海工装备类专业“热交换器原理与设计”课程教学方法的改革探索

王婷玉 童军杰 邹采荣 广州航海学院船舶与海洋工程学院

1.前言

基于当前绿色低碳能源经济的热点，热交换器的广泛应用及在节能环保和新能源领域具有重要意义。近年来，海洋工程以及船舶事业得到了很大的发展，海洋工业也是发展后劲比较足的产业，而这些工业的低碳化发展离不开船用热交换器的身影。海工装备中轮机油冷却，海水淡化（如图1所示），发动机油的冷却，以及各个位置或者作业平台的冷却系统等涉及到温度交换场合都应用了热交换器。船用热交换器涉及到工况较多，但无论是在船上还是陆地，热交换器都有不占空间，成本低和具有一定的换热效率等特点，使其在海工装备中得到广泛应用，也为海洋工程以及海洋相关事业的发展起到了推动作用。

图1 热交换器在海水淡化系统中的应用[5]

“热交换器原理与设计”是能源与动力工程专业的基础课程之一[1]。它是在传热学、流体力学和工程热力学等专业课程基础上，通过整合运用到热交换器原理和设计中所形成的一门专业课程，重点介绍实用性较强的换热器的基本理论、设计方法及相关的设计资料和制造工艺[2]。这门课是学习热交换器设备的原理知识和设计并重的课程，它的特点在于与工程实际联系较大，知识覆盖面宽，依托于不同专业基础课的热质交换现象相关知识。

广州航海学院作为海工装备类特色应用型本科，该课程在热交换器的热计算基本原理基础上，全面介绍了管壳式、混合式、高效间壁式、蓄热式等主要类型的热交换器以及海工装备中常用的板式热交换器，并针对其具体结构、性能试验、传热评价和性能优化等共性问题集中讨论[3]。课程内容涵盖面广泛，涉及到动力工程、热能利用、化工冶金、供暖通风和制冷空调等行业领域。也是传热学、流体力学、工程热力学和工程制图等多门专业课在具体工程设备上的知识综合应用。因此，“热交换器原理与设计”课程对能源与动力工程专业学生十分重要。学好这门课需要和实际工程设备密切相结合，同时对于日后从事相关行业也有着提前熟悉和训练的铺垫作用，有利于培养应用型创新人才[4]。

2.课程内容和方法改革的背景

课程内容涉及面广且时间设置不合理。由于“热交换器原理与设计”课程涵盖了能源与动力工程专业多门专业课程的基本内容。学生要理解“传热学”、“工程热力学”才有助于掌握流体热物性及其基本的传热方式和热计算。要认识“流体力学”、“泵与风机”、“材料力学”才能更好掌握流体在管道内的流动方式和流动阻力计算，泵与风机选型和材料强度计算等。由于该专业的培养计划中课程先后顺序设置的限制，在正式学习本课程之前还没有完整学完传热学、流体力学、工程热力学、泵与风机、材料力学等相关专业课。使得学生在学习这门课的时候，还无法理解和熟练运用相关基础知识理论，缺乏课程所需的预备基础，造成了学生学习难度大且缺乏信心，影响了课程规划和教学进度。

课程要掌握的知识点多，系统难易程度也不同。例如课本“第一章 热交换器热计算的基本原理”，需要掌握热计算的两个方程式（传热方程和热平衡方程），并将其运用于两种热计算的方法中（平均温差法和传热单元数法），并根据热计算的两种类型（设计性计算和校核性计算）选用合适的方法。授课时如果教师没有根据难易程度调整由易到难，联系工程实际深入浅出，循序渐进打好基础，学生对于覆盖知面广且工程实践性强的知识，容易产生畏难情绪，不利于调动学生的主观学习能动性。

课程与工程实际联系密切，仅从书本上学习热交换器的类型、工作原理和设计计算方法等。对于实际管径的选取，管材和壳材材料的选择，管内课内流体的选择等内容一知半解，距离设计出实际可行的热交换器还有一段距离。此外，工程实践对于课堂学习有较大影响，学生往往因为对于工程实际热交换器没有直观观感，而显得对于书本内容晦涩难懂，影响了课堂教学效果[6]。

3.课程教学内容和教学方法的改进措施

综上可知，本课程作为能源与动力工程专业的重要专业课之一，亟待进一步提高其教学效果，为进一步培养应用型创新人才提供强有力的支撑。因此，本研究拟从优化设置课程学习时间、改进课程教学思路和方式、将课堂教学更好地与工程实践密切结合三方面进行改革探索，热交换器原理与设计课程改革路线如图2所示。

图2 热交换器原理与设计课程改革路线

3.1 课程学习时间安排设置

在培养计划初定时，将本课程设置安排在传热学、流体力学、工程热力学、泵与风机、材料力学等相关专业课之后。以便学生对于相关基础知识有一定的了解，在日后的学习和实践中涉及到这部分内容，可以有效运用且便于理解新知识。

同时，课程时间设置在认知实习或专业实习前后，实习内容可以安排热交换器相关的企业，使同学们可以对热交换器有实际和具象的了解，便于之后理论结合实际更好地理解课程内容，从而提高学习效率。

3.2 课堂教学思路改进

本课程的核心内容基于热质交换原理和热交换器的设计，包括热设计、结构设计、压力校核和强度校核。课程内容需要掌握的知识点较多，授课方式需要更注重循序渐进，理论密切联系实际。因此，将课程教学思路改进为“两线一引”，具体指的是利用热交换器发展的“时间线”，热交换器原理构造的“逻辑线”，并且引入当下的科学前沿动态，帮助学生更全面、更有效地学习。

3.3 课堂教学方式改进

本课程是围绕着热交换器设备的原理、类型、结构及其设计展开，因此对于实体热交换器设备引入课堂有助于学生的理解和学习。在无法通过专业实习和认知实习接触到实体热交换器时，可以通过小班教学、动画教学、CFD教学或携带小型热交换器模型进入课堂，例如热管换热器等[7]。利用CFD的方法，结合软件自身的建模功能和图片显示功能，不仅可以系统认识热工计算过程，还可以将二维图片转化为直观的三维结构[8-9]。使学生能从多途径、多方面接触到实体热交换器，加入对热交换器整体和部分结构的理解，有助于掌握后续热交换器的设计。

3.4 课堂教学与实践实验相结合

热交换器原理与设计是一门工程实践性很强的课程。课堂学习无法弥补和取代学生实践的过程。目前的换热器教学偏重理论教学，对实践教学的投入不足，使学生对换热器的相关知识理解的不够深刻[10]。例如，学生学习了热交换器的工作原理、类型和组成部件后，对于各个部件之间的具体连接顺序和连接关系了解得不够清晰，无法将各个部件有机有序地连接组装起来。而这往往需要工程实践作为指导，通过生产实习或认知实习过程中，了解热交换器的生产工艺和生产流程。或通过集中实训了解热交换器的具体拆装结构和过程，以强化对书本理论知识的理解[11-12]。

4.结语

能源与动力工程的“热交换器原理与设计”课程是本专业的重点必修课程之一，是基础课程的知识延伸，又是与工程实际的连接轨道，因此需要更好地学习掌握。本文通过对授课时间先后的设置安排，使学生不仅具备了学习基础，同时还能在本课程基础上夯实已学知识。通过改良课堂教学方式和教学思路，打破了课堂教学仅依靠书本的刻板方式，利用“两线一引入”和模型教具进课堂，更好地结合了设备实体和工程实际，有效提高了学生的学习兴趣。最后，通过本科实习和实训作为辅助实践措施，让学生更好地理论联系实际，有效地提高了学生的学习效果。