本科生传热学课程教学模式改革与实践

张红欣,朱 超,汤吉昀,陈 磊

(1.昌吉学院 物理系,新疆 昌吉市 831100;2.新疆大学化工学院,新疆 乌鲁木齐 830046)

传热学作为昌吉学院能源与动力工程专业核心基础课程，旨在为能源企业和研究领域培养理论基础知识扎实、创新能力强的工程技术人才。传热学作为一门研究热量传递规律的学科，其理论不仅在能源动力类领域占有举足轻重的作用，在指导机械制造、冶金、建筑建工、能源开发、化学工程等生产领域和科学研究中也占有非常重要的作用。

所在专业在讲授传热学课程中常采用多媒体技术与板书结合的方式进行知识点的讲解，主要侧重经典理论知识和传热特性的讲授，教学内容上表达单一、形式抽象、静态展示居多，不能深入剖析传热机理和温度分布特性，无法将工业生产案例与课程理论知识进行结合，无法达到调整学生知识结构、拓展学生知识面、提升学生创新意识的培养要求。而国家新型工业建设战略在一定程度上对高校培养综合素质过硬的毕业生提出了更高的要求。因此，在讲授传热学现有教学模式的基础上，将CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)技术与课程理论和工业生产案例进行知识点融合和教学模式改革，促进理论知识与实践深度耦合，为进一步提高课程教学质量和提升教学效果打下了坚实基础。

国内各大高校在讲授各类专业基础课程时将CFD技术与课程知识理论进行有机结合的教学模式改革均取得了较好的教学效果。西南科技大学王令等人针对卓越班讲授传热学课程时采用CFD技术对课程的教学内容进行重新设计与整合、教学实验进行更新设计，将各章节知识点融汇贯通形成了课程主线。中国民航大学朱伯伦等人在分析空气动力学教学难点和存在的教学不足的基础上，借助CFD强大的数值模拟仿真功能，将仿真过程搬迁至空气动力学课程中，借助对各章节案例的动态数值模拟结果帮助学生深入理解动力学知识点，调动了学生上课的积极性，激发了学生对科学研究的兴趣。江苏大学吴里程等人在讲授传热学中，采用“五位一体”教学模式注重理论联系实际的培养模式，以CFD技术剖析工程案例反推课程理论知识，巩固学生理论知识的基础上，培养了学生创新意识和科学意识。东北电力大学柏静儒等人将Fluent软件应用在传热学传热特性知识的讲授中，将Fluent软件制作好的教学素材用于讲解流体流动、温度/速度分布规律等知识点，采用动态动画有助于学生深入了解课程中公式推演的目的，为涉及较多计算公式的课程开拓了新的教学模式。

1.1 讲授传热学课程过程中存在的问题

讲授传热学选用的教材为杨世铭、陶文铨编著《传热学(第四版)》，该教材在结构上主要涵盖了稳态与非稳态热传导、对流传热、热辐射相关理论与计算等理论内容，同时简要介绍了传热案例分析步骤和方法。

所选取的传热学教材作为国内面对能源类的专业课程书籍，其教学内容丰富全面。因各专业培养要求不同，讲授侧重点不同，但授课过程中均涉及到大量的公式计算和模型分析，教材中的整体内容均由热量传递而分层次展开，具有抽象难懂、基础知识储备丰富(高等数学、大学物理、工程热力学)的特点。为使学生能全面掌握课程中涵盖的各章节知识点，要求教学一线的教师需具备扎实的理论基础和较强的语言表述能力。

传统的板书式公式推导简便、经济，但教学效果古板，无法动态展示流体传热特性，只能让学生有一个抽象的数字理解。例如教材第二章主要通过引入傅里叶导热定律的一般形式，将能量守恒原理与导热定律相结合，在边界条件约束下推导导热对象温度分布的微分方程的多种表达式(平板、圆筒体、球壳、等截面直肋)。教材第四章热传导问题的数值解法(内节点离散方程、边界节点离散方程)在求解过程中按照：①建立控制方程及定解条件；
②确定节点(区域离散化)；
③建立节点物理量的代数方程；
④设立温度场的迭代初值；
⑤求解代数方程组；
⑥判断方程组是否收敛；
⑦分析数值解结果。数值求解过程复杂多变，教学过程枯燥，大量计算过程使得学生逐渐丧失对知识学习的兴趣，最终导致教学效果不理想，教学质量有所下降。

1.2 CFD技术简介

CFD是Computational Fluid Dynamics(计算流体力学)的简称，通过对控制方程微分、积分项表示为离散的代数方程组，采用计算机编程技术、数据处理技术、图像显示技术获得物理模型代数方程组在离散空间/时间上的数值解，精确描述流体流动和热量传递现象。目前市面上常用的CFD软件有10种之多，应用广泛的为CFX、Fluent、Phoenics、Comsol。求解物理模型主要由三部分组成：

前处理：建立几何模型、计算网格划分；

求解器：确定控制方程、选择离散方法、选择求解方法、约束参数修改；

后处理：压力场、温度场、速度场数据显示和动画处理。

通过课题组讲授传热学课程的教学经验和CFD软件的学习难易度，前处理软件选用ICEM-CFD对模型进行建模和网格划分；
求解器选用Fluent软件对模型进行运算求解；
后处理采用Tecplot软件对模拟结果进行数据处理。

CFD技术具有成本低、运算速度快、模拟结果科学、操作性强等优势，通过模拟仿真过程可将物理实验搬迁至计算机中进行虚拟仿真。通过近年国内外科研工作者的不懈努力，CFD技术不仅能模拟流体流动特性、传热特性，同时也能对流固耦合流场、焊接热场、多孔介质区域流动、分子流动流场、复杂几何结构流场等领域进行模拟计算。

2.1 提升学生课堂参与感

教师在授课前均会对本节课程进行备课后开展教学工作，教学内容根据教学大纲和培养模式制定，上课思路、教材素材、内容展示都是由授课教师提前“演练”后再进行教与授。在整个过程中学生是被动式的“授”课，只能按照教师预先设定的“剧本”进行学习，授课过程使得学生没有体会到知识是如何组织和梳理的，缺少一定的课堂学习参与感，形成了被动接受知识的窘境。在授课过程中添加CFD素材教学改革时，教师在课前将模拟过程所需的几何文件建模和网格划分后，在上课时针对讲授对象进行Fluent软件仿真其变化过程。针对不同模型(层流或紊流、热传导/热对流/热辐射、非或定常流动、压缩或不可压缩)在Fluent软件中通过设置材料属性、边界条件、求解方法、收敛条件、迭代步数等参数让学生通过现场讨论后进行设定，提升了学生课堂学习的参与感，有助于学生全身心投入课程学习。

2.2 激发学生学习兴趣

传热学授课过程中涉及较多复杂的公式和抽象的边界条件，现有的多媒体素材(图片、简单动画)只能片面的描述物理问题，无法给学生系统性的认识。采用Fluent软件进行现场模拟知识点时，不但带动了学生课堂学习的参与感，同时在设定相关参数时为学生课下学习软件“埋悬念”，告知学生模拟过程中设定边界条件、计算方法、收敛条件的不同，所得到的模拟结果也会不同，将原本枯燥的数学模型由软件显示后变得新鲜生动。鼓励学生课下对课上模拟内容和待学习章节内容进行摸索与学习，鼓励学生将模拟结果带入课堂进行展示和讲解，增加学生对课堂学习的兴趣。

2.3 培养学生科研素养

科研工作产出也是衡量一个大学综合实力的指标，昌吉学院拟开展的“卓越工程师”计划要求教师在授课时不仅需要帮助学生夯实基础知识，同时也要引导学生将理论学习与科学研究共同发展。因此，根据教材内容设置模拟实验达到培养研究型的学生是不够的，在日常教学中应将教学内容与工业生产实践相结合，使学生日常学习与后期工作进行无缝衔接，以就业驱动学生萌发生产实践研究的想法，普及CFD技术涉及的软件和通识概念。对科学研究感兴趣的同学可将他们组织成兴趣小组，由浅入深的讲授做科学研究工作的思路与方法，支持学生加入教师和研究生正在进行的科研项目中，帮助学生参加各类大学生创新比赛，大学生创新实验等活动。将课堂学习与科学研究活动相结合不仅使学生对专业知识有进一步的把控，同时帮助学生逐渐建立科研习惯。

《传热学》课程是能源与动力工程专业的专业基础课，为使毕业生适应工业生产发展和科学研究工作，实现学有所用、学有所得、学有所长的培养目标，课题组在传热学课程内容、上课形式、教学方法上进行了改革与优化，借助CFD技术调动了学生课堂参与、激发了学生学习热情、增强了学生学习的主动性与积极性、培养了学生科研素养，达到了预期的教学效果。