熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程設(shè)計的實踐與創(chuàng)新

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是針對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)本科三年級學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，重點研究發(fā)生在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程及其相關(guān)領(lǐng)域里的質(zhì)量傳遞、熱量和質(zhì)量同時傳遞的規(guī)律及其應(yīng)用［1］。本課程分為原理部分和設(shè)備部分，是連接基礎(chǔ)課和技術(shù)課的橋梁。其來源是將不同專業(yè)課程（包括建筑環(huán)境學(xué)、供熱工程、通風工程、空氣調(diào)節(jié)、制冷技術(shù)等）涉及熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)設(shè)備的內(nèi)容抽出、整合而成，因而具有涉及面廣、綜合性與理論性強、難度大的特點［2］。但是只要掌握了建筑環(huán)境熱質(zhì)交換的特點，加上課堂內(nèi)容的精心設(shè)計、豐富多樣的課堂教學(xué)形式以及將傳統(tǒng)的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統(tǒng)一把關(guān)”的新模式，學(xué)生是能夠很好地掌握并熟練應(yīng)用熱質(zhì)交換原理與設(shè)備中的相關(guān)知識的。

本文針對熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的特點，結(jié)合普通高等工科院校學(xué)生的實際情況，從精心設(shè)計課堂教學(xué)、豐富課堂教學(xué)形式、改革傳統(tǒng)考核方式以及科研和工程實踐相結(jié)合這四個方面，對如何發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高熱質(zhì)交換原理與設(shè)備教學(xué)效果等方面進行了深入的探討。

一、精心設(shè)計課堂內(nèi)容

建筑環(huán)境中的熱質(zhì)交換不同于其他領(lǐng)域中的熱質(zhì)交換，它具有如下特點：①基本涉及所有傳質(zhì)學(xué)機理問題。②濃度較低，濃度場幾乎不影響溫度場、速度場。③傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)很大部分存在異體同構(gòu)現(xiàn)象等［3］。其中最重要并且能夠為我所用的特點是傳熱和傳質(zhì)存在異體同構(gòu)的現(xiàn)象，這就是說，傳熱的方式包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，傳質(zhì)中除了沒有質(zhì)輻射，質(zhì)傳導(dǎo)和質(zhì)對流都存在，并且與熱傳導(dǎo)、熱對流一一對應(yīng)。但是在傳質(zhì)學(xué)中質(zhì)傳導(dǎo)叫作擴散傳質(zhì)，質(zhì)對流叫作對流傳質(zhì)。這就衍生出本門課程的主要學(xué)習(xí)方法即類比法，也叫作溫故知新法。這種學(xué)習(xí)方法貫穿于課程學(xué)習(xí)的始終。教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過傳熱學(xué)已學(xué)過的知識來學(xué)習(xí)熱質(zhì)傳遞規(guī)律的新知識，排除學(xué)生的陌生感和畏難情緒。

要提升教師的授課效果，必須從學(xué)生的需求出發(fā)，做到“有用”并且“有趣”?！坝杏谩奔匆笫谡n教師通過將預(yù)講授的知識和專業(yè)應(yīng)用或者生活中的實例相結(jié)合的方法，引出授課內(nèi)容?，F(xiàn)以第二章第二節(jié)擴散傳質(zhì)為例。由于本課程在深秋時節(jié)開課，因此列舉了金秋十月，清風送爽，丹桂飄香的實例，引導(dǎo)學(xué)生想象路過學(xué)院樓下幾株桂花樹的情景，并且特別假設(shè)一種理想情況（必須是無風，如果有風則變成我們下節(jié)課要講的對流傳質(zhì)）。通過這個實例，學(xué)生切身體會到什么是擴散傳質(zhì)，并且知道了擴散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系。在這個實例的基礎(chǔ)上，筆者又列舉了家庭中常用的樟腦丸，并要求學(xué)生用本節(jié)所學(xué)知識來解決“一顆樟腦丸多長時間可以用完”這個問題。這樣會使學(xué)生感到既“有用”又“有趣”。授課內(nèi)容方面需要精心設(shè)計，現(xiàn)在主流的教學(xué)方式為PPT和板書聯(lián)合教學(xué)。首先，在PPT的設(shè)計中要讓學(xué)生明確預(yù)學(xué)內(nèi)容在整個章節(jié)中的地位及其與前后章節(jié)的邏輯關(guān)系。同時，也要列出本節(jié)所要講授的具體內(nèi)容以及闡明各個小節(jié)之間的邏輯關(guān)系。例如，本節(jié)要講重要內(nèi)容“Fick定律”，然后講授運用Fick定律解決氣體、液體、固體中的穩(wěn)態(tài)擴散問題的“應(yīng)用舉例”環(huán)節(jié)，接著講授為了加深理解Fick定律的重要參數(shù)“擴散系數(shù)”，進行正式內(nèi)容的講授時在PPT的左側(cè)同時列出課程內(nèi)容的框架。這樣做的好處是一方面可以克服板書上羅列課程標題框架浪費時間的弊端，另一方面可以時刻提醒學(xué)生明晰所學(xué)內(nèi)容的位置，這樣有助于學(xué)生構(gòu)建知識體系，理清各個知識點之間的邏輯關(guān)系。與此同時，板書方面也需要精心設(shè)計，因為黑板的可利用空間有限。筆者在黑板利用方面秉承的原則是典型基本公式的推導(dǎo)用板書，系統(tǒng)和裝置的展示用PPT。演示推導(dǎo)基本公式的過程可使學(xué)生理解其來龍去脈，深刻領(lǐng)會處理問題的方法。由于筆者在PPT的設(shè)計中考慮了課程內(nèi)容的框架（PPT的左側(cè)提綱部分），因此在板書中并沒有重復(fù)列出這個框架，而是將有助于加深理解擴散系數(shù)的一個問題（Fick定律中組分A在組分B中的擴散系數(shù)DAB是否等于組分B在組分A中的擴散系數(shù)DBA？）進行板書推導(dǎo)，配合課件寫出一些并不復(fù)雜的演算過程，引導(dǎo)學(xué)生更加深入地思考問題［4］。講完本節(jié)所有內(nèi)容后的小結(jié)必不可少。通過小結(jié)可以進一步加深學(xué)生對所學(xué)知識的印象，梳理、理解所學(xué)知識的邏輯關(guān)系，用學(xué)生能否回答“一顆樟腦丸多長時間可以用完”這個問題來檢驗本節(jié)課的授課效果。

除此之外，教師的授課方式也至關(guān)重要。筆者認為以教師為主體地位的灌輸式教學(xué)方式不可取，于是采用“問答式”或者叫“互動式”“啟發(fā)式”的教學(xué)方法。整個課堂大都以聊天的方式展開，由于本課程和許多已學(xué)的基礎(chǔ)課程聯(lián)系密切，因此“溫故”的部分通?？梢钥疾閷W(xué)生對已學(xué)知識的掌握程度，“知新”的部分學(xué)生就會聽得更加專注，從而建立起新舊知識之間的聯(lián)系。例如，在講Fick定律時，由于傳熱和傳質(zhì)存在異體同構(gòu)現(xiàn)象，因此可以引導(dǎo)學(xué)生回憶傳熱學(xué)中的Fourier定律。通過對Fourier定律的回顧，我們知道由于溫度梯度的存在產(chǎn)生了熱量的傳遞，熱量傳遞的大小跟材料本身的性質(zhì)有關(guān)，從而引出導(dǎo)熱系數(shù)，公式中負號的存在是由于溫度梯度的方向和熱量傳導(dǎo)的方向相反。通常熱量是由高溫物體傳遞給低溫物體，那么溫度梯度的方向就是從低溫物體指向高溫物體。接下來引導(dǎo)學(xué)生采用類比的方法寫出Fick定律的表達式并分析每個字母和符號的含義，進一步反問學(xué)生“Fick定律是否適用于所有條件”，從而講解Fick定律的適用條件。總之，整個課堂氛圍比較活躍，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新精神。

二、豐富教學(xué)形式

以多媒體輔助板書作為主要的教學(xué)方式。多媒體教學(xué)的主要優(yōu)勢是使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過圖形、動畫等表現(xiàn)形式而變得直觀，便于學(xué)生理解，同時還可以提高教學(xué)效率。但也存在教學(xué)速度過快，信息容量大，學(xué)生對知識的消化困難，學(xué)生筆記跟不上、思路跟不上，影響聽課效果等缺點［5］。這時就需要板書輔助教學(xué)，板書內(nèi)容呈現(xiàn)過程有利于學(xué)生從中獲取有效信息。因此，筆者授課時就用板書推導(dǎo)典型的基本公式而用多媒體展示系統(tǒng)和裝置圖的辦法。

除此之外，筆者會在課前選擇內(nèi)容相對簡單的兩塊內(nèi)容分別隨機布置給兩名學(xué)生，讓學(xué)生做好備課后走上講臺講課，將傳統(tǒng)的“老師講課，學(xué)生聽課”改為“局部課程學(xué)生講，教師點評和補充”的新教學(xué)形式。實踐證明，此種教學(xué)形式穿插在傳統(tǒng)的教學(xué)形式中有以下優(yōu)點：①可以增強學(xué)生的參與感和主體地位。當學(xué)生已經(jīng)適應(yīng)了傳統(tǒng)的教學(xué)模式后就容易產(chǎn)生懈怠感，其思維的活躍性和與老師的互動性都會減弱，此時如果出現(xiàn)新的教學(xué)形式，勢必會增加學(xué)生的新鮮感，從而提升學(xué)生的課程參與度，改善聽課效果。②有利于培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識和自主學(xué)習(xí)能力；教師設(shè)立獎勵機制，通過增加其平時成績的辦法來鼓勵上臺講課的學(xué)生。讓報名參與的學(xué)生進行說課競賽，敘述教學(xué)目的、教學(xué)重點難點等，最終全班推選出獲勝的同學(xué)在規(guī)定的時間進行課程講授。在此任務(wù)的督促下，學(xué)生會主動地查找資料，制作多媒體課件并思考如何以淺顯易懂的方式向同學(xué)講明白課程的重點和難點。學(xué)生在備課過程中，其自主搜集、匯總資料、制作展示課件和自主學(xué)習(xí)的能力都隨之提高。③促進學(xué)生之間的討論和交流，培養(yǎng)合作意識；在學(xué)生走上講臺進行“授課”的過程中，臺下學(xué)生可能會有聽不懂的地方或者臺上學(xué)生無法及時回答臺下學(xué)生的提問的情況，這些都促使學(xué)生之間課后進行交流與討論，共同探討如何將存在的問題加以解決。④有利于活躍課堂氣氛，改進教師教學(xué)；學(xué)生“授課”的教學(xué)形式讓臺下學(xué)生因有新鮮感而將注意力較長時間集中于其講課內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)錯誤后會立即做出反應(yīng)，而不會像教師講課時迷信于老師的權(quán)威，相信老師講的都是對的。這就引發(fā)了學(xué)生的思考，增強了學(xué)生的思辨能力。另外，學(xué)生“授課”會有意無意地模仿其自認為最好的上課方式，教師在此過程中可以借鑒一些有益的講課方式來改進自己的教學(xué)。

三、改進考核方式

筆者通過多年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍存在的問題是學(xué)習(xí)的主觀能動性差、學(xué)習(xí)熱情不高，其所學(xué)課程內(nèi)容均等到課程結(jié)束后通過突擊復(fù)習(xí)的方式進行學(xué)習(xí)。這種短時間內(nèi)輸入大量信息的方式不利于學(xué)生深入領(lǐng)會和掌握課程的精髓。因此必須減小期末卷面考試成績所占比重，加大平時成績所占比重。傳統(tǒng)考核方式中平時成績包括課后作業(yè)和考勤，最多占期末總成績的30%。隨著信息化時代的到來，知識的更新周期不斷縮短，知識的接受不再如以往那么重要，對知識的選擇、整合、轉(zhuǎn)換的重要性增加。這些知識并非是靠言語所能傳授的，它只能通過學(xué)生主動地“構(gòu)建”和“再創(chuàng)造”而獲得，這對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的要求大為提高，在學(xué)生整體能力培養(yǎng)方面發(fā)揮更大的作用。

為此，我們設(shè)計了鼓勵學(xué)生積極主動進行課程學(xué)習(xí)的實施方案，將傳統(tǒng)的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統(tǒng)一把關(guān)”，這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，豐富教育形式，促進學(xué)生深入掌握課程的基本知識并加以靈活運用。其具體方案分為4部分：①所有學(xué)生每人出一份完整的試卷，試卷內(nèi)容包括判斷題（2分∕題）、簡答題（8分∕題）、案例分析題（10分∕題）、計算題（15分∕題）等題型中的任意3種，每題給出分值、答案解析和評分標準，同時標明題目來源。課程結(jié)束后上交試卷。②此項學(xué)習(xí)任務(wù)占期末總成績的50%，以提高學(xué)生對其的重視程度和參與的積極性。③試題可在國內(nèi)外網(wǎng)站上搜索，還可對搜索到的試題進行綜合改編（改編處需用不同顏色標出），也可以是學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識自己擬題，對于后兩類評分時可適當加分。所有題目中必須有一道題來源于外文試題。對于試題大面積雷同者，按提交時間先后順序排序，第一名正常給分，其余適當給予低分。文字部分與出題來源完全一樣的試題，數(shù)據(jù)必須改變，答案必須重新計算一遍。④對試卷進行分類整理和分析，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及其對課程內(nèi)容的掌握程度評出優(yōu)秀、良好和一般三個等級。

這項工作有利于培養(yǎng)學(xué)生搜尋、處理和應(yīng)用信息的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，豐富教育形式，促使學(xué)生系統(tǒng)、深入地掌握熱質(zhì)交換原理與設(shè)備這門課程的基本概念、基本理論和基本規(guī)律，提高學(xué)生分析和解決問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)、科研和工作奠定較為扎實的理論和實踐基礎(chǔ)。教師對改編試題的審核，對學(xué)生在出題過程中表述不夠嚴謹?shù)男薷牡榷际菍處煴旧韮渲R的擴充和深化。教師在學(xué)生完善試題庫的過程中一方面不斷引導(dǎo)學(xué)生站在教師的角度從所要掌握的基本知識出發(fā)來搜集、整理和改編試題，另一方面提醒學(xué)生要重視加強與老師和同學(xué)之間的交流，提高綜合能力。

四、將課程教學(xué)與科研、工程實踐相結(jié)合

目前我國高校畢業(yè)生的主要去向是工作和繼續(xù)深造。關(guān)于課程教學(xué)如何與工程實踐相結(jié)合，前文已有論述。將課程教學(xué)與科研相結(jié)合，爭取做到科研反哺教學(xué)。南京理工大學(xué)堅持人才培養(yǎng)的中心地位，立足于精英教育，造就求真務(wù)實、開拓創(chuàng)新、引領(lǐng)發(fā)展、具有國際視野的社會中堅力量。這就要求教師將課程相關(guān)的最新科研成果、研究方法帶入課堂，讓學(xué)生感受到科研的魅力。例如，在講授第二章第三節(jié)對流傳質(zhì)中的紊流傳質(zhì)機理時，本科階段在理解和處理紊流傳遞機理時，可以認為除分子傳遞現(xiàn)象外，宏觀流體微團的不規(guī)則摻混運動也引起動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，其結(jié)果從表象上看，相當于在流體中產(chǎn)生了附加的“紊流切應(yīng)力”“紊流熱傳導(dǎo)”和“紊流質(zhì)量擴散”。這個反映在最終的表達式上就是將分子微觀運動引起的分子擴散中的動力黏度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)擴散系數(shù)變成流體微團宏觀運動引起的紊流傳遞中的有效動力黏度系數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效質(zhì)擴散系數(shù)。此時可向?qū)W生拓展現(xiàn)在計算紊流的主流計算方法即大渦模擬（LES）和直接數(shù)值模擬（DNS），并對這兩種方法進行詳細的解釋和優(yōu)缺點介紹。最后鼓勵感興趣的學(xué)生進老師的項目組進行嘗試，參與力所能及的研究工作，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。

五、結(jié)語

筆者結(jié)合在熱質(zhì)交換原理與設(shè)備這門課中的教學(xué)經(jīng)驗，闡述了如何通過精心設(shè)計課程內(nèi)容，豐富教學(xué)形式，改進傳統(tǒng)考核方式以及將課程教學(xué)與科研、工程實踐相結(jié)合等舉措來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，使學(xué)生能靈活運用所學(xué)知識和提高課堂授課效果。與此同時，要營造良好的課內(nèi)外專業(yè)學(xué)習(xí)氛圍，使學(xué)生學(xué)有所用，以用促學(xué)，從而提高學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。