基于学生实践能力的热交换器原理与设计课程改革研究

吴诗勇 朱伟卓

摘 要 通过教学内容、教学方法、考核模式等方面，对《热交换器原理与设计》这门课程进行了改革，着重培养学生的专业技能与实践能力，加强学生对于知识的实际运用，引导学生自主思考与学习。课程改革坚持以人为本的思想，运用多种方法，引导学生联系生活，科研以及工程中的换热器问题。实践证明提高了教学质量，提升了学生们的实践能力。

关键词 换热器原理与设计 实践能力 课程改革

中图分类号：G642.4文献标识码：A

0引言

在能源短缺的今天，能源利用率的提高已经成为各国关注的重点。换热器作为日常生活和工业生产中的非常常见的热交换设备，拥有着举足轻重的地位，换热器技术是否进步与国民经济以及人民生活水平密切相关，它的工作原理与设计计算方法更是能源与动力工程专业的学生所必须掌握的专业知识，所以，对于换热器原理与设计这门课程的不断探索与改革就显得尤为重要。随着生产技术的发展，工艺流程不断完善与现代化，换热器的设计必须适应各种特殊或者苛刻的条件，换热器在设计过程中包含了传热学、流体力学、材料科学等多门学科的基础知识，兼容并蓄又自成一体，增加了教学过程的难度。

换热器原理与设计在教学过程中主要介绍了管壳式、间壁式、混合式和蓄热式换热器，通过对各类型换热器工作原理的讲解以及相应的热计算、结构计算和流体阻力计算，使学生形成换热器设计的基本概念，具备解决生产实际问题的能力。然而计算中的大量公式要借助高等数学知识进行推导，对学生的逻辑推理能力有一定的要求，因此需要教师运用更加有效的方法把理论抽象的计算推导变得易于掌握，提高学生的学习热情与参与感。换热器相关的知识最终还是要应用于生产实践中，不能仅仅停留在理论知识层面，通过教学方法的革新使学生高效地理解与运用相关知识，对换热器产生系统性的概念，将是授课教师需要达到的终极目标。

1教学内容优化

本专业在换热器课程的教学过程中选用了东南大学出版社出版的《热交换器原理与设计》，并在此基础上进行了整合与取舍，力求让学生能够将设计原则与理论计算有机地结合起来，培养学生工程化的思维方式。东南大学出版社出版的教材作为高等学校工程热物理专业规划教材具有较强的系统性，且在内容上并不拘泥于介绍工作原理与设计方法，还添加了性能评价等方面的内容，使得整本教材的实用价值很高，符合本专业培养应用型人才的初衷。另外添加设计课程选用了化学工业出版社的《换热器设计手册》介绍不同类型换热器的结构型式和主要参数，选用设计，以及各种换热器相关计算，力求实现学生们对换热器的整体理解，并尝试结合实际问题，解决工程上的设计选型问题。

在课时分配上增加基础的传热计算与阻力计算课时，确保学生正确理解基础参数的物理意义及公式推导过程，在介绍公式时引导学生注意公式的假设条件和适用范围。由于热计算过程中涉及传热学的相关知识，所以在讲解时加入了对传热学的回顾，使学生对换热器与传热学建立系统性认知。同时考虑到设计性热计算与校核性热计算的侧重点一个在于确定传热面积，另一个在于能否实現设计目标，所以采用不同热计算方法时复杂程度具有明显的差异，在教学中需要学生深刻领会灵活应用。教材中对两种热计算方法的比较篇幅极小，在教学过程中特意借助了具体案例来比较平均温差法与传热单元数法。通过计算可以发现校核性计算时传热单元数法具有明显的优势，能大大缩减计算步骤。阻力计算则是影响实际工业过程经济性的关键计算，是换热器设计必不可少的环节。阻力计算较传热计算来说公式数量少，更多的是与结构计算相结合。

对学生在习题中遇到的重点问题进行专题讲解，保证学生能够及时发现问题解决问题。着重关注学生们在习题中出现的问题，可以针对性地为学生提供讲解，保证知识的全面性，为解决实际工业问题打下坚实的基础。同时通过对往届学生习题中问题的总结，可以在授课过程中更有侧重性，确保在首次教授过程中就将相关问题讲解清楚，提高教学效率。

2教学方法优化

换热器在教学过程中设计各种传热计算，因此传热计算是该学科的教学基础。传热计算中的各种参数则是学生易混淆的重点。针对这一情况，首先需要逐一讲解各参数的物理意义，特别是热容量、热流量、流量等相似的参数要仔细探讨其中的差异。正确理解参数物理意义有助于学生对方程的理解与掌握。在方程推导过程中，摆脱PPT的辅助，通过板书逐步推导，有助于学生整理思路，跟上教学节奏。在推导过程中提出关键问题的假设，能够让学生能够更好地理解方程的适用范围，同时也能让他们发现理论与实际工程实例之间的联系与差异，这将有助于学生解决工程中的实际问题。

高素质人才培养应根据学生的职业规划进行一定的区分，立志于投身工程实践的应用型人才需要加大对专业技能与实践能力的培养;而针对想要成为研究者的学生则应培养其科研创新的能力。通过教学方法的不断优化，增加对不同类型学生的区分和针对性的指导，才能满足社会对高素质人才的需求。在本科教育中大部分还是以专业技能以及工程实践能力的培养为主，所以我们以这部分教学为主，并穿插部分开放问题，让感兴趣的同学选择性的去了解。

换热器这门课程在多年的教学过程中还存在一些问题：教材中采用的大多是换热器的局部示意图或剖面图，学生在认知过程中存在一定障碍，无法更加直观的去理解换热器，特别是在考虑冷热流体流动时需要将二维的换热器结构示意图拓展成三维空间，学生理解起来比较吃力。因此在实际教学过程中，在介绍换热器结构时添加了实物图片与视频资料，寻找或者制作模型视频，给学生提供了三维立体的视角。同时实现了更加直观地介绍工程应用中的实际问题，例如结垢易发生在什么位置，热应力可能对整个换热器造成哪些影响等，加深了学生对相关知识的印象。

换热器这门课程与工程实际密切相关，总归还是要回归到联系工程实际，不能一味的让学生去应试性的学习。高素质人才的教育，在从书本知识转变为工程应用上还存在一些问题，学生在课堂上学习到的知识经常难以在工程中使用，在这门课中我们通过一些设计计算，工程选型教学，更多的使课本上的知识与工程实际相结合，培养学生们的应用能力。另外增加设计课程，让学生自己动手尝试解决工程问题，让其身在其中的学习，不再单一的进行书本上的学习。