在课堂教学中在相应教学环节中穿插講解一些人物典故，生动形象地介绍有关定律的提出与发展历程;在课前提出经典工程案例中存在的传热命题，要求学生在课上寻找答案，在课尾或者课后开展分组讨论，作为平时成绩考核内容;在课程教学过程中，适当引入一些热点事件讨论[4，5]，这些热点事件不一定与传热学相关，但要能引发学生思考，并参与到讨论中来。通过热点事件的讨论，构建和谐师生关系，正确引导学生思想发展，激发学生自主学习热情。最后，教师应充分利用图片、视频和数值仿真等内容，将学生带入特定的应用场景中，使学生能够对所学内容构成已知直观的视觉、听觉、感受。

3.2 优化教学内容与教学手段

课堂上，并不是教师讲得越多、越具体详细越好，还应考虑到专业背景需要和学生理解能力，重要的是学生能吸收多少和用到多少。因此，课堂并不是简单地将教科书里内容进行叙述，教师应根据不同专业的培养目标，选择教科书中部分内容有重点地讲解。例如，对于机械电子类专业，由于机械电子器件工作环境温度适中，器件冷却主要以对流换热方式实现，因此，在课时安排中应适当加强对流换热这部分课时占比。

随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）的发展，计算机数值仿真在工业设计中扮演的角色越来越重要，因此，工科背景学生培养中，应该加强学生运用CFD软件解决工程问题的能力[6]。常用CFD软件有Fluent、Star-CD、comsol、CFX和OpenFOAM等，其中OpenFOAM为开源平台，包含多种标准求解器，可以解决各类流动传热问题。在导热传热和对流传热章节讲解过程中，应适当引入一些简单几何形状的传热问题数值分析算例，并结合算例讲解边界条件和初值条件的概念与意义。在导热传热和对流传热章节之后，安排2个课时，指导学生分组完成一个相对复杂的传热过程数值仿真计算，锻炼学生运用CFD解决实际传热问题能力。

由于传热学是一门基础学科，包含许多计算公式和方程组，并且方程组推导过程对数学要求较高，此部分内容应结合板书进行讲授。教师通过合理的板书设计，能够让学生抓住课堂重点。特别是导热微分方程推导和简化章节，教师应抽出一课时详细演示的微分方程推导过程，包含各个节点所作假设。此外，在教学实践过程中，笔者发现通过板书形式讲解课后习题效果较好，在板书过程中，教师引导学生思考，同时提问一些学生，能够很大限度地抓取学生注意力，提高习题讲解效果。

3.3 完善双向畅通师生交流渠道

教学过程包含教师“讲授”和学生“学习”两部分，因此教师要时刻关注学生学习情况，包含课堂学情和课后学情，利用互联网优势，加快构建有效交流机制[7]。对于课堂学情，可以通过学生出勤率和抬头率等硬指标体现，也可以通过学生面部表情、课堂气氛等软指标进行主观感知。课后学情可以通过课后作业和课后答疑等方面进行评价。为了能让所有学生自由发声，笔者在教学过程中建立了一个QQ群，在群里学生们可以自由发言，并且可以自由选择是否匿名发言，这样每个学生都可以自由表达对教学过程的意见与建议，及时反馈学习过程中存在的问题，从而构建了和谐的双向畅通的师生交流渠道。

4  结语

传热学基础教学是一个系统工程，本文主要基于往年教学经验，论述了教学过程中存在的问题及一些改革实践。为提升传热学基础课程教学质量，培养学生基础业务能力，引导学生思想构筑，在教学过程中，一是要精炼教学内容，丰富教学手段，将课堂教学讲得丰富多彩;二是要课堂教学联系热点问题，端正思想观念，激励学生参与讨论，多方位培养学生处理问题能力;三是要建立良好的师生交流渠道，确保师生双向信息传达顺畅，让学生能及时反馈问题，让教师能够及时解答疑惑。总而言之，每一门课的教学都是多方位的系统工程，教师在教学过程中应实时实地、因人而异、因内容而异地选择教学方法，不断完善教学过程。

参考文献

[1] 刘海涌，郭涛.混合式学习方法在传热学实验课教学中的应用研究[J].现代教育技术，2018（11）：39-40.

[2] 闫晓娜，郭思宇.传热学教学方法与改革实践[J].制冷与空调（四川），2019，33（2）：208-210.

[3] 孙健，樊斌，张任平.工程认证背景下“传热学”混合式教学模式改革与实践[J].科技与创新，2021（10）：140-141.

[4] 李志国，刘学东，邵理堂.传热学课程中的思政教育实践[J].现代职业教育，2021（31）：194-195.

[5] 张会肖.课程思政建设是提升大学生文化自信的重要抓手[J].科技资讯，2021，19（3）：118-120.

[6] 张欣，朱超，汤吉昀，等.本科生传热学课程教学模式改革与实践[J].山东化工，2020（49）：230-231.

[7] 向迎春."互联网+教育"背景下师生关系的嬗变[J]. 科技资讯，2020，18（30）：150-152.