以科教融合为导向的高等传热学课程教学改革

杨帆　姜文全　郑平　王卫强

［摘 要］高等传热学是能源、动力、储运、石工、制冷空调和工程热物理等专业研究生的一门重要课程，在研究生的培养过程中起到至关重要的作用。文章针对目前高等传热学的教学现状与存在的问题，提出从课程内容上进行模块设置，分为基础模块、方法模块和案例模块，使用线上和线下混合式教学手段使“教”更具灵活性，采用研究性、开放式方法使“学”更具目的性，同时结合石油石化的特点进行了特色案例库的建设，这样既夯实了学生理论基础又提高了学生的科学研究能力，以期为不同专业研究生的热工类相关课程的教学改革提供新思路。

［关键词］高等传热学；研究性；科教融合

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0129-03

随着研究生教育战略地位的日益凸显，研究生培养质量提升的紧迫性更加突出。课程学习作为研究生培养环节的重要组成部分，是培养研究生基本科研素养和科研能力的基本途径。已有学者[1-2]指出研究生课程教学存在的问题包括教学内容陈旧、教学方法“本科化”等，不仅使部分研究生对所学课程多有抱怨，也让部分研究生导师深感目前的课程无助于研究生能力的培养[3]。因此，研究生课程的教学改革势在必行。

高等传热学是研究热量传递规律的一门学科，是能源、动力、化工、制冷空調和工程热物理等专业研究生必须学习的一门重要课程。传热理论的应用几乎涉及工程科学的各个领域，学好本课程是学生今后从事相关科研工作和解决工程应用问题的基础。国内各高校相继对高等传热学课程进行了以下改革，张靖周[4]从教材建设出发，采用研究性和探究性教学方法以促进研究生“三强一高”；各高校先后采用了研究性[5]、开放互动式[6]教学方法，以学习者为中心，从课程内容[7]、实践[8] 、案例库的建设[9]方面进行教学改革，从而最大限度地调动学生的学习积极性，启迪创新思维，提高科学研究能力。但研究生课程的教学改革应从整体考虑，如果不分析本校学生的层次和特点而只是照猫画虎，或是不从整体考虑而只是片面地改革教学内容或教学方法，那么教学改革也只会流于形式，不能真正起到作用。

一、高等传热学课程存在的问题

（一）教学内容涉及大量的数学推导

高等传热学课程针对导热的理论解问题介绍了分离变量法、拉普拉斯变换法、近似积分法等方法，涉及烦琐的数学分析和推导过程，但是当学生遇到实际工程问题时，只能解决简单的几何边界下的导热问题，稍复杂的几何边界的问题就无法用解析解解决，导致学生会对课程产生疑问：建立数学模型和复杂的解析解有什么用？

（二）课程设置的导向性不强

目前课程的内容设置偏重于基础理论分析，而且对于数学推导要求较高，学生会有一种在学习数理方程的感觉。但对于应用型高校的研究生来说，科研课题大多来源于实际工程实践，强调理论对实践的指导，追求化烦琐为简单、可以进行工程估算，对于过于繁杂的理论公式推导，得到的复杂解析解（如特征值问题得到的特征函数）没有办法进行数值上或工程上的验证，这样学习就变成了一种应试型教育，无法学以致用，导致学生缺乏学习兴趣，更谈不上钻研精神了。研究生导师寄予厚望的课程没有达到培养学生用传热学方法解决问题的能力的目的，学生也浪费时间和精力。

（三）授课对象基础差异大

由于学习高等传热学课程需要本科阶段工程热力学、流体力学和传热学的基础，跨专业的研究生虽然在研究生入学考试和复试时对上述专业基础课程有一定的认识，但没有系统地学习过，因此在知识体系中理论框架的构建上还是差强人意。本专业成绩较好的学生能够很快地进入学习，而跨专业的学生虽说补修了本科阶段的专业课程，但在专业基础课上还有很大欠缺。笔者在每届学生的第一次课上，都会进行摸底问卷调查，如果跨专业比例较大，就会用4～6个学时进行热工学课程的概述，这在研究生教学中也是一个难点。

综上所述，高等传热学课程教学中存在的理论性强、导向性差和授课差异大的问题在大多数工科类高校研究生课程中是共性存在的。为了使学生不仅能够掌握更丰富的相关知识、夯实专业基础，而且能够提升运用高等传热学理论解决科研和工程问题的能力，我校高等传热学课题组从科教融合和凸显石油石化特色两个思路出发，采用线上+线下混合式教学和研究性教学方法对高等传热学课程进行了深入的系统的课程建设，以科教融合为导向，在学位课程和研究课题间建立联系，在任课教师和指导教师间搭建桥梁，形成反馈，夯实基础，提升学生的科研能力。

二、教学改革的探索

（一）课程内容的模块化

一般来讲，高等传热学课程内容的展开和本科阶段课程内容的展开是略有不同的。本科阶段是按照热量传递的基本方式导热、热对流和热辐射来展开的，而高等传热学则是按导热和对流来展开的，如果有辐射参与则考虑为复合传热过程。导热部分分为导热的基本理论、多维稳态导热和多维非稳态导热，研究方法有分离变量法、格林函数法、拉普拉斯变换法等；模块化的目的是将授课内容功能化，让学生清楚哪些是课程的理论知识，哪些是解决问题的数学手段。将基础理论模块设置在开课前期，然后引入方法模块，完成后再进入案例分析模块。部分内容的模块化过程如图1所示。

（二）教学体系的建设与方法的改革

在完成课程模块化设置后，采用混合式教学方法来解决授课对象差异大的难题。要完成前述基础性内容体系的教学，仅靠课堂时间很难实现。为此，教师可以基于知识共享、信息共享理念，采用混合式教学方法将线上与线下有效对接，将有限的课堂教学与无限的课外学习合理衔接，具体内容分配如图2所示。如在导热部分的学习中，学生首先进行导热基本定律、导热方程、单值性条件等的线上学习以夯实基础。跨专业的学生可反复多次进行线上学习，而本专业的学生则可迅速进入专业案例模块学习中。对于油气储运专业特色案例模块中的地下埋管的导热分析，需要使用到数学方法模块中的内热源法，若管道敷设在冻土层内则涉及各向异性材料的导热部分知识，我们均采用线下面授的方式进行教学，案例和专业特色的结合将会使学生学习的目的性增强，兴趣也会增加，从而达到科教融合的目的。

我校高等传热学课程的计划学时为48学时，在学时分配上将其分成3部分：16学时为基础模块学习，16学时为方法模块学习，16学时为案例模块学习。教师在课程开设前将教学大纲模块从线上推送给学生，要求每个学生根据自己的研究方向选择模块任务来进行学习并提交学习计划表，这样学生就有了学习主动权，有了明确的学习计划，也使任课教师可以因“计划”施教。

（三）特色案例模块的建立

为了使学习更有指向性、提升研究生的科研素质和能力，进行特色案例库的建设是非常必要的。笔者征询了硕士研究生导师负责的科研项目，把其中的一些与传热有关的经典问题和前沿科研问题进行了特色案例模块的设置，包含导热部分的地下埋管的导热、热油管道的传热过程、停输再启动的非稳态导热过程等经典问题，还有些任课教师研究的纳米流体传热机理和微尺度流动与换热等前沿问题。这样既增强了学生学习的目的性，又提升了运用课程相关知识去解决工程问题的能力，拓宽了学习的思路。但特色案例库的建设需要任课教师和指导教师花费大量的时间与精力共同研究、反复研讨，最后凝练出适合学生进行研究性学习的案例。案例库的建设在任课教师和指导教师之间进行了无缝对接，不仅夯实了学生的专业基础知识，而且与导师的研究课题进行了紧密结合，实现了教学与科研的深层次结合。在案例库的基础上，我们也设置了开放性课题，学生可以选择生活中或是工程实际中自己感兴趣的课题来共同分析和研究，因为开放性课题是案例课题的拓展。具体课题形式如表1所示。

（四）高等传热学微课的录制

由于研究生课程网上资源的有限性，必要的微课录制至关重要。微课的核心组成部分是课堂教学视频。尽管微课时间短，但其仍是具有相对完整教学结构和流程的独立课程[10]。微课教学目标明确、重难点知识突出、针对性强，短时间内可以吸引学生的注意力，让学生一目了然，因而可以提高教学效果。微课的出现符合当下网络时代的特点，只要有网络的地方学习者就可以随时随地地学习，并且可以根据自身对知识点的掌握情况有选择性地学习，灵活支配学习的内容、时间和场所，打破了学习的时间和空间限制，不仅能够解决课堂上大量、反复地讲授重点难点知识占用宝贵学时的问题，又可方便学生进行期末复习和考研复习，提高学生的学习效率。任课教师团队对热油管道的传热过程等特色课程进行了微课的录制，在后续的改革中将会对其逐渐完善。

（五）考核方式改革

高等传热学的教学目标是培養学生具备应用传热学的理论知识去认识和解决相关的工程问题的能力，考核的标准不应只考虑能否用固定的理论去分析、用固定的公式去推导，而应考虑能否应用传热学知识解决实际问题。成绩的组成分别为学时成绩30%、卷面成绩30%、案例成绩20%和结果成绩20%。成绩优秀的条件满足以下一条即可：（1）在核心期刊或更高水平杂志上发表相关的科技论文；（2）针对某一实际案例提出科学的、系统的解决方案，形成展报或进行PPT展示；（3）在传统的传热学问题的基础上提出了开放性问题，解决思路和方法得到了大家的一致认可；（4）对某一传热课题进行微视频的录制，得到了大家的一致认可。这样的结果考核方式既调动了学生的积极性，又突出了成果导向。

三、教学改革实践与反思

高等传热学的教学改革已在2016级、2017级和2018级油气储运工程、石油工程专业的研究生范围内实施。学生自主选择模块进行学习的热情很高，都能够在自己的研究方向上找到与高等传热学课程的契合点来进行自己课程的设置，其中绝大多数学生选择了课程优质模块来完成理论知识模块的学习，因为灵活性较大。跨专业的学生可以多修，而本专业的学生可以花费较多的时间和精力在方法模块学习上，也可以更早地进入案例模块的学习。有了选择权的学生变成了课程的主人，使以学生为主体的教学目的得以实现，也使研究性学习课堂的氛围活跃起来。新的考核方式弱化了应试的卷面成绩，突出了教学参与过程和成果导向。3届学生的期末考核成绩平均分为85分以上，高分段在95分左右，同时形成了大量的优秀展报、PPT课件和开放性课题，也有论文发表。从学生成绩看，成果导向作用明显，这些成果为任课教师的教学和指导教师的科研都注入了新鲜血液。

四、结语

为了激励研究生更好地进行学位课程的学习，学有所用、学以致用，开展了科教融合为导向的高等传热学课程的教学改革，旨在注重教学和科研的有机融合，采用混合式、研究性和开放性的教学方法和手段，在学位课和科研课题间建立桥梁，推动和促进研究生参与指导教师的科研活动，夯实学生的理论基础，提高其开展科学研究的能力。然而高等传热学的课程教学改革在探索过程中依然存在局限性，要想取得好的效果，需要研究生指导教师的投入和配合，更有待方家指正。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 胡甲刚.我国博士生培养模式的问题剖析[J] .中国高等教育，2009（6）：42-44.

[2] 孙晶.深化研究生课程与教学改革的几点思考[J].淮北师范大学学报（哲学社会科学版）， 2013 （5）： 164-166.

[3] 姚莉，刘伟.研究生课程教学改革的几点思考[J].高等教育研究学报，2010（4）：36-39.

[4] 张靖周. 高等传热学教学中的“三强一高”[J].科技资讯，2015（19）：167-168.

[5] 陈柳，姬长发，姜华，等. 研究性学习法在《高等传热学》课程中的应用[J].中国电力教育， 2019（10）：66-67.

[6] 邱林. 开放互动式教学方式在高等传热学研究生课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2008（4）：95-97.

[7] 任洪波， 姜未汀，翁建华，等. 新形势下研究生高等传热学教学改革探索[J]. 教育教学论坛，2020（30）：269-270.

[8] 耿丽萍，杨杰，陈慧，等. 从实践中提升专业硕士研究生“高等传热学” 课程的学习效果[J].科技与创新，2020 （17）：94-95.

[9] 毛前军.高等传热学学习体会及案例库课堂教学[J].教育教学论坛，2020（41）：285-286.

[10] 刑晓丹.“微课化”重构提高高校MOOC平台有效学习率研究[J].大学教育，2020（12）：1-3，13.

［责任编辑：钟 岚］