探究式教学模式在《热交换原理与技术》课程教学中的应用*

胡 冰，陈佰满

(东莞理工学院，广东 东莞 523808)

热交换原理与技术是能源、化学、化工、食品等专业的一门重要专业基础课。本课程介绍的热交换原理与技术是解决生活、能源、化学、环境及相关领域许多科研问题的一种实验方法[1]，也是一门具有较强理论和实践意义的工具课程[2]。

热交换实验是热交换原理与技术课程的重要实践环节，与理论课程内容相辅相成。它不仅是热交换原理理论知识的应用，而且是理论课内容[3]的延续和完善。热交换实验一般包括热交换器的传热试验，传热强化，优化及设计性能评价等。无论采用何种实验进行热交换测试，要求学生在完成实验课程后至少要达到两个认知目标，即掌握传热系数的测定和强化换热的方法。

由于热交换实验通常受到实验场地大小、换热器数量、仪器价格、实验课程学时限制等因素的影响[4]，传统的热交换实验教学模式是由实验教师先讲解实验内容，演示仪器的操作方法，再由学生按照现有的实验方案进行实验。这种教学方法的缺点是师生之间缺乏互动。同时，学生对实验内容和方法缺乏独立思考。他们只需遵循程序，掌握测试方法，并按照标准实验步骤验证实验结果[5-6]。大部分学生在完成热交换实验后，只知道测定换热系统的操作规则，对实验原理、实验内容、强化换热等没有深刻的记忆。实验认知目标没有很好地实现，实验课程与理论课程的教学内容不能相互补充和促进，也不能提高学生的实践能力和探索能力。

本文要讨论的就是在热交换实验教学中，如何改变传统的教学模式，引入更有效的实验教学模式；以及在实验场地、仪器数量、实验课时有限的情况下，如何开展高质量的热交换实验教学，提高学生的实践能力、创新能力和科学素养，培养新时期高素质人才。

探究式教学模式是指学生在教师的指导下，通过自主、探究、合作的学习模式，对当前教学内容中的主要知识点进行自主学习、深入探究、分组交流的一种教学方式，找到并掌握相应的原理和结论。探究式教学模式已经在许多学科的理论教学中得到了尝试和应用[7]，但很少有人将其应用于实验教学中。我们的热交换原理与技术实验教研组根据热交换实验项目的内容，明确了热交换实验中每个实验项目学生要探索的内容和方法，将探究式教学模式应用于热交换实验课程，建立了一套科学的、可操作的实验教学模式。

1 根据实验项目的认知目标确定探究内容

在热交换实验过程中，学生探索的实验内容是什么，直接决定了探究式教学模式能否成功地应用于热交换实验，因此应避免探究内容的随意性。这就需要确定每个实验项目的认知目标，从而确定学生探究的内容。要求每个实验项目的认知目标具有探索性，难度适中，不能简单等同于传统实验讲义中的实验目的。应根据实验项目的内容和实验课程的目标提出。同时，应与热交换原理与技术理论课程的内容相结合，并尽可能地补充理论课程的内容。

例如，热交换实验中的一个实验项目是测量热交换器中的对流换热系数。本实验项目通常采用威尔逊(E. E. Wilson)图解法进行确定对流换热系数。威尔逊(E. E. Wilson)图解法是热交换实验中对流换热系数测定的常用方法。因此，实验项目的首要认知目标是掌握威尔逊(E. E. Wilson)图解法间接确定对流换热系数的方法。另外，从热交换理论的过程来看，在换热管内加某些插入物以及添加一些新的工质会使换热效果得到明显改善。因此，改变换热管的结构以及使用新的工质可以提高换热性能，如果这一知识点仅仅由教师在理论课上讲解，对学生来说无疑是抽象的，难以深刻理解，不能灵活运用。因此，可以将这一知识点引入到实验探究内容中，使学生从实验中得出自己的结论，加深对这一知识点的理解，并通过实验使理论教学内容具体化，因此确定了第二个认知目标：掌握通过改变换热器结构和使用新的工质以提高换热效果的方法。

2 探究式教学模式在热交换实验课中的应用

在确定实验项目的认知目标后，如何将探究式教学模式应用到热交换实验中，应包括以下几个步骤。

(1)实验课开始前，实验教师根据每个实验项目的认知目标提出要探究的问题。学生被分成两组，每组2～4人。根据教师提出的探究内容，查阅文献，设计实验方案，提交给教师复习。老师指出实验计划的可行性以及是否需要修改。学生根据老师的建议修改实验计划，直到实验计划可行为止。

(2)在实验课上，老师首先演示热交换系数的测量方法。在学生掌握了操作方法后，每组学生在课前按照设计的实验方案完成实验并记录实验数据。

(3)实验结束后，每组学生对数据进行处理，根据自己的实验结果总结结论，并向老师提交实验报告或论文。老师评价实验结果。

为了鉴定一台新设计的热交换器能否达到预定的传热性能，或检验一台已运行一段时期 的热交换器的实际性能有何变化，或确定在改变远行条件下(如改变参数与热交换器的介质)的传热性能，或为了比较不同型式和种类的热交换器的传热性能的好坏，常常需要测定热交换器的传热系数。

根据传热计算的基本方程式，可以得出传热系数K为：

K=Q/FΔtm

对于一台已有的热交换器，传热面积F是已知值。传热量Q在不计热损失的条件下可以 通过热平衡方程式来计算。在非顺流或逆流的情况下，Δtm可以按逆流时对数平均温差Δtm，c再乘以修正系数ψ来求得。因而，只要在试验中测得冷、热流体的流量和进、出口温度， 并利用流体的热物性数据表查得它们的比热数值，即可求得在相应的运行条件下的传热系数 K值。

今以某一试验装置为例，说明试验测定K值的方法和步骤。图1为水一水套管式热交换 器的试验系统。电热水箱1中的水在被加热到一定温度后，经水泵2送入套管热交换器的内 管，与套管的夹层空间6中流过的冷却水换热后返回热水箱。冷水从冷却水池(或其他来源) 进入冷水箱8，被水泵9抽出后，通过阀12和温度测点18(构成逆流工况)，或通过阀11和温 度测点17(构成顺流工况)，进入夹层空间6，再由测点17、阀13(逆流时)，或测点18、阀14(顺 流时)，排入冷却水池。冷、热水温度可用玻璃温度计或热电偶等方法测量，分别在测量点17、 18及15、16处读取。冷、热水流量可用孔板流量计，转子流量计或涡轮流量计(配频率计数仪)。

图1 水一水管套式热交换器实验系统

试验可按以下步骤进行：

(1)了解试验系统、操作方法及测量仪表使用方法。

(2)接通热水箱电加热器的电源，将水加热到预定温度。

(3)启动冷、热水泵。

(4)根据预定的试验要求，分别调节冷、热水流量达到预定值，然后维持在此工况下运 行。

(5)当冷、热水的进、出口温度均达稳定时，测量并记录冷、热水流量及各项温度值。

(6)改变冷水(或热水)流量若干次，即改变运行工况，再进行5的测量。

(7)如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，重复4～6步骤。

(8)试验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，重复5、6两步骤。

(9)试验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。

为使实验正确而又顺利地进行，试验中应注意以下几点：

(1)试验前必须校验所使用的仪器仪表在系统中的安装位置与校验方法是否适当，以保证测量数据的准确。

(2)试验中，如流体进出口温差不大，应特别注意测温 的准确。方法有：采用高一级精度的温度计，如用1/10 ℃刻度的玻璃温度计；在测点处接入一个混合器(如图2所示)使流体充分地混合，同时在管径较小时仍能保证玻璃温度计有相当大的插入深度；测点加以保温。

(3)当热交换器的散热面较大，或热交换器的外壳温度与室温相差较大时，应将热交换器的外壳保温，以减少热平衡误差。

(4)为了提高流量测量的精度，对于液体流量的测量，在有条件的测量系统中，可考虑采用直接称重法测定(特别是在流量较小时)。

(5)每一个试验工况应在稳定条件下测定。但绝对的稳定是不可能的，只能要求被测量值在允许范围内波动。所以，每改变一个试验工况，应有相当的时间间隔(如20 min左右)，并视各点温度值基本不变时才测取。测定中，对于同一个试验工况，应连续同时测取各点数值三次，以便在数据整理时淘汰不符合要求的值。

(6)在利用蒸汽加热的热交换器中，在试验过程中应特别注意在适当部位排放非凝结性气体(如空气)，否则将严重影响数据的准确性。

图2 测温混合器

对于试验数据的整理，应注意以下几点：

(1)关于传热量Q，由于种种原因，通过测试求得的冷流体吸热量不会完全等于热流体 的放热量，所以应以它们的算术平均值，即Q=(Q1+Q2)/2作为实际的传热量。在某些情况 下，如果可以确认其中某一侧的热量计算可靠，而另一侧的热量难于准确计算时，则也可以该 侧的热量为依据。例如，对一般的油一水热交换，水的比热可以相当准确地得出，但油的比热如未经专门的试验测定，仅凭一般手册上的数据，那是不可靠的，此时就可以水侧的换热量作为传热量。

(2)关于数据点的选取，试验过程中，误差总是避免不了的。为了保证结果的正确性， 在数据整理时应舍取一些不合理的点。通常，工程上以热平衡的相对误差

ζ=(Q1-Q2)/[(Q1+Q2)/2]≤5%

为标准。凡ζ>5%的点，应予舍弃。在试验中进行的测定，属于非工程性试验，此相对误差还可以取得稍为小一些。

(3)关于传热面积，对于大多数热交换器，计算传热系数时，有一个以哪一种表面积为基准的问题，在整理试验数据时同样应注意这一问题。

(4)为了较直观地表示热交换器的传热性能，通常要用曲线或图表示传热系数K与流体流速w之间的关系，如图3所示。并且，常常选取流速w=lm/s时的K值作为比较不同型式热交换器的传热性能的标准(与此同时还应比较它们的阻力降ΔP。)

(5)为使试验结果清晰明了和便于分析，最后可将测得的数据和整理结果列成表格。

上面提到的实验项目——对流换热系数的测定——有两个认知目标。实验课开始前，根据这两个认知目标，学生被分成几个小组。根据教师提出的探究内容，查阅文献，设计实验方案，并提交教师审核，确定方案的可行性。在实验课上，老师首先演示热交换系数的测量方法。在学生掌握了操作方法后，每组学生在课前按照设计的实验方案完成实验并记录实验数据。实验结束后，每组学生对数据进行处理，根据自己的实验结果总结结论，然后将实验报告或论文提交给老师，老师将对实验结果进行评估。

图3 K=f(w)曲线

实验教师在评价实验结果时，应注意在探究式教学模式下，实验结果的评价不能只依据实验报告或论文提供的信息，而应是所有实验项目得分的加权平均值。而对每个实验项目的成绩评价应是实验方案设计、实验操作、实验报告或论文的综合体现。否则，学生只会关注结果，而不会关注实验过程[8]。

在对实验结果进行评价后，计算每个实验项目认知目标的实现程度，找出实现认知目标的薄弱环节和薄弱环节的原因，进一步改进和完善教学模式。

3 结 论

改变了传统的热交换原理与技术实验教学模式，将探究式教学模式应用于热交换原理与技术实验教学中。根据每个实验项目的认知目标，确定学生讨论的内容，克服讨论内容的随机性。建立了一套科学的、可操作的实验教学模式，并进一步提高了认知目标的实现程度。探究式教学模式在热交换原理与技术实验中的应用，使学生成为学习的主体，变被动的接受为主动的探究，使学生自主探索，从实验数据中总结得出结论，有助于学生对热交换原理与技术方法建立最直观、最深刻的认识，培养实践能力和科研能力。