段雙平

摘要：為了達(dá)到較好的教學(xué)效果，尋求新的《傳熱學(xué)》教學(xué)方法勢(shì)在必行。本文探討了基于工程應(yīng)用的教學(xué)方法、理論教學(xué)中融入CFD的教學(xué)方法、設(shè)置課后大作業(yè)和組織討論相結(jié)合的教學(xué)方法，這些方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的積極性和主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：《傳熱學(xué)》；教學(xué)方法；工程應(yīng)用；CFD

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）01-0172-02

一、引言

《傳熱學(xué)》課程著重研究熱量傳遞的規(guī)律和方法，是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1-2]，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域里應(yīng)用十分廣泛。隨著我國(guó)高等教育教學(xué)改革的不斷深化，在“重基礎(chǔ)、寬口徑”的指導(dǎo)方針下，各高校公共基礎(chǔ)課程課時(shí)增加，而專(zhuān)業(yè)課程及專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的課時(shí)都相對(duì)減少，《傳熱學(xué)》課程也不例外[3-4]。這就導(dǎo)致專(zhuān)業(yè)課程和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中的一些矛盾的出現(xiàn)，主要矛盾是教材內(nèi)容多，教學(xué)質(zhì)量要求高，而教學(xué)課時(shí)少。如果教師在有限教學(xué)學(xué)時(shí)的情況下，仍然沿用照本宣科的教學(xué)方法，不僅教學(xué)內(nèi)容上教不完，而且難以取得良好的教學(xué)效果。因此，重新探討《傳熱學(xué)》的教學(xué)方法勢(shì)在必行。

二、基于工程應(yīng)用的教學(xué)方法

學(xué)習(xí)《傳熱學(xué)》的最終目的是解決與傳熱有關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題。而目前高?！秱鳠釋W(xué)》的講授基本上是照本宣科，明顯地忽視了學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能的培養(yǎng)，脫離工程實(shí)際應(yīng)用。而實(shí)際上建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)的《傳熱學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容很大部分是圍繞著建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)中出現(xiàn)的典型傳熱問(wèn)題而展開(kāi)的，在工程實(shí)際中能找到教材中所講內(nèi)容的原型。例如，第二章中的無(wú)限大平壁和圓筒壁的導(dǎo)熱、肋片的導(dǎo)熱，分別對(duì)應(yīng)工程實(shí)際中的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供冷供熱管道、換熱器中肋片的導(dǎo)熱問(wèn)題。對(duì)流換熱部分中講到的平板外掠對(duì)流換熱、管內(nèi)對(duì)流換熱、外掠圓管對(duì)流換熱、凝結(jié)換熱、沸騰換熱等分別對(duì)應(yīng)著空氣外掠建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱、換熱器內(nèi)管內(nèi)流體與管壁的對(duì)流換熱、換熱器管外流體與管壁的對(duì)流換熱、冷凝器中制冷劑蒸氣凝結(jié)為液體時(shí)與管壁的對(duì)流換熱、蒸發(fā)器中制冷劑液體變成蒸氣時(shí)與管壁的對(duì)流換熱。因此在教學(xué)過(guò)程中，在講授某節(jié)內(nèi)容之前，先提出工程實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生帶著他們最感興趣的問(wèn)題聽(tīng)課，等講完該節(jié)內(nèi)容后，讓學(xué)生思考解決上課之前提出的工程實(shí)際問(wèn)題。例如在講到周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，就提出建筑蓄熱問(wèn)題、夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷的計(jì)算差異。為了能夠順利的進(jìn)行基于工程應(yīng)用的《傳熱學(xué)》教學(xué)，關(guān)鍵在于教學(xué)情境和工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)。教學(xué)情境和工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到以下幾個(gè)方面：（1）從工程應(yīng)用出發(fā)，精心設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模塊，必須使所設(shè)計(jì)的模塊覆蓋到《傳熱學(xué)》課程所必須掌握的主要知識(shí)點(diǎn)，模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)良是學(xué)生能夠進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（2）設(shè)置的問(wèn)題應(yīng)從工程中提煉出來(lái)且具有啟發(fā)性和可研究性。問(wèn)題的設(shè)置應(yīng)緊緊圍繞著學(xué)習(xí)模塊，并應(yīng)能培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。（3）教學(xué)順序按照學(xué)習(xí)模塊來(lái)安排，先介紹基本概念和基本理論，然后根據(jù)需要適當(dāng)延伸和拓展。（4）以學(xué)生為中心。面向每個(gè)學(xué)生，尊重每個(gè)學(xué)生發(fā)展的特殊需要，鼓勵(lì)學(xué)生在解決問(wèn)題過(guò)程中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和創(chuàng)造性表現(xiàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生尋求問(wèn)題答案過(guò)程中的積極性和主動(dòng)性。

三、理論教學(xué)中融入CFD的教學(xué)方法

《傳熱學(xué)》教材中給出的結(jié)論或公式大多是將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化后，通過(guò)理論推導(dǎo)得出的。而對(duì)實(shí)際問(wèn)題所發(fā)生的現(xiàn)象，往往以現(xiàn)有的公式或理論難以作出解釋。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，必須借助于計(jì)算流體力學(xué)CFD對(duì)其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。這樣直觀形象地展示傳熱規(guī)律，既增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力，也使其從枯燥的灌輸中解放出來(lái)，又能在動(dòng)手模擬中加強(qiáng)對(duì)傳熱基本概念、規(guī)律的理解和掌握。例如，在講到第二章的復(fù)合平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題時(shí)，為幫助學(xué)生理解無(wú)限大復(fù)合平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題并不是一維導(dǎo)熱問(wèn)題，而是二維或三維導(dǎo)熱問(wèn)題時(shí)，筆者在上課前，對(duì)空斗墻導(dǎo)熱問(wèn)題和由一種材料構(gòu)成的無(wú)限大平壁導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖1。通過(guò)對(duì)兩種情況下的溫度場(chǎng)的繪制和比較，形象化地證明了空斗墻導(dǎo)熱問(wèn)題并不是一維導(dǎo)熱問(wèn)題，尤其當(dāng)構(gòu)成空斗墻的兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大時(shí)，把該導(dǎo)熱問(wèn)題看成一維導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱量將產(chǎn)生較大誤差。

（a）復(fù)合平壁（b）復(fù)合平壁的溫度場(chǎng)

（c）無(wú)限大平壁的溫度場(chǎng)

圖1 復(fù)合平壁和無(wú)限大平壁溫度場(chǎng)的對(duì)比

四、設(shè)置課后大作業(yè)和組織討論相結(jié)合的教學(xué)方法

由于教學(xué)課時(shí)有限，在教學(xué)過(guò)程中只能側(cè)重于重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，許多了解內(nèi)容只能拋磚引玉。為彌補(bǔ)課堂教學(xué)課時(shí)的緊張，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)拓創(chuàng)新能力，筆者給學(xué)生布置大作業(yè)和課題。在實(shí)際的教學(xué)中，將學(xué)生分成若干組，要求學(xué)生利用課余時(shí)間查閱文獻(xiàn)，自己組織討論，最后提交討論的報(bào)告或論文，并根據(jù)其提交的報(bào)告或論文質(zhì)量給出平時(shí)成績(jī)，以其作為課程成績(jī)的一部分。例如，在講完“導(dǎo)熱問(wèn)題的數(shù)值解法”一章后，給學(xué)生布置關(guān)于“導(dǎo)熱問(wèn)題溫度場(chǎng)的求解“的編程題。在實(shí)際的教學(xué)中，先根據(jù)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的掌握和運(yùn)用情況，將學(xué)生分成若干組，給每個(gè)小組設(shè)置不同的題目，最終提交的報(bào)告內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：描述物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)微分方程，數(shù)學(xué)微分方程的離散方程，程序框圖，計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果，結(jié)果討論與分析。通過(guò)這一編程題的強(qiáng)化練習(xí)，讓學(xué)生深切感受到對(duì)所學(xué)知識(shí)的學(xué)以致用，將原先覺(jué)得枯燥無(wú)味的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言與專(zhuān)業(yè)課程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)原先覺(jué)得毫無(wú)關(guān)聯(lián)的兩門(mén)課程有了嶄新的認(rèn)識(shí)。讓他們覺(jué)得更有趣的是，當(dāng)數(shù)學(xué)微分方程無(wú)法求解的時(shí)候，也可以變成代數(shù)方程，然后用線性代數(shù)的方法來(lái)求解，從而讓他們掌握一種解決傳熱問(wèn)題的方法，即數(shù)值解法。通過(guò)這一課后大作業(yè)的練習(xí)，讓他們感受到一種自己獨(dú)立解決問(wèn)題的喜悅和團(tuán)隊(duì)合作精神。

為了解決課時(shí)少和教學(xué)質(zhì)量要求高的矛盾，尋求新的《傳熱學(xué)》教學(xué)方法勢(shì)在必行?；诠こ虘?yīng)用的教學(xué)方法、理論教學(xué)中融入CFD的教學(xué)方法、設(shè)置課后大作業(yè)和組織討論相結(jié)合的教學(xué)方法能夠使學(xué)生在參與過(guò)程中得以學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的積極性和主動(dòng)性，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006：1-8.

[2]趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002：4-10.

[3]教育部面向21世紀(jì)熱工課程改革項(xiàng)目組.熱工課程在工科各專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中的地位及設(shè)置建議[J].高等工程教育，2000，增刊：6-11.

[4]陶文銓?zhuān)窝帕?境外大學(xué)工科專(zhuān)業(yè)熱工類(lèi)課程的設(shè)置[J].高等工程教育，2000，增刊：93-97.