“新工科”背景下能源与动力工程专业《传热学》案例教学改革与实践

来源:用户上传      作者:黄军 武文斐 张智羽 伍永福

　　摘   要：随着我国“新工科”建设的深入开展，对新时期工程人才培养提出了更高要求，更加重视实践能力的培养。案例教学是培养学生工程实践能力的重要教学方法，本文结合能源与动力工程《传热学》课程实践，利用从日常生活及工程实践中开发出的典型案例，开展有效的案例教学设计与实践。
　　关键词：案例教学  传热学  教学改革
　　中图分类号：G642                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0226-02
　　Abstract：With the deepening of the construction of "new engineering" in China， higher requirements are put forward for the training of engineering talents in the new period， and more emphasis is placed on the training of practical ability. Case teaching is an important teaching method to cultivate students' engineering practice ability. This paper combines the practice of energy and power engineering "heat transfer" course and the typical cases developed from daily life and engineering practice to carry out effective case teaching design and practice.
　　Key Words： Case teaching; Heat transfer; The teaching reform
　　1  引言
　　當前，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，迫切需要高等学校培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才。高等学校要主动服务国家战略需求，主动服务行业企业需要，加快建设发展新工科，探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，促进中国从工程教育大国走向工程教育强国[1-2]。内蒙古科技大学作为内蒙古地方高校，其能源与动力工程专业立足内蒙古，面向全国，紧密结合内蒙古自治区经济社会发展，为国家电力、冶金、化工、机械、市政工程等行业培养德智体美全面发展，基础扎实，具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才。
　　《传热学》是研究热量传递规律的学科，是整个工程学科的基础性学科，涉及能源，化工，材料，冶金，机械等专业。能源与动力工程专业中遇到的大部分技术问题都和热量传递问题有关，传热学课程是其基础核心课程，在课程体系和学生的认知体系中均占据重要地位。新工科这一概念的提出，对传热学教学提出了新的任务和挑战。传热学课程教学过程中，必须紧密结合新工科特征，与时俱进，积极吸收新的教学理念，探索新的教学方法，从而促进本专业人才培养体系的转型与提高。
　　2  课堂教学中存在的问题
　　能源与动力工程《传热学》教学目标是使学生明确传热研究对象，掌握传热过程基本原理、基本规律，为后续专业课的学习提供充分的理论准备;也为学生以后应用基本规律解决生产实际问题、将来从事科学研究打下必要的理论基础。在教学中要注重培养学生运用技术基础课的能力，培养其分析和解决实际问题的综合素质。要求学生掌握工业及生活中常见传热过程的基本原理，基本规律;利用前期的微积分的知识针对常见的传热过程建立必要的数学模型并求解，掌握解决传热问题的科学方法;针对特定的工业过程，利用传热学的方法及手段能够分析和解决常见的传热过程;对能源与动力工程相关的热现象进行研究和实验验证，能够对本专业涉及到的传热对象制定实验方案，进行实验研究。
　　在本专业多年的《传热学》教学实践中，发现课堂教学存在以下两个问题[3-4]。
　　第一是大部分学生反映传热学课程难学。造成这一问题的主要原因有三个方面： 首先，传热学不仅概念和公式多，而且与其他基础课程联系紧密，利用对于对流传热的讲解就需要用到流体力学的知识，同时对于高等数学的知识也有一定的要求。其次，不同换热涉及各种研究方法、计算公式，还有很多经验式。最后计算难度较大，如数值计算和试算法，数值计算需用计算机编程计算; 试算中计算繁琐，计算量大，这些具体的计算过程往往对学生造成较大的困扰。
　　第二是学生对传热学知识缺乏深刻的理解，基本原理的应用能力差。学生对很多传热学公式与概念只停留在机械记忆上，缺乏对其物理意义的理解，将传热学理论知识与工程实践问题结合应用的能力较弱。如何利用学习的传热知识去分析和求解一个传热过程是本课程的核心目的，只有通过大量的实例分析，才能增强对传热学知识的理解。
　　3  案例教学的关键点及实施
　　由于传热学课程课堂教学中常用数学语言推导热物理规律，较为抽象。因此如何调动学生的学习积极性，使学生认识到传热学课程的必要性和趣味性，对提高课堂授课效果至关重要。一个重要的方法是在《传热学》教学实践中引入案例分析法来加强教学工作，降低理论学习的枯燥性，提高课程内容学习的可理解性，有效激发学生的积极性与创新意识。在案例教学中涉及的关键问题如下[5-8]： 　　第一，让学生理解传热学的研究内容。传热学是研究由于温差而引起的热能传递的学科，物体中温差（△T）多少与单位时间内传递多少热量（Q）之间的关系。表征温差（△T）需要借助数学工具梯度的概念，引入温度梯度▽T，表征热量（Q）可以表述为热流量（Φ）和热流密度（q）。传热学表征不同传热过程就是寻找温度梯度▽T与热流密度（q）之间的关系。导热、对流、辐射三种传热方式的温差和热流之间的关系如图1所示，利用数学工具表征温差和热流。
　　第二，案例的选择。选取的案例首先要针对传热学本科教学的重点内容，例如传递过程、一维稳态导热、零维问题、边界层对流传热等，其次案例的选择要紧密和教学内容贴合，要体现教材中的重难点，同时案例要具有生动性、吸引性、时效性，在调动学生积极性的同时，也应注意吸引学生参与案例的讨论，使其对相关内容印象深刻。此外，所选的案例要充分考虑学生的学习程度，以及学习能力的差异，避免分析难度大，涉及知识点多且知识点相互交叉的教学案例。传热学案例教学法是通过分析课程的特点和课程的教学现状，在教学内容上尝试选用生活中的传热学实例，一些可以借鉴的已完成的科研项目，将这些案例应用到该课程的基础知识中，通过案例设计、组织并呈现于课堂上。在具体的教学实践中，对于《传热学》课程中的导热、对流、辐射三大板块，每个板块设计4～5个生活和科研上的案例，在课堂教学中专门讲解与互动。
　　第三，教学案例的解析与实施。传热学教学案例引入手段可以是文字描述，也可以是多媒体或者图表，也可以是经过精心设计的小教具，例如强制对流的小装置等。将案例呈现后，根据教学目标，在教学过程中来循序渐进地启发学生，不断引导学生积极地进行思考;课堂形式也变得灵活多变，比如让学生组成多个小组，每个小组合作分析和讨论案例中的各种问题，探索解决问题的方法，通过这样的方式培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。
　　第四，教具的使用。一些在课堂教学中容易实施的小教具，可以在课堂教学中起到提高教学效果的作用。例如，利用电脑CPU散热的强制对流装置制作多层平壁导热和强制对流换热的小教具，满足课堂上的演示需要，并传热学教学实践中实施。
　　传热学课程是能源与动力工程专业的专业基础课，课程主要是为后续专业课的学习打下基础。课程本身虽然是专业基础课，但也具有很多实践问题。生活中碰到的传热问题非常多，同时我校能源与动力工程专业涉及电力、冶金行业的很多项目及课题，将这些工程实际项目归纳整理，然后与课程知识对接，可以使学生更好地体会到如何将理论知识应用于实际工程，这扩宽了学生的视野，消除了学生认为学习理论知识无用和不知如何用的想法，激发了学生的学习兴趣，强化学生的工程观念[9-12]。
　　案例教学在目前日常教学中涉及较少，通过《传热学》案例教学改革与实践，对教师而言，教学方式和教学方法的改进对教师提出了更高的要求，不仅要及时关注和更新案例，而且要求教师要具备更强的组织、驾驭和协调能力，对学生来说，案例教学可以让学生将理论知识与实际应用结合，激發学习兴趣，培养学生的创新能力。
　　4  结语
　　在本科《传热学》教学实践中，通过将案例和目前的教学大纲有机结合，穿插在现有的教学过程中。通过案例问题与任务模拟，搭建起“以学生为主体”的“问题导向”与“任务导向”学习框架，将工程知识和技能学习与工程实践经验连结起来，培养学生的现代工程师素养，适应“新工科”的教学要求。
　　参考文献
　　[1] 叶民，孔寒冰，张炜.新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.
　　[2] 毛瑞勇，胡澄.新工科背景下建筑环境与能源应用工程专业传热学课程教学改革探讨[J].贵阳学院学报：自然科学版，2019，14（2）：69-71.
　　[3] 姚森，胡建军，徐桂转，等.传热学趣味案例教学实践初探[J].科技视界，2018（24）：109-110.
　　[4] 樊渊，何舒平.工科专业课提升教学质量的探讨和实践[J].钦州学院学报，2017，32（10）：65-69.
　　[5] 赵金秀.提高传热学课程教学效果的方法研究与实践[J].高等建筑教育，2017，26（4）：90-93.
　　[6] 何晓崐，姚江，沈妍，等.传热学课程教学改革的分析与探讨[J].中国现代教育装备，2016（21）：68-70.
　　[7] 张莉，姜未汀，任洪波，等.案例教学在行业类高校“传热学”中的实践[J].教育教学论坛，2015（45）：139-140.
　　[8] 王新华，焦玉琳，冯喜忠，等.《传热学》课程教学分析与改革[J].浙江工商职业技术学院学报，2011，10（2）：60-61.
　　[9] 李水娥，龙章刚.《传热学》课程教学改革探讨[J].教育教学论坛，2018（3）：117-118.
　　[10]战洪仁，王立鹏，李雅侠，等.以学生为本的“传热学”教学方法改革与实践[J].中国电力教育，2014（34）：77-78.
　　[11]衣秋杰.“传热学”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2012（3）：88-89.
　　[12]李雪梅.传热学课程教学改革的探讨与实践[J].科技信息，2011（30）：75.
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