传输原理课程内容设置和教改措施研究

何 飞，周 俐

(安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002)

传输原理是冶金、材料和化工等很多工科专业学生在本科阶段必选的一门专业基础课，通常要求先修课程为高等数学、计算机基础、大学物理和物理化学等。该课程的教学目的是要求学生掌握冶金等过程中所涉及到的传输的基础概念和基本理论。通过该课程的教学，使学生运用基本知识分析冶金等过程中所涉及到的动量、热量和质量传输问题，从而为改进过程工艺操作和设备、提高控制和设计水平打下基础，同时为工艺过程提供物理模型和数学模型，也让学生学习计算机求解的基本方法。

传输原理涉及的教学内容既可以单独作为一门课程设置，比如国内大部分高校的冶金工程和化工专业在本科二年级或三年级，将动量传输、热量传输和质量传输设置在一个课程里面[1-3]，又可以分解为多门课程，比如流体力学、传热学或传热传质学[4-5]。传输原理实际上更多的是研究动量、热量和质量传输这三种物理现象的宏观规律、定量求解及其实际应用，是一门涉及面广、综合性非常强的学科。在工程领域，尤其是高温下的冶金过程，包括矿石冶炼、炼钢、凝固成型和轧制等，均不可避免地存在这三种传输现象，其对单元操作和工艺过程影响很大，甚至成为限制性环节。熟练掌握这门课程，对解决实际工程问题具有重要意义。为更好地让学生掌握这门课程，培养学生分析和解决问题的能力，笔者对该课程教学内容进行了优化设置，并采用有针对性的教改措施。

一、教学内容设置

传输原理课程共5个学分80个学时，其中包含实验(上机)12学时。课程教学内容共分14章，其中第1章到第7章为动量传输部分，第8章到第11章为热量传输部分，第12章到第14章为质量传输部分。本课程在第3章动量传输的基本方程部分安排了2个学时的流体流速和流量的测量方法及毕托管的校正实验，在第4章管道中的流动及孔口的流出部分安排了2个学时的雷诺实验，在第5章边界层流动部分安排了2个学时的边界层特性实验，在第9章导热部分安排了3个学时的二维稳态导热和一维非稳态导热的数值计算上机实验，在第10章对流部分安排了3个学时空气纵掠平板时局部换热系数测定以及边界层测量实验。

教学内容的总体安排考虑了本课程的特点，突出基础知识和基本理论，以更好地为初学者建立传输原理的知识体系。动量传输部分，首先介绍流体流动的基本概念和描述，在此基础上建立动量传输的基本方程，而以后各章，如管道内流体流动、边界层流动、可压缩气体流动等都是基本方程在具体条件下的应用，最后，还要介绍相似原理及模型实验研究方法。热量传输部分，首先介绍传热的基本概念，引出三种传热方式，在此基础上建立热量传输的基本方程和定解条件，而以后各章，分别介绍导热、对流和辐射的传热机理、规律和相关问题的求解及应用。质量传输部分，首先介绍质量传输的基本概念、基本方式和基本定律，在此基础上建立质量传输的基本方程，而以后各章，如扩散传质、对流传质等也都是基本方程在具体条件下的应用。从动量、热量和质量传输各部分具体的教学内容来看，都具有很强的逻辑性和系统性，从知识点对比来看，循序渐进，具有一定的联系和类似性。

结合以上课程内容特点，学时安排如下：动量传输部分占总学时的50%，这部分内容是基础，很多知识点都是教学重点和难点，对于刚接触这门课的学生，很多的新概念和理论理解起来有难度，数理知识要求又较高，所以需要花更多的时间来透彻讲解，不仅要让学生掌握动量传输的基础知识和相关应用，建立知识框架，更重要的还是培养学生对这门课程的学习兴趣。热量传输部分占总学时的40%，课时相比动量传输有所减少，但其所涉及的传热基本方程、导热、对流和辐射等教学内容也均是教学重点和难点，由于课时的有限，所以必须要抓住热量和动量传输的共同点和类似性，在讲授部分知识点时可节省时间。质量传输部分占总学时的10%，其中质量传输的基本定律是教学重点和难点，扩散传质和对流传质很多内容都是可以根据动量和热量传输类比讲授，不作为重点，这部分教学内容更多的是让学生自主学习。

二、教学改革措施

(一)部分教学内容的改革

在上述教学内容设置的总体框架下，下面就从部分具体的内容上探讨一下传输原理课程教学内容的改革。比如流体纳维-斯托克斯方程(N-S方程)的推导，目前很多传输原理教材上都是基于动量守恒定律，即系统的动量收支差量+系统其它作用力总和=系统的动量蓄积，然后采用微元体分析法把其中各项用数学关系表达出来，那么这其中涉及到的微元体对流动量通量和粘性动量通量收支差量的数学表达其实是很难理解的。实际上，N-S方程根据牛顿第二定律(F=m·a)推导要简单很多，只要把微元体受到的质量力、表面力和加速度都数学表达出来，该方程基本形式就可得到，采用这种推导方法学生更容易理解。还有比如自然对流换热，在高温的冶金等工业过程中，这种现象非常普遍存在，但很多传输原理教材上这部分内容篇幅很少，只给出了自然对流换热特征数方程，实际上这部分教学内容可以增加自然对流换热温度边界层及相关工程实例的介绍。教学内容的改革应结合专业特点、学生的接受能力和教学实践反馈等进行，不能仅仅局限于教材，可以对教材内容进行重新组织和增减，以达到最佳的教学效果。

(二)基于问题导向的教学模式设计

在传输原理课程教学过程中，针对一些重点和难点内容，可以先提出一些相关的问题，以问题为导向牵引教学全过程，当然问题的设计也十分重要，合适的问题可以充分调动学生的学习主动性和积极性。以热量传输的微分方程为例，首先设计了3个问题：(1)如图1所示一物体，已知初始时刻(τ=0)温度分布t(x, y, z, 0)，放在空气中，问该物体的热量散失是多少？(2)τ>0，该物体温度分布是怎样变化的？(3)如果外界条件变化了，该物体的温度分布又怎样变化？告诉学生这就是我们所要关心的问题，实质关键就是确定物体的温度场t(x, y, z, τ)，而描述物体温度场的方程则是热量传输微分方程。然后结合这些问题进行热量传输微分方程数学推导，最后结合一些具体算例来解决以上问题。从提出问题到解决问题贯穿整个教学过程，循序渐进，这样可以使枯燥的热量传输微分方程推导更实用，也更有吸引力，从而激发学生的学习兴趣。

(三)加强实践教学

本课程设置了12个学时的课内实验，占总学时的15%，包括热工实验和上机实验。作为实践性很强的工科专业，本课程的实践教学内容和时间远远不够。实践教学注重的是学生能力的培养，必须加以重视。本课程在有限的课内学时的情况下，在热工实验上还开设了跟课程内容对应的5个课外实验，分别是流体动量方程验证实验、紊流自由射流实验、平板稳态法材料导热系数测定实验、法向辐射率的测量实验、高效连铸模型实验(设计性实验)，学生可以根据自己的学习兴趣来选做。在上机实验时，鼓励学生多用计算机编程来自行解决一些传输问题，尤其是在讲解具体的知识点时要给予学生适当的引导或者布置相关的开放性作业，比如导热中介绍的“试算法”，用计算机编程实现非常方便，还有比如复杂表面间辐射角系数的计算，也需要采用数值计算的方法[6]。通过实践教学，不仅仅是验证所学理论、巩固所学知识加深理解、掌握一些实验技能，更重要的是培养学生的独立动手能力、创新能力以及运用所学知识分析和解决问题的能力。

三、结语

根据传输原理课程特点，我们首先对教学内容的总体框架和学时安排进行了优化设置。然后在此基础上，结合教学实践，提出了改革部分的教学内容、设计基于问题导向的教学模式和加强实践教学等针对性的教改措施，以激发学生的学习兴趣，不断改善教学效果，提高学生的实践能力，培养学生分析和解决问题的能力。