傳熱學(xué)課程教學(xué)方法的研究與實(shí)踐

阮芳+龍激波+王平等

摘要：根據(jù)傳熱學(xué)課程知識(shí)面廣、理論性和實(shí)踐性強(qiáng)、課程內(nèi)容重要而又難學(xué)的特點(diǎn)，文章從教育心理學(xué)角度探討了傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)方法，即在主要采用注意策略和記憶策略的基礎(chǔ)上，輔以問(wèn)題討論法、類(lèi)比法和案例分析法三種常用教學(xué)方法，實(shí)踐中獲得了較好的課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；課堂教學(xué)；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642421；TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2015）06009304為了全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部提出“卓越計(jì)劃”，要求在教學(xué)過(guò)程、教學(xué)方法、實(shí)踐過(guò)程和考核方法等人才培養(yǎng)過(guò)程中，體現(xiàn)大工程觀(guān)意識(shí)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，以實(shí)際工程為背景，拓展工程教育基礎(chǔ)，拓寬工程教育視野，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)建和運(yùn)作新產(chǎn)品、新流程和新系統(tǒng)的能力[1-5]。

為響應(yīng)教育部“卓越計(jì)劃”，培養(yǎng)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用型工程人才，必須重視專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)。傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué)，傳熱學(xué)課程是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析和處理工程實(shí)際問(wèn)題的能力起著重要的作用。筆者結(jié)合8年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)傳熱學(xué)課程特點(diǎn)，對(duì)課堂教學(xué)方法進(jìn)行了研究和實(shí)踐。

一、傳熱學(xué)課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

傳熱學(xué)課程作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，與先修課程工程熱力學(xué)和流體力學(xué)一樣，內(nèi)容具有理論性、邏輯性、系統(tǒng)性和完整性特點(diǎn)[5]，同時(shí)傳熱學(xué)課程還具有知識(shí)面更廣、實(shí)踐性更強(qiáng)等自身特點(diǎn)。導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱、傳熱與換熱器是傳熱學(xué)的四大主體內(nèi)容，導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱這三部分具有相對(duì)的獨(dú)立性，而傳熱與換熱器則是導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱的綜合及工程應(yīng)用[6]。不同的傳熱方式其研究方法也有所不同，如對(duì)流換熱有用微分方程的理論分析方法、利用類(lèi)比律的半經(jīng)驗(yàn)方法和相似理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)方法三種，而導(dǎo)熱和輻射換熱主要是理論分析方法。

筆者所在的湘潭大學(xué)2006年開(kāi)始建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)招生，當(dāng)時(shí)制定的教學(xué)計(jì)劃中，傳熱學(xué)課程共56學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)52學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)時(shí)偏少，課堂教學(xué)需要56學(xué)時(shí)。2013級(jí)起該專(zhuān)業(yè)更名為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程，隨之專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案也進(jìn)行了調(diào)整，將傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)增加為56學(xué)時(shí)，將工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)三門(mén)課程實(shí)驗(yàn)合在一起開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。實(shí)踐中傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是，大部分學(xué)生反映傳熱學(xué)課程難學(xué)[7]。造成這一問(wèn)題的主要原因有三個(gè)方面：首先，傳熱學(xué)不僅概念和公式多，而且與其他基礎(chǔ)課程聯(lián)系緊密，用到的數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)深而廣。其次，不同換熱涉及各種研究方法、計(jì)算公式，還有很多經(jīng)驗(yàn)式。最后計(jì)算難度較大，如數(shù)值計(jì)算和試算法，數(shù)值計(jì)算需用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算；試算中計(jì)算繁瑣，計(jì)算量大。

二是，學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)缺乏深刻的理解，基本原理的應(yīng)用能力差。學(xué)生對(duì)很多傳熱學(xué)公式與概念只停留在機(jī)械記憶上，缺乏對(duì)其物理意義的理解，將傳熱學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)踐問(wèn)題結(jié)合應(yīng)用的能力較弱。比如對(duì)流換熱有很多種，具體分類(lèi)見(jiàn)圖1，教材詳細(xì)列舉了各種對(duì)流換熱的計(jì)算實(shí)用關(guān)聯(lián)式，外掠平板邊界層對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)還有微分解和積分解的，各種情況下計(jì)算公式中物理量所用的定型尺寸和定性溫度不盡相同，很多學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用時(shí)混淆不清。

二、傳熱學(xué)課程教學(xué)模式和教學(xué)方法改革實(shí)踐

課堂教學(xué)管理“既要保證到課率，也要提高抬頭率”，也就是教師要將課上好，讓學(xué)生喜歡上課。課堂上，并不是教師講得越多、越具體詳細(xì)越好，重要的是學(xué)生能聽(tīng)懂多少。因此，課堂教學(xué)并不是簡(jiǎn)單的講述知識(shí)點(diǎn)，而是對(duì)教材的導(dǎo)讀，對(duì)教學(xué)過(guò)程及教學(xué)秩序的掌控，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，學(xué)以致用，并進(jìn)行歸納總結(jié)，教學(xué)生如何“出招”，使“教”為“學(xué)”和“用”服務(wù)。由于傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)中常用數(shù)學(xué)語(yǔ)言推導(dǎo)熱物理規(guī)律，較為抽象。對(duì)此，可應(yīng)用教育心理學(xué)的相關(guān)原理[8]，將學(xué)習(xí)策略應(yīng)用于傳熱學(xué)課程教學(xué)[9]，即在工程教育中應(yīng)用問(wèn)題討論法、類(lèi)比對(duì)比法、案例分析法。

（一）課堂教學(xué)應(yīng)注意提高學(xué)生的注意力

“興趣是最好的老師”。首先課堂教學(xué)要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，特別對(duì)這種理論性較強(qiáng)、難學(xué)的課程，課堂教學(xué)更要“精選內(nèi)容，聯(lián)系實(shí)際，由淺入深，深入淺出，聲情并茂，引人入勝”。 具體手段很多，其中最有效的是在講課中例舉一些能引起學(xué)生興趣和思考的例子。教師日常應(yīng)注意積累，從日常生活中的小事件引出問(wèn)題，如講到沸騰換熱時(shí)，可先提到為什么“響水不開(kāi)，開(kāi)水不響”，引導(dǎo)學(xué)生思考，再講沸騰換熱原理，最后由學(xué)生自己來(lái)尋找答案。這種方法其本質(zhì)和“基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)” [10]（Problem-Based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)PBL）一樣，也即問(wèn)題討論法。

其次，教師必須盡量避免機(jī)械地將公式進(jìn)行枯燥的理論推理并羅列結(jié)論，可簡(jiǎn)化理論知識(shí)點(diǎn)的推導(dǎo)過(guò)程；在講解證明論點(diǎn)過(guò)程中，要結(jié)合工程實(shí)踐，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)有什么作用，工程上是怎么應(yīng)用的，條理清晰地一步步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，進(jìn)行思考解答。例如在講解肋片效率及肋片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，配合圖表并交代清楚每一環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)依據(jù)，力求能在推理過(guò)程中反映出數(shù)學(xué)的奧妙，獲得成功的喜悅感，使學(xué)生體會(huì)到在推理的起承轉(zhuǎn)合中所蘊(yùn)含的樂(lè)趣，從而使學(xué)生注意力保持集中。

最后，為了更大程度提高學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的熱情，消除對(duì)學(xué)習(xí)的刻板印象，教師還必須時(shí)常將課程知識(shí)學(xué)習(xí)與學(xué)科競(jìng)賽、考研以及將來(lái)就業(yè)工作等結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生知道理論學(xué)習(xí)的具體功能，并意識(shí)到學(xué)習(xí)與自己將來(lái)前途的息息相關(guān)；在課堂上教師應(yīng)隨時(shí)關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)，善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)疑惑的表情，并將這些疑惑作為課后作業(yè)留給學(xué)生思考，適時(shí)再主動(dòng)詢(xún)問(wèn)并詳細(xì)解答；待學(xué)生理解后，再拋出深一層次或擴(kuò)展問(wèn)題引導(dǎo)其思考，讓學(xué)習(xí)課程知識(shí)像“剝洋蔥”和“破案”般，層層剝開(kāi)，步步深入，直到找到真相。這種啟發(fā)式教學(xué)能引人入勝，使人欲罷不能，學(xué)生更容易獲得成就感，學(xué)習(xí)也更有自信。

（二）重視加強(qiáng)學(xué)生的記憶理解

在最初的傳熱學(xué)課程教學(xué)中，總覺(jué)得每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都很重要，都想教給學(xué)生，結(jié)果知識(shí)點(diǎn)太多，學(xué)生根本記不住。經(jīng)過(guò)幾年教學(xué)實(shí)踐后，筆者總結(jié)出有效的教學(xué)方式：抓住傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射的相關(guān)理論、“第9章氣體輻射和太陽(yáng)輻射”中太陽(yáng)輻射部分的內(nèi)容，在后續(xù)的冷熱源工程和建筑節(jié)能技術(shù)課程中作更詳細(xì)的講解；“第10章傳熱與換熱器”和“第11章質(zhì)交換”內(nèi)容，在后續(xù)的熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程中學(xué)習(xí)，因此，在傳熱學(xué)課程課堂教學(xué)中對(duì)這三節(jié)內(nèi)容僅作簡(jiǎn)單介紹 [5]。

提升學(xué)生理解記憶的一種行之有效的方法是，應(yīng)用思維導(dǎo)圖對(duì)課程內(nèi)容或每一知識(shí)模塊進(jìn)行總結(jié)，這樣可使學(xué)生抓住主線(xiàn)，快速記憶知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)拓展學(xué)生思維 [11]。筆者在傳熱學(xué)課程教學(xué)中，并不畫(huà)思維導(dǎo)圖，而是讓學(xué)生在充分掌握教材內(nèi)容后，自己總結(jié)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，甚至整理出教材的知識(shí)框圖，讓他們?cè)跉w納知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)進(jìn)一步加深理解，按自己思維整理出的思維導(dǎo)圖更適合個(gè)人消化，記憶也更深刻。

此外，還應(yīng)重視學(xué)生聯(lián)想和想象等發(fā)散思維的引導(dǎo)。如由導(dǎo)熱中復(fù)合平壁導(dǎo)熱熱阻分析圖聯(lián)系到電學(xué)中電路分析圖，在熱絕緣直徑應(yīng)用中由空調(diào)熱力管道的保溫聯(lián)系到電導(dǎo)線(xiàn)的散熱，以及動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)的類(lèi)比，這些具有相通性或相關(guān)性的內(nèi)容，可充分利用已學(xué)知識(shí)合理推理，并串聯(lián)起來(lái)，這樣更有利于學(xué)生的理解應(yīng)用，學(xué)習(xí)效率也更高。這種方法的實(shí)質(zhì)就是類(lèi)比法。

從邏輯上來(lái)講，思維導(dǎo)圖是歸納總結(jié)，是將書(shū)本讀薄，聯(lián)想和想象的發(fā)散是演繹推理，是將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)在理論和實(shí)踐中進(jìn)行合理擴(kuò)展，是將書(shū)本讀厚。兩者結(jié)合起來(lái)就可以將多年所學(xué)的零碎知識(shí)點(diǎn)重組成一個(gè)有機(jī)的整體，各有各法，學(xué)以致用，一通百通。

（三）案例分析教學(xué)法的應(yīng)用

教學(xué)過(guò)程中充分利用案例分析法，在具體的工程案例中應(yīng)用傳熱學(xué)原理分析計(jì)算和設(shè)計(jì)過(guò)程，就可以綜合所學(xué)知識(shí)解決許多沒(méi)有時(shí)間去細(xì)化的應(yīng)用問(wèn)題。比如，應(yīng)用傳熱學(xué)原理去指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)并強(qiáng)化換熱的過(guò)程，包括空調(diào)廠(chǎng)家產(chǎn)品研發(fā)、地源熱泵施工要點(diǎn)等也屬此列。也可以從鋁代銅等工程材料替代、螺紋管和翅片管等換熱器表面形狀的改進(jìn)、換熱器的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面例舉幾個(gè)典型的案例設(shè)計(jì)。這種方式不僅能幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中應(yīng)特別關(guān)注的問(wèn)題，而且通過(guò)對(duì)問(wèn)題的層層剝離，了解換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要哪些傳熱學(xué)理論，以及如何從這些機(jī)理出發(fā)對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，掌握技術(shù)的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)等，將許多細(xì)節(jié)性的知識(shí)點(diǎn)或不容忽視的重要內(nèi)容串到一起，能大大提高課堂教學(xué)的有效性[12]。

（四） 各教學(xué)環(huán)節(jié)的改革實(shí)踐

一是備課，應(yīng)根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)、市場(chǎng)需求和科研前沿，從“學(xué)以致用”出發(fā)，不斷調(diào)整更新課件、教案、素材、案例以及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)，確定教學(xué)方法，設(shè)計(jì)教學(xué)結(jié)構(gòu)。

二是課堂教學(xué)，應(yīng)語(yǔ)言直白，通俗易懂，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)手段，依據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整教學(xué)方式。比如：采用黑板板書(shū)進(jìn)行公式的推導(dǎo)和例題、習(xí)題的講解，講解中輔以啟發(fā)式提問(wèn)，活躍課堂氣氛；而采用多媒體教學(xué)方式講解工程應(yīng)用部分的內(nèi)容，如可通過(guò)多媒體展示各種換熱器實(shí)圖和動(dòng)畫(huà)模擬換熱過(guò)程等，這樣學(xué)生可以更清楚形象地掌握換熱器的構(gòu)造，有助于他們對(duì)換熱器工作過(guò)程和工作原理的理解和掌握。

三是作業(yè)，每章課后都應(yīng)布置適量不同難度的典型習(xí)題作為課后作業(yè)，讓學(xué)生熟悉知識(shí)點(diǎn)并加深理解和強(qiáng)化應(yīng)用，教師也從中了解學(xué)生對(duì)理解所學(xué)知識(shí)的掌握情況。值得一提的是，筆者對(duì)學(xué)生的平時(shí)作業(yè)僅考察其是否交作業(yè)，而不在乎其答案的正誤，目的在于鼓勵(lì)學(xué)生打開(kāi)思維，大膽應(yīng)用新知識(shí)，這樣才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，最大程度地減少抄襲。講解習(xí)題時(shí)，筆者會(huì)把學(xué)生中出現(xiàn)的各種解題方法羅列出來(lái)，讓學(xué)生討論分析對(duì)錯(cuò)，這樣教師能了解學(xué)生的理解誤區(qū)，學(xué)生也能既知其然，還能知其所以然，理解記憶也更深刻。

四是考試，在考試中，學(xué)生對(duì)理解單獨(dú)的導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱計(jì)算內(nèi)容基本沒(méi)問(wèn)題，但如果對(duì)復(fù)合換熱的綜合計(jì)算，能完全做對(duì)的學(xué)生極少。如水平架設(shè)在空中的熱水管道傳熱計(jì)算，很明顯里面涉及三種換熱——管內(nèi)熱水受迫對(duì)流、管內(nèi)壁到外壁的一維無(wú)限大復(fù)合圓筒壁導(dǎo)熱和冷空氣水平圓筒自然對(duì)流，雖然各種傳熱計(jì)算理論都學(xué)過(guò)，但綜合在一起，學(xué)生就感到無(wú)所適從。因此，平常作業(yè)要增加這種知識(shí)點(diǎn)綜合訓(xùn)練的題目。

上述各環(huán)節(jié)教學(xué)改革的措施，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)與合作精神，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能。教改后學(xué)生對(duì)教師的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)顯著提高，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性得以增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果也明顯改善。近5年來(lái)，學(xué)校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生成功申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目10項(xiàng)，其中教育部資助6項(xiàng)，學(xué)生考研、參加各種學(xué)科競(jìng)賽都獲得優(yōu)異成績(jī)，教學(xué)質(zhì)量明顯提高[13]。

三、結(jié)語(yǔ)

傳熱學(xué)課程教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)工程，從課前準(zhǔn)備到最后的考試，各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互制約又相互促進(jìn)，因此不能輕視任何一個(gè)環(huán)節(jié)，要處理好各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系。為了提高傳熱學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)上，一是應(yīng)采用課堂講授與自學(xué)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)突出，精講精練；二是應(yīng)結(jié)合工程實(shí)踐，靈活采用問(wèn)題討論法、類(lèi)比對(duì)比法和案例分析法開(kāi)展教學(xué)；三是采用多媒體教學(xué)增加課堂容量，并輔以傳統(tǒng)啟發(fā)式教學(xué)。總之，教學(xué)沒(méi)有包醫(yī)百病的方法，應(yīng)因人、因時(shí)、因地、因知識(shí)點(diǎn)而選擇適合的方法和手段。

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Research and practice on teaching methods of heat transfer course

RUAN Fang， LONG Jibo， WANG Ping， ZHOU Ye， SUN Hongfa

（School of Civil Engineering & Mechanics， Xiangtan University， Xiangtan 411105， P. R. China）

Abstract： The heat transfer course has a broad scope of knowledge. It is theoretical and practical， which is hard to study. Based on the characteristics， we discussed classroomteaching methods of heat transfer from an educational psychology view， which focused on learning strategies and memory strategies accompanied by three useful methods of problembased learning， methods of analogue and correlation， and case study. The practice result shows a good classroom teaching quality.

Keywords： heat transfer； classroom teaching； teaching methods