《传热学》教学方法的探讨与实践

段双平

摘要：为了达到较好的教学效果，寻求新的《传热学》教学方法势在必行。本文探讨了基于工程应用的教学方法、理论教学中融入CFD的教学方法、设置课后大作业和组织讨论相结合的教学方法，这些方法可以激发学生学习传热学的兴趣，增强学生学习传热学的积极性和主动性。

关键词：《传热学》；教学方法；工程应用；CFD

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）01-0172-02

一、引言

《传热学》课程着重研究热量传递的规律和方法，是建筑环境与设备工程专业本科生的一门重要的专业基础课[1-2]，在许多工程技术领域里应用十分广泛。随着我国高等教育教学改革的不断深化，在“重基础、宽口径”的指导方针下，各高校公共基础课程课时增加，而专业课程及专业基础课程的课时都相对减少，《传热学》课程也不例外[3-4]。这就导致专业课程和专业基础课程教学过程中的一些矛盾的出现，主要矛盾是教材内容多，教学质量要求高，而教学课时少。如果教师在有限教学学时的情况下，仍然沿用照本宣科的教学方法，不仅教学内容上教不完，而且难以取得良好的教学效果。因此，重新探讨《传热学》的教学方法势在必行。

二、基于工程应用的教学方法

学习《传热学》的最终目的是解决与传热有关的工程实际问题。而目前高校《传热学》的讲授基本上是照本宣科，明显地忽视了学生专业技能的培养，脱离工程实际应用。而实际上建筑环境与设备工程专业的《传热学》的教学内容很大部分是围绕着建筑环境与设备工程专业中出现的典型传热问题而展开的，在工程实际中能找到教材中所讲内容的原型。例如，第二章中的无限大平壁和圆筒壁的导热、肋片的导热，分别对应工程实际中的建筑围护结构、供冷供热管道、换热器中肋片的导热问题。对流换热部分中讲到的平板外掠对流换热、管内对流换热、外掠圆管对流换热、凝结换热、沸腾换热等分别对应着空气外掠建筑围护结构对流换热、换热器内管内流体与管壁的对流换热、换热器管外流体与管壁的对流换热、冷凝器中制冷剂蒸气凝结为液体时与管壁的对流换热、蒸发器中制冷剂液体变成蒸气时与管壁的对流换热。因此在教学过程中，在讲授某节内容之前，先提出工程实际问题，让学生带着他们最感兴趣的问题听课，等讲完该节内容后，让学生思考解决上课之前提出的工程实际问题。例如在讲到周期性非稳态导热时，就提出建筑蓄热问题、夏季冷负荷和冬季热负荷的计算差异。为了能够顺利的进行基于工程应用的《传热学》教学，关键在于教学情境和工程问题的设计。教学情境和工程问题的设计应考虑到以下几个方面：（1）从工程应用出发，精心设计学习模块，必须使所设计的模块覆盖到《传热学》课程所必须掌握的主要知识点，模块设计的优良是学生能够进行系统学习的关键环节。（2）设置的问题应从工程中提炼出来且具有启发性和可研究性。问题的设置应紧紧围绕着学习模块，并应能培养学生解决问题的能力和团队协作精神。（3）教学顺序按照学习模块来安排，先介绍基本概念和基本理论，然后根据需要适当延伸和拓展。（4）以学生为中心。面向每个学生，尊重每个学生发展的特殊需要，鼓励学生在解决问题过程中的学习体验和创造性表现，充分调动学生寻求问题答案过程中的积极性和主动性。

三、理论教学中融入CFD的教学方法

《传热学》教材中给出的结论或公式大多是将实际问题简化后，通过理论推导得出的。而对实际问题所发生的现象，往往以现有的公式或理论难以作出解释。针对这类问题，必须借助于计算流体力学CFD对其温度场和流场进行数值模拟。这样直观形象地展示传热规律，既增强了学生学习的兴趣与动力，也使其从枯燥的灌输中解放出来，又能在动手模拟中加强对传热基本概念、规律的理解和掌握。例如，在讲到第二章的复合平壁的稳态导热问题时，为帮助学生理解无限大复合平壁的稳态导热问题并不是一维导热问题，而是二维或三维导热问题时，笔者在上课前，对空斗墙导热问题和由一种材料构成的无限大平壁导热问题进行了数值模拟，如图1。通过对两种情况下的温度场的绘制和比较，形象化地证明了空斗墙导热问题并不是一维导热问题，尤其当构成空斗墙的两种材料的导热系数相差较大时，把该导热问题看成一维导热问题来计算导热量将产生较大误差。

（a）复合平壁（b）复合平壁的温度场

（c）无限大平壁的温度场

图1 复合平壁和无限大平壁温度场的对比

四、设置课后大作业和组织讨论相结合的教学方法

由于教学课时有限，在教学过程中只能侧重于重点和难点内容，许多了解内容只能抛砖引玉。为弥补课堂教学课时的紧张，拓宽学生的知识面，培养学生的开拓创新能力，笔者给学生布置大作业和课题。在实际的教学中，将学生分成若干组，要求学生利用课余时间查阅文献，自己组织讨论，最后提交讨论的报告或论文，并根据其提交的报告或论文质量给出平时成绩，以其作为课程成绩的一部分。例如，在讲完“导热问题的数值解法”一章后，给学生布置关于“导热问题温度场的求解“的编程题。在实际的教学中，先根据学生对计算机编程语言的掌握和运用情况，将学生分成若干组，给每个小组设置不同的题目，最终提交的报告内容包括以下几个部分：描述物理问题的数学微分方程，数学微分方程的离散方程，程序框图，计算程序，计算结果，结果讨论与分析。通过这一编程题的强化练习，让学生深切感受到对所学知识的学以致用，将原先觉得枯燥无味的计算机编程语言与专业课程有机结合起来，对原先觉得毫无关联的两门课程有了崭新的认识。让他们觉得更有趣的是，当数学微分方程无法求解的时候，也可以变成代数方程，然后用线性代数的方法来求解，从而让他们掌握一种解决传热问题的方法，即数值解法。通过这一课后大作业的练习，让他们感受到一种自己独立解决问题的喜悦和团队合作精神。

为了解决课时少和教学质量要求高的矛盾，寻求新的《传热学》教学方法势在必行。基于工程应用的教学方法、理论教学中融入CFD的教学方法、设置课后大作业和组织讨论相结合的教学方法能够使学生在参与过程中得以学习，从而激发学生学习传热学的兴趣，增强学生学习传热学的积极性和主动性，从而达到良好的教学效果。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：1-8.

[2]赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2002：4-10.

[3]教育部面向21世纪热工课程改革项目组.热工课程在工科各专业人才培养中的地位及设置建议[J].高等工程教育，2000，增刊：6-11.

[4]陶文铨，何雅玲.境外大学工科专业热工类课程的设置[J].高等工程教育，2000，增刊：93-97.