王義江+周國慶+馮偉

摘要：針對傳熱學(xué)課程內(nèi)容豐富、側(cè)重理論分析、知識點(diǎn)相對獨(dú)立和關(guān)聯(lián)課程眾多等特點(diǎn)，圍繞教學(xué)過程中所遇到的數(shù)學(xué)分析繁多枯燥、理論知識拓展不夠、課堂教學(xué)形式單一和實(shí)驗(yàn)與理論課程脫節(jié)等問題，分別從科研難題融入教學(xué)、重視理論背景知識、遴選優(yōu)秀教材內(nèi)容和改革考試出題方式四個方面對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，通過加強(qiáng)過程考核、強(qiáng)化實(shí)踐能力、開展問題導(dǎo)向授課和建立微信課堂四個方面對教學(xué)手段進(jìn)行改革。結(jié)果顯示，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到顯著提升，對傳熱學(xué)課程知識也掌握得更加牢固。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；興趣學(xué)習(xí)；教學(xué)改革；方法研究

中圖分類號：G6420；TK文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2017）05005404

一、傳熱學(xué)課程概況

（一）課程概述

傳熱學(xué)是研究溫差作用下熱量傳遞過程和傳熱速率的科學(xué)，在科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。傳熱學(xué)課程是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學(xué)科基礎(chǔ)課程[1-2]。該課程課堂學(xué)時為56學(xué)時，另有6學(xué)時的試驗(yàn)課，與流體力學(xué)、工程熱力學(xué)課程一起單獨(dú)設(shè)置熱工與流體基礎(chǔ)試驗(yàn)課，一般在二年級下學(xué)期開設(shè)。

傳熱學(xué)主要內(nèi)容包含三部分[3]：導(dǎo)熱部分，包括穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及數(shù)值計(jì)算；對流換熱部分，包括對流換熱基本理論、單相流體對流換熱（含內(nèi)流、外流和自然對流）、沸騰及凝結(jié)換熱；輻射換熱部分，包括熱輻射基本定律、輻射換熱計(jì)算。三部分內(nèi)容相對獨(dú)立，均有各自的分析方法和求解思路。

傳熱學(xué)課程教學(xué)目的是，通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生理解熱量傳遞的基本規(guī)律及分析思路，掌握傳熱強(qiáng)化與削弱傳熱的基本方法。同時通過課程學(xué)習(xí)，提升學(xué)生邏輯思維能力和綜合素質(zhì)，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程傳熱問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。

（二）課程特點(diǎn)

1.課程內(nèi)容豐富

中國礦業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)培養(yǎng)方案從2000版開始?xì)v經(jīng)5

次修改，傳熱學(xué)課程學(xué)時逐漸壓縮到課堂56學(xué)時+試驗(yàn)6學(xué)時（單獨(dú)設(shè)課）。雖然學(xué)時不斷減少，但教學(xué)內(nèi)容卻未曾減少，甚至還有所增加。從導(dǎo)熱基本理論到穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和數(shù)值計(jì)算，從對流換熱基本原理到外掠、內(nèi)流換熱以及相變傳熱，從輻射換熱基本定律到輻射換熱計(jì)算，從傳熱過程到換熱器設(shè)計(jì)、校核計(jì)算，內(nèi)容十分豐富，教學(xué)進(jìn)程相對緊張。

2.側(cè)重理論分析

傳熱學(xué)課程包含大量公式推導(dǎo)，無論是導(dǎo)熱、對流還是輻射傳熱問題，均有若干計(jì)算公式。比如肋片導(dǎo)熱問題就與微分方程求解密切相關(guān)，描述對流換熱過程的質(zhì)量、動量和能量守恒方程組，表面輻射換熱公式的推導(dǎo)過程等都有計(jì)算公式。學(xué)生對相關(guān)公式推導(dǎo)過程大都感覺枯燥乏味，難以跟上授課節(jié)奏，學(xué)習(xí)積極性不高。

3.知識點(diǎn)相對獨(dú)立

從傳熱學(xué)的三大核心內(nèi)容看，導(dǎo)熱問題與微分方程關(guān)聯(lián)密切，如一維大平板非穩(wěn)態(tài)傳熱問題中采用的分離變量法求解等，大多與嚴(yán)格的解析計(jì)算有關(guān)。對流換熱雖然也有三大守恒方程，但由于動量守恒方程求解的復(fù)雜性，在實(shí)際工程計(jì)算時多采用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式進(jìn)行分析，側(cè)重于經(jīng)驗(yàn)公式的選擇而不強(qiáng)調(diào)計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)格精確。輻射換熱計(jì)算則介于導(dǎo)熱和對流之間，既有計(jì)算過程的理論推導(dǎo)，也有相應(yīng)結(jié)論的直接應(yīng)用。但由于輻射換熱計(jì)算與空間位置有關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生在知識理解和實(shí)際計(jì)算中容易出現(xiàn)各類問題。

4.關(guān)聯(lián)課程眾多

與傳熱學(xué)各知識點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的課程內(nèi)容較多，如穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱肋片溫度分布計(jì)算中需要用到高等數(shù)學(xué)的微分方程內(nèi)容，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱則要用到數(shù)學(xué)物理方程相關(guān)內(nèi)容，數(shù)值計(jì)算則需要線性代數(shù)和計(jì)算機(jī)語言的知識，對流換熱分析與流體力學(xué)關(guān)系密切，輻射換熱分析則要用到相關(guān)物理知識。因此，要想學(xué)好傳熱學(xué)，必須先把這些關(guān)聯(lián)課程的有關(guān)內(nèi)容知識搞清楚。

高等建筑教育

二、教學(xué)過程中面臨的問題

（一）數(shù)學(xué)分析繁多枯燥

傳熱學(xué)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，知識結(jié)構(gòu)邏輯嚴(yán)密，理解起來較枯燥。此外，現(xiàn)在大學(xué)生對數(shù)理類課程整體興趣不高，而傳熱學(xué)恰恰與數(shù)理類課程關(guān)聯(lián)密切，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和興趣不高，

影響課堂參與的主動性，學(xué)習(xí)效果難以得到保證[5]。

（二）理論知識拓展不夠

傳熱學(xué)理論公式大多源于試驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，其背景知識對于理解傳熱學(xué)相關(guān)公式具有重要參考意義。此外，理論知識最終還是要用來解決實(shí)際工程問題，導(dǎo)熱、對流和輻射三種基本熱量傳遞方式均與工程問題聯(lián)系密切。因此，課堂教學(xué)除了講授相關(guān)知識點(diǎn)外，還需將理論知識加以拓展，以有助于學(xué)生理解，并提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（三）課堂教學(xué)形式單一

建環(huán)專業(yè)每年招收兩個班約60人，受人數(shù)限制，課堂教學(xué)大多采用多媒體集中教學(xué)模式。多媒體教學(xué)最大優(yōu)勢是可以在短時間內(nèi)推送大量信息，加快教學(xué)節(jié)奏，保證在較短學(xué)時內(nèi)完成大量知識點(diǎn)的講授。然而這樣也容易導(dǎo)致“滿堂灌”，學(xué)生課堂壓力大，容易疲勞，學(xué)習(xí)積極性降低[6-7]。

（四）實(shí)驗(yàn)與理論課程脫節(jié)

培養(yǎng)方案中將流體力學(xué)、工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)三門課程實(shí)驗(yàn)合并為熱工與流體基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。雖然這樣有利于加強(qiáng)對實(shí)踐環(huán)節(jié)的管理與監(jiān)督，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)與理論知識脫節(jié)，不利于學(xué)生及時將理論知識與實(shí)際相聯(lián)系。

三、理論聯(lián)系實(shí)際，完善教學(xué)內(nèi)容

（一）將科研難題融入教學(xué)

結(jié)合團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的973課題中有關(guān)青藏高原凍土方面的科研問題，將其中與傳熱學(xué)知識點(diǎn)相關(guān)的若干科學(xué)問題引入課堂。比如在講授對流換熱時，引入青藏鐵路采用通風(fēng)管路基、塊石路基等技術(shù)手段的內(nèi)容，冬季通過對流換熱來降低路基底部凍土溫度，才不會因?yàn)樵趦鐾恋乇硇拗坊鹌錅囟壬呷诨鴮?dǎo)致凍土承載力下降；在講授相變傳熱時，引入青藏公路兩側(cè)采用熱棒技術(shù)來降低路基溫度，保證凍土強(qiáng)度的方法；在講到傳熱強(qiáng)化和削弱時，引入高溫礦井采用巷道壁面隔熱技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地下熱環(huán)境的改善，還可以對隔熱效果進(jìn)行相關(guān)分析等內(nèi)容。將科研endprint

問題引入課堂教學(xué)中，可以大幅提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工程中分析解決傳熱問題的能力，同時也鞏固拓展所學(xué)的理論知識[8]。

（二）強(qiáng)化理論背景知識

在理論講授中，可增加適當(dāng)?shù)谋尘爸R的介紹。傅里葉定律是研究導(dǎo)熱問題的基本方程。實(shí)際上，傅里葉對傳熱問題的研究非常深入。他求解了實(shí)心立方體、實(shí)心圓柱、實(shí)心球等熱傳導(dǎo)方程，并通過三角級數(shù)方法獲得了這些問題的嚴(yán)格解析表達(dá)式。傅里葉在數(shù)學(xué)和物理方面的成就體現(xiàn)在兩個方面[9]：一是把物理問題表述為線性偏微分方程的邊值問題；二是在求解導(dǎo)熱方程中所發(fā)明的求解方法，為數(shù)學(xué)分析提出了許多新的研究課題，傅里葉級數(shù)和傅里葉積分便是其代表性成就。沸騰曲線中Leidenfrost點(diǎn)名稱的由來，是1756年德國醫(yī)生

萊頓弗羅斯特在一把燒得通紅的鐵勺上滴上一滴水珠，水珠竟然懸浮起來并持續(xù)30秒。其根本原因是接觸炙熱的鐵勺后，水滴底部立即形成一層水蒸汽，把水珠與鐵勺隔開，使得水滴懸浮起來，懸浮起來的水滴暫時不能吸收更多熱量從而減慢了汽化速度。黑體輻射中單色輻射力隨波長和溫度變化的Planck定律，是德國科學(xué)家普朗克提出的，他21歲即獲得博士學(xué)位，1900年提出量子論，并于1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。發(fā)現(xiàn)黑體輻射力的玻爾茲曼22歲時獲得博士學(xué)位，畢業(yè)于維也納大學(xué)，他與奧斯特瓦爾德間發(fā)生的“原子論”和“唯能論”爭論持續(xù)多年。這些背景知識，對學(xué)生理解傳熱學(xué)理論發(fā)展歷程有很大幫助，也有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（三）遴選優(yōu)秀教材

傳熱學(xué)課程教材為天津大學(xué)章熙民教授編寫，系建環(huán)專業(yè)指導(dǎo)委員會推薦的教材。在授課過程中，還應(yīng)參考其他國內(nèi)外經(jīng)典傳熱學(xué)課程教材。非穩(wěn)態(tài)傳熱的正規(guī)狀況階段，借鑒陶文銓所編教材提出的平板任意一點(diǎn)過余溫度與板中心過余溫度的比值不再變化這一規(guī)律，學(xué)生更容易理解；對于一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的求解方法，可參考奧奇西克所著的《熱傳導(dǎo)》中關(guān)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程求解所用的分離變量法、格林函數(shù)法和拉普拉斯變換法等方法。管內(nèi)對流換熱分析時需要用到圓管內(nèi)流體速度分布的知識，可參考Incropera[10]關(guān)于內(nèi)流換熱部分圓管流體速度分布的推導(dǎo)過程。此外，還可引入Munson所著《流體力學(xué)基礎(chǔ)》[11]中關(guān)于管內(nèi)流動進(jìn)口段和充分發(fā)展段特征的分析思路，將管內(nèi)流動發(fā)展規(guī)律與管內(nèi)傳熱發(fā)展規(guī)律結(jié)合起來理解。

（四）改革考試出題方式

課程考試是評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段。改變傳統(tǒng)的改編

教材例題及課后習(xí)題，收集“人環(huán)杯”競賽、各高校研究生招生及注冊考試等部分經(jīng)典考題建立考試題庫的做法；教學(xué)過程中也可引入部分試題作為范例，加強(qiáng)學(xué)生對傳熱學(xué)知識的理解。凝練工程問題，增加主觀題比例，讓學(xué)生切實(shí)體會到學(xué)習(xí)傳熱學(xué)知識是能夠真正解決實(shí)際問題的，避免學(xué)生僅靠死記硬背來應(yīng)付考試。

四、改革教學(xué)方式，提高學(xué)習(xí)興趣

良好的教學(xué)手段是學(xué)生保持學(xué)習(xí)興趣的重要保障，以學(xué)生為中心，不斷改進(jìn)授課方式，切實(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（一）加強(qiáng)過程考核

有的學(xué)生上課不認(rèn)真，考前才突擊復(fù)習(xí)，以致知識掌握不牢、理解不深，因此應(yīng)該加強(qiáng)平時過程考核。如傳熱學(xué)課程按照導(dǎo)熱、對流和輻射三部分內(nèi)容分別設(shè)置小考，且在總評成績中占一定比例；課堂授課時也隨機(jī)增加一些小測驗(yàn)，幫助教師及時了解學(xué)生對知識的掌握程度；根據(jù)需要設(shè)置若干綜合性大作業(yè)，5～6名學(xué)生一組任選一題，并在課堂預(yù)留五分鐘由小組代表敘述結(jié)題思路，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。所有這些過程考核均作為平時成績的重要組成部分，對作業(yè)認(rèn)真、優(yōu)秀的學(xué)生及時予以表揚(yáng)，以調(diào)動全體學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性。

（二）強(qiáng)化實(shí)踐能力

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課，共開設(shè)恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測定材料熱物性、液體導(dǎo)熱系數(shù)測定、強(qiáng)迫對流管族管外換熱系數(shù)和中溫輻射黑度測試四個實(shí)驗(yàn)，僅由實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)。由于實(shí)驗(yàn)課開設(shè)時間滯后于理論教學(xué)，造成實(shí)驗(yàn)與理論不能緊密銜接，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)起不到應(yīng)有的作用。為此調(diào)整了實(shí)驗(yàn)課開設(shè)的時間，且要求理論課教師同步參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外，在講授導(dǎo)熱問題數(shù)值解法時，指導(dǎo)學(xué)生采用VBA或所學(xué)的計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行上機(jī)編程操作，來完成課后習(xí)題的數(shù)值計(jì)算，旨在提高學(xué)生實(shí)踐能力，也讓學(xué)生體驗(yàn)應(yīng)用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問題的樂趣。

（三）問題導(dǎo)向授課

盡量將授課內(nèi)容中的重點(diǎn)難點(diǎn)與工程或生活案例相結(jié)合，在每次授課時先提出問題，讓學(xué)生帶著問題去聽課。如在講授穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，通過對教室墻體保溫效果的分析，提出熱流密度與哪些參數(shù)有關(guān)的問題，通過學(xué)習(xí)幫助學(xué)生認(rèn)識到溫度梯度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)的具體含義；講授相變傳熱時，一滴水在120℃和400℃鐵板上哪個蒸發(fā)更快？按照之前講述的對流傳熱知識，學(xué)生必然認(rèn)為400℃鐵板上水蒸發(fā)得更快，然而事實(shí)卻恰好相反，這一實(shí)際案例可以加深學(xué)生對沸騰曲線的理解；輻射換熱中維恩位移定律說明峰值波長會隨溫度升高而向短波方向移動，那么與黑體溫度相同的灰體峰值波長會出現(xiàn)“藍(lán)移”現(xiàn)象又應(yīng)該如何解釋呢？課前提出這類與所講授知識相關(guān)的具體問題，可以激發(fā)學(xué)生的想象力和興趣，讓學(xué)生帶著問題來聽課，課堂學(xué)習(xí)效率會更高。

（四）建立微信課堂

傳熱學(xué)課程多采用多媒體結(jié)合板書的授課方式，教學(xué)模式相對單一。針對學(xué)生普遍使用手機(jī)的特點(diǎn)，建立傳熱學(xué)課程微信公眾號，主要設(shè)置以下功能：一是下次課所講授課程的重難點(diǎn)介紹與分析，同時發(fā)布多媒體課件；二是發(fā)布課后習(xí)題、大作業(yè)等答案和解題思路；三是推送與傳熱學(xué)研究相關(guān)的科技論文、經(jīng)典教材案例等資料；四是解答學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題。

圖1為2016年6月12日～7月7日間所發(fā)布教學(xué)課件的點(diǎn)擊人數(shù)及次數(shù)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該段時間內(nèi)學(xué)生點(diǎn)擊人數(shù)246人次，點(diǎn)擊次數(shù)812次。課程結(jié)束后學(xué)生反映建立課程教學(xué)公眾號這一方式更方便課后復(fù)習(xí)，能夠及時解答學(xué)習(xí)過程中所遇到的困惑，也拉近了學(xué)生與教師之間的距離。endprint

圖1微信課堂圖文點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)

五、教學(xué)改革效果

（一）提升學(xué)習(xí)興趣

大部分學(xué)生對教學(xué)中引入工程和生活案例進(jìn)行講解的做法非常贊同，且大都建議應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱學(xué)理論與實(shí)際工程問題的聯(lián)系。學(xué)生認(rèn)為課前引入問題，帶著問題聽課，對加深相關(guān)知識點(diǎn)的理解非常有幫助。建立微信課堂，大大提升了師生間的溝通效率，能及時解決學(xué)生遇到的難題，提升學(xué)習(xí)積極性。

（二）學(xué)習(xí)效果顯著

學(xué)生能較好完成各類大作業(yè)，課程考試成績分布更趨于合理。此外，學(xué)生還積極參與相關(guān)競賽活動，如人環(huán)杯、制冷空調(diào)大賽、節(jié)能減排大賽和各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃等，并獲得不同等級的獎勵。這些活動鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新能力。

（三）提高教學(xué)水平

教師認(rèn)真準(zhǔn)備各類教學(xué)輔助資料，積極探索有效的教學(xué)方法，既提升了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時也提高了教師的業(yè)務(wù)水平，

達(dá)到了雙贏的目的。

六、結(jié)語

傳熱學(xué)課程教學(xué)改革是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要緊緊圍繞傳熱學(xué)課程教學(xué)過程中所遇到的問題，從授課內(nèi)容、授課方法、課外輔導(dǎo)和課程考試等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位改革，牢固樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，才能不斷激發(fā)學(xué)生對傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生切實(shí)掌握傳熱學(xué)知識。參考文獻(xiàn)：

[1] 何雅玲， 陶文銓. 對我國熱工基礎(chǔ)課程發(fā)展的一些思考[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2007（3）：12-15.

[2]付祥釗， 孫春華， 蔣斌. 建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容調(diào)查研究[J]. 高等建筑教育， 2009， 18（5） ： 57-60.

[3] 章熙民， 朱彤， 安青松， 等. 傳熱學(xué)[M]. 第六版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

[4] 楊世銘， 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 第四版. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[5] 王梅杰. 提高傳熱學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量途徑探討[J]. 高等建筑教育， 2011， 20（5）： 55-58.

[6] 阮芳， 龍激波， 王平，等. 傳熱學(xué)課程教學(xué)方法的研究與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育， 2015，24（6）： 93-96.

[7] 李友榮， 楊晨， 吳雙應(yīng)， 等. “傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革研究與思考[J]. 中國電力教育， 2010（32）： 66-67.

[8] 張靖周. 高等傳熱學(xué)教學(xué)中的“三強(qiáng)一高”特質(zhì)培養(yǎng)[J]. 科技資訊， 2015（19）： 167-168.

[9] 傅里葉. 熱的解析理論[M]. 桂志亮 譯. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2008.

[10] Bergman T L， Lavine A S， Incropera F P， et al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. Seventh edition. Hoboken： John Wiley & Sons， 2011.

[11] Munson B R， Okiishi T H， Huebsch W W， et al. Fundamentals of Fluid Mechanics[M]. Seventh edition. Hoboken： John Wiley & Sons， 2013.

Abstract： Heat transfer is a course with characteristics of numerous contents especially rich theoretical analysis， independent knowledge and many related courses. The problems such as boring mathematical analysis， nonexpanded theoretical knowledge， single teaching form and disjointed theoretical and practical teaching appeared one after another during the whole teaching process. Aiming at the above problems， the following aspects related with teaching contents were improved， including merging research problems into teaching， strengthening theoretical background， selecting outstanding textbook and reforming test mode. In addition， teaching methods， including strengthening process assessment and practical capability， carrying out problem oriented teaching and WeChat classroom， were employed. The results showed that students learning interest was improved， and the knowledge of heat transfer was more firmly mastered.

Keywords： heat transfer； interestled learning； teaching reform； method research

（編輯王宣）endprint