新工科背景下“传热学”实验教学改革探索与实践

摘"要：“传热学”是国内外能源动力、机械、化工、航空航天等多个工程类专业的核心技术基础课之一，课程具有典型的“难教、难学、难考”特点。传统的传热学实验单一授课方式已不能有效满足新工科人才能力培养，为提高实验教学效果，在“传热学”实验教学方法上做了三方面的尝试：一是转变教学方式；二是引入数值模拟实验；三是丰富实验教学课件内容。新的教学方法提高了学生自主学习性、拓宽了学生的学习途径、激发了学生的学习兴趣，教学效果显著。

关键词：传热学；实验教学；教学方法

中图分类号：G642.0""文献标识码：A

传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学。凡是有温差的地方，热量就能自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分［1］。由于自然界和工业生产中几乎到处存在着温差，所以热量传递不仅存在于自然界中常见的风、霜、雪、雨等自然现象中，而且广泛存在于工程技术领域，如在能源动力、机械、化工、冶金、航空航天等技术领域。

本专业传热学教材采用陶文铨院士所编《传热学》第五版。内容包括热传导、对流传热、辐射传热、传热过程分析与换热器的热计算四大部分的内容，具体包括热传导、热对流和热辐射三种基本热量传递方式的物理概念、特点和基本规律；综合应用这些基础知识正确分析工程实际传热问题的方法；计算各类热量传递过程的基本方法；典型的工程传热问题计算方法；强化或削弱热量传递过程的方法及切实可行地强化或削弱传热的措施等。课程具有典型的“难教、难学、难考”三难特点。

针对课程内容多、概念抽象、难点多及理论与工程实践紧密结合等教学难点，能源与动力工程专业同时开设了传热学的系列实验，包括强迫对流单管外放热系数的测定、大容器内水沸腾换热实验、中温辐射时物体黑度的测试以及综合传热性能实验等。通过实验的方式把一些晦涩难懂的知识点更加形象、直观地表现出来，学生更易于接受。由于每个实验会同时涉及几个知识点，可以使学生把所学理论知识串联起来，最后内化、吸收，变成自己的知识。理论与实践相结合，可使学生能够对理论知识有更加深入的理解与掌握。同时，通过实验，能够增强学生的动手能力，使学生掌握一定的实验操作技能，掌握数据采集、整理、分析的能力，培养学生的逻辑思维，培养团队协作能力。传热学实验教学的重要性不言而喻。传统的传热学实验单一授课方式已不能有效地满足新工科人才能力培养的要求［2］，除完善实验项目外，辅以行之有效的教学方法，对教学质量的提高将起到事半功倍的作用［3］。为更好地与理论课相结合，加深学生对相应知识的理解，在传热学实验教学中做了以下尝试。

1"转变教学方式

在以往的实验教学中，教师是实验课的主体，学生被动接受知识，这种“填鸭式”的实验教学方式不利于学生学习、思考［4］，学生只是为了做实验而做实验，或者说只是为了修够学分而做实验，没有经过很好的思考，自然也就达不到实验教学更深层次的效果。为此，在实验教学方式上做了以下尝试：以课前—课中—课后的模式开展教学。

课前预习：利用某学习软件发布课前预习材料，完成实验报告的撰写（数据采集与处理部分除外），提出问题与反馈。课中线下教学：检查预习效果、讲解实验原理等重点知识、指导学生动手做实验、引导学生提出该实验所涉及的理论知识点。课后复习：学生通过处理实验数据检查自己的预习、课上学习效果，重温知识点，加深对理论知识的理解；学生参与教学效果讨论，对教师的教学方式、教学效果提出合理性建议。教师反思教学效果、查漏补缺授课内容，如图1所示。

在课中部分，以二维导热物体温度场的电模拟实验为例，教师可以提出以下问题，让学生带着问题去思考。比如，实验设备为电阻网络式电模型，通过数据记录可知，实验测量结果为电压值，为什么可以换算成温度值描述温度场，从而引出实验装置是建立在导热和导电现象有类似的数学描写的基础上；类似的数学描写包括微分方程类似、定解条件类似，那么微分方程和定解条件类似是如何实现的；如何通过离散的点计算墙体的散热量；为什么测量结果与理论计算存在差异，产生误差的环节有哪些，减小误差的措施有哪些；等等。面对这些问题时，学生就会迫切需要找寻相应知识点来解决这些问题，产生对知识的渴求心理，从而激发学生的自主学习行为。

通过课前—课中—课后的教学方式，学生带着问题去思考，能够用理论知识更好地指导实验。反之，也能够用实验现象去验证理论知识，从而把实验现象与理论知识串联起来，达到更深层次的实验教学效果。理论与实践有机融合，收获了1+1＞2的效果，而不仅仅是上了理论课、完成了实验课；同时教师通过学生的合理性建议，也会不断进步，达到教学相长的目的。

2"引入数值模拟实验

数值模拟可以简单地理解为用计算机做实验。在计算机飞速发展的今天，作为新兴的科学技术，数值模拟已经广泛应用于各工程领域，如冶金、化工、航天、生物医学等。传统实验依附于实验设备的种类、先进性，亦受到实验场地的限制，当我们所研究的对象因实验条件苛刻而不易操作或不易实现时，会耗费很多人力、物力，而且不能保证实验顺利进行或实验结果可靠。数值模拟在某种意义上讲比做实验对问题的认识更清晰、深刻，也更细致。通过数值模拟，不仅可以了解问题的结果，而且可随时、连续、动态、重复地显示事物发展的整体与局部的细致过程；可以通过计算机比较直观地显示出目前还不易观察到的一些实验现象，更容易被同学们理解和接受；可以观察到发生在试件内部结构中的一些物理现象，而这些现象并不能通过实验观察到。同时，数值模拟可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实施的实验。

传热学实验设备普遍存在前期投入较大、更新费用高、场地空间受限、实验内容难以拓展等特点［5］。为合理改变这种现状，传热学实验教学中引入数值模拟实验，通过数值计算和图像显示的方法，达到实验教学的目的。数值模拟实验，不仅可以自主设计与搭建（与模型相符），而且能够满足不同层次、不同个性的学生的需求，有利于提高学生的工程实践能力。同时，在高度逼真的环境下，可以增进对抽象概念、原理的理解，增加学生的学习兴趣。例如，我们在学习非稳态导热时，可以开展数值模拟实验，用Fluent模拟一块铁块的加热过程。

非稳态导热数值模拟实验，不但避免了传统实验教学对设备的要求（实验设备很难测量铁块内部温度随时间的变化）、实验过程存在的安全隐患，而且能够更加形象地观察整个加热过程中铁块温度场随时间变化而变化的动态过程，使学生更加深入了解“非稳态导热”。同时，通过计算机模拟实验，学生会对数值模拟有一定的了解，如建立模型、划分网格等，也为学生以后从事与之相关的科研工作打下基础。

3"丰富的实验教学课件内容

到目前为止，课件仍是应用较为广泛的教学资源之一。从教学内容上来说，课件不应该仅仅是课本内容的复制品，教师应该在课件中增加新的内容，从而增加学生的学习兴趣。笔者认为可以从以下三个方面丰富实验教学课件内容。

第一，传热学实验教学不但要完成规定的实验教学内容，还要培养学生的实验安全意识。实验在高等教育中具有不可替代的育人价值，更是开展科学研究的重要手段，而实验室在人才培养的过程当中起着至关重要的作用，无论是科研、教学，还是学科竞赛，特别是在理工科院校。作为工科学生，走进实验室做实验安全意识是必不可少的。如果学生和教师安全意识淡薄或防范措施做得不够，做实验的过程中发生安全事故，比如着火、高温烫伤等，可能会造成不可挽回的后果。因此，实验室有哪些安全注意事项？如何避免实验事故的发生？如果发生安全事故，选择什么样的处理方法可以将损失降到最低？课件中可以增加相应的内容或通过网络资源（如MOOC等）向学生普及相关实验室安全知识，提高学生的实验安全意识。

第二，良好的开端是成功的一半，按部就班的“讲解员”式的讲解方式已不足够吸引学生的注意力。为引起学生对实验课的学习兴趣，除了课件要形象、生动、条理清楚、图文并茂外，还要结合板书以及对照实验设备的详细描述，讲解设备的操作方法、原理以及注意事项等，这样既能提高学生对课堂的专注度、活跃课堂的气氛，又能使学生更好地掌握实验原理、实验设备的操作过程等，在做实验的过程中也会更加得心应手。

第三，结合本专业特色以及已有的相关科研平台，把本学科的重大科研成果引入相关实验项目讲授之中。如在对流换热的相关实验中，适当引入“冶金节能减排”团队在强化换热方面所做的研究工作以及相应的研究成果，如精准均匀强化加热、直接接触式强化传热、旋流混沌强化混合及利用纳米流体强化传热等，这样既能开阔学生的视野，又能提高学生对本课程的学习兴趣或科研兴趣。

结语

实验教学的重要性不言而喻，为使学生能够对理论知识有更加深入的理解与掌握，也能够让学生更加全面地发现问题及提高工程实践能力，本文在传热学实验教学中做了三个方面的尝试：一是转变教学方式；二是引入数值模拟实验；三是丰富实验教学课件内容。新的教学方法提高了学生自主学习性、拓宽了学习途径、激发了学生的学习兴趣，教学效果显著。

参考文献：

［1］陶文铨.传热学［M］.5版.北京：高等教育出版社，2019.

［2］王珺，王嫣，王永强，等.新农科背景下水生生物学实验教学改革与实践［J］.中国现代教育装备，2023（15）：98100.

［3］赵斌，钟晓晖，张磊.高等传热学研究型实验教学探析［J］.中国冶金教育，2013（6）：4849+53.

［4］翟玉玲，祝星，李舟航，等.热量传递与人生启示：传热学课程思政设计［J］.中国现代教育装备，2023（01）：121123.

［5］王霜，李法社，翟玉玲，等.工程热力学虚拟仿真平台的创立与实践［J］.高等工程教育研究，2023（S1）：176178.

基金项目：2023年云南省本科教育教学改革研究项目“新工科”背景下基于“数智赋能”的高校精准课程思政建设研究（No.JG2023106）

作者简介：黄晓艳（1985—"），女，汉族，内蒙古赤峰人，硕士，实验师，主要从事中低温余热高效利用研究。

*通讯作者：翟玉玲（1986—"），女，汉族，广西钦州人，博士，教授，主要从事中低温余热高效利用研究。