蔣貴文　王學(xué)仁　周偉

摘要：通過闡述傳熱學(xué)課程特點(diǎn)和教學(xué)中存在的重點(diǎn)問題，結(jié)合案例式教學(xué)方法的優(yōu)勢分析，提出在傳熱學(xué)教學(xué)中引入案例式教學(xué)的可行性和重要性，并且針對青藏鐵路凍土施工技術(shù)案例的傳熱學(xué)分析，闡釋了案例式教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；案例式教學(xué)；青藏鐵路

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）33-0197-02

傳熱學(xué)是研究熱量傳遞及其規(guī)律的一門科學(xué)，經(jīng)過近一個世紀(jì)，傳熱學(xué)在理論、計(jì)算和應(yīng)用方面都獲得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。高校傳熱學(xué)課程知識面廣、理論性強(qiáng)、重點(diǎn)難點(diǎn)較多，需要有效的教學(xué)方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。案例教學(xué)法是一種以學(xué)生為主體、老師引導(dǎo)學(xué)生以專業(yè)知識分析具體案例的教學(xué)方法[1]，具有目的明確、形象生動、啟發(fā)深刻、學(xué)生主動性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，對于傳熱學(xué)教學(xué)具有較高的應(yīng)用價值。

一、傳熱學(xué)課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

傳熱學(xué)課程作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，其本身涉及的公式多、概念多、定律多，學(xué)生學(xué)習(xí)時存在較多問題：

1.概念理解不深刻，原理應(yīng)用能力差。傳熱學(xué)不僅概念和公式多，而且與其他基礎(chǔ)課程聯(lián)系密切，涉及到的數(shù)理基礎(chǔ)知識深而廣。學(xué)生缺乏對概念和原理物理意義的理解，多數(shù)停留在機(jī)械記憶層面。

2.分析計(jì)算能力弱。傳熱學(xué)課程中的導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱內(nèi)容各自具有多種研究方法和計(jì)算公式，其中還涉及大量的經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)致具體計(jì)算步驟繁雜，難度較大。學(xué)生面對計(jì)算問題大多搞不清楚計(jì)算的具體步驟和其中的邏輯，對具體的數(shù)值計(jì)算更是束手無策。

3.傳熱學(xué)理論知識與工程實(shí)踐問題結(jié)合應(yīng)用能力較弱。學(xué)生習(xí)慣了傳統(tǒng)教學(xué)中的知識灌輸，學(xué)習(xí)的內(nèi)容更多停留在理論分析層面，針對實(shí)際問題的建模和計(jì)算分析能力較弱，不能較好的將理論學(xué)習(xí)內(nèi)容用于解決工程實(shí)際中的具體問題。

二、案例式教學(xué)法的操作過程和優(yōu)點(diǎn)

（一）基本操作過程

首先，根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生接受能力，老師在課前選編典型案例，擬定討論題目和學(xué)習(xí)要求。其次，進(jìn)入課堂教學(xué)后，老師通過多媒體向?qū)W生展示案例并提出相關(guān)問題。然后，學(xué)生按小組就案例事實(shí)和具體問題展開討論，老師在關(guān)注學(xué)生討論內(nèi)容的時候因勢利導(dǎo)，揭示各種論點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，及時引導(dǎo)討論熱點(diǎn)。最后，學(xué)生就討論的內(nèi)容形成本小組結(jié)論，老師對討論的結(jié)果和存在的問題進(jìn)行評價和解答，對其中的知識點(diǎn)和重難點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)。

（二）優(yōu)點(diǎn)

1.從教學(xué)方面講，案例內(nèi)容來源于工程實(shí)際，具有較強(qiáng)的拓展性和實(shí)踐性，將學(xué)生學(xué)習(xí)的理論性的知識點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)生活中的工程實(shí)際問題相結(jié)合，使理論學(xué)習(xí)具有更高的趣味性和接受性，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校教學(xué)與社會實(shí)踐的真實(shí)溝通。

2.從老師方面講，老師在案例式教學(xué)中的主導(dǎo)作用得到充分發(fā)揮。傳統(tǒng)教學(xué)中，老師主要進(jìn)行課程內(nèi)容的講解和具體疑問的解答。而在案例式教學(xué)中，老師首先要提供貼合教學(xué)內(nèi)容的案例，然后組織和引導(dǎo)學(xué)生解讀、討論案例內(nèi)容和具體問題，最后評價和解釋學(xué)生提出的結(jié)論和問題。

3.從學(xué)生角度來講，學(xué)生參與程度明顯提高，學(xué)習(xí)效果顯著改善。案例式教學(xué)中，學(xué)生不僅需要理解案例內(nèi)容，還要針對老師提出的問題進(jìn)行深入討論并提出自己的觀點(diǎn)，其分析能力、思辨能力、口頭表達(dá)能力均得到了提高。學(xué)生將教材內(nèi)容與社會實(shí)際緊密聯(lián)系起來，達(dá)到理論分析與實(shí)踐論證的有機(jī)統(tǒng)一。

當(dāng)前，社會的快速發(fā)展促使高校教學(xué)改革不斷深化。針對傳熱學(xué)課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，探索發(fā)揮案例式教學(xué)優(yōu)勢，提升傳熱學(xué)課程教學(xué)效果，促進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)。

難易適度、貼合工程實(shí)際和教學(xué)內(nèi)容的案例是案例式教學(xué)的基礎(chǔ)，下面通過一個典型案例具體闡釋案例式教學(xué)在傳熱學(xué)課程中的具體應(yīng)用。

三、案例：青藏鐵路凍土施工技術(shù)

青藏鐵路是目前世界上平均海拔最高、最長的高原鐵路，其線路全長的49%穿越高原多年凍土區(qū)。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，對溫度變化極為敏感，且性質(zhì)不穩(wěn)定。凍土在正負(fù)溫度交替變化的過程中，產(chǎn)生凍脹和融沉現(xiàn)象，導(dǎo)致凍土上結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹和融沉變形，從而破壞結(jié)構(gòu)。因此凍土保護(hù)問題是修建該條鐵路面臨的最大難題，其中蘊(yùn)含著豐富的傳熱學(xué)知識。要求學(xué)生結(jié)合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容對案例進(jìn)行深入分析，并回答相關(guān)問題。

為解決凍土施工技術(shù)問題，青藏鐵路建設(shè)主要采用了通風(fēng)管路堤技術(shù)、熱管技術(shù)、片石通風(fēng)路堤技術(shù)等凍土路基施工技術(shù)。

（一）通風(fēng)管路堤技術(shù)

青藏凍土地區(qū)居民在修建房屋時采用在根基鋪設(shè)通風(fēng)管的方法防止房屋根基因凍土受熱發(fā)生變形，從而使房屋穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，工程技術(shù)人員受當(dāng)?shù)鼐用竦膯l(fā)，在路堤基底或中部橫向鋪設(shè)一定直徑的通風(fēng)管，與路堤填料組成復(fù)合式通風(fēng)路堤。

問題1：試結(jié)合傳熱學(xué)流體對流換熱知識點(diǎn)對其中的機(jī)理進(jìn)行分析。

答：冬季冷空氣置換管內(nèi)的熱空氣，對流加強(qiáng)了路基填土的散熱，降低了基底的地溫，能夠有效提高凍土的穩(wěn)定性。而暖季由于外界氣溫高于堤身溫度，抑制了對流換熱作用，減少了路堤中的熱量積累，從而達(dá)到保護(hù)多年凍土的目的。

通風(fēng)管路基與氣候特征密切相關(guān)，只有當(dāng)通風(fēng)管處于順風(fēng)區(qū)時才能起到降溫作用，當(dāng)通風(fēng)管處于息風(fēng)區(qū)或通風(fēng)不暢時，通風(fēng)管路基不起降溫作用[2]。

問題2：根據(jù)案例，引入傳熱學(xué)算例——通過圓筒壁的導(dǎo)熱計(jì)算并做適當(dāng)拓展。

答：外徑為200mm的蒸汽管道，管壁厚8mm，管外包硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層，熱導(dǎo)率λ1=0.022W/（m·K），厚40mm。外殼為高密度聚乙烯管，熱導(dǎo)率λ2=0.3W/（m·K），厚5mm。給定第三類邊界條件：管內(nèi)蒸汽溫度tf1=300℃，管內(nèi)蒸汽與管壁面之間對流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1=120W/（m2·K）；周圍空氣溫度tf2=25℃，管外殼與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2=10W/（m2·K）。求單位管長的傳熱系數(shù)kl、散熱量ql和外殼表面溫度tw3。（注：本例中鋼管和外殼熱阻均很小，可在計(jì)算中省略）

計(jì)算過程略，主要采用了圓筒壁熱阻、總換熱過程等概念進(jìn)行了計(jì)算，單位管長的傳熱系數(shù)kl為0.388W/（m·K）、散熱量ql為107W/m、外殼表面溫度tw3為36.7℃。

（二）熱管技術(shù)

熱管是青藏鐵路最為廣泛使用的主動保護(hù)多年凍土的措施之一。青藏鐵路使用的熱管在凍土中的作用像重力熱二極管，吸熱段在下，放熱段在上，內(nèi)部充有低沸點(diǎn)液體做冷卻劑。

我們知道，在金屬中銅和銀的導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，而熱管的熱傳導(dǎo)系數(shù)比銅和銀高1000倍。一根直徑為25mm的“熱管”（相當(dāng)于普通自來水管粗細(xì)），傳熱的效果跟直徑為2.7m的銅棒差不多，是名副其實(shí)的導(dǎo)熱冠軍，故熱管有熱超導(dǎo)體之稱。

問題3：試?yán)脽醾鲗?dǎo)和熱對流兩種換熱方式分析熱管在冷季和熱季的具體工作過程。

答：冷季，凍土層溫度高于地表，凍土層以熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳給熱管管體，冷卻劑通過熱對流的方式吸收管體的熱量，以氣體狀態(tài)將熱量帶到放熱段，再將熱量以熱對流的方式傳給管體，管體再以熱對流的方式將熱量傳給地表空氣，冷卻劑氣體液化并在重力作用下回到吸熱段，如此完成循環(huán)制冷；熱季，管內(nèi)熱傳遞很慢，可認(rèn)為熱管不工作。

熱管的優(yōu)點(diǎn)是無運(yùn)動部件，因而無需外加動力，也無需日常維修養(yǎng)護(hù)。在人煙稀少、動力缺乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)的道路施工中有其不可替代的作用。

問題4：試根據(jù)以上分析提出熱管的缺點(diǎn)。

答：熱管只在寒季工作，在暖季停止工作，對于暖季保護(hù)凍土不利，需采用其他方法彌補(bǔ)。

（三）片石通風(fēng)路堤技術(shù)

片石通風(fēng)路堤是在路基墊層之上設(shè)置一定厚度和空隙度的片石層，通過改變路堤結(jié)構(gòu)來改變傳熱方式，其傾填片石層是自由堆積體，片石層的孔隙率大，石塊之間基本上為點(diǎn)接觸。而且片石塊徑較大，表面無吸附水，其含水量可近似認(rèn)為是零。因而傾填片石層可視為固、氣兩相組合體。片石層中空隙的存在使片石層中空氣可自由與外界對流。片石層中熱傳輸方式主要為熱對流和熱傳導(dǎo)，其有效導(dǎo)熱系數(shù)主要由熱對流來決定。片石通風(fēng)路堤利用高原凍土區(qū)負(fù)積溫遠(yuǎn)大于正積溫的特征，改變路堤中的溫度場，從而降低基底溫度，維持多年凍土上下限不變，防止產(chǎn)生凍脹和融沉病害，以達(dá)到保護(hù)多年凍土的目的。

問題5：根據(jù)以上詳細(xì)的資料描述，在圖紙上畫出路堤結(jié)構(gòu)簡圖，然后分別分析暖季和寒季具體的傳熱過程和傳熱路線。

答：暖季，太陽輻射熱通過路堤表面以傳導(dǎo)方式將熱量傳到堤中和基底，路堤空隙中的空氣被加熱，在向下傳遞熱量的同時，因密度減小而沿空隙上升，熱流方向與傳熱方向相反，同時因?yàn)榭障镀鸬搅藷崞帘巫饔?，從而大大地減少了熱量的傳入；寒季，堤中溫度高于外界氣溫，密度大的冷空氣在冷卻堤表面的同時進(jìn)入堤中空隙，不斷置換空隙中相對較熱的空氣，從而通過對流換熱降低堤身和基底的溫度。此時導(dǎo)熱換熱與對流換熱的熱流方向一致，堤身與基底熱量散發(fā)的速率加快，較大地增加了地基中的冷儲量。暖季蓄熱量的減少和寒季冷儲量的增加使片石結(jié)構(gòu)通風(fēng)路堤能夠降低路堤堤身和基底溫度，有效地保護(hù)多年凍土的穩(wěn)定。

四、結(jié)束語

上述對青藏鐵路凍土施工技術(shù)案例的分析主要運(yùn)用了傳熱學(xué)熱傳遞方式部分的知識點(diǎn)，詳細(xì)分析了施工技術(shù)中的具體功能實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生在具體問題的分析、計(jì)算過程中對傳熱學(xué)知識有了較為深入的理解。

隨著傳熱學(xué)成果對多領(lǐng)域技術(shù)的促進(jìn)，傳熱學(xué)已經(jīng)成為高等教育的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一，案例教學(xué)作為一種高效、實(shí)用的教學(xué)方法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用將更加深入，其中優(yōu)秀案例的作用會越加明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]王學(xué)仁，艾春安，寧超.高等院?！皞鳠釋W(xué)”案例式教學(xué)法探討[J].中國電力教育，2010，（12）：74-75.

[2]阮芳，龍激波，王平，周葉，孫宏發(fā).傳熱學(xué)課程教學(xué)方法的研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2015，24（6）：93-96.