陳小磚 陳國艷 李海霞 王 華 張安超

河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 河南焦作 454000

傳熱學(xué)作為研究熱量及質(zhì)量傳遞規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué)是能源動(dòng)力工程及相關(guān)專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)、流體力學(xué)一起為將來從事該學(xué)科工程的技術(shù)人員提供扎實(shí)的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)他們利用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程實(shí)踐問題的綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力。同時(shí)，傳熱學(xué)課程也是能源動(dòng)力工程學(xué)科基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的重要橋梁。通過傳熱學(xué)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)可以達(dá)到兩個(gè)目的：使學(xué)生獲得熱量與質(zhì)量傳遞規(guī)律的基本知識(shí)，具備分析傳熱與傳質(zhì)工程實(shí)際問題的基本能力，掌握計(jì)算工程傳熱與傳質(zhì)問題的基本方法和主要步驟；為學(xué)生畢業(yè)后從事熱能的合理利用和轉(zhuǎn)換、熱工設(shè)備效率優(yōu)化以及換熱器的設(shè)計(jì)校核等方面的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1 傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與教學(xué)改革背景

傳熱學(xué)教材中導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和熱輻射這三部分內(nèi)容具有相對(duì)獨(dú)立性，導(dǎo)熱和對(duì)流換熱有一些聯(lián)系，但輻射換熱和前兩部分內(nèi)容沒有太多關(guān)聯(lián)性，第四部分換熱器設(shè)計(jì)校核計(jì)算則是前三部分內(nèi)容的綜合應(yīng)用。加上傳熱學(xué)本身學(xué)時(shí)長，教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生學(xué)習(xí)這幾部分內(nèi)容跨度大，導(dǎo)致對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握有些支離破碎，難以形成一個(gè)有機(jī)的整體，短時(shí)間內(nèi)無法掌握傳熱學(xué)的本質(zhì)要點(diǎn)[2]。此外，傳熱學(xué)整個(gè)內(nèi)容涉及很多高等數(shù)學(xué)和流體力學(xué)方面的知識(shí)。例如在傳熱學(xué)導(dǎo)熱微分方程和對(duì)流換熱能量守恒方程的推導(dǎo)過程中，涉及高等數(shù)學(xué)的常微分、偏微分、定積分、泰勒級(jí)數(shù)知識(shí)。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場(chǎng)和肋片溫度場(chǎng)推導(dǎo)過程中，要用到貝塞爾函數(shù)和齊次方程求解等數(shù)學(xué)知識(shí)[3]。因?yàn)楹幽侠砉ご髮W(xué)能源與動(dòng)力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、材料成型與控制工程和安全工程等專業(yè)均開設(shè)傳熱學(xué)課程。傳熱學(xué)課程的教學(xué)效果直接影響到不同專業(yè)學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)。所以非常有必要分析當(dāng)前傳熱學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀，同時(shí)吸收不同高校傳熱學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，引入當(dāng)前先進(jìn)的教育理論和教學(xué)思想比如建構(gòu)主義教育理論，深入開展教育教學(xué)改革。這樣就能適應(yīng)新時(shí)代的教育理念和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，努力提高互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下的傳熱學(xué)課程教學(xué)效果。

2 建構(gòu)主義教育理論簡介

建構(gòu)主義（constructivism）也可以譯作結(jié)構(gòu)主義。建構(gòu)主義理論的主要提出者有皮亞杰、維果茨基等[4]。基于建構(gòu)主義的教育理論有十分豐富的內(nèi)容體系，但其核心內(nèi)容可以用一句話概括：以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)及對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。情境、 協(xié)作、 會(huì)話和意義建構(gòu)是知識(shí)的四大屬性，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在周圍豐富的情境中通過主動(dòng)探索和協(xié)商合作實(shí)踐從而建構(gòu)意義、創(chuàng)造新知識(shí)體系的過程。建構(gòu)主義教育理論既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，同時(shí)也不忽視教師的指導(dǎo)作用。教師是意義建構(gòu)的啟蒙者、幫助者、促進(jìn)者，而不單純是知識(shí)的傳授者與灌輸者。學(xué)生是信息加工的主體、是意義的主動(dòng)建構(gòu)者。建構(gòu)主義教育理論的核心是意義建構(gòu)，它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性、目標(biāo)指引性、任務(wù)真實(shí)性、不斷反思性和互動(dòng)合作性[5]。由于建構(gòu)主義所倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)環(huán)境（情景）適應(yīng)了當(dāng)代最新網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)發(fā)展的要求，這就使建構(gòu)主義教育理論逐漸與廣大教師的教學(xué)實(shí)踐普遍地結(jié)合起來，可以成為國內(nèi)外學(xué)校深化教學(xué)改革的指導(dǎo)思想。

3 建構(gòu)主義指導(dǎo)下的教學(xué)改革

3.1 教學(xué)內(nèi)容改革

興趣是最好的老師。建構(gòu)主義特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)及對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。即以學(xué)生為中心，重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的主觀能動(dòng)性。因此，學(xué)生必須對(duì)教師傳授的內(nèi)容有濃厚的興趣，這是教學(xué)工作開展的關(guān)鍵和出發(fā)點(diǎn)?？上驳氖?，傳熱學(xué)教材和工業(yè)生產(chǎn)、居民日常生活有著密切的聯(lián)系。例如，火電廠和化工廠應(yīng)用眾多的換熱器，制冷空調(diào)器有蒸發(fā)器和冷凝器，工業(yè)中強(qiáng)化傳熱或者保溫蓄熱方面的需求也和傳熱學(xué)有十分密切的聯(lián)系。生活中也有很多應(yīng)用傳熱學(xué)內(nèi)容的例子，冬天人們喜歡穿羽絨服是利用空隙中空氣的保溫作用，夏天電風(fēng)扇降溫和對(duì)流換熱有關(guān)，玻璃溫室和太陽能熱水器也是應(yīng)用了輻射換熱方面的知識(shí)。如果教師在授課過程中適當(dāng)舉出一些傳熱學(xué)的典型案例，學(xué)生將會(huì)激發(fā)更大的學(xué)習(xí)熱情和濃厚興趣，這樣他們才會(huì)喜歡上傳熱學(xué)這門課程，并主動(dòng)學(xué)習(xí)。筆者在講述傳熱學(xué)第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，當(dāng)講到集總參數(shù)法求解零維物體溫度場(chǎng)時(shí)，特意提出一個(gè)“廚師吹肉絲”的例子：給出一定的換熱條件和幾何條件，求廚師需要等待多長時(shí)間才可以品嘗到剛從熱鍋里夾出的高溫肉絲？這個(gè)例子就是應(yīng)用集總參數(shù)法求肉絲在空氣對(duì)流冷卻下的溫度隨時(shí)間的變化曲線。在課堂上學(xué)生一聽到這個(gè)生活中常見的例子就表現(xiàn)出濃厚的興趣，課堂氣氛非常熱烈，同學(xué)們也興奮地提出自己的一些觀點(diǎn)。這樣他們對(duì)集總參數(shù)法就理解得更加深入，取得了非常好的學(xué)習(xí)效果。當(dāng)筆者講到第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解半無限大物體溫度場(chǎng)時(shí)，舉出“冰凍三尺非一日之寒”的例子：冬天寒潮突然來臨，求解地面一定深度位置從初始溫度冷卻到冰點(diǎn)所需要的時(shí)間。將這些典型案例充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，把原本深?yuàn)W的傳熱學(xué)公式推導(dǎo)變得生動(dòng)活潑，更貼近學(xué)生對(duì)周圍環(huán)境和世界的認(rèn)識(shí)情況，學(xué)習(xí)者更能全身心地投入到課程學(xué)習(xí)中。

隨著近幾十年全球范圍內(nèi)的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是信息技術(shù)和動(dòng)力工程及工程熱物理方面的高速發(fā)展，傳熱學(xué)的教學(xué)內(nèi)容也有了較大的變化與更新。因此，教師在講授教材內(nèi)容的同時(shí)適當(dāng)引入相關(guān)的前沿學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和科研成果可以開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)他們利用書本上的知識(shí)解決本專業(yè)實(shí)際問題的綜合能力。當(dāng)前提倡教學(xué)與科研相互促進(jìn)，教師也應(yīng)該將科學(xué)研究中相關(guān)的傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)適當(dāng)引入到課堂教學(xué)中，學(xué)生可以了解本學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)到教材內(nèi)容是將來從事科研的理論基礎(chǔ)。

3.2 教學(xué)方法改革

教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)備充分這只是第一步，如何表達(dá)出來，給學(xué)生營造一個(gè)好的學(xué)習(xí)情景，這也是一門學(xué)問。因此教學(xué)方法和表達(dá)方式顯得尤其重要。傳統(tǒng)的傳熱學(xué)教學(xué)方式主要是黑板板書教學(xué)，現(xiàn)在隨著科技的進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，大部分教室都配備了多媒體教學(xué)設(shè)備?，F(xiàn)在的教學(xué)工具能夠利用多媒體幻燈片、視頻輔助教學(xué)，一般還能聯(lián)網(wǎng)查詢更豐富的教學(xué)內(nèi)容。如何利用板書與多媒體教學(xué)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)合理切換教學(xué)方法和教學(xué)工具是一個(gè)關(guān)鍵問題。筆者在傳熱學(xué)教學(xué)中以多媒體教學(xué)為主，靈活恰當(dāng)?shù)卦诤诎迳贤茖?dǎo)公式，取得了一定的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)設(shè)備可以播放傳熱學(xué)的發(fā)展歷史視頻，學(xué)生在緒論學(xué)習(xí)時(shí)能夠了解到傳熱學(xué)的發(fā)展過程和不同階段的研究成果。多媒體還能描繪出物體的三維溫度場(chǎng)，這都是現(xiàn)代教育技術(shù)帶來的便捷與高效。多媒體教學(xué)優(yōu)點(diǎn)是圖文并茂，文字優(yōu)美工整，前后內(nèi)容能夠自由切換。缺點(diǎn)是推導(dǎo)傳熱學(xué)公式時(shí)，學(xué)生理解速度較快但是遺忘速度也很快。因此應(yīng)該充分利用不同教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，方便學(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)自己的知識(shí)體系。關(guān)于教學(xué)方法，不同的教師針對(duì)不同的專業(yè)有自己的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)，這是一個(gè)不斷更新和完善的課題，目前還在積極的探索與研究中。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

通過課堂教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)有初步的知識(shí)和意義建構(gòu)，但這還不是全面和立體的建構(gòu)。無論是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)還是非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，數(shù)學(xué)分析是精確的，其數(shù)學(xué)曲線是平滑的。而實(shí)際上有多種測(cè)量溫度場(chǎng)的工具，熱電偶、熱電阻、水銀溫度計(jì)等。溫度是可以測(cè)量的，其測(cè)量值具有一定的工程允許誤差范圍。學(xué)生通過傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)就會(huì)更形象、更生動(dòng)地理解溫度場(chǎng)，也就能理解和掌握導(dǎo)熱微分方程和對(duì)流換熱能量守恒方程的內(nèi)涵。因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是課堂教學(xué)的良好補(bǔ)充，傳熱學(xué)是應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)顯得更加重要[6]。建構(gòu)主義提到知識(shí)的四大屬性：情境、 協(xié)作、 會(huì)話和意義建構(gòu)，這些都能在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)成果的整理中得到體驗(yàn)與鍛煉。河南理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)非常重視傳熱學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)共10個(gè)學(xué)時(shí)，提供4～5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由學(xué)生自由選擇組合。包括平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)、自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)、黑體輻射強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)和換熱器綜合實(shí)驗(yàn)等。能動(dòng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室減少了演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，面向全校相關(guān)專業(yè)增加了創(chuàng)新型和開放型實(shí)驗(yàn)，并且制訂了開放型實(shí)驗(yàn)的管理制度和激勵(lì)措施，這樣大大提高了實(shí)驗(yàn)效果，受到廣大師生的歡迎與好評(píng)。

3.4 知識(shí)體系的重新建構(gòu)

根據(jù)建構(gòu)主義教育理論，學(xué)習(xí)者知識(shí)體系的建構(gòu)是一個(gè)變化、重整、完善的動(dòng)態(tài)過程。傳熱學(xué)學(xué)時(shí)長、內(nèi)容豐富，初學(xué)者知識(shí)的建構(gòu)是一個(gè)不斷成長、補(bǔ)充的過程，課堂教學(xué)時(shí)間是有限的，學(xué)習(xí)者課后的復(fù)習(xí)和作業(yè)也是不容忽視的環(huán)節(jié)。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，即使學(xué)生課堂上認(rèn)真聽講，課堂內(nèi)容也能夠理解透徹，如果課后沒有及時(shí)復(fù)習(xí)，不獨(dú)立完成課后作業(yè)，傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)效果也要打折扣。這是因?yàn)閭鳠釋W(xué)有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，理論知識(shí)需要和實(shí)踐相結(jié)合，課后的作業(yè)是課堂內(nèi)容的有益補(bǔ)充。如果學(xué)習(xí)者課后能夠及時(shí)復(fù)習(xí)并認(rèn)真完成作業(yè)，那么形成的知識(shí)建構(gòu)將是一個(gè)完整、立體的建構(gòu)，學(xué)習(xí)者就能真正掌握知識(shí)并會(huì)運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題。

4 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步和教學(xué)設(shè)備的更新發(fā)展，建構(gòu)主義教育理論可以和傳統(tǒng)的教學(xué)模式良好結(jié)合。建構(gòu)主義教育理論強(qiáng)調(diào)的學(xué)習(xí)者主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)及主動(dòng)建構(gòu)在傳熱學(xué)教學(xué)改革中得到充分的重視和體現(xiàn)。在建構(gòu)主義教育理論指導(dǎo)下，教學(xué)內(nèi)容得到充實(shí)和更新，內(nèi)容知識(shí)體系更立體飽滿，以學(xué)習(xí)者為中心，全面服務(wù)課程教學(xué)的開展。教學(xué)方法也得到了完善，傳統(tǒng)板書教學(xué)和多媒體教學(xué)兩種方法相互配合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)習(xí)者搭建了知識(shí)和能力建構(gòu)的橋梁。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面增加了創(chuàng)新型和開放型實(shí)驗(yàn)，更加重視學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)的綜合素質(zhì)。傳熱學(xué)課后的作業(yè)和復(fù)習(xí)也是需要重視的一個(gè)環(huán)節(jié)，這是對(duì)課程教學(xué)的有益補(bǔ)充，學(xué)習(xí)者通過認(rèn)真復(fù)習(xí)和完成作業(yè)，其知識(shí)體系建構(gòu)更加完整，形成一個(gè)有機(jī)的整體。近三年，通過這些教學(xué)改革，學(xué)生傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)效果顯著提高，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。