机械类专业“传热学”课程教学探讨

    舒盛荣 刘乐平

    摘 要：针对传热学课堂上出现的一些问题，对课堂教学方法进行了探讨，主要包括联系实际生活和工程实际的案例讲解、增加课堂互动环节方法、采用有限元软件辅助教学等，为了巩固所学知识并培养学生学以致用的能力，对课后作业、大作业和考试题目的设置进行了讨论。

    关键词：机械类专业;传热学;教学方法

    传热学是研究温差作用下热量传递过程和传热速率的科学[1]，热能的传递在自然界和工程技术领域中是一种非常普遍的物理现象。如能源动力、制冷、化工、建筑环境、航空航天、微机电系统、纳米技术、生命科学与生物技术等领域中大量存在传热传质过程与热控技术问题。传热学是当今科学技术发展的最重要的技术基础之一。[2]

    学习机械类专业时会碰到大量与传热有关的工程实际问题，如金属切削过程的冷却、机械制造装备的热变形、机械零部件（如轴承、齿轮）工作时摩擦生热的影响等等，要解决好这些问题除了掌握专业知识外，还需具备扎实的传热学知识。因此，很多高校的机械类专业都会开设传热学课程，但课时数比较少。为了在有限的课时内让学生掌握传热学基础知识并能够运用传热学的规律分析解决工程实际问题，必须通过各种高效的教学方法来保证课堂效率。下面结合自己的教学经历介绍一些课堂教学方法。

    1 课程介绍

    传热学课程主要讲解导热传热、对流传热以及辐射传热三种基本传热方式，主要内容是研究热量宏观传递规律和现象[1]。由于它们的传热机理不一样，所以三种传热方式相互独立，各自构成一个知识体系，到目前还没有统一的理论将此三种传热方式整合，所以对传热现象研究的方式一般采用单个研究，而后进行综合[3]。

    华东交通大学机械设计制造及其自动化专业把传热学课程设为一门必修的基础课程，为后续专业课的学习提供传热学知识储备。传热学课程设置在大三上学期，总共为32学时的理论课，教材使用的是杨世铭和陶文铨主编高等教育出版社出版的《传热学》第四版，该教材是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，下面就传热学课堂教学做一些探讨。

    2 课堂教学方法

    课程中很多章节都有复杂的理论公式的和抽象难懂的概念，如果教学方法不得当，容易使学生觉得很枯燥上课分神、听不进去，学习主动性不够的同学就会低头玩手机;针对出现的这些问题，下面提出以下方法来改善教学效果。

    2.1 少些公式推导，多些实例讲解

    如讲解热传导在直角坐标系下的导热微分方程的推导，学生们理解起来还可以接受，但由于它是偏微分方程，其求解方法在本科阶段的高等数学里面基本不涉及，后面章节的数值解法也是针对简单几何形状问题的热传导进行讲解，由于课时较少，数值解法这部分也主要是学生自学为主，这一下就让学生失去很多兴趣。此时，通过生活和工程案例讲解清楚如何将三维传热问题简化成容易求解的一维导热问题显得非常重要，这可以通过相对简单的平壁导热问题进行讲解来吸引学生并启发他们思考，如平底锅、双层玻璃窗户、多层墙壁等的导热分析计算，将工程中的导热问题进行合理简化而得到解的过程，可以把学生们的学习热情带回来。

    对流换热章节涉及的连续性方程、动量微分方程、能量微分方程等，这些方程也都是偏微分方程，且它们是耦合在一起的，后面的比拟理论、相似理论也比较抽象，有关对流传热实验关联式非常复杂也不易理解和掌握，因此，学生觉得对流传热部分理论性太强实用性低，此时学生的学习兴趣可能降到了最低。因此这部分内容要以实际应用讲解为主，对公式的推导简略讲解，应通过工程实例帮学生们理清书中各公式的应用场合及涉及到的特征数的意义，以使得学生觉得通过学习确实可以解决一些工程传热问题，这样他们的学习兴趣自然会提高。

    关于辐射传热部分，发现部分同学对斯忒藩-玻尔兹曼定律、普朗克定律、兰贝特定律之间的关系都很难搞清楚，这时可以通过课本上例子的讲解来掌握这些公式之间的内在联系，接着要通过例子把辐射力、光谱辐射力、定向辐射力、发射率、光谱发射率和定向发射率等基本概念和关系理顺，而这些基本概念的理解和掌握是后面计算辐射传热的基础。

    教学过程中的案例需要多与实际相联系，以实际生活现象作为范例，让学生时刻感到传热学知识就在生活中，能够学以致用，从而对传热学课程产生很大的兴趣[3]。此外，为了衔接后面的专业课，讲解中也要注重机械制造专业有关传热问题的渗透，教学过程中理论联系实际的案例讲解是提高学生学习兴趣行之有效的重要方法。

    2.2 课堂互动调动学生学习的主动性

    课堂上如果老师一直通过PPT课件灌输知识而和学生没有很好的互动，下面的学生就会感觉疲劳从而失去学习兴趣，因此每当讲完一个知识点后，需要通过一定的方式和学生进行互动以了解他们的掌握程度，为了提高学生的主动性和教学效果，可以从以下几方面考虑。

    首先，课堂提问是吸引学生注意力的基本方法，比如讲完物理现象相似的概念后，马上举几个例子提问学生让其判断这些现象是否相似，这样可以吸引学生集中注意力进行深入思考，提高上课效率。其次，课堂上做些小实验或放映一些小片段关于传热知识点的影像资料也是调动学生学习积极性的好方法，比如，讲到莱登佛罗斯特现象时，有条件的可以带一个温度可调的电热板和滴管做实验，或放映一段相关的小视频，这样很容易就把枯燥的理论讲解课堂气氛给活跃起来，通过观察实验现象学生对知识点会掌握的更牢固。此外，增加学生上讲台展示的机会，这提供了学生自我学习和相互学习的平台，这不但可以拉近老师和学生之间的距离，而且还有利于培養学生的表达能力;如在习题讲解时，要鼓励学生们上讲台到黑板上书写答案并进行讲解，课后大作业完成后，要求每个小组上台展示结果等。

    2.3 将有限元软件用于传热学课程教学

    由于人体的局限性，只能通过眼睛来观察物体表面颜色及发生的一些现象或通过身体的触碰来感知外界的温度变化，不能准确监测物体表面及其内部温度变化，生活和工程中涉及的传热过程一般都需要借助专用仪器进行测量。另外，传热学知识点多，概念也比较抽象，为了保证教学质量，最好能生动形象地将传热过程呈现给学生以增强对传热过程的感性认识。传热学是理论联系实际很强的课程，目前由于刚开设此课程不久，本学院还缺少相关实验装置。

    解决上述问题最简单的途径就是借助有限元商业软件，如ANSYS workbench仿真平台，它集成了结构、传热、流体分析等众多模块，利用其中的Fluent软件可以模拟流体-结构之间的换热，计算完成后通过后处理模块可以得到流场、温度场，还可以将流体流动以及传热过程做成动画。课堂上可以用事先准备好的相对简单的例子作为示范，演示整个操作过程，如管内强制对流传热、流体横掠单管对流传热等，这不但可以提高学生们的学习兴趣，还可以引导学生们自己动手模拟一些简单的传热问题，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，并培养其创新能力。

    3 课后作业及任务安排

    课堂上讲的理论知识和概念，必须通过课后作业加以巩固和理解，要不然下课后很容易就会忘掉。传热学作为专业基础课，课后作业要注重渗透日常生活、工程应用为背景的实际运用的练习。课后任务主要包括两部分。

    （1）课后作业。以课本章节后面的习题为主，这样可以增加学生翻阅课本的时间，引导他们对课堂知识的复习和应用;同时还可以在课程QQ群里上传一些精心准备的题目，题目要和生活与机械专业背景关联性更密切，以巩固和加强基础知识在工程上的应用的训练，作业要及时交，不能集中到课程快结束时交，这会导致部分学生拖延、跟不上教学进度。

    （2）大作业。大作业以3-4人一组，要求学生们以生活或工程实际中存在的传热现象、机电产品中的组件或元件为例，介绍其中的传热规律、工作原理和作用等，利用所学知识对其传热过程进行分析、合理简化建模、计算和结果討论，根据计算结果和查阅文献资料探讨它的发展方向等等。这个过程有利于培养学生将所学知识灵活应用于工程实际中的能力，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，并锻炼它们的沟通和协作能力。

    4 期末考试题目注重机械专业的渗透

    由于传热学知识点和公式众多，期末考试可以采取开卷形式，题目类型可以是填空题、选择题、简答题和计算题等，题目不能太容易就让学生看出答案，难易程度要适中。由于授课对象是机械专业的学生，因此考试题目要加入一定的专业背景知识，特别是简答题和计算题，最好以机械专业碰到的传热问题为背景来出题，这样既考察了知识点，又能引导学生用传热学知识解决自己专业所碰到的问题，这为后续专业课程的学习做好了铺垫，为深入研究专业相关问题打下良好的基础。

    5 结语

    传热学作为我校机械类专业的一门重要学科基础课程，教学效果直接影响后续专业课中涉及传热问题的理解，因此，必须重视课堂教学方法、持续改进课堂教学模式，并着力提升教师自身的专业水平。

    参考文献：

    [1]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）.高等教育出版社.

    [2]赵宇含，蔡颖玲，陈帅.传热学教学中的体会[J].科教导刊，2014.

    [3]齐晓霓，魏丽霞.机械大类专业“传热学”教学改革探讨[J].2014.