王旦 陳蔚芳

摘??要：傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。如何有效進(jìn)行傳熱學(xué)的課程教育，解決傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)效果不佳的問題，是高校相關(guān)專業(yè)教師面臨的難題。為解決傳熱學(xué)課程教學(xué)問題，本文依托高速直升機(jī)主減速器通風(fēng)散熱需求，以共軸剛性旋翼高速直升機(jī)主減速器為研究對(duì)象，借助南京航空航天大學(xué)及某主機(jī)所的教育資源，進(jìn)行傳熱學(xué)項(xiàng)目式課程教學(xué)改革實(shí)踐。作者將傳熱學(xué)的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，提出了以項(xiàng)目教學(xué)法為主，參觀教學(xué)法、線上研討教學(xué)法為輔的傳熱學(xué)課程教學(xué)方法。同時(shí)，作者從理論和實(shí)踐出發(fā)，進(jìn)行了《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了傳熱學(xué)項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐，取得了很好的教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；項(xiàng)目式課程；課程教學(xué)改革；直升機(jī)傳動(dòng)

高功率密度傳動(dòng)技術(shù)是重型和高速直升機(jī)研制的關(guān)鍵，高效散熱是實(shí)現(xiàn)高功率密度傳動(dòng)技術(shù)的重要保證[1，2]。傳熱學(xué)廣泛應(yīng)用于以直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，是機(jī)械類專業(yè)本科生必須掌握的一項(xiàng)基本專業(yè)技能。本課程教學(xué)改革充分發(fā)揮南京航空航天大學(xué)在直升機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的特色，依托于直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合某主機(jī)所，開展面向高功率密度直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳熱學(xué)項(xiàng)目式課程教改活動(dòng)。通過組織實(shí)施高速和重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)高效通風(fēng)散熱仿真項(xiàng)目，使學(xué)生掌握傳熱學(xué)的基本定義、概念、原理和方法，理解三大守恒定律的基本內(nèi)涵，熟悉熱力學(xué)方程、熱流耦合方程典型數(shù)值求解算法及其特點(diǎn)，了解直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的典型構(gòu)型及其特點(diǎn)，能夠熟練使用?MATLAB和商業(yè)有限元軟件進(jìn)行系統(tǒng)熱分析和熱優(yōu)化。通過開展本課程的教學(xué)改革活動(dòng)，使學(xué)生具備在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中正確進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)的能力，樹立航空?qǐng)?bào)國的情懷。同時(shí)，能夠有效解決傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)存在的課程組織方式單一、教學(xué)效果不佳的問題[3，4]，為機(jī)械類專業(yè)傳熱學(xué)課程的組織形式提供借鑒。

本課程屬于項(xiàng)目式教學(xué)課程，因此將以項(xiàng)目教學(xué)法[5-7]為主，并輔以參觀教學(xué)法[8]和線上研討教學(xué)法[9]。在課程組織實(shí)施過程中，以項(xiàng)目為主線，教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主體。學(xué)生通過開展相對(duì)獨(dú)立的科研項(xiàng)目研究，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱學(xué)專業(yè)知識(shí)的高效學(xué)習(xí)。其中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)是本課程教學(xué)設(shè)計(jì)的核心。項(xiàng)目將緊密圍繞高功率密度直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)高效散熱需求，開展傳動(dòng)系統(tǒng)飛行冷卻仿真分析，獲得典型工況下減速器溫度分布和減速器艙通風(fēng)流場分布，建立不同參數(shù)對(duì)減速器散熱效率的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)減速器艙和通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目實(shí)施過程中將注重穿插、融入傳熱學(xué)的基本定義、概念、原理和方法，使學(xué)生自覺構(gòu)建相對(duì)完整和扎實(shí)的傳熱學(xué)相關(guān)基本理論知識(shí)和應(yīng)用技能，具有鮮明的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性特點(diǎn)。此外，課程充分發(fā)揮校企合作特色，赴某主機(jī)所開展直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)參觀教學(xué)活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目研究背景的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員包含某主機(jī)所一線工程師，課程組將定期開展線上研討，保證項(xiàng)目的工程實(shí)用性。

1?《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目是項(xiàng)目式課程的核心和靈魂，整個(gè)課程需圍繞項(xiàng)目的組織實(shí)施而開展，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成功與否決定著項(xiàng)目式課程的教學(xué)成敗以及最終效果。項(xiàng)目式課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)一方面需要兼顧本科生的知識(shí)背景和能力特點(diǎn)，另一方面區(qū)別于基礎(chǔ)理論課程，需要與科技攻關(guān)項(xiàng)目相結(jié)合，具有一定的前瞻性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》將傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)與直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，面向本科生開展項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)。直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)技術(shù)的攻克會(huì)涉及到多類傳熱知識(shí)，并且不同的傳熱學(xué)知識(shí)會(huì)在不同的技術(shù)攻關(guān)細(xì)節(jié)中體現(xiàn)。因此，如何從高功率密度傳動(dòng)“卡脖子”技術(shù)中梳理出合適的研究點(diǎn)，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程形成相對(duì)系統(tǒng)完整的傳熱學(xué)知識(shí)，掌握面向?qū)嶋H應(yīng)用的傳熱學(xué)專業(yè)技能，是本課程建設(shè)項(xiàng)目需要重點(diǎn)攻關(guān)的任務(wù)。本課程通過系統(tǒng)梳理傳熱學(xué)基本知識(shí)體系和直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)“卡脖子”技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)，在兩者間尋找結(jié)合點(diǎn)，從而完成課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

本課程項(xiàng)目面向高速直升機(jī)主減速器通風(fēng)散熱需求，以共軸剛性旋翼高速直升機(jī)主減速器為研究對(duì)象，研究分析高速直升機(jī)主減速器不同工況下（懸停、高速前飛、干運(yùn)轉(zhuǎn)等）的生熱情況和機(jī)匣表面的溫度分布情況，建立高速直升機(jī)主減速器艙的通風(fēng)散熱熱流仿真模型，獲得典型工況下主減速器艙的流場和溫度場分布情況以及主要參數(shù)對(duì)高速直升機(jī)主減速器艙通風(fēng)散熱效率的影響，為高速直升機(jī)主減速器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)[10]。具體內(nèi)容如圖1所示，其中研究內(nèi)容1側(cè)重于熱傳導(dǎo)、熱輻射相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，主要是對(duì)主減速器機(jī)匣的熱源發(fā)熱量及換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并基于熱網(wǎng)格法和有限元法對(duì)主減速器的溫度分布進(jìn)行研究，為主減速器艙飛行冷卻的仿真分析奠定基礎(chǔ)；研究內(nèi)容2側(cè)重于熱對(duì)流相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在建立減速器艙幾何模型、關(guān)鍵散熱部件等效模型、減速器艙冷卻仿真模型的基礎(chǔ)上，考慮不同工況及環(huán)境的影響，對(duì)主減速器艙的流場和溫度場進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，兩大研究內(nèi)容的順利開展需要學(xué)生熟悉溫度場、流場等數(shù)值求解方法和商業(yè)有限元仿真手段。一方面，需要考慮學(xué)生的先修課程是否充足，以確保授課對(duì)象具有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備；另一方面，在項(xiàng)目式課程開展過程中，需要授課教師針對(duì)性對(duì)數(shù)值求解方法和有限元仿真方法進(jìn)行講解，確保學(xué)生能夠高效、順利進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。

2?《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)也是項(xiàng)目式課程的重要組成部分。合理的課程組織方式和課程評(píng)價(jià)方法是項(xiàng)目式課程高效開展的重要保證。區(qū)別于普通的基礎(chǔ)理論課程，項(xiàng)目式課程無法采取單純的講授式教學(xué)方法。項(xiàng)目式課程必須充分發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)地位，教師只是起到引導(dǎo)作用。項(xiàng)目式課程更多采用研討等相對(duì)自由的教學(xué)方法[11]，但另一方面，項(xiàng)目式課程又需要避免課程組織過程中出現(xiàn)“放羊式”教學(xué)的不良現(xiàn)象，需要做到松弛有度。同時(shí)，區(qū)別于普通的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，項(xiàng)目式課程具有明確的教學(xué)目標(biāo)。在項(xiàng)目式課程組織實(shí)施中，應(yīng)注意課程知識(shí)點(diǎn)的貫穿；在項(xiàng)目進(jìn)行的同時(shí)需要教師進(jìn)行穿插授課、答疑，以保證學(xué)生能夠?qū)W習(xí)充足的傳熱學(xué)課程知識(shí)，順利完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。此外，項(xiàng)目式課程的課程評(píng)價(jià)方法也具有其特殊性，其必須與課程組織方式相適應(yīng)，起到強(qiáng)化課程教學(xué)效果的作用。因此，如何構(gòu)建寬松有序、富有效率的課程組織方式以及與教學(xué)方式相適應(yīng)的課程評(píng)價(jià)方法是本課程建設(shè)項(xiàng)目需要重點(diǎn)開展的另一任務(wù)。本課程將在常規(guī)項(xiàng)目式教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮學(xué)校的航空航天行業(yè)特色，借助便捷的線上教學(xué)手段，定期與某主機(jī)所一線工程技術(shù)人員開展線上組會(huì)，強(qiáng)化項(xiàng)目的應(yīng)用性。同時(shí)，在課程的評(píng)價(jià)過程中將充分考慮一線工程技術(shù)人員的意見，形成學(xué)生-導(dǎo)師-行業(yè)導(dǎo)師多維度評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步確保該項(xiàng)目式課程的可行性。

綜合考慮教師授課時(shí)長需要、學(xué)生自主項(xiàng)目時(shí)長需要、線上研討時(shí)長需要，合理設(shè)置本課程的具體學(xué)時(shí)分布如圖2所示，總共32學(xué)時(shí)。其中，教師授課8學(xué)時(shí)，在項(xiàng)目進(jìn)行過程中按周次間隔授課，對(duì)傳熱學(xué)的基本知識(shí)內(nèi)容、數(shù)值計(jì)算方法、有限元仿真方法、高速直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)及項(xiàng)目基本情況進(jìn)行講解，搭建傳熱學(xué)的知識(shí)框架，講授課程知識(shí)。學(xué)生自主項(xiàng)目20學(xué)時(shí)，占總教學(xué)時(shí)長的最大比例，主要是學(xué)生進(jìn)行高速直升機(jī)主減速器機(jī)匣溫度分布計(jì)算和主減速器艙飛行冷卻仿真分析兩方面內(nèi)容，教師在學(xué)生自主項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)，應(yīng)起到監(jiān)督、引導(dǎo)、解惑的作用，與學(xué)生在線上、線下進(jìn)行定期交流，避免出現(xiàn)“放羊式”的不良教學(xué)現(xiàn)象，確保該項(xiàng)目式課程順利進(jìn)行。線上討論4學(xué)時(shí)，采用線上交流的方式，利于學(xué)生與一線工程技術(shù)人員的交流學(xué)習(xí)，使得項(xiàng)目成果更具有實(shí)用性。

3?《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐

項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐是檢驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)的重要和唯一途徑，在完備的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及精細(xì)的課程設(shè)計(jì)兩方面基礎(chǔ)上，作者利用南京航空航天大學(xué)的教學(xué)資源和環(huán)境，聯(lián)合某主機(jī)所工作人員進(jìn)行線上指導(dǎo)，進(jìn)行《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐。本次教學(xué)改革實(shí)踐以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為依托，選取5名來自南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院和理學(xué)院的大二、大三學(xué)生組成教學(xué)對(duì)象，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主體內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)為時(shí)間主線，開展為期8個(gè)周的課程教學(xué)實(shí)踐。最終，該5名同學(xué)出色的完成了項(xiàng)目課程知識(shí)的學(xué)習(xí)、相關(guān)項(xiàng)目的研究以及課程最終的答辯考核。如圖3所示，為該組同學(xué)完成的高速直升機(jī)主減速器艙仿真模型以及部分仿真成果。該仿真模型具備高速直升機(jī)主減速器生熱量計(jì)算和主減速器艙溫度場、流場仿真能力，其中主減速器生熱計(jì)算考慮了輻射換熱的影響，本模型第一次實(shí)現(xiàn)了主減速器生熱計(jì)算和主減速器艙流場仿真的雙向耦合。通過與主機(jī)所一線工程技術(shù)人員進(jìn)行線上項(xiàng)目成果交流，該項(xiàng)目式課程以及項(xiàng)目成果得到了肯定，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

4?總結(jié)

針對(duì)工科專業(yè)傳熱學(xué)課程經(jīng)典的灌輸式教學(xué)模式存在教學(xué)組織方式單一、課程教學(xué)效果不佳，無法滿足機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)學(xué)生熱設(shè)計(jì)和熱分析的能力要求，本文以高速直升機(jī)高校通風(fēng)散熱項(xiàng)目為依托，開展了《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》項(xiàng)目式課程教學(xué)改革實(shí)踐，進(jìn)行了課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、課程組織方式設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐，獲得了良好的教學(xué)效果?？紤]到進(jìn)行項(xiàng)目式課程教學(xué)實(shí)踐并在實(shí)踐中優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)是課程建設(shè)項(xiàng)目的另一重要任務(wù)。未來可進(jìn)一步借助流程記錄、問卷調(diào)查、訪談等多種手段，分別從學(xué)生、導(dǎo)師、行業(yè)導(dǎo)師、教學(xué)專家等多方位對(duì)課程實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行評(píng)估和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化。

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基金項(xiàng)目：南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（課程建設(shè)類-“項(xiàng)目式課程”建設(shè)）《直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱學(xué)》（項(xiàng)目編號(hào)：2021JG0532A）

作者簡介：王旦（1990-），男，漢族，江蘇泰興人，博士研究生，副教授，主要從事直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)教學(xué)與科研工作。

陳蔚芳（1966-），女，漢族，江蘇無錫人，博士研究生，教授，主要從事直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)教學(xué)與科研工作。