“新工科”背景下能源與動力工程專業(yè)《傳熱學》案例教學改革與實踐

黃軍 武文斐 張智羽 伍永福

摘? ?要：隨著我國“新工科”建設的深入開展，對新時期工程人才培養(yǎng)提出了更高要求，更加重視實踐能力的培養(yǎng)。案例教學是培養(yǎng)學生工程實踐能力的重要教學方法，本文結合能源與動力工程《傳熱學》課程實踐，利用從日常生活及工程實踐中開發(fā)出的典型案例，開展有效的案例教學設計與實踐。

關鍵詞：案例教學? 傳熱學? 教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0226-02

Abstract：With the deepening of the construction of "new engineering" in China， higher requirements are put forward for the training of engineering talents in the new period， and more emphasis is placed on the training of practical ability. Case teaching is an important teaching method to cultivate students' engineering practice ability. This paper combines the practice of energy and power engineering "heat transfer" course and the typical cases developed from daily life and engineering practice to carry out effective case teaching design and practice.

Key Words： Case teaching; Heat transfer; The teaching reform

1? 引言

當前，世界范圍內新一輪科技革命和產業(yè)變革加速進行，迫切需要高等學校培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。高等學校要主動服務國家戰(zhàn)略需求，主動服務行業(yè)企業(yè)需要，加快建設發(fā)展新工科，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進中國從工程教育大國走向工程教育強國[1-2]。內蒙古科技大學作為內蒙古地方高校，其能源與動力工程專業(yè)立足內蒙古，面向全國，緊密結合內蒙古自治區(qū)經濟社會發(fā)展，為國家電力、冶金、化工、機械、市政工程等行業(yè)培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展，基礎扎實，具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質應用型人才。

《傳熱學》是研究熱量傳遞規(guī)律的學科，是整個工程學科的基礎性學科，涉及能源，化工，材料，冶金，機械等專業(yè)。能源與動力工程專業(yè)中遇到的大部分技術問題都和熱量傳遞問題有關，傳熱學課程是其基礎核心課程，在課程體系和學生的認知體系中均占據重要地位。新工科這一概念的提出，對傳熱學教學提出了新的任務和挑戰(zhàn)。傳熱學課程教學過程中，必須緊密結合新工科特征，與時俱進，積極吸收新的教學理念，探索新的教學方法，從而促進本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的轉型與提高。

2? 課堂教學中存在的問題

能源與動力工程《傳熱學》教學目標是使學生明確傳熱研究對象，掌握傳熱過程基本原理、基本規(guī)律，為后續(xù)專業(yè)課的學習提供充分的理論準備;也為學生以后應用基本規(guī)律解決生產實際問題、將來從事科學研究打下必要的理論基礎。在教學中要注重培養(yǎng)學生運用技術基礎課的能力，培養(yǎng)其分析和解決實際問題的綜合素質。要求學生掌握工業(yè)及生活中常見傳熱過程的基本原理，基本規(guī)律;利用前期的微積分的知識針對常見的傳熱過程建立必要的數學模型并求解，掌握解決傳熱問題的科學方法;針對特定的工業(yè)過程，利用傳熱學的方法及手段能夠分析和解決常見的傳熱過程;對能源與動力工程相關的熱現象進行研究和實驗驗證，能夠對本專業(yè)涉及到的傳熱對象制定實驗方案，進行實驗研究。

在本專業(yè)多年的《傳熱學》教學實踐中，發(fā)現課堂教學存在以下兩個問題[3-4]。

第一是大部分學生反映傳熱學課程難學。造成這一問題的主要原因有三個方面： 首先，傳熱學不僅概念和公式多，而且與其他基礎課程聯(lián)系緊密，利用對于對流傳熱的講解就需要用到流體力學的知識，同時對于高等數學的知識也有一定的要求。其次，不同換熱涉及各種研究方法、計算公式，還有很多經驗式。最后計算難度較大，如數值計算和試算法，數值計算需用計算機編程計算; 試算中計算繁瑣，計算量大，這些具體的計算過程往往對學生造成較大的困擾。

第二是學生對傳熱學知識缺乏深刻的理解，基本原理的應用能力差。學生對很多傳熱學公式與概念只停留在機械記憶上，缺乏對其物理意義的理解，將傳熱學理論知識與工程實踐問題結合應用的能力較弱。如何利用學習的傳熱知識去分析和求解一個傳熱過程是本課程的核心目的，只有通過大量的實例分析，才能增強對傳熱學知識的理解。

3? 案例教學的關鍵點及實施

由于傳熱學課程課堂教學中常用數學語言推導熱物理規(guī)律，較為抽象。因此如何調動學生的學習積極性，使學生認識到傳熱學課程的必要性和趣味性，對提高課堂授課效果至關重要。一個重要的方法是在《傳熱學》教學實踐中引入案例分析法來加強教學工作，降低理論學習的枯燥性，提高課程內容學習的可理解性，有效激發(fā)學生的積極性與創(chuàng)新意識。在案例教學中涉及的關鍵問題如下[5-8]：

第一，讓學生理解傳熱學的研究內容。傳熱學是研究由于溫差而引起的熱能傳遞的學科，物體中溫差（△T）多少與單位時間內傳遞多少熱量（Q）之間的關系。表征溫差（△T）需要借助數學工具梯度的概念，引入溫度梯度▽T，表征熱量（Q）可以表述為熱流量（Φ）和熱流密度（q）。傳熱學表征不同傳熱過程就是尋找溫度梯度▽T與熱流密度（q）之間的關系。導熱、對流、輻射三種傳熱方式的溫差和熱流之間的關系如圖1所示，利用數學工具表征溫差和熱流。

第二，案例的選擇。選取的案例首先要針對傳熱學本科教學的重點內容，例如傳遞過程、一維穩(wěn)態(tài)導熱、零維問題、邊界層對流傳熱等，其次案例的選擇要緊密和教學內容貼合，要體現教材中的重難點，同時案例要具有生動性、吸引性、時效性，在調動學生積極性的同時，也應注意吸引學生參與案例的討論，使其對相關內容印象深刻。此外，所選的案例要充分考慮學生的學習程度，以及學習能力的差異，避免分析難度大，涉及知識點多且知識點相互交叉的教學案例。傳熱學案例教學法是通過分析課程的特點和課程的教學現狀，在教學內容上嘗試選用生活中的傳熱學實例，一些可以借鑒的已完成的科研項目，將這些案例應用到該課程的基礎知識中，通過案例設計、組織并呈現于課堂上。在具體的教學實踐中，對于《傳熱學》課程中的導熱、對流、輻射三大板塊，每個板塊設計4～5個生活和科研上的案例，在課堂教學中專門講解與互動。

第三，教學案例的解析與實施。傳熱學教學案例引入手段可以是文字描述，也可以是多媒體或者圖表，也可以是經過精心設計的小教具，例如強制對流的小裝置等。將案例呈現后，根據教學目標，在教學過程中來循序漸進地啟發(fā)學生，不斷引導學生積極地進行思考;課堂形式也變得靈活多變，比如讓學生組成多個小組，每個小組合作分析和討論案例中的各種問題，探索解決問題的方法，通過這樣的方式培養(yǎng)學生應用理論知識解決實際問題的能力。

第四，教具的使用。一些在課堂教學中容易實施的小教具，可以在課堂教學中起到提高教學效果的作用。例如，利用電腦CPU散熱的強制對流裝置制作多層平壁導熱和強制對流換熱的小教具，滿足課堂上的演示需要，并傳熱學教學實踐中實施。

傳熱學課程是能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，課程主要是為后續(xù)專業(yè)課的學習打下基礎。課程本身雖然是專業(yè)基礎課，但也具有很多實踐問題。生活中碰到的傳熱問題非常多，同時我校能源與動力工程專業(yè)涉及電力、冶金行業(yè)的很多項目及課題，將這些工程實際項目歸納整理，然后與課程知識對接，可以使學生更好地體會到如何將理論知識應用于實際工程，這擴寬了學生的視野，消除了學生認為學習理論知識無用和不知如何用的想法，激發(fā)了學生的學習興趣，強化學生的工程觀念[9-12]。

案例教學在目前日常教學中涉及較少，通過《傳熱學》案例教學改革與實踐，對教師而言，教學方式和教學方法的改進對教師提出了更高的要求，不僅要及時關注和更新案例，而且要求教師要具備更強的組織、駕馭和協(xié)調能力，對學生來說，案例教學可以讓學生將理論知識與實際應用結合，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

4? 結語

在本科《傳熱學》教學實踐中，通過將案例和目前的教學大綱有機結合，穿插在現有的教學過程中。通過案例問題與任務模擬，搭建起“以學生為主體”的“問題導向”與“任務導向”學習框架，將工程知識和技能學習與工程實踐經驗連結起來，培養(yǎng)學生的現代工程師素養(yǎng)，適應“新工科”的教學要求。

參考文獻

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