（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是針對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)本科三年級學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，重點(diǎn)研究發(fā)生在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程及其相關(guān)領(lǐng)域里的質(zhì)量傳遞、熱量和質(zhì)量同時(shí)傳遞的規(guī)律及其應(yīng)用［1］。本課程分為原理部分和設(shè)備部分，是連接基礎(chǔ)課和技術(shù)課的橋梁。其來源是將不同專業(yè)課程（包括建筑環(huán)境學(xué)、供熱工程、通風(fēng)工程、空氣調(diào)節(jié)、制冷技術(shù)等）涉及熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)設(shè)備的內(nèi)容抽出、整合而成，因而具有涉及面廣、綜合性與理論性強(qiáng)、難度大的特點(diǎn)［2］。但是只要掌握了建筑環(huán)境熱質(zhì)交換的特點(diǎn)，加上課堂內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)、豐富多樣的課堂教學(xué)形式以及將傳統(tǒng)的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統(tǒng)一把關(guān)”的新模式，學(xué)生是能夠很好地掌握并熟練應(yīng)用熱質(zhì)交換原理與設(shè)備中的相關(guān)知識的。

本文針對熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的特點(diǎn)，結(jié)合普通高等工科院校學(xué)生的實(shí)際情況，從精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)、豐富課堂教學(xué)形式、改革傳統(tǒng)考核方式以及科研和工程實(shí)踐相結(jié)合這四個(gè)方面，對如何發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高熱質(zhì)交換原理與設(shè)備教學(xué)效果等方面進(jìn)行了深入的探討。

一、精心設(shè)計(jì)課堂內(nèi)容

建筑環(huán)境中的熱質(zhì)交換不同于其他領(lǐng)域中的熱質(zhì)交換，它具有如下特點(diǎn)：①基本涉及所有傳質(zhì)學(xué)機(jī)理問題。②濃度較低，濃度場幾乎不影響溫度場、速度場。③傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)很大部分存在異體同構(gòu)現(xiàn)象等［3］。其中最重要并且能夠?yàn)槲宜玫奶攸c(diǎn)是傳熱和傳質(zhì)存在異體同構(gòu)的現(xiàn)象，這就是說，傳熱的方式包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，傳質(zhì)中除了沒有質(zhì)輻射，質(zhì)傳導(dǎo)和質(zhì)對流都存在，并且與熱傳導(dǎo)、熱對流一一對應(yīng)。但是在傳質(zhì)學(xué)中質(zhì)傳導(dǎo)叫作擴(kuò)散傳質(zhì)，質(zhì)對流叫作對流傳質(zhì)。這就衍生出本門課程的主要學(xué)習(xí)方法即類比法，也叫作溫故知新法。這種學(xué)習(xí)方法貫穿于課程學(xué)習(xí)的始終。教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過傳熱學(xué)已學(xué)過的知識來學(xué)習(xí)熱質(zhì)傳遞規(guī)律的新知識，排除學(xué)生的陌生感和畏難情緒。

要提升教師的授課效果，必須從學(xué)生的需求出發(fā)，做到“有用”并且“有趣”?！坝杏谩奔匆笫谡n教師通過將預(yù)講授的知識和專業(yè)應(yīng)用或者生活中的實(shí)例相結(jié)合的方法，引出授課內(nèi)容。現(xiàn)以第二章第二節(jié)擴(kuò)散傳質(zhì)為例。由于本課程在深秋時(shí)節(jié)開課，因此列舉了金秋十月，清風(fēng)送爽，丹桂飄香的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生想象路過學(xué)院樓下幾株桂花樹的情景，并且特別假設(shè)一種理想情況（必須是無風(fēng)，如果有風(fēng)則變成我們下節(jié)課要講的對流傳質(zhì)）。通過這個(gè)實(shí)例，學(xué)生切身體會到什么是擴(kuò)散傳質(zhì)，并且知道了擴(kuò)散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系。在這個(gè)實(shí)例的基礎(chǔ)上，筆者又列舉了家庭中常用的樟腦丸，并要求學(xué)生用本節(jié)所學(xué)知識來解決“一顆樟腦丸多長時(shí)間可以用完”這個(gè)問題。這樣會使學(xué)生感到既“有用”又“有趣”。授課內(nèi)容方面需要精心設(shè)計(jì)，現(xiàn)在主流的教學(xué)方式為PPT和板書聯(lián)合教學(xué)。首先，在PPT的設(shè)計(jì)中要讓學(xué)生明確預(yù)學(xué)內(nèi)容在整個(gè)章節(jié)中的地位及其與前后章節(jié)的邏輯關(guān)系。同時(shí)，也要列出本節(jié)所要講授的具體內(nèi)容以及闡明各個(gè)小節(jié)之間的邏輯關(guān)系。例如，本節(jié)要講重要內(nèi)容“Fick定律”，然后講授運(yùn)用Fick定律解決氣體、液體、固體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問題的“應(yīng)用舉例”環(huán)節(jié)，接著講授為了加深理解Fick定律的重要參數(shù)“擴(kuò)散系數(shù)”，進(jìn)行正式內(nèi)容的講授時(shí)在PPT的左側(cè)同時(shí)列出課程內(nèi)容的框架。這樣做的好處是一方面可以克服板書上羅列課程標(biāo)題框架浪費(fèi)時(shí)間的弊端，另一方面可以時(shí)刻提醒學(xué)生明晰所學(xué)內(nèi)容的位置，這樣有助于學(xué)生構(gòu)建知識體系，理清各個(gè)知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。與此同時(shí)，板書方面也需要精心設(shè)計(jì)，因?yàn)楹诎宓目衫每臻g有限。筆者在黑板利用方面秉承的原則是典型基本公式的推導(dǎo)用板書，系統(tǒng)和裝置的展示用PPT。演示推導(dǎo)基本公式的過程可使學(xué)生理解其來龍去脈，深刻領(lǐng)會處理問題的方法。由于筆者在PPT的設(shè)計(jì)中考慮了課程內(nèi)容的框架（PPT的左側(cè)提綱部分），因此在板書中并沒有重復(fù)列出這個(gè)框架，而是將有助于加深理解擴(kuò)散系數(shù)的一個(gè)問題（Fick定律中組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)DAB是否等于組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)DBA？）進(jìn)行板書推導(dǎo)，配合課件寫出一些并不復(fù)雜的演算過程，引導(dǎo)學(xué)生更加深入地思考問題［4］。講完本節(jié)所有內(nèi)容后的小結(jié)必不可少。通過小結(jié)可以進(jìn)一步加深學(xué)生對所學(xué)知識的印象，梳理、理解所學(xué)知識的邏輯關(guān)系，用學(xué)生能否回答“一顆樟腦丸多長時(shí)間可以用完”這個(gè)問題來檢驗(yàn)本節(jié)課的授課效果。

除此之外，教師的授課方式也至關(guān)重要。筆者認(rèn)為以教師為主體地位的灌輸式教學(xué)方式不可取，于是采用“問答式”或者叫“互動式”“啟發(fā)式”的教學(xué)方法。整個(gè)課堂大都以聊天的方式展開，由于本課程和許多已學(xué)的基礎(chǔ)課程聯(lián)系密切，因此“溫故”的部分通常可以考查學(xué)生對已學(xué)知識的掌握程度，“知新”的部分學(xué)生就會聽得更加專注，從而建立起新舊知識之間的聯(lián)系。例如，在講Fick定律時(shí)，由于傳熱和傳質(zhì)存在異體同構(gòu)現(xiàn)象，因此可以引導(dǎo)學(xué)生回憶傳熱學(xué)中的Fourier定律。通過對Fourier定律的回顧，我們知道由于溫度梯度的存在產(chǎn)生了熱量的傳遞，熱量傳遞的大小跟材料本身的性質(zhì)有關(guān)，從而引出導(dǎo)熱系數(shù)，公式中負(fù)號的存在是由于溫度梯度的方向和熱量傳導(dǎo)的方向相反。通常熱量是由高溫物體傳遞給低溫物體，那么溫度梯度的方向就是從低溫物體指向高溫物體。接下來引導(dǎo)學(xué)生采用類比的方法寫出Fick定律的表達(dá)式并分析每個(gè)字母和符號的含義，進(jìn)一步反問學(xué)生“Fick定律是否適用于所有條件”，從而講解Fick定律的適用條件?？傊麄€(gè)課堂氛圍比較活躍，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新精神。

二、豐富教學(xué)形式

以多媒體輔助板書作為主要的教學(xué)方式。多媒體教學(xué)的主要優(yōu)勢是使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過圖形、動畫等表現(xiàn)形式而變得直觀，便于學(xué)生理解，同時(shí)還可以提高教學(xué)效率。但也存在教學(xué)速度過快，信息容量大，學(xué)生對知識的消化困難，學(xué)生筆記跟不上、思路跟不上，影響聽課效果等缺點(diǎn)［5］。這時(shí)就需要板書輔助教學(xué)，板書內(nèi)容呈現(xiàn)過程有利于學(xué)生從中獲取有效信息。因此，筆者授課時(shí)就用板書推導(dǎo)典型的基本公式而用多媒體展示系統(tǒng)和裝置圖的辦法。

除此之外，筆者會在課前選擇內(nèi)容相對簡單的兩塊內(nèi)容分別隨機(jī)布置給兩名學(xué)生，讓學(xué)生做好備課后走上講臺講課，將傳統(tǒng)的“老師講課，學(xué)生聽課”改為“局部課程學(xué)生講，教師點(diǎn)評和補(bǔ)充”的新教學(xué)形式。實(shí)踐證明，此種教學(xué)形式穿插在傳統(tǒng)的教學(xué)形式中有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以增強(qiáng)學(xué)生的參與感和主體地位。當(dāng)學(xué)生已經(jīng)適應(yīng)了傳統(tǒng)的教學(xué)模式后就容易產(chǎn)生懈怠感，其思維的活躍性和與老師的互動性都會減弱，此時(shí)如果出現(xiàn)新的教學(xué)形式，勢必會增加學(xué)生的新鮮感，從而提升學(xué)生的課程參與度，改善聽課效果。②有利于培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識和自主學(xué)習(xí)能力；教師設(shè)立獎勵機(jī)制，通過增加其平時(shí)成績的辦法來鼓勵上臺講課的學(xué)生。讓報(bào)名參與的學(xué)生進(jìn)行說課競賽，敘述教學(xué)目的、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)等，最終全班推選出獲勝的同學(xué)在規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行課程講授。在此任務(wù)的督促下，學(xué)生會主動地查找資料，制作多媒體課件并思考如何以淺顯易懂的方式向同學(xué)講明白課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生在備課過程中，其自主搜集、匯總資料、制作展示課件和自主學(xué)習(xí)的能力都隨之提高。③促進(jìn)學(xué)生之間的討論和交流，培養(yǎng)合作意識；在學(xué)生走上講臺進(jìn)行“授課”的過程中，臺下學(xué)生可能會有聽不懂的地方或者臺上學(xué)生無法及時(shí)回答臺下學(xué)生的提問的情況，這些都促使學(xué)生之間課后進(jìn)行交流與討論，共同探討如何將存在的問題加以解決。④有利于活躍課堂氣氛，改進(jìn)教師教學(xué)；學(xué)生“授課”的教學(xué)形式讓臺下學(xué)生因有新鮮感而將注意力較長時(shí)間集中于其講課內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)錯誤后會立即做出反應(yīng)，而不會像教師講課時(shí)迷信于老師的權(quán)威，相信老師講的都是對的。這就引發(fā)了學(xué)生的思考，增強(qiáng)了學(xué)生的思辨能力。另外，學(xué)生“授課”會有意無意地模仿其自認(rèn)為最好的上課方式，教師在此過程中可以借鑒一些有益的講課方式來改進(jìn)自己的教學(xué)。

三、改進(jìn)考核方式

筆者通過多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍存在的問題是學(xué)習(xí)的主觀能動性差、學(xué)習(xí)熱情不高，其所學(xué)課程內(nèi)容均等到課程結(jié)束后通過突擊復(fù)習(xí)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。這種短時(shí)間內(nèi)輸入大量信息的方式不利于學(xué)生深入領(lǐng)會和掌握課程的精髓。因此必須減小期末卷面考試成績所占比重，加大平時(shí)成績所占比重。傳統(tǒng)考核方式中平時(shí)成績包括課后作業(yè)和考勤，最多占期末總成績的30%。隨著信息化時(shí)代的到來，知識的更新周期不斷縮短，知識的接受不再如以往那么重要，對知識的選擇、整合、轉(zhuǎn)換的重要性增加。這些知識并非是靠言語所能傳授的，它只能通過學(xué)生主動地“構(gòu)建”和“再創(chuàng)造”而獲得，這對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的要求大為提高，在學(xué)生整體能力培養(yǎng)方面發(fā)揮更大的作用。

為此，我們設(shè)計(jì)了鼓勵學(xué)生積極主動進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的實(shí)施方案，將傳統(tǒng)的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統(tǒng)一把關(guān)”，這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，豐富教育形式，促進(jìn)學(xué)生深入掌握課程的基本知識并加以靈活運(yùn)用。其具體方案分為4部分：①所有學(xué)生每人出一份完整的試卷，試卷內(nèi)容包括判斷題（2分∕題）、簡答題（8分∕題）、案例分析題（10分∕題）、計(jì)算題（15分∕題）等題型中的任意3種，每題給出分值、答案解析和評分標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)標(biāo)明題目來源。課程結(jié)束后上交試卷。②此項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)占期末總成績的50%，以提高學(xué)生對其的重視程度和參與的積極性。③試題可在國內(nèi)外網(wǎng)站上搜索，還可對搜索到的試題進(jìn)行綜合改編（改編處需用不同顏色標(biāo)出），也可以是學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識自己擬題，對于后兩類評分時(shí)可適當(dāng)加分。所有題目中必須有一道題來源于外文試題。對于試題大面積雷同者，按提交時(shí)間先后順序排序，第一名正常給分，其余適當(dāng)給予低分。文字部分與出題來源完全一樣的試題，數(shù)據(jù)必須改變，答案必須重新計(jì)算一遍。④對試卷進(jìn)行分類整理和分析，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及其對課程內(nèi)容的掌握程度評出優(yōu)秀、良好和一般三個(gè)等級。

這項(xiàng)工作有利于培養(yǎng)學(xué)生搜尋、處理和應(yīng)用信息的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，豐富教育形式，促使學(xué)生系統(tǒng)、深入地掌握熱質(zhì)交換原理與設(shè)備這門課程的基本概念、基本理論和基本規(guī)律，提高學(xué)生分析和解決問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)、科研和工作奠定較為扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。教師對改編試題的審核，對學(xué)生在出題過程中表述不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男薷牡榷际菍處煴旧韮渲R的擴(kuò)充和深化。教師在學(xué)生完善試題庫的過程中一方面不斷引導(dǎo)學(xué)生站在教師的角度從所要掌握的基本知識出發(fā)來搜集、整理和改編試題，另一方面提醒學(xué)生要重視加強(qiáng)與老師和同學(xué)之間的交流，提高綜合能力。

四、將課程教學(xué)與科研、工程實(shí)踐相結(jié)合

目前我國高校畢業(yè)生的主要去向是工作和繼續(xù)深造。關(guān)于課程教學(xué)如何與工程實(shí)踐相結(jié)合，前文已有論述。將課程教學(xué)與科研相結(jié)合，爭取做到科研反哺教學(xué)。南京理工大學(xué)堅(jiān)持人才培養(yǎng)的中心地位，立足于精英教育，造就求真務(wù)實(shí)、開拓創(chuàng)新、引領(lǐng)發(fā)展、具有國際視野的社會中堅(jiān)力量。這就要求教師將課程相關(guān)的最新科研成果、研究方法帶入課堂，讓學(xué)生感受到科研的魅力。例如，在講授第二章第三節(jié)對流傳質(zhì)中的紊流傳質(zhì)機(jī)理時(shí)，本科階段在理解和處理紊流傳遞機(jī)理時(shí)，可以認(rèn)為除分子傳遞現(xiàn)象外，宏觀流體微團(tuán)的不規(guī)則摻混運(yùn)動也引起動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，其結(jié)果從表象上看，相當(dāng)于在流體中產(chǎn)生了附加的“紊流切應(yīng)力”“紊流熱傳導(dǎo)”和“紊流質(zhì)量擴(kuò)散”。這個(gè)反映在最終的表達(dá)式上就是將分子微觀運(yùn)動引起的分子擴(kuò)散中的動力黏度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變成流體微團(tuán)宏觀運(yùn)動引起的紊流傳遞中的有效動力黏度系數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。此時(shí)可向?qū)W生拓展現(xiàn)在計(jì)算紊流的主流計(jì)算方法即大渦模擬（LES）和直接數(shù)值模擬（DNS），并對這兩種方法進(jìn)行詳細(xì)的解釋和優(yōu)缺點(diǎn)介紹。最后鼓勵感興趣的學(xué)生進(jìn)老師的項(xiàng)目組進(jìn)行嘗試，參與力所能及的研究工作，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。

五、結(jié)語

筆者結(jié)合在熱質(zhì)交換原理與設(shè)備這門課中的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，闡述了如何通過精心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，豐富教學(xué)形式，改進(jìn)傳統(tǒng)考核方式以及將課程教學(xué)與科研、工程實(shí)踐相結(jié)合等舉措來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，使學(xué)生能靈活運(yùn)用所學(xué)知識和提高課堂授課效果。與此同時(shí)，要營造良好的課內(nèi)外專業(yè)學(xué)習(xí)氛圍，使學(xué)生學(xué)有所用，以用促學(xué)，從而提高學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。