何 飛，周 俐

(安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

傳輸原理是冶金、材料和化工等很多工科專業(yè)學(xué)生在本科階段必選的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，通常要求先修課程為高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、大學(xué)物理和物理化學(xué)等。該課程的教學(xué)目的是要求學(xué)生掌握冶金等過程中所涉及到的傳輸?shù)幕A(chǔ)概念和基本理論。通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生運(yùn)用基本知識(shí)分析冶金等過程中所涉及到的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸問題，從而為改進(jìn)過程工藝操作和設(shè)備、提高控制和設(shè)計(jì)水平打下基礎(chǔ)，同時(shí)為工藝過程提供物理模型和數(shù)學(xué)模型，也讓學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)求解的基本方法。

傳輸原理涉及的教學(xué)內(nèi)容既可以單獨(dú)作為一門課程設(shè)置，比如國內(nèi)大部分高校的冶金工程和化工專業(yè)在本科二年級(jí)或三年級(jí)，將動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸設(shè)置在一個(gè)課程里面[1-3]，又可以分解為多門課程，比如流體力學(xué)、傳熱學(xué)或傳熱傳質(zhì)學(xué)[4-5]。傳輸原理實(shí)際上更多的是研究動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸這三種物理現(xiàn)象的宏觀規(guī)律、定量求解及其實(shí)際應(yīng)用，是一門涉及面廣、綜合性非常強(qiáng)的學(xué)科。在工程領(lǐng)域，尤其是高溫下的冶金過程，包括礦石冶煉、煉鋼、凝固成型和軋制等，均不可避免地存在這三種傳輸現(xiàn)象，其對(duì)單元操作和工藝過程影響很大，甚至成為限制性環(huán)節(jié)。熟練掌握這門課程，對(duì)解決實(shí)際工程問題具有重要意義。為更好地讓學(xué)生掌握這門課程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，筆者對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置，并采用有針對(duì)性的教改措施。

一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

傳輸原理課程共5個(gè)學(xué)分80個(gè)學(xué)時(shí)，其中包含實(shí)驗(yàn)(上機(jī))12學(xué)時(shí)。課程教學(xué)內(nèi)容共分14章，其中第1章到第7章為動(dòng)量傳輸部分，第8章到第11章為熱量傳輸部分，第12章到第14章為質(zhì)量傳輸部分。本課程在第3章動(dòng)量傳輸?shù)幕痉匠滩糠职才帕?個(gè)學(xué)時(shí)的流體流速和流量的測量方法及畢托管的校正實(shí)驗(yàn)，在第4章管道中的流動(dòng)及孔口的流出部分安排了2個(gè)學(xué)時(shí)的雷諾實(shí)驗(yàn)，在第5章邊界層流動(dòng)部分安排了2個(gè)學(xué)時(shí)的邊界層特性實(shí)驗(yàn)，在第9章導(dǎo)熱部分安排了3個(gè)學(xué)時(shí)的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值計(jì)算上機(jī)實(shí)驗(yàn)，在第10章對(duì)流部分安排了3個(gè)學(xué)時(shí)空氣縱掠平板時(shí)局部換熱系數(shù)測定以及邊界層測量實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)內(nèi)容的總體安排考慮了本課程的特點(diǎn)，突出基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，以更好地為初學(xué)者建立傳輸原理的知識(shí)體系。動(dòng)量傳輸部分，首先介紹流體流動(dòng)的基本概念和描述，在此基礎(chǔ)上建立動(dòng)量傳輸?shù)幕痉匠蹋院蟾髡?，如管道?nèi)流體流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、可壓縮氣體流動(dòng)等都是基本方程在具體條件下的應(yīng)用，最后，還要介紹相似原理及模型實(shí)驗(yàn)研究方法。熱量傳輸部分，首先介紹傳熱的基本概念，引出三種傳熱方式，在此基礎(chǔ)上建立熱量傳輸?shù)幕痉匠毯投ń鈼l件，而以后各章，分別介紹導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射的傳熱機(jī)理、規(guī)律和相關(guān)問題的求解及應(yīng)用。質(zhì)量傳輸部分，首先介紹質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍睢⒒痉绞胶突径?，在此基礎(chǔ)上建立質(zhì)量傳輸?shù)幕痉匠蹋院蟾髡?，如擴(kuò)散傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)等也都是基本方程在具體條件下的應(yīng)用。從動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸各部分具體的教學(xué)內(nèi)容來看，都具有很強(qiáng)的邏輯性和系統(tǒng)性，從知識(shí)點(diǎn)對(duì)比來看，循序漸進(jìn)，具有一定的聯(lián)系和類似性。

結(jié)合以上課程內(nèi)容特點(diǎn)，學(xué)時(shí)安排如下：動(dòng)量傳輸部分占總學(xué)時(shí)的50%，這部分內(nèi)容是基礎(chǔ)，很多知識(shí)點(diǎn)都是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于剛接觸這門課的學(xué)生，很多的新概念和理論理解起來有難度，數(shù)理知識(shí)要求又較高，所以需要花更多的時(shí)間來透徹講解，不僅要讓學(xué)生掌握動(dòng)量傳輸?shù)幕A(chǔ)知識(shí)和相關(guān)應(yīng)用，建立知識(shí)框架，更重要的還是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣。熱量傳輸部分占總學(xué)時(shí)的40%，課時(shí)相比動(dòng)量傳輸有所減少，但其所涉及的傳熱基本方程、導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等教學(xué)內(nèi)容也均是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于課時(shí)的有限，所以必須要抓住熱量和動(dòng)量傳輸?shù)墓餐c(diǎn)和類似性，在講授部分知識(shí)點(diǎn)時(shí)可節(jié)省時(shí)間。質(zhì)量傳輸部分占總學(xué)時(shí)的10%，其中質(zhì)量傳輸?shù)幕径墒墙虒W(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì)很多內(nèi)容都是可以根據(jù)動(dòng)量和熱量傳輸類比講授，不作為重點(diǎn)，這部分教學(xué)內(nèi)容更多的是讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)改革措施

(一)部分教學(xué)內(nèi)容的改革

在上述教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的總體框架下，下面就從部分具體的內(nèi)容上探討一下傳輸原理課程教學(xué)內(nèi)容的改革。比如流體納維-斯托克斯方程(N-S方程)的推導(dǎo)，目前很多傳輸原理教材上都是基于動(dòng)量守恒定律，即系統(tǒng)的動(dòng)量收支差量+系統(tǒng)其它作用力總和=系統(tǒng)的動(dòng)量蓄積，然后采用微元體分析法把其中各項(xiàng)用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)出來，那么這其中涉及到的微元體對(duì)流動(dòng)量通量和粘性動(dòng)量通量收支差量的數(shù)學(xué)表達(dá)其實(shí)是很難理解的。實(shí)際上，N-S方程根據(jù)牛頓第二定律(F=m·a)推導(dǎo)要簡單很多，只要把微元體受到的質(zhì)量力、表面力和加速度都數(shù)學(xué)表達(dá)出來，該方程基本形式就可得到，采用這種推導(dǎo)方法學(xué)生更容易理解。還有比如自然對(duì)流換熱，在高溫的冶金等工業(yè)過程中，這種現(xiàn)象非常普遍存在，但很多傳輸原理教材上這部分內(nèi)容篇幅很少，只給出了自然對(duì)流換熱特征數(shù)方程，實(shí)際上這部分教學(xué)內(nèi)容可以增加自然對(duì)流換熱溫度邊界層及相關(guān)工程實(shí)例的介紹。教學(xué)內(nèi)容的改革應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)、學(xué)生的接受能力和教學(xué)實(shí)踐反饋等進(jìn)行，不能僅僅局限于教材，可以對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行重新組織和增減，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

(二)基于問題導(dǎo)向的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在傳輸原理課程教學(xué)過程中，針對(duì)一些重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，可以先提出一些相關(guān)的問題，以問題為導(dǎo)向牽引教學(xué)全過程，當(dāng)然問題的設(shè)計(jì)也十分重要，合適的問題可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。以熱量傳輸?shù)奈⒎址匠虨槔?，首先設(shè)計(jì)了3個(gè)問題：(1)如圖1所示一物體，已知初始時(shí)刻(τ=0)溫度分布t(x, y, z, 0)，放在空氣中，問該物體的熱量散失是多少？(2)τ>0，該物體溫度分布是怎樣變化的？(3)如果外界條件變化了，該物體的溫度分布又怎樣變化？告訴學(xué)生這就是我們所要關(guān)心的問題，實(shí)質(zhì)關(guān)鍵就是確定物體的溫度場t(x, y, z, τ)，而描述物體溫度場的方程則是熱量傳輸微分方程。然后結(jié)合這些問題進(jìn)行熱量傳輸微分方程數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最后結(jié)合一些具體算例來解決以上問題。從提出問題到解決問題貫穿整個(gè)教學(xué)過程，循序漸進(jìn)，這樣可以使枯燥的熱量傳輸微分方程推導(dǎo)更實(shí)用，也更有吸引力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(三)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

本課程設(shè)置了12個(gè)學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，占總學(xué)時(shí)的15%，包括熱工實(shí)驗(yàn)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)。作為實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)，本課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。實(shí)踐教學(xué)注重的是學(xué)生能力的培養(yǎng)，必須加以重視。本課程在有限的課內(nèi)學(xué)時(shí)的情況下，在熱工實(shí)驗(yàn)上還開設(shè)了跟課程內(nèi)容對(duì)應(yīng)的5個(gè)課外實(shí)驗(yàn)，分別是流體動(dòng)量方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、紊流自由射流實(shí)驗(yàn)、平板穩(wěn)態(tài)法材料導(dǎo)熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)、法向輻射率的測量實(shí)驗(yàn)、高效連鑄模型實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣來選做。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生多用計(jì)算機(jī)編程來自行解決一些傳輸問題，尤其是在講解具體的知識(shí)點(diǎn)時(shí)要給予學(xué)生適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)或者布置相關(guān)的開放性作業(yè)，比如導(dǎo)熱中介紹的“試算法”，用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)非常方便，還有比如復(fù)雜表面間輻射角系數(shù)的計(jì)算，也需要采用數(shù)值計(jì)算的方法[6]。通過實(shí)踐教學(xué)，不僅僅是驗(yàn)證所學(xué)理論、鞏固所學(xué)知識(shí)加深理解、掌握一些實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題的能力。

三、結(jié)語

根據(jù)傳輸原理課程特點(diǎn)，我們首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容的總體框架和學(xué)時(shí)安排進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置。然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出了改革部分的教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)基于問題導(dǎo)向的教學(xué)模式和加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)等針對(duì)性的教改措施，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不斷改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。