传热学课程建设与教学方法改革

赵薇 崔鹏

摘要：传热学是建筑环境与能源应用工程专业的主干专业基础课程。以辽宁工业大学为例，通过分析传热学在专业培养方案中的定位、与其他课程的关系重点讨论了课程建设和启发式教学、案例教学、实践教学等教学方法改革的具体措施。

关键词：传热学;教学改革;课程建设;创新能力

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）33-0071-02

面对社会对人才培养的需求，2012年普通高等学校本科专业目录将建筑环境与设备工程专业、建筑智能设施（部分）、建筑节能技术与工程三个专业合并，调整为建筑环境与能源应用工程专业[1]。建筑环境与能源应用工程专业是工学土木类4个本科专业之一，与土木工程、建筑学、环境科学与工程、能源与动力工程等专业交叉，专业范围扩展为建筑环境控制、城市燃气应用、建筑节能、建筑设施智能技术等领域。

在“重基础、宽口径”的形势下，夯实基础、凝练特色、优化课程体系成为专业教学改革的核心问题之一。辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业作为辽宁省普通高校本科重点支持专业，经过多年的发展，形成了“夯实专业基础、强化工程实践、注重创新、培养专业素质高和实践能力强的应用型工程技术人才”的专业特色。笔者所在的传热学课程教学团队在课程内容体系、教学方法改革等方面不断探索、实践。本文以辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业为例，从传热学的课程定位出发对课程内容优化、案例分析的运用、新成果的吸纳、师资力量建设以及教学方法改革措施等进行探讨。

一、课程描述

1.在培养方案中的定位

传热学是建筑环境与能源工程专业的一门主干专业基础课[2]，它建立在专业基础课工程热力学、流体力学之上，主要讲述建筑环境与能源应用工程专业所涵盖的暖通空调、供热工程、制冷技術、锅炉房工艺与设备等工程技术中共同的热量传递规律的科学。学生通过传热学课程的学习，可获得热量传递的基本理论、基本知识和基本技能以及传热计算的基本方法，培养学生的思维能力、分析和解决实际工程问题的能力，为学习后续课程打下必要的基础，并通过设计、实验、实习等实践教学的配合，掌握热工设备设计、提高能效等基本理论和方法，形成初步的工程实践能力。

2.与其他课程的关系

如果把本科生专业知识体系构建过程比作是教学生如何建造房子的过程[3]，那么基础课和专业基础课是教会学生如何打造房子基础的过程，专业课就是教会学生如何在基础上建造各种房子的过程。传热学作为一门核心的专业基础课，其本质是一门科学，内容相对稳定，每一个进步都会带来技术上质的变化。剖析传热学课程与其他课程之间的关系，探讨教学与学生认知过程的契合，是提高教学质量的基础。

（1）与流体力学和工程热力学课程的关系。流体力学和工程热力学是传热学的先修课程。学生通过课程的学习掌握热现象中物质能量平衡的关系及流体流动过程的力学性质和边界特点。通过基本概念、基本理论和实际应用，为学生进入建筑环境与能源应用工程专业课学习打下坚实的基础知识。同时，积极引导学生对物理概念、物理现象本质的理解，培养学生科学的思维方法。

（2）与暖通空调、热质交换原理与设备、供热工程、制冷技术、锅炉房工艺与设备等专业课的关系。这五门课程的共性问题包括热量传递过程、换热设备的类型及适用范围、换热器的设计计算与校核计算、换热过程的强化与削弱等，上述理论知识均涵盖在传热学的教学内容中。在传热学教学过程中，应概述其基本理论在其他专业课中的应用，并结合相关专业工程实例掌握传热学的基本理论，帮助学生正确理解传热学在专业课学习中的重要性。

（3）与认识实习和生产实习的关系。传热学课堂教学安排在认识实习实践环节与生产实习实践环节之间。认识实习环节帮助学生认识各类换热器的形式和功能，生产实习环节安排冷热源系统中换热器运行调试的相关内容，帮助学生巩固课程所学的理论知识，并将理论与实践相结合。

（4）与课程设计和毕业设计的关系。传热学为课程设计和毕业设计实践环节提供围护结构传热计算及各类换热器（如散热器、地埋管换热器、空气处理机组、一次网/二次网换热器、蒸发器、冷凝器、余热回收装置等）设计计算的基本理论和基本方法。通过实际工程案例的引入，使学生体会相关理论和方法的应用过程，帮助学生初步形成分析、计算与解决工程问题的能力。

二、课程建设

在专业课程体系建设中，如果每门课都片面强调自身科学的、系统的、完整的、严密的体系，势必引起专业培养方案学时的不适当膨胀。因此，将整个专业知识结构设计成为一个科学的、系统的、完整的、严密的体系，所涉及的课程服从整个体系的需要，可以使每门课程在专业知识结构中起到恰如其分的作用。在上述思想的指导下，围绕传热学课程建设提出了如下措施：

1.突出建筑环境与能源应用工程专业中传热学共性的提炼

在绪论部分引导学生认识传热学的任务、基本要求及在专业学习中的重要性。通过对传热学功能与作用的阐述，帮助学生在专业知识体系中恰当定位。传热学作为具有百年历史的经典学科，内容极其丰富，也早已自成体系，核心理论包括传热的三大基本理论模块——导热、对流和辐射，外延理论模块包括凝结、沸腾和质交换。课程理论性和逻辑性强，符合学生学习活动的心理逻辑。根据上述特点，以能量守恒定律为主线，串联起导热、对流和辐射三个理论模块，适当涉及到凝结、沸腾和质交换等相关外延理论模块。按照热量传递机理、传热过程计算方法、增强或削弱传热措施等方面归纳三类基本传热方式的共同性与区别，以及在建筑环境与能源应用工程领域的典型应用。

2.提高案例分析在课程内容中的比重

传热学理论分析较多，公式复杂且难以理解，因此在理论教学中通过典型案例来揭示抽象理论更容易被学生接受。可以通过授课中案例导入、小结中典型案例分析应用以及布置大作业等不同的方式开展，使学生深入理解基本概念、原理，并学习如何利用课程理论与方法解决实际工程问题。

3.适时吸纳本学科的创新成果

随着传热学学科的不断发展，许多新成果不断被应用于建筑环境与能源应用工程领域，这些新的知识也逐渐被引入到传热学教学中。例如微尺度传热学、生物传热学，以及螺旋折流板、双斜内肋管、微肋管等新型换热设备。对于本科学生而言，对这些新概念、新现象、新设备的认识和理解有时是比较困难的，但与专业应用关联起来可以有效拓展学生的视野，助力创新性人才培养。

4.加强教师知识和能力

通过学习和研讨，让相关教师具备坚实的传热学、工程热力学、流体力学理论基础;具有专业全局观念，了解专业人才培养模式与规格要求，清楚专业课程体系及各门课程、各实践环节在人才培养方面的作用，掌握所承担的课程与其他课程或教学环节的衔接关系;具有丰富的工程实践经验，理解工程實践对人才能力的需求;了解学科前沿和发展动态，具有工程新技术研发能力。

三、课程教学方法改革

以突出学生主体性和专业学习的实用性为原则，在传热学授课过程中综合运用了启发式教学、案例教学等方法，旨在激发学生学习兴趣、提高教学效果。

1.启发式教学

改变传统专业基础课面面俱到的灌输式教学方法，转向适合学生认知过程的启发式教学方法。从基本概念到原理运用再到技术分析，层层递进，由教师引导学生一起去思考、分析和讨论问题，让学生在主动思考中掌握新知识，同时锻炼运用知识的能力。下面以传热学中“导热微分方程”一讲为例进行分析。

该讲包含大量的偏微分方程，内容抽象，教师在讲授时将重点放在分析导热微分方程及其各项的物理意义、推导的理论基础、如何简化与应用等方面。结合本专业典型的墙体导热过程，提出工程应用问题，即“如何计算在温差作用下由分子热运动产生的热量传递”;引出解决方法，即“物理模型—数学模型—求解”求解数学物理问题的一般方法和应用“能量守恒定律与傅里叶导热定律”的基本原理;阐述导热微分方程推导过程，剖析各项物理意义，例如“为热扩散项，表征的是单位时间内从x方向导入与导出微元体的净热量”;导热微分方程的应用，设定不同的墙体导热工程情景与学生讨论方程的简化条件，例如“导热系数是定值、无内热源、稳态”等等，启发学生建立导热微分方程的简化形式与高等数学中Poisson方程、Fourier方程、Laplace方程等的联系。

用这样一种启发式教学方法，使学生不仅理解了教材中理论性极强的推导过程，还能够使学生清楚为什么导热微分方程会有非稳态项、扩散项、源项以及什么时候可以省略，同时引导学生利用高等数学中的相关知识求解简单的导热微分方程。这样，教学过程不只是简单地教材重现，而是教材的导读与深化。教材是从抽象的概念和原理入门，再落实到实际应用;而教学要从实际问题出发，引出解决问题的方法，逐步掌握正确的概念和原理，进而形成普适性的抽象理念，二者的思路方向是相反的。

2.案例教学

传热学是一门与工程实践紧密联系的科学，有许多从生产实际中抽象简化出来的案例。案例教学可以从两个角度进行，一方面以案例为切入点，引出相关的概念、原理、技术等，可使教学内容更容易被学生接受，例如在“非稳态导热”一讲中可选择高温铁锭退火的案例;另一方面以根据实际案例分析讲解例题，展示给学生如何利用概念、原理、技术等解决实际问题，做到“授人以渔”。例如在“多层平壁导热”一讲中可选择外墙外保温系统传热系数计算及优化为案例。通过案例教学帮助学生举一反三、触类旁通，在有限的学时内达到较好的教学效果。

3.实践教学

实践教学是知识传授、创新能力培养的重要载体[4]，也是传热学教学的重要组成部分。传热学中的实践教学主要体现在专业实验、课程设计、毕业设计三个环节。通过缜密的设计，建立三者之间的有机联系，减少部分验证实验和重复内容，适当增加创新性能力培养的相关内容，使学生尽快将专业知识应用与转化。安排必修实验教学8学时，其中基本型实验4学时、综合型实验4学时，开设选修创新型实验4个。供热工程、制冷技术、暖通空调、锅炉房工艺及设备等课程设计及毕业设计中涵盖了维护结构传热计算、各类换热器选型计算等。此外，鼓励学生参与专业教师的科研课题。通过产学研用的过程帮助学生完成感知、注意、记忆、理解、实践、创新的学习过程。

4.考核机制

课程的考核机制与课程理念是一致的，我们要考查的是学生对基本原理、概念和方法的掌握程度，而不是考查学生的计算能力。单一的闭卷考试模式已不适用，通过弹性的、多样的考核方式才能全面考查学生对概念的理解程度和分析问题的能力。笔者将传热学考核分为闭卷考试（60%）、实践环节（20%）、大作业（10%）和研究性学习（10%）四个部分。闭卷考试主要用于考查学生对课程的基本概念、基本理论和基本规律等基础知识的掌握程度，题目主要包括选择题、名词解释、简答题、计算题等，特别注意避免大段背书、背公式的情况。实践环节主要用于考查学生的动手能力、数据处理能力、团队协作能力等，通过专业实验操作及实验报告质量确定。大作业是案例教学的一部分，通过设计作业内容不仅训练学生对知识的运用熟练程度，还要训练学生的独立思考能力。研究性学习包括选修创新型实验、参与科研课题等形式，将其纳入到考核内容中来，可以调动学生学习积极性和主观能动性，为创新能力的培养提供平台。

5.双语教学

双语教学外语教学与学科内容相结合的体现，顺应高等教育国际化的需求。主讲教师国际化的教育背景为双语教学提供了条件。根据课程的内容、难易程度等因素，笔者选择了“绪论”、“太阳辐射”两讲开展了双语教学。学生对该教学方式比较认可，认为有利于理解专业术语、有利于国际交流和继续深造、学习有挑战性、课堂气氛活跃等，希望增加双语学习的机会。

四、结语

传热学是建筑环境与能源工程专业专业基础课的一枚基石，是学生解决工程实际问题的知识源泉。随着学科的不断发展、专业方向的不断调整，社会对专业人才需求的不断变化，类似传热学这样的专业基础课程的教学改革势在必行。只有在课程建设与教学方法改革的实践中不断摸索、研究和总结，才能使教学体系更科学、结构更合理，不断提高学生的基础知识储备水平，增强学生解决专业实践问题的能力，进而满足社会对人才培养质量的要求。

参考文献：

[1]高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会.高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：1-2.

[2]付祥钊，康侍民，卢军，等.培养建筑环境与设备工程通识型人才的探索[J].高等建筑教育，2008，17（6）：30-34.

[3]朱颖心，石文星.对工科专业课程教学方法的思考[J].高等建筑教育，2011，20（5）：78-82.

[4]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：1-6.

（责任编辑：王祝萍）