《直升机传动系统中的传热学》项目式课程教学改革实践

王旦 陈蔚芳

摘  要：传热学是研究热量传递规律的科学，广泛应用于工程技术领域。如何有效进行传热学的课程教育，解决传统灌输式教学效果不佳的问题，是高校相关专业教师面临的难题。为解决传热学课程教学问题，本文依托高速直升机主减速器通风散热需求，以共轴刚性旋翼高速直升机主减速器为研究对象，借助南京航空航天大学及某主机所的教育资源，进行传热学项目式课程教学改革实践。作者将传热学的理论学习与实践应用相结合，提出了以项目教学法为主，参观教学法、线上研讨教学法为辅的传热学课程教学方法。同时，作者从理论和实践出发，进行了《直升机传动系统中的传热学》项目式课程的项目设计、课程设计，并在此基础上，进行了传热学项目式课程教学实践，取得了很好的教学成果。

关键词：传热学；项目式课程；课程教学改革；直升机传动

高功率密度传动技术是重型和高速直升机研制的关键，高效散热是实现高功率密度传动技术的重要保证[1，2]。传热学广泛应用于以直升机传动系统为代表的现代机械产品设计中，是机械类专业本科生必须掌握的一项基本专业技能。本课程教学改革充分发挥南京航空航天大学在直升机技术领域的特色，依托于直升机传动技术国家级重点实验室，联合某主机所，开展面向高功率密度直升机传动系统的传热学项目式课程教改活动。通过组织实施高速和重型直升机传动系统高效通风散热仿真项目，使学生掌握传热学的基本定义、概念、原理和方法，理解三大守恒定律的基本内涵，熟悉热力学方程、热流耦合方程典型数值求解算法及其特点，了解直升机传动系统的典型构型及其特点，能够熟练使用 MATLAB和商业有限元软件进行系统热分析和热优化。通过开展本课程的教学改革活动，使学生具备在产品开发设计中正确进行热分析和热设计的能力，树立航空报国的情怀。同时，能够有效解决传统灌输式教学存在的课程组织方式单一、教学效果不佳的问题[3，4]，为机械类专业传热学课程的组织形式提供借鉴。

本课程属于项目式教学课程，因此将以项目教学法[5-7]为主，并辅以参观教学法[8]和线上研讨教学法[9]。在课程组织实施过程中，以项目为主线，教师为引导，学生为主体。学生通过开展相对独立的科研项目研究，理论联系实际，实现对传热学专业知识的高效学习。其中，项目设计是本课程教学设计的核心。项目将紧密围绕高功率密度直升机传动系统高效散热需求，开展传动系统飞行冷却仿真分析，获得典型工况下减速器温度分布和减速器舱通风流场分布，建立不同参数对减速器散热效率的影响规律，实现对减速器舱和通风系统的优化设计。项目实施过程中将注重穿插、融入传热学的基本定义、概念、原理和方法，使学生自觉构建相对完整和扎实的传热学相关基本理论知识和应用技能，具有鲜明的高阶性、创新性和挑战性特点。此外，课程充分发挥校企合作特色，赴某主机所开展直升机传动系统试验台参观教学活动，加强学生对项目研究背景的认识。同时，课程教学团队成员包含某主机所一线工程师，课程组将定期开展线上研讨，保证项目的工程实用性。

1 《直升机传动系统中的传热学》项目式课程的项目设计

项目是项目式课程的核心和灵魂，整个课程需围绕项目的组织实施而开展，项目设计的成功与否决定着项目式课程的教学成败以及最终效果。项目式课程的项目设计一方面需要兼顾本科生的知识背景和能力特点，另一方面区别于基础理论课程，需要与科技攻关项目相结合，具有一定的前瞻性、创新性和挑战性。《直升机传动系统中的传热学》将传热学基础理论知识与直升机高功率密度传动“卡脖子”技术进行结合，面向本科生开展项目式教学活动。直升机高功率密度传动技术的攻克会涉及到多类传热知识，并且不同的传热学知识会在不同的技术攻关细节中体现。因此，如何从高功率密度传动“卡脖子”技术中梳理出合适的研究点，使学生通过学习该课程形成相对系统完整的传热学知识，掌握面向实际应用的传热学专业技能，是本课程建设项目需要重点攻关的任务。本课程通过系统梳理传热学基本知识体系和直升机高功率密度传动“卡脖子”技术的技术攻关点，在两者间寻找结合点，从而完成课程的项目设计。

本课程项目面向高速直升机主减速器通风散热需求，以共轴刚性旋翼高速直升机主减速器为研究对象，研究分析高速直升机主减速器不同工况下（悬停、高速前飞、干运转等）的生热情况和机匣表面的温度分布情况，建立高速直升机主减速器舱的通风散热热流仿真模型，获得典型工况下主减速器舱的流场和温度场分布情况以及主要参数对高速直升机主减速器舱通风散热效率的影响，为高速直升机主减速器的设计提供技术基础[10]。具体内容如图1所示，其中研究内容1侧重于热传导、热辐射相关内容的学习和训练，主要是对主减速器机匣的热源发热量及换热系数进行计算分析，并基于热网格法和有限元法对主减速器的温度分布进行研究，为主减速器舱飞行冷却的仿真分析奠定基础；研究内容2侧重于热对流相关内容的学习和训练，在建立减速器舱几何模型、关键散热部件等效模型、减速器舱冷却仿真模型的基础上，考虑不同工况及环境的影响，对主减速器舱的流场和温度场进行仿真分析。同时，两大研究内容的顺利开展需要学生熟悉温度场、流场等数值求解方法和商业有限元仿真手段。一方面，需要考虑学生的先修课程是否充足，以确保授课对象具有足够的知识储备；另一方面，在项目式课程开展过程中，需要授课教师针对性对数值求解方法和有限元仿真方法进行讲解，确保学生能够高效、顺利进行课程学习。

2 《直升机传动系统中的传热学》项目式课程设计

课程设计也是项目式课程的重要组成部分。合理的课程组织方式和课程评价方法是项目式课程高效开展的重要保证。区别于普通的基础理论课程，项目式课程无法采取单纯的讲授式教学方法。项目式课程必须充分发挥学生的主导地位，教师只是起到引导作用。项目式课程更多采用研讨等相对自由的教学方法[11]，但另一方面，项目式课程又需要避免课程组织过程中出现“放羊式”教学的不良现象，需要做到松弛有度。同时，区别于普通的大学生科技创新活动，项目式课程具有明确的教学目标。在项目式课程组织实施中，应注意课程知识点的贯穿；在项目进行的同时需要教师进行穿插授课、答疑，以保证学生能够学习充足的传热学课程知识，顺利完成项目设计。此外，项目式课程的课程评价方法也具有其特殊性，其必须与课程组织方式相适应，起到强化课程教学效果的作用。因此，如何構建宽松有序、富有效率的课程组织方式以及与教学方式相适应的课程评价方法是本课程建设项目需要重点开展的另一任务。本课程将在常规项目式教学方法的基础上，充分发挥学校的航空航天行业特色，借助便捷的线上教学手段，定期与某主机所一线工程技术人员开展线上组会，强化项目的应用性。同时，在课程的评价过程中将充分考虑一线工程技术人员的意见，形成学生-导师-行业导师多维度评价方法，进一步确保该项目式课程的可行性。

综合考虑教师授课时长需要、学生自主项目时长需要、线上研讨时长需要，合理设置本课程的具体学时分布如图2所示，总共32学时。其中，教师授课8学时，在项目进行过程中按周次间隔授课，对传热学的基本知识内容、数值计算方法、有限元仿真方法、高速直升机传动技术及项目基本情况进行讲解，搭建传热学的知识框架，讲授课程知识。学生自主项目20学时，占总教学时长的最大比例，主要是学生进行高速直升机主减速器机匣温度分布计算和主减速器舱飞行冷却仿真分析两方面内容，教师在学生自主项目进行时，应起到监督、引导、解惑的作用，与学生在线上、线下进行定期交流，避免出现“放羊式”的不良教学现象，确保该项目式课程顺利进行。线上讨论4学时，采用线上交流的方式，利于学生与一线工程技术人员的交流学习，使得项目成果更具有实用性。

3 《直升机传动系统中的传热学》项目式课程教学实践

项目式课程教学实践是检验项目设计和课程设计的重要和唯一途径，在完备的项目设计以及精细的课程设计两方面基础上，作者利用南京航空航天大学的教学资源和环境，联合某主机所工作人员进行线上指导，进行《直升机传动系统中的传热学》项目式课程教学实践。本次教学改革实践以大学生创新项目为依托，选取5名来自南京航空航天大学机电学院和理学院的大二、大三学生组成教学对象，以项目设计为主体内容、课程设计为时间主线，开展为期8个周的课程教学实践。最终，该5名同学出色的完成了项目课程知识的学习、相关项目的研究以及课程最终的答辩考核。如图3所示，为该组同学完成的高速直升机主减速器舱仿真模型以及部分仿真成果。该仿真模型具备高速直升机主减速器生热量计算和主减速器舱温度场、流场仿真能力，其中主减速器生热计算考虑了辐射换热的影响，本模型第一次实现了主减速器生热计算和主减速器舱流场仿真的双向耦合。通过与主机所一线工程技术人员进行线上项目成果交流，该项目式课程以及项目成果得到了肯定，具有一定的实用价值。

4 总结

针对工科专业传热学课程经典的灌输式教学模式存在教学组织方式单一、课程教学效果不佳，无法满足机械设计行业对学生热设计和热分析的能力要求，本文以高速直升机高校通风散热项目为依托，开展了《直升机传动系统中的传热学》项目式课程教学改革实践，进行了课程项目设计、课程组织方式设计，在此基础上进一步开展了项目式课程教学实践，获得了良好的教学效果。考虑到进行项目式课程教学实践并在实践中优化项目设计和课程设计是课程建设项目的另一重要任务。未来可进一步借助流程记录、问卷调查、访谈等多种手段，分别从学生、导师、行业导师、教学专家等多方位对课程实践活动进行评估和分析，实现对项目设计和课程设计的迭代优化。

参考文献

[1]鲍和云，侯潇男，陆凤霞等.重型直升机前飞和悬停状态下主减速器舱流场与通风散热分析[J].中南大学学报（自然科学版），2021，52（05）：1473-1481.

[2]赵一帆.基于Fluent数值仿真直升机主减速器舱通风散热研究[J].机械研究与应用，2020，33（05）：12-14.

[3]刘秒. 高校思政课灌输—启发式教学研究[D].浙江理工大学，2022.

[4]沈乾若.中美课堂教学法——灌输式与探究式辨析[J].物理与工程，2020，30（06）：37-42+47.

[5]Cole F. An Educators Guide to Project-Based Learning： Turning Theory into Practice[M]. Taylor and Francis：2023-09-06.

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[7]Dong G. Research and Application of Project Teaching Method in the Curriculum Reform of Visual Communication Design[C]//香港新世纪文化出版社.Proceedings of 2022 the 6th International Conference on Scientific and Technological Innovation  and Educational Development. HONGKONG NEW CENTURY CULTURAL PUBLISHING HOUSE，2022：949-951.

[8]李宗富，尹苏丹.参观教学法在档案学专业本科教学中的应用探析——以郑州大学档案学专业为例[J].档案学通讯，2019（03）：106-112.

[9]李诚诚.超星学习通和钉钉线上教学环境与案例教学法融合的教学模式构建[J/OL].中国教育技术装备：1-4[2023-09-14].

[10]晏宗坪. 航空飞行器主减速器机匣温度场仿真分析研究[D].重庆大学，2021.

[11]于丽丽. 基于慧鱼模型的项目教学法在中职课程中的应用研究[D].贵州师范大学，2023.

基金项目：南京航空航天大学本科教学建设项目（课程建设类-“项目式课程”建设）《直升机传動系统中的传热学》（项目编号：2021JG0532A）

作者简介：王旦（1990-），男，汉族，江苏泰兴人，博士研究生，副教授，主要从事直升机传动技术教学与科研工作。

陈蔚芳（1966-），女，汉族，江苏无锡人，博士研究生，教授，主要从事直升机传动技术教学与科研工作。