科研促教學(xué)—傳熱學(xué)課程教學(xué)優(yōu)化探究

賈明正　孫悅　馬雪芹

摘 要：傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律，所涉及到的知識(shí)在能源、汽車(chē)、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了更好的優(yōu)化教學(xué)效果，本文主要從科研融入教學(xué)、學(xué)生參與科研兩個(gè)方面來(lái)優(yōu)化教學(xué)，為傳熱學(xué)課程教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 教學(xué) 科研 優(yōu)化

高校教師的主要工作是教學(xué)和科研，雖然對(duì)于高校教師來(lái)說(shuō)，教學(xué)和科研工作都有自己的規(guī)律和側(cè)重點(diǎn)。但實(shí)際上，教學(xué)與科研必須緊密結(jié)合，形成互動(dòng)，才能更好的促進(jìn)其共同發(fā)展。一方面，教學(xué)為科研明確方向，成為科研成果交流討論的平臺(tái)；另一方面，科學(xué)研究可以促進(jìn)教學(xué)。如果沒(méi)有扎實(shí)的科研基礎(chǔ)和深厚的科研背景，沒(méi)有長(zhǎng)期科研工作積累的經(jīng)驗(yàn)和成果，教學(xué)質(zhì)量就無(wú)法保證。因此，教學(xué)與科研相輔相成，相互影響，密不可分，相互促進(jìn)。

傳熱學(xué)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，所涉及到的知識(shí)在許多工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容是由溫差引起的熱量傳遞的規(guī)律[1]，在教學(xué)過(guò)程中需要對(duì)經(jīng)典理論、公式推導(dǎo)和例題進(jìn)行講解。本文結(jié)合傳熱學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索科研促教學(xué)的具體途徑，通過(guò)對(duì)課程的進(jìn)一步優(yōu)化，提高傳熱學(xué)課程的教學(xué)效果。

1 科研對(duì)于傳熱學(xué)教學(xué)的重要性

知識(shí)的更新可以促進(jìn)能源與動(dòng)力工程專業(yè)的發(fā)展，傳熱學(xué)作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生是否能掌握該門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)，是后續(xù)專業(yè)課程的能否學(xué)好，畢業(yè)設(shè)計(jì)能否做好的關(guān)鍵，同時(shí)也為畢業(yè)后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)、換熱器、制冷等行業(yè)打下一定的理論基礎(chǔ)，這就要求授課教師既要認(rèn)真研究課本中的內(nèi)容，又要持續(xù)通過(guò)科研創(chuàng)新追蹤課程前沿，持續(xù)更新自己的專業(yè)知識(shí)，將科研創(chuàng)新與課程結(jié)合起來(lái)，將科研成果融入教學(xué)，這樣做可以對(duì)教學(xué)效果起到良好的促進(jìn)作用。

2 將科研成果融入課堂教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

傳熱學(xué)所學(xué)內(nèi)容是換熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)、保溫隔熱等研究的基礎(chǔ)知識(shí)。因此，在傳熱學(xué)授課過(guò)程中，可以通過(guò)增加所講知識(shí)對(duì)應(yīng)的最新研究?jī)?nèi)容，來(lái)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)闡述。

熱輻射是傳熱學(xué)的重要內(nèi)容，所講內(nèi)容主要包括熱輻射定律、熱輻射特性及計(jì)算等?；鶢柣舴蚨伞⑻m貝特定律等都是黑體熱輻射的重要定律，蔣曉熙[2]等通過(guò)應(yīng)用基爾霍夫定律、蘭貝特定律等定律探究了房屋結(jié)構(gòu)、材料發(fā)射率對(duì)地暖的影響，那么在對(duì)黑體輻射相關(guān)定律進(jìn)行講解過(guò)程中，就可以把上述研究融入進(jìn)去，讓學(xué)生知道所學(xué)內(nèi)容在科學(xué)研究中的應(yīng)用。遮熱板是用于削弱輻射傳熱的薄板，為了更好的講解其原理和應(yīng)用，在教學(xué)過(guò)程中可以把最新的科研成果融入其中。例如，王其良[3]等提出一種內(nèi)置遮熱板的新型高溫集熱管，并且對(duì)比分析了有無(wú)遮熱板的兩種真空集熱管的性能，發(fā)現(xiàn)在給定工況條件下，有遮熱板的集熱管在集熱溫度高于285℃時(shí)輻射熱損小。把王其良的研究?jī)?nèi)容融入到教學(xué)過(guò)程中，這樣可以使學(xué)生更好的理解遮熱板在輻射傳熱中的作用。

在對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行分析的教學(xué)過(guò)程中，可以把墻體保溫研究成果融入其中，比如，劉超杰[4]等采用數(shù)值模擬方法分析了導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱對(duì)空心磚溫度分布和熱流量的形象。分析表明導(dǎo)熱和輻射傳熱對(duì)空心磚總傳熱量影響較大，而對(duì)流傳熱影響較小。張勇[5]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比分析了生產(chǎn)型建筑腔體表皮系統(tǒng)（PASS）和幾種常用建筑材料的保溫性能，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)研究表明，PASS的整體保溫性能要好于中空玻璃雙層窗和未鋪設(shè)保溫材料的其他幾種建筑材料。生產(chǎn)型單元在冬季正常使用工況下，保溫性能更加穩(wěn)定，和保溫空心砌磚的保溫性能比較接近，內(nèi)墻面界面的穩(wěn)定熱通量為18.03W/m2。通過(guò)把上述研究?jī)?nèi)容融入傳熱過(guò)程的教學(xué)中，可以讓學(xué)生更好復(fù)習(xí)三種基本傳熱方式，更好的理解傳熱系數(shù)、熱通量等概念和這些概念在實(shí)際科研、工程領(lǐng)域的作用，此外通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程的講解可以讓學(xué)生了解應(yīng)該如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

換熱器是能源、汽車(chē)、制冷等行業(yè)的重要換熱設(shè)備[6]，也是傳熱學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)生要掌握的重要知識(shí)，為了更好的讓學(xué)生掌握換熱器的原理、計(jì)算、發(fā)展情況，把換熱器的最新研究成果融入教學(xué)過(guò)程中就顯得非常必要。比如，甘劉意[7]等提出了一種新型高效縮放板螺旋板式換熱器，其流道結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用Fluent軟件分析了雷諾數(shù)對(duì)該換熱器傳熱影響因子、阻力影響因子等參數(shù)的影響，并且發(fā)現(xiàn)該換熱器相比于普通的螺旋板式換熱器綜合性能更優(yōu)。莫遜[8]等研究分析了三維隱形翅片管的傳熱性能和流動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)換熱器的總傳熱系數(shù)和阻力都是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。與其它強(qiáng)化管式換熱器進(jìn)行對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)前者管側(cè)和殼側(cè)的綜合性能因子更優(yōu)。為了更好的讓學(xué)生理解雷諾數(shù)、傳熱因子、阻力因子、總傳熱系數(shù)等參數(shù)的意義以及知道這些參數(shù)在解決實(shí)際問(wèn)題中的作用，并且了解換熱器的優(yōu)化方法及優(yōu)化方向，就可以把上述研究?jī)?nèi)容融入換熱器的教學(xué)，增加學(xué)生的理解能力。

通過(guò)上述實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中結(jié)合保溫隔熱[9]、強(qiáng)化傳熱[10-12]、輻射換熱[13]等科學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題，既可以加深學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)理論知識(shí)的理解，又可以增強(qiáng)學(xué)生利用傳熱學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在教學(xué)過(guò)程中，將換熱器、保溫、太陽(yáng)能熱利用等最新的研究方法和成果融入傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)也能了解到前沿知識(shí)，可以更好的激發(fā)學(xué)生的求知欲。但是根據(jù)不同知識(shí)點(diǎn)，選擇合適的科研內(nèi)容及成果融入教學(xué)過(guò)程中，無(wú)疑是一項(xiàng)全新的挑戰(zhàn)，這就要求授課教師投入更多的時(shí)間和精力。備課時(shí)既要緊密結(jié)合教學(xué)大綱，又要查閱大量資料，做到講課內(nèi)容緊跟前沿。通過(guò)補(bǔ)充傳熱學(xué)最新的科研知識(shí)，既保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，又增加了知識(shí)的實(shí)用性，讓學(xué)生知道所學(xué)內(nèi)容具有現(xiàn)實(shí)意義，從而促進(jìn)學(xué)生積極思考，主動(dòng)參與教學(xué)過(guò)程，更好的體現(xiàn)學(xué)生的主題作用。

3 學(xué)生參與科研，培養(yǎng)學(xué)生科研能力

高校學(xué)生參與科研是課堂教學(xué)的延續(xù)，也是實(shí)踐教學(xué)的重要組成。為了提高能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，在傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中，授課教師可以根據(jù)自己所研究的內(nèi)容，結(jié)合傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)置一些適合學(xué)生研究的創(chuàng)新型課題，并通過(guò)設(shè)立獎(jiǎng)勵(lì)制度，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與其中，通過(guò)學(xué)生參與創(chuàng)新型科研來(lái)鞏固課堂教學(xué)，提高傳熱學(xué)整體教學(xué)效果。

無(wú)論是在工程還是在科研上，CFD仿真軟件對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)人員來(lái)說(shuō)都是非常重要的，通過(guò)CFD仿真軟件可以精確描述流體流動(dòng)規(guī)律和熱量傳遞現(xiàn)象。因此，在傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中可以把CFD仿真軟件融入其中，讓學(xué)生參與到與運(yùn)用CFD仿真軟件進(jìn)行仿真的科研實(shí)踐活動(dòng)中。例如，在電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)中，動(dòng)力電池性能的好壞直接影響著電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的綜合性能和安全性。在影響動(dòng)力電池性能的因素中，溫度起到至關(guān)重要的作用。為了保證動(dòng)力電池在一定的溫度范圍內(nèi)工作，并使各單體電池間溫度分布更加均勻，需要設(shè)計(jì)一套高效的熱管理系統(tǒng)。因此，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)[14，15]就成為科研人員現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，熱管理系統(tǒng)的類型主要有風(fēng)冷、液冷、制冷劑直接冷卻系統(tǒng)等，熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化可以通過(guò)CFD仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在傳熱學(xué)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，可以以液冷熱管理系統(tǒng)中的一種液冷板[16]的優(yōu)化為課題，結(jié)構(gòu)如圖3所示。此液冷板的優(yōu)化方向有流道數(shù)量的優(yōu)化、流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，讓學(xué)生以小組的形式參與到運(yùn)用CFD仿真軟件優(yōu)化液冷板的課題中。

汽車(chē)空調(diào)冷凝器是汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)重要部件之一，其作用為把從汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)排出的高溫高壓的氣態(tài)制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑，在這個(gè)過(guò)程中制冷劑通過(guò)冷凝器向環(huán)境散熱?，F(xiàn)在使用比較多的是平行流式冷凝器，該冷凝器主要由鋁制扁管和百葉窗波紋翅片所構(gòu)成，扁管與波紋翅片之間采用釬焊連接方式降低熱阻。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。扁管、百葉窗、流道等都是平行流冷凝器的優(yōu)化方向[17，18]，因此在實(shí)踐教學(xué)中可以以汽車(chē)平行流冷凝器扁管、百葉窗、流道結(jié)構(gòu)等的優(yōu)化為課題，讓學(xué)生以小組的形式運(yùn)用CFD仿真軟件對(duì)平行流冷凝器的一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

在學(xué)生參與上述科研課題過(guò)程中，學(xué)生不僅可以掌握運(yùn)用CFD仿真軟件進(jìn)行換熱設(shè)備優(yōu)化的方法，而且可以強(qiáng)化對(duì)所涉及到的傳熱知識(shí)的理解。使用CFD仿真軟件對(duì)動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)液冷板和換熱器等進(jìn)行建模、仿真、分析，可以使學(xué)生更直觀的看到液冷板、換熱器等設(shè)備中工質(zhì)溫度、速度等參數(shù)的變化，有助于學(xué)生更好的理解研究對(duì)象的傳熱過(guò)程，掌握傳熱原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其綜合能力提高。

綜上所述，通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生參加與傳熱學(xué)有關(guān)的科研課題，不但有助于學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)和掌握相關(guān)科研方法，還有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的科研創(chuàng)新興趣，提高理論知識(shí)和實(shí)際結(jié)合運(yùn)用的能力，從而增強(qiáng)學(xué)生的整體素質(zhì)，促進(jìn)傳熱學(xué)教學(xué)效果。

4 總結(jié)

科研促教學(xué)，將科研融入傳熱學(xué)課程教學(xué)，鼓勵(lì)、支持學(xué)生積極參與科研，是培養(yǎng)能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和科研能力最直接、最重要、最有效的舉措，也是科研促進(jìn)教學(xué)的重要途徑?？蒲袃?nèi)容與傳熱學(xué)課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，更好的體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，對(duì)傳熱學(xué)教學(xué)起到良好的促進(jìn)作用。

基金資助：黃河交通學(xué)院2022年度教科研項(xiàng)目（Hhjt-2022073）；傳熱學(xué)一流課程項(xiàng)目（HHJTXY-2021ylkc24）。

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