“传热学”课程教学大纲的编制思路

余德洋 杨明涛

摘 要：“传热学”课程是各级院校开设建筑环境与能源应用工程专业所必设的一门专业基础理论课。如何编制“传热学”课程教学大纲，促进建筑环境与能源应用工程专业建设是本专业教师面临的重要问题。本文以应用型本科院校为例，从课程性质、课程目标、课程内容、课程安排和课程实施建议五个方面详细论述针对目前应用型本科院校的传热课程学习情况，如何制定“传热学”课程大纲。

关键词：传热学;导热;对流换热;辐射换热

“传热学”是研究热量传递规律的工程技术科学，其不仅为建筑环境与能源应用工程专业的学生学习有关专业课提供基本的和必备的理论知识，而且也为该专业学生今后在工程中能够合理有效利用热能和提高热力设备效率等工作，打下必要的基础[1]。因此，做好“传热学”课程的教学，是一件极为重要的工作。编制合理的课程教学大纲不仅可保证教学计划的顺利实施，而且对学生学习该门课程具有指导性作用[2-3]。笔者根据当前应用型普通本科院校实际情况和传热技术发展水平，对如何编制“传热学”这门课程的教学大纲进行了讨论。并且在文中提出了几点合理化建议，以便更有效地组织实施“传热学”课程的教学。

1 课程性质

“传热学”是建筑环境与能源应用工程专业的一门重要专业基础课[4]，在本专业课程体系里发挥着承先启后的重要作用，通过该课程的学习，使学生掌握传热学的基本理论知识和基本原理，树立培養学生的工程意识和工程实践能力，运用传热学知识分析实际工程问题中起作用的热量传递方式，选择合理的方法计算工程问题中的换热量以及温度分布，并能够针对实际工程问题中的传热过程进行削弱或强化。“传热学”课程教学大纲的编制应该结合不同学校、不同专业教学实际情况和学生专业基础水平。

2 课程目标

学校层次的不同，传热学的课程目标的侧重点也会有所不同。应用型本科院校“传热学”课程的授课目标首先要使学生熟知传热学的基本概念，能够区分和运用专业术语进行简单有效的学术交流。基本概念是传热学入门所必须要理解和掌握的，这对于学生进一步学习和掌握传热学的知识非常关键。其次，要使学生理解传热学中的所有基本原理和主要公式，能够将所学理论和工程实践相结合，应用不同的定律、原理和公式，对实际工程中的具体传热问题进行定性以及定量的分析。再次，要使学生熟悉不同类型的间壁式换热器结构和设计计算原理，并且能够运用所学的传热知识针对简单的换热器进行设计以及校核计算。上述传热学的课程目标比较符合应用型本科院校的就业定位。

3 课程内容

“传热学”课程内容主要分为十二个部分，分别是：（1）绪论;（2）导热理论基础;（3）稳态导热;（4）非稳态导热;（5）导热数值解法基础;（6）对流传热分析;（7）单相流体对流传热;（8）凝结与沸腾传热;（9）热辐射的基本定律;（10）辐射传热计算;（11）传热和换热器;（12）课程思政。

3.1 绪论

绪论设置的目的主要是让学生能够对简单传热问题进行计算，能分析工程实际的传热问题有哪些热量传递方式和环节。绪论对全书的内容只是作了初步的概括，但没有作深入讨论。

3.2 导热理论基础

这部分内容设置的目的主要是让学生掌握傅里叶导热定律、建立导热问题所对应的数学微分方程及对应的求解方法、边界条件的处理，从而为后续的导热计算以及建立导热数学模型打下基础。而温度场，温度梯度，热流量与热流密度，导热系数与导温系数等概念的讲解对于理解导热过程及其计算是必不可少的。

3.3 稳态导热

通过稳态导热内容的讲解，使学生具有解决以下问题的能力。能够对平壁、圆筒壁以及肋壁等几种典型形状物体的稳态导热问题用数学方法计算，确定这些物体内部的温度场和通过的传热量;掌握利用热阻分析的方法分析工程实践中的稳态导热问题，能够处理导热系数变化所带来的影响，以及利用肋片导热的特点来强化工程实践中的传热过程。

3.4 非稳态导热

通过本章的学习，学生能够针对无限大平壁、半无限大物体、无限长圆柱体及球体等物体的瞬态导热问题进行分析，得出其微分控制方程和单值条件（数学描述）;利用上述典型形状非稳态导热问题解的结果对工程实践中的问题进行数学分析计算;掌握利用集中参数法计算分析特殊的瞬态导热问题;利用时间常数的概念求解非稳态导热问题;能够对一维非稳态导热的分析解进行讨论;会运用诺谟图（海斯勒图）解决瞬态导热问题;学会运用乘积解法来求解二维以及多维非稳态导热问题。

3.5 导热数值解法基础

导热数值解法基础部分的内容主要包括数值求解导热问题的技术路线、并以二维稳态导热以及一维非稳态导热两种类型物理问题作为例子，讲解了运用有限差分法对导热问题进行数值求解的基本过程。通过对导热数值解法基础内容的学习，要求学生掌握从热力学第一定律出发建立代数离散方程的方法，并能够对已离散的代数方程组进行迭代求解。

3.6 对流传热分析

通过本章内容的学习，应使学生了解影响对流换热的因素，并理解每种影响因素的作用机理，掌握确定对流换热系数的几种方法，理解边界层概念的物理机制。

3.7 单相流体对流传热

通过本章内容的学习，不仅使学生能够正确选择实验准则方程求解不同类型单相对流传热的表面传热系数及其传热的热流量，而且应使学生能够通过实验得到不同类型单相对流换热的表面传热系数的方法。

3.8 凝结与沸腾传热

完成这章内容的学习，学生应能够定性地理解凝结和沸腾两种存在相变对流换热的特点、影响凝结和沸腾传热的因素及强化措施，尤其是膜状凝结的影响因素和大容器饱和沸腾曲线。应掌握竖壁、单管和管束的膜状凝结传热的定量计算，以及大容器泡态沸腾及沸腾临界点时的热流密度计算。

3.9 热辐射的基本定律

通过本章学习，学生应熟悉热辐射的一些特点，掌握热辐射领域重要概念，理解并会运用黑体辐射的几个重要定律解决实际问题。掌握基尔霍夫定律的内容以及它的应用，了解黑体、白体、灰体、透明体以及实际物体之间的差异。

3.10 辐射传热计算

通过本章内容的学习，要求学生掌握角系数的概念和性质，重点是掌握角系数的计算方法。还要求学生能够熟练利用辐射网络图对由漫灰表面组成的封闭系统进行辐射传热计算。理解遮热板等强化和削弱辐射传热方法的原理及其应用。

3.11 传热和换热器

通过本章内容的学习，要求学生能够针对复合换热问题熟练的进行计算分析、理解传热过程的概念及对其进行计算分析、理解临界热绝缘直径的物理含义及计算方法、掌握计算对数平均温差的方法、能够掌握设计和校核间壁式换热器的计算方法。

3.12 课程思政

为了全方位育人，专业课不仅要传授知识，而且要对学生的人生价值观进行引领，需将以下思政元素融合进传热学的教学内容。

（1）科技报国的家国情怀。在第一节课介绍传热学应用时，延伸到建筑节能、能源动力以及航空航天等领域存在大量的传热问题，使同学们看到传热领域科技人员在国家发展过程中所起的积极作用，进而更好地激发学生的爱国思想，努力学好专业知识，以便實现科技报国的家国情怀，为祖国的发展贡献自己的一份力量。

（2）节能减排。在学习间壁式换热器时，详细阐述换热器传热过程的强化与节能减排的关系。间壁式换热器内的传热过程由管壁导热、管内对流换热以及管外对流换热三个环节组成。根据换热器的实际工况，可在管内壁及外壁分别设置内肋和外肋以提高管壁两侧的对流换热，选用导热系数高的管材以降低管壁的导热热阻。诸如上述强化措施可大大优化换热器的传热过程，从而节约换热器的运行能耗，降低因消耗能源引起的环保问题。通过这部分的讲解，可使学生们理解传热学对于实现节能减排的重大作用。

4 课时安排

“传热学”课程具体的学时建议安排可见下表。

5 教学实施建议

（1）传热学授课内容结合日常现象。当前许多学生将自己不爱学习传热学的原因归结为不明白传热学有什么作用，因而，在传热学学习过程中总是缺乏学习的热情，在课堂上一直处于消极听课，懒于主动学习思考，最后学习效果总是不理想。针对这一现象，建议在今后的教学中注重将传热学知识点与日常现象和工程实践结合起来。例如，在讲授有相变的对流换热和单相无相变的对流换热时，如只按照课本内容给出上述两个概念的叙述，则会使学生感觉枯燥乏味，因此，为了使学生对相变传热和单相无相变传热这两种物理现象有比较深刻的理解，在给出概念后，应紧接着提出日常生活中人在做剧烈运动后的散热现象。如人在做剧烈运动后，体内产生大量的热，此时人体如不能出汗，人体皮肤和大气间的对流换热处于无相变对流换热时，传热速率小，人体内的热量来不及向环境释放，则人体会越来越难受。但正常情况下，剧烈运动会引起人体出汗，汗液在皮肤表面蒸发，汗液蒸发所需的气化潜热来自人体，随着汗液蒸发，从而加快人体的散热速率。通过上述例子可使学生比较直观理解相变传热与无相变传热在传热速率上的区别。

（2）弱化传热公式的推导，强化对公式的应用。众所周知，传热学难度大，涉及许多的公式推导，推导公式需用微积分和微分方程组等数学知识，因而增加了学生学习的难度。针对这一问题，建议在教学过程中弱化公式的推导，重点培养学生利用传热公式解决问题的能力。

（3）设置合理的问题，引导学生主动探索学习。在学习新内容前，可通过设置一些问题，使学生们有目的地学习新知识。如在学习临界绝缘直径部分内容时可事先提示学生以下内容：随着包裹在管外壁（管道置于空气中）的保温层厚度增加，管外侧表面和空气之间换热面积增大，因而导热热阻会减小，所以管外壁上的保温层厚度越大越利于管内流体和管外空气间的换热;另一方面，随着保温层厚度的增加，其导热热阻也会相应地增长，这又降低管内流体和管外空气间的换热速率。在上述提示内容的基础上，提问学生管外壁上的保温层厚度取多少能最大程度地减弱管内外流体间的传热速率，并要求学生们掌握确定最佳保温层厚度的数学方法。让学生带着目的学习，可起到事半功倍的效果。

6 结语

“传热学”课程对于深化建筑环境与能源应用工程专业学生的理论基础，更好地培养工科学生的创新思维具有重要的促进作用。通过本门课程的学习，可以为今后的专业课学习打下坚实的知识基础，也为建能专业学生今后工作和研究指明了方向，例如通过采取合理的强化传热或抑制传热的方法，实现节能减排。该课程教学大纲正是基于以上教学目的进行撰写的，可以规范任课教师更有效地指导学生学习“传热学”课程。

参考文献：

[1]刘其鑫.建环专业传热学教学体会与探讨[J].山西建筑，2011，37（26）：252-253.

[2]郭文革.高等教育质量控制的三个环节：教学大纲、教学活动和教学评价[J].中国高教研究，2016（11）：58-64.

[3]张光.高校课程大纲的功能和要件：兼论我国大学课程大纲制度之现状[J].清华大学教育研究，2011（2）：40-46.

[4]李敏，凌长明，谢爱霞.三种教学法在“传热学”教学中的应用和实践[J].中国电力教育，2011（4）：93-94.

作者简介：余德洋（1973— ），男，江苏兴化人，硕士，研究方向：传热与热质交换课程建设。