時間：2022-10-31 03:36:08
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1.1開篇案例對于傳熱單元操作，可采用學(xué)生熟悉的氨的合成中脫除二氧化碳的生產(chǎn)工藝作為開篇案例。氨的合成中二氧化碳脫除的傳統(tǒng)流程如圖1所示[8]。一氧化碳變換后的原料氣經(jīng)吸收塔底部的氣體分布管加入吸收塔，在塔內(nèi)與碳酸鉀吸收劑進(jìn)行洗滌，出塔凈化氣經(jīng)分離器把氣體夾帶的液滴分離后進(jìn)入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，經(jīng)水力透平減壓后進(jìn)入再生塔頂部。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸氣，然后沿塔向下流，在塔內(nèi)與再沸器加熱產(chǎn)生的蒸汽逆流接觸，同時被蒸汽加熱到沸點并放出殘余的二氧化碳。而再生出來的碳酸鉀溶液經(jīng)冷卻器冷卻之后并經(jīng)泵加壓后進(jìn)入吸收塔頂部循環(huán)使用。選用此工程案例作為開篇案例是基于下述三個原因：（1）我校的化工原理是在大二下學(xué)期開設(shè)。此前學(xué)生已到云峰合成氨廠進(jìn)行了生產(chǎn)認(rèn)識實習(xí)，對此工程案例比較熟悉，能較好的引起學(xué)生的興趣；（2）該生產(chǎn)案例中，涉及到三類換熱器（再沸器、冷卻器、冷凝器），與教學(xué)目標(biāo)吻合較好；（3）該案例中，化工原理與化工工藝學(xué)緊密結(jié)合。提出此生產(chǎn)案例后，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生簡述整個脫碳過程，并引導(dǎo)學(xué)生思考該生產(chǎn)過程中這些換熱器的作用，流體之間的換熱方式。然后，請學(xué)生歸納總結(jié)、教師補(bǔ)充說明加以延伸，即可完成開篇內(nèi)容：（1）換熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，（2）換熱器的類型，（3）冷熱流體換熱方式。之后，提出兩個問題留給學(xué)生思考：一是如何根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計或選擇一臺換熱器。二是這些換熱器使用時間長了，換熱效果不好了，怎么辦。這些問題將在后續(xù)章節(jié)逐一解決。
1.2問題案例問題案例法，即教學(xué)中講授某一知識點前先列舉出工程中存在的實際問題，分析該問題產(chǎn)生的原因及解決該問題的方法，再引出知識點的教學(xué)方法。傳熱一章涉及知識點較多，講授時可采用問題案例法逐一進(jìn)行。例如，對于保溫層的厚度問題，許多學(xué)生會習(xí)慣性的認(rèn)為厚度越厚越好。為改變學(xué)生的習(xí)慣性思維，即可列舉如下實例進(jìn)行教學(xué)。假設(shè)一鋼管規(guī)格，鋼管外壁溫度環(huán)境溫度鋼管外包熱導(dǎo)率為的保溫材料，以減少熱損失。已知保溫層外表面與環(huán)境的對流傳熱系數(shù)為保溫層與鋼管接觸良好。求保溫層厚度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時，每米管長的總熱阻及熱損失。為節(jié)約時間，可將3-5位學(xué)生分為一組，每小組計算1個保溫厚度對應(yīng)的總熱阻和熱損失。計算結(jié)果如表1所示。表1的數(shù)據(jù)顯示，在題設(shè)條件下保溫層厚度由10mm增至30mm時，總熱阻逐漸減小、總熱損失逐漸增大；當(dāng)保溫層厚度從30mm增至70mm時，總熱阻逐漸增大、總熱損失逐漸減小。則保溫層厚度從10mm增至70mm時，總熱阻和總熱損失均存在一個拐點，對應(yīng)的總熱阻最小、熱損失最大。此點對應(yīng)的保溫層厚度稱為保溫層的臨界厚度。計算表明，上述題設(shè)條件下的臨界保溫層厚度為28mm。原因可由熱損失公式（其中為熱阻）可知，當(dāng)保溫層厚度增大時，一方面是導(dǎo)熱熱阻增加，另一方面是對流傳熱熱阻減小，因此保溫層厚度存在臨界厚度。當(dāng)保溫層厚度小于其臨界厚度時，隨著厚度的增加，總熱阻減小、總熱損失增大；在此期間增加保溫層厚度并非是越厚越好。當(dāng)保溫層厚度大于其臨界厚度時，隨著厚度的增加，總熱阻增大、總熱損失減小。鑒于經(jīng)濟(jì)和管道體積的考慮，實際生產(chǎn)中需通過計算，再選取合適的保溫層厚度。
1.3綜合案例綜合案例法即在每章（或每個單元操作）的結(jié)尾，列舉出該單元操作的工程設(shè)計（或工程改造）實例，提出需要解決的工程問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識，解決該工程設(shè)計（或工程改造）問題。在傳熱單元操作講解的最后一堂課，提出如下生產(chǎn)案例：在某化工產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置中，混合液在分解塔中進(jìn)行反應(yīng)時，放出大量的熱量。若不及時移走，分解塔內(nèi)溫度將繼續(xù)上升，會產(chǎn)生過量焦油。這不但會使產(chǎn)品質(zhì)量下降，堵塞管道，甚至造成事故。國內(nèi)該類生產(chǎn)裝置大都采用蒸發(fā)冷卻的方式轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱（即塔內(nèi)溫度靠液體自身蒸發(fā)來維持，一般維持在88℃左右）。也有部分工廠采用外循環(huán)冷卻的方式（將塔內(nèi)液體用泵抽出，經(jīng)塔外一雙管程換熱器用冷卻水冷卻后循環(huán)回分解塔）轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱。所用換熱器主要參數(shù)為：殼徑1m，雙管程，換熱管，換熱管根數(shù)370根，總傳熱面積100m2。該廠欲將塔內(nèi)溫度降至60℃，這一改變要求冷卻器熱負(fù)荷增至4×105kJ/h。將此案例加以描述和說明后，讓學(xué)生對這一案例提出實際的解決辦法。根據(jù)班級學(xué)生數(shù)，將學(xué)生按5-7人一組，課堂上用10-15min時間進(jìn)行分組討論。之后，小組派代表闡述解決方案，其它小組可質(zhì)疑和提問。經(jīng)小組討論，教師點評，最終形成如表2所示的四種方案。經(jīng)分析可知，得出方案D是可行的。得到這一結(jié)論并不意味著案例分析就結(jié)束了。最后也是最重要的一步，是教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納出具有普遍規(guī)律的理論知識，也就是“從例到理”。此案例表明，考察一臺換熱器的工作能力不能單純只考慮其傳熱面積，傳熱面積和總傳熱系數(shù)的乘積KA才能真正代表一臺換熱器的工作能力。因為存在如下關(guān)系：A—管數(shù)或者殼體體積—流速—傳熱系數(shù)。因此，列管換熱器的K和A值之間往往存在“此漲彼消”的關(guān)系。傳熱面積過大往往由于流體流量的“不匹配”而導(dǎo)致K值降低，換熱效果降低了。
2案例教學(xué)的啟示
案例教學(xué)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一個好的案例一定要源于生產(chǎn)和生活，又不能脫離教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。案例中既包含對實際問題的描述，又暗含一定的科學(xué)問題，讓學(xué)生參與分析并解決此實際問題。案例教學(xué)不但可使學(xué)生快速鞏固理論知識，還培養(yǎng)了學(xué)生解決實際問題的能力。采用案例教學(xué)時，要正確處理好案例教學(xué)與理論教學(xué)的關(guān)系。案例教學(xué)只是眾多教學(xué)方法中的一種，不能用案例教學(xué)完全替論教學(xué)，而應(yīng)在一定的理論基礎(chǔ)上加以實施。案例教學(xué)中，應(yīng)注重以學(xué)生為主體，讓全體學(xué)生參與問題的分析與解決，最終總結(jié)歸納得出具有普遍規(guī)律的理論知識，做到“從例到理”，使學(xué)生明白理論知識源于實踐。當(dāng)學(xué)生掌握了理論知識后，又要從理論的高度重新審視工程案例，做到“從理到例”，培養(yǎng)學(xué)生理論指導(dǎo)實踐的方法。真正實現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以能力培養(yǎng)為核心”的實踐教學(xué)理念。
3結(jié)語
關(guān)鍵詞：卓越工程師；傳熱學(xué)；教學(xué)改革
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0149-02
國家教育部于2009年決定實施的“卓越工程師教育計劃”，是為順應(yīng)國際發(fā)展趨勢，適應(yīng)國家工業(yè)、企業(yè)需求，增強(qiáng)我國核心競爭力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，走新型工業(yè)化道路，培養(yǎng)各類型工程師的重要決策。該計劃要解決的重點問題是：企業(yè)一方面抱怨工科大學(xué)畢業(yè)生工程實踐能力弱化、不適應(yīng)企業(yè)要求等問題；另一方面又不愿意接受大學(xué)生實習(xí)，不愿意參與工程師培養(yǎng)。該計劃旨在高校中培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。
傳熱學(xué)課程著重研究熱量傳遞的規(guī)律和方法。[1]建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)是土木工程專業(yè)下屬學(xué)科專業(yè)，主要包含供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)與空調(diào)工程、建筑給排水工程、建筑電氣工程等幾個方向，涉及的主要專業(yè)課程有暖通空調(diào)、制冷技術(shù)、流體輸配管網(wǎng)系統(tǒng)、鍋爐設(shè)備、熱質(zhì)交換等。從這些課程所講授的內(nèi)容看，傳熱學(xué)知識有著相當(dāng)重要的地位，因此傳熱學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)畢業(yè)生知識結(jié)構(gòu)中的一門非常重要的基礎(chǔ)課。隨著我國高等教育教學(xué)改革的不斷深化，在“重基礎(chǔ)、寬口徑” 的指導(dǎo)方針下，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)傳熱學(xué)的課時減少到原來的一半。如何在較少課時內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生用傳熱學(xué)的規(guī)律分析工程問題的能力，面對“卓越工程師”培養(yǎng)的傳熱學(xué)教學(xué)方法改革勢在必行。[2]
下面結(jié)合筆者對建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行傳熱學(xué)課堂教學(xué)的工作實踐，談?wù)勛吭焦こ處煴尘跋峦七M(jìn)“熱傳學(xué)”課程改革的幾點體會。
一、傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題
1.教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)
楊世銘等主編的《傳熱學(xué)》為比較經(jīng)典的教材，該教材總體上體現(xiàn)了傳熱學(xué)這門應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程的特點。教材主要包含熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三方面的內(nèi)容。其中熱傳導(dǎo)部分相對簡單，通過簡化實際物理模型，運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的知識能夠得到一般問題的分析解。而對流換熱過程則相對復(fù)雜，該部分在實驗研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出大量的圖表和經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式，運(yùn)用時需區(qū)別不同情況帶入不同的計算公式。對于此部分的學(xué)習(xí)學(xué)生感覺公式繁多、復(fù)雜，需強(qiáng)化記憶，且應(yīng)用時經(jīng)常選擇錯誤的經(jīng)驗公式。輻射傳熱部分由于理論的抽象性以及輻射換熱方程次數(shù)較高的問題，學(xué)生不僅對概念的掌握困難，輻射換熱問題的求解亦有比較大的難度?？偟膩碚f，到目前為止傳熱學(xué)學(xué)科的發(fā)展中對于三種傳熱方式分析方法差別較大，連貫性不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對課本知識的理解有些被動。且由于學(xué)時的減少，課上主要介紹三種傳熱方式的基本概念及方法，對綜合性問題的分析、訓(xùn)練環(huán)節(jié)必然相應(yīng)減少，導(dǎo)致學(xué)生分析和解決綜合實際問題的能力缺乏。
2.教學(xué)方法和手段單一
傳熱學(xué)的教學(xué)中，目前多采用多媒體授課。多媒體授課方式相對于以前的板書授課方式雖然大大增強(qiáng)了學(xué)生的直觀感受，通過圖、文、聲、像多角度調(diào)動學(xué)生的情緒、注意力和興趣，但也存在許多新的問題。例如：對于重點公式的推導(dǎo)不夠細(xì)致，通常忽略或者先于學(xué)生的反應(yīng)便給出答案，學(xué)生無法真正領(lǐng)會推導(dǎo)過程；課上信息量大，只注重講課進(jìn)度，忽視學(xué)生接受程度，到頭來學(xué)生收效甚微；與學(xué)生的互動缺乏，因為內(nèi)容多，上課過程多是教師一人在上邊喋喋不休，學(xué)生卻在下面精神恍惚，特別是難度較大的章節(jié)，學(xué)生因為理解不了干脆放棄聽講，教師在講臺上唱獨角戲，課堂氣氛沉悶。
根據(jù)傳熱學(xué)課程現(xiàn)狀及存在的問題，以下內(nèi)容分別為筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等幾方面進(jìn)行的一些思考及嘗試。
二、面對“卓越工程師”培養(yǎng)的改革
1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
正如教材中所述，最近幾年，世界范圍內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對于傳熱學(xué)課程的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響，也提出了新的挑戰(zhàn)。盡管傳熱學(xué)的基本規(guī)律并無變化，但是研究手段的發(fā)展和工程應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大進(jìn)一步豐富了傳熱學(xué)的內(nèi)涵。為了適應(yīng)我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，體現(xiàn)本學(xué)科的進(jìn)展，要使學(xué)生學(xué)到最新的知識，必須不斷更新教學(xué)內(nèi)容，把最新的知識引入到教學(xué)中。因此在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，考慮面對卓越工程師培養(yǎng)的目標(biāo)，筆者適當(dāng)刪減了一些比較繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容，如一維無限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解的推導(dǎo)過程課堂上不再推導(dǎo)，直接給出最后解的表達(dá)形式，要求同學(xué)了解其物理意義即可；對于傳統(tǒng)傳熱學(xué)中相對陳舊的內(nèi)容也可根據(jù)情況做一些刪減，例如管內(nèi)湍流傳熱的齊德-泰特公式、米海耶夫公式、流體橫掠管束的格里森公式等；此外，根據(jù)情況可以增加一些有關(guān)傳熱學(xué)新技術(shù)的內(nèi)容，如微尺度傳熱內(nèi)容、強(qiáng)化單相對流換熱的縱向渦方法等，通過這些前言知識的滲透使學(xué)生了解目前傳熱學(xué)應(yīng)用的熱點技術(shù)，增加學(xué)習(xí)興趣。
2.引入工程案例的教學(xué)方法
面對“卓越工程師”培養(yǎng)需加強(qiáng)基于工程應(yīng)用的教學(xué)方法。傳熱學(xué)學(xué)習(xí)的最終目的是解決與傳熱有關(guān)的工程實際問題。教材中分析的主要問題都能夠在工程實際中找到原型。對建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)來說，空調(diào)系統(tǒng)中最主要的部件是兩個換熱器：蒸發(fā)器和冷凝器。其中分別發(fā)生的是制冷工質(zhì)的沸騰吸熱以及凝結(jié)放熱過程，這兩部分換熱的理論基礎(chǔ)分別來自于傳熱學(xué)課本中沸騰和凝結(jié)換熱一章。為了增強(qiáng)換熱器的傳熱面積，肋片的應(yīng)用則增加了同學(xué)們對換熱器表面不同結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識?？照{(diào)中冷量的載體―制冷劑在管路中的輸送過程需要保溫，經(jīng)濟(jì)保溫層厚度的確定也離不開利用傳熱學(xué)知識的計算。此外，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計初期，計算維護(hù)結(jié)構(gòu)的冷、熱負(fù)荷時，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)則多可簡化為無限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，與課本中重點分析無限大平壁的導(dǎo)熱問題相對應(yīng)，等等。因此，在教學(xué)工作中引入與本專業(yè)密切相關(guān)的典型案例，首先會激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，讓同學(xué)帶著問題去理解、去學(xué)習(xí)。此外，融入大量實際案例也可以使同學(xué)對基礎(chǔ)知識的理解更加深入，避免了單純課本知識的枯燥無味。
3.講解與討論相結(jié)合的教學(xué)方式
提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要方法是讓學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動到主動。多媒體課件作為一種輔助手段，把抽象的事物用生動的語言和畫面展現(xiàn)在學(xué)生面前，更加形象和具體，但講解基礎(chǔ)理論時，以板書為主的方式效果較好。
摒棄課堂上老師一言堂的局面，在整個學(xué)習(xí)過程中教師主動設(shè)置討論環(huán)節(jié)。目前傳熱學(xué)作為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)研究生考試的專業(yè)課之一，許多時候?qū)I(yè)課的復(fù)試是通過綜合案例的分析來考查學(xué)生對傳熱學(xué)知識的掌握情況。因此，在本科生教學(xué)階段就加強(qiáng)這方面的練習(xí)十分必要。例如在不同學(xué)習(xí)階段，教師可以挑選某一綜合的傳熱問題，讓學(xué)生分成小組，分別通過查閱文獻(xiàn)、分析和制訂求解方案，最后以報告或論文形式提交不同的解決方案，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行匯報和討論，最終獲得大家認(rèn)為較好的方案。期間避免教師完全控制討論，教師應(yīng)注意傾聽學(xué)生的發(fā)言，并進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，使所有學(xué)生都參加討論過這個過程。這樣，讓學(xué)生對傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)從被動到主動，深切體會運(yùn)用所學(xué)傳熱學(xué)知識解決實際工程問題的過程，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，并能培養(yǎng)部分學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的能力。
4.CFD教學(xué)方法的應(yīng)用
CFD（Computer Fluid Dynamics）是應(yīng)用各種離散化的數(shù)值計算方法與計算機(jī)科學(xué)相結(jié)合來解決流動與傳熱問題的重要方法。對于典型情況下的傳熱問題，傳熱學(xué)課本中能夠推導(dǎo)并以公式的形式給出某一特定物體的溫度場，但對于幾何形狀或者邊界條件復(fù)雜的傳熱問題，運(yùn)用CFD技術(shù)獲得其內(nèi)部的溫度場之后，再對其傳熱量進(jìn)行分析，這種方式已經(jīng)必不可少。因此，結(jié)合CFD的教學(xué)方法可以更形象、生動地展示特定復(fù)雜場景下的傳熱過程，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，運(yùn)用巧妙的模擬方法又可以使學(xué)生加強(qiáng)對傳熱基本規(guī)律的理解和掌握。[3]
5.增加實踐教學(xué)課程
傳熱學(xué)是理論與應(yīng)用并重的課程，目前傳統(tǒng)的授課卻往往偏重理論。為提高學(xué)生的動手與分析能力，應(yīng)增加形式多樣的實踐課程。例如：建立教學(xué)和實習(xí)示范基地，在學(xué)習(xí)過程中帶學(xué)生到這些基地進(jìn)行參觀。例如到散熱器或空調(diào)廠家，通過讓學(xué)生參觀各種形式的換熱器，讓學(xué)生感受到傳熱學(xué)知識與日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的重要性；利用假期可以鼓勵學(xué)生到這些示范基地進(jìn)行短期實習(xí)，豐富實踐經(jīng)驗的同時也加強(qiáng)了鍛煉。筆者所在的學(xué)校就與大金、開利等空調(diào)公司建立了合作關(guān)系，也為學(xué)生的就業(yè)提供了很好的出路。此外，可以針對重要知識點開設(shè)實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親自制訂實驗方案、獲得并整理實驗數(shù)據(jù)，最后運(yùn)用理論方法獲得不同條件下的實驗規(guī)律等等。這樣通過鍛煉學(xué)生的動手能力，增強(qiáng)了工程師素質(zhì)的培養(yǎng)。
6.考核方式改革
考核既是對教師課堂教學(xué)效果的檢驗，又會促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。筆者曾經(jīng)對傳熱學(xué)的考核方式嘗試多次改革。目前，期末考試環(huán)節(jié)分成開卷加閉卷兩個部分，其中開卷部分針對綜合傳熱問題進(jìn)行考核，著重考查學(xué)生綜合分析問題的能力；而閉卷部分則重點考查學(xué)生對基本概念、定性分析方法的理解。此外，課程過程中穿插的小論文完成情況也會在平時成績中體現(xiàn)。這樣避免了單一環(huán)節(jié)失誤導(dǎo)致學(xué)生成績不理想而造成的心理負(fù)擔(dān)，充分給予學(xué)生機(jī)會，也能夠清楚了解到每個學(xué)生在不同方面的特長加以針對性培養(yǎng)。
三、結(jié)論
面對“卓越工程師”培養(yǎng)的要求，結(jié)合建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)特點，本文提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入工程案例的教學(xué)方法，講解與討論相結(jié)合的教學(xué)方式，應(yīng)用CFD教學(xué)方法，增加實踐教學(xué)課程，改革考核方式等傳熱學(xué)教學(xué)改革之方法，能夠使學(xué)生學(xué)習(xí)從被動到主動，并培養(yǎng)學(xué)生在較少課時內(nèi)用傳熱規(guī)律分析工程問題的能力。
參考文獻(xiàn)：
[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.
關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 導(dǎo)熱 fluent
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0144-02
Abstract：Fluent software was introduced in heat transfer teaching for numerical solution method of heat conduction problem. Numerical solution method was explained combination with Fourier law and heat conduction problem of multi wall.Wall temperature distribution was show by picture，the abstract concept and the theory change into the image picture，to raise students’interest in learning the course.And to make students deeper understanding of what is learned，to achieve the purposes of improving the teaching effect and quality.
Key Words：Heat transfer；Heat conduction；Fluent
傳熱學(xué)就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)[1]，要求學(xué)生掌握強(qiáng)化傳熱、削弱傳熱以及能計算簡單情況下的溫度分布。熱傳導(dǎo)問題數(shù)值解法的是學(xué)生比較難以掌握的難點，同時也是重點，要求學(xué)生能對簡單的熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行數(shù)值求解。通過將Fluent軟件引入教學(xué)過程，是學(xué)生講學(xué)習(xí)的重點放在熱傳導(dǎo)問題數(shù)值計算的基本原理上，而求解過程由Fluent軟件實現(xiàn)，進(jìn)一步掌握該軟件的用法，為做畢業(yè)論文打下一定的基礎(chǔ)。
1 Fluent軟件的特點
對導(dǎo)熱問題數(shù)值求解的基本思想是：把原來在時間、空間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場，如導(dǎo)熱物體的溫度場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求物理量的近似值[2]。Fluent軟件是一個模擬和分析在復(fù)雜集合區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱問題的專用CFD軟件，同時也能模擬固體的導(dǎo)熱問題[3]。Fluent軟件由前處理器、求解器和后處理器組成。其中前處理器Gambit用于網(wǎng)格的生成，網(wǎng)格的生成過程即為計算區(qū)域離散化的過程。求解器用于求解所建立起來的代數(shù)方程。而后處理器用于處理計算的結(jié)果，可以把計算得到的數(shù)據(jù)可視化[4]。
2 教學(xué)案例
分析帶有保溫層的墻壁的傳熱過程，在教學(xué)中以長3m（x方向），高3.2m（y方向），厚0.3m（z方向）的墻作為研究對象，其中保溫層厚度為0.05m，如圖1所示。在教學(xué)過程中分析以下兩種情況下爐墻的傳熱過程：（1）分析有保溫層和無保溫層時墻壁的溫度分布；（2）保溫層厚度不變，分析保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對爐墻溫度分布以及散熱量的影響。水泥墻和保溫層的物性參數(shù)表1所示。
（1）數(shù)學(xué)模型。
（2）邊界條件。
（3）墻壁中的溫度分布。
計算得到不同厚度方向（z方向） xy截面的溫度分布，從圖中可以看出不同截面上的溫度相等，根據(jù)傅里葉定律可知熱量沿著厚度方向傳遞。從而驗證了傳熱學(xué)中大平板模型中（長度、寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的平板）熱量沿著厚度方向傳遞。
計算保溫層存在時以及沒有保溫層時墻壁的溫度分布，計算結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為爐墻厚度方向yz截面的溫度分布，從圖中可以看出溫度在z方向及墻壁厚度方向發(fā)生變化，而在y方向爐墻的溫度保持不變。對比有保溫層和無保溫層兩種情況的溫度分布，在有保溫層時，墻壁中的溫度發(fā)生劇烈的變化，而無保溫層時，墻壁中的溫度變化比較平緩?？梢姳貙訉Ρ诘臏囟确植加绊懕容^大。
根據(jù)墻壁厚度方向的溫度變化，得到墻壁溫度在厚度方向的變化曲線，如圖3（b）所示。由于墻壁內(nèi)外的邊界條件相同，有保溫層時和無保溫層時內(nèi)墻壁的溫度為296K、外墻壁溫度為260K。無保溫層時墻壁內(nèi)的溫度幾乎成線性變化，而有保溫層時，墻壁的溫度變化比較平緩，在墻壁和保溫層的交界面處z=0.3m，溫度發(fā)生劇烈變化，在保溫層中溫度急劇下降，這是由于保溫層的熱阻非常小而導(dǎo)致的。在厚度0m
（4）保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對熱流量的影響規(guī)律。
在保溫層厚度保持不變的情況下，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的大小，直接影響墻壁的散熱，因此分析保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對墻壁熱流量的影響，如圖4所示。隨著保溫層導(dǎo)熱系數(shù)從0.06 W/（m?K）減小到0.01 W/（m?K），墻壁散熱的熱流量從180W減少到40W。導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫層的熱阻越大，根據(jù)傳熱過程熱流量與熱阻的關(guān)系可知墻壁的熱流量越小，從而減少墻壁的散熱。
3 結(jié)語
在傳熱學(xué)導(dǎo)熱問題數(shù)值解法的教學(xué)過程中，引入Fluent軟件，同時結(jié)合傅里葉定律、多層平壁導(dǎo)熱問題進(jìn)行講解。以墻壁的溫度分布為例，分析了有保溫層時和無保溫層時墻壁的溫度分布，比較這兩種情況下墻壁的熱流量大小，有保溫層時能顯著的減小墻壁的散熱。同時分析了保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對墻壁熱流量的影響規(guī)律。將較強(qiáng)理論的教學(xué)內(nèi)容形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論的理解。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：傳熱強(qiáng)化與控制 課程建設(shè) 教學(xué)方法 考核手段
中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（a）-0098-02
熱環(huán)境控制課程是熱能與動力工程專業(yè)一門專業(yè)課，也可作為航天、機(jī)械、電子、化工類相關(guān)專業(yè)的選修課。課程的教學(xué)目的是使本科學(xué)生在學(xué)習(xí)了大學(xué)傳熱學(xué)中的傳熱基本原理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解、掌握對相關(guān)工程技術(shù)中傳熱過程進(jìn)行強(qiáng)化與控制的原理思路與技術(shù)方案，擴(kuò)大知識面，培養(yǎng)根據(jù)基本原理進(jìn)行技術(shù)研發(fā)、創(chuàng)新的能力。課程教學(xué)以課堂講授為主，輔之以適當(dāng)?shù)恼n堂討論。通過資料搜集、分析整理、評判，培養(yǎng)學(xué)生主動獲取知識能力；通過學(xué)生自主擬定設(shè)計題目、進(jìn)行論證與初步設(shè)計訓(xùn)練，達(dá)到教學(xué)目的。
熱環(huán)境控制課程的特點是屬于新開設(shè)課程、無合適教材、涉及面廣、無習(xí)題；接近研究生選修課、要求學(xué)習(xí)主動性；需查找文獻(xiàn)、大量閱讀，發(fā)揮主動性進(jìn)行課程設(shè)計、撰寫論文；與一般專業(yè)課的課程設(shè)計訓(xùn)練不同，主要考察主動性、創(chuàng)新性。本課程的教學(xué)正是圍繞培養(yǎng)能從事熱動系統(tǒng)設(shè)計、制造、運(yùn)行管理和經(jīng)營銷售等方面工作的高級復(fù)合型技術(shù)人才展開的，結(jié)合我校本科教學(xué)要點“以學(xué)生為本、以教學(xué)為教師第一要務(wù)，重點推進(jìn)教學(xué)方法和考試方法改革”，依照培養(yǎng)高質(zhì)量復(fù)合型人才的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以教學(xué)與科研一體化為教學(xué)思想，為深化教學(xué)改革進(jìn)行了積極的探索，并從中獲得了一些有益的啟示。
1 教學(xué)與科研一體化的教學(xué)思想
熱環(huán)境控制的教學(xué)與科研是相對獨立又是一個具有內(nèi)在聯(lián)系的、不可分割的統(tǒng)一體的兩項活動，在適宜的條件下，兩者可以得到強(qiáng)化，并相輔相成、互為促進(jìn)。高校教學(xué)與科研一體化的基本思想基于建設(shè)具有地方工科特色的現(xiàn)代教育教學(xué)，以科研項目為依托，堅持側(cè)重工程和應(yīng)用的研究型教學(xué)和科研思想，致力于教學(xué)與科研一體化的探索和實踐，使教學(xué)促進(jìn)科研，科研服務(wù)教學(xué)。教學(xué)與科研一體化的教學(xué)思想在熱環(huán)境控制課程教學(xué)中體現(xiàn)為：通過理論的教學(xué)、科研活動和課程設(shè)計等，使學(xué)生適度地參與相關(guān)的科研項目中來，既可以鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)，又可以加強(qiáng)本科生教育與實際課題的聯(lián)系。熱環(huán)境控制課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)進(jìn)程和教學(xué)方法都是按照這種教學(xué)思想進(jìn)行。
教學(xué)組主持完成和正在進(jìn)行的課題有973課題、863課題、國家自然科學(xué)基金項目等縱向課題，也有和航天院所、公司企業(yè)之間的橫向課題。這些課題涉及了強(qiáng)化換熱、計算傳熱及多相流動和相變換熱等各研究方向。通過科研活動不僅提高了教師的科研能力和學(xué)術(shù)水平，開拓了教師的知識面，同時為教學(xué)提供了第一手科學(xué)前沿資料，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)水平。課堂教學(xué)時，授課教師注重聯(lián)系實際及本人的科研成果和他人的科研成果，使授課變得更加生動活潑，從而提高了教學(xué)質(zhì)量。如，圍繞863課題中近地空間飛行器熱控和熱防護(hù)研究，從課堂教學(xué)、理論教學(xué)、實踐教學(xué)等多方面設(shè)計了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在課堂教學(xué)中，把項目的內(nèi)容（包括近地空間飛行器的工作原理、熱環(huán)境和特有熱控系統(tǒng)設(shè)計思路和方法）融入到導(dǎo)熱強(qiáng)化與控制原理、對流傳熱強(qiáng)化與控制原理、輻射換熱強(qiáng)化與控制原理、耦合換熱與傳熱過程的強(qiáng)化與控制、新技術(shù)領(lǐng)域中的傳熱強(qiáng)化與控制問題等章節(jié)中，同時利用部分課堂時間開設(shè)了幾個由淺入深的專題學(xué)術(shù)講座。為了增加學(xué)生的感性認(rèn)識，利用學(xué)生業(yè)余時間，帶領(lǐng)學(xué)生參觀相關(guān)的科研實驗平臺，通過一系列教學(xué)，學(xué)生不但理解了熱環(huán)境控制課程的基礎(chǔ)理論知識，真正把傳熱學(xué)理論知識拓展到實際應(yīng)用中來。同時也了解了科研的基本程序、基本方法，鍛煉了學(xué)生的動手能力和思維能力，為將來參加社會工作或科研工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。
2 現(xiàn)代與傳統(tǒng)相結(jié)合的多樣化教學(xué)方法
多媒體技術(shù)教學(xué)，已在眾多課程中得到了大量的運(yùn)用。但在實際應(yīng)用過程中，多媒體技術(shù)輔助教學(xué)也存在一些弱點和缺陷。例如，多媒體教學(xué)容易分散學(xué)生的注意力等，因此，本課程靈活運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段和傳統(tǒng)教學(xué)手段，像錄像、小黑板、多媒體、課程互動討論、學(xué)生上臺講等多種教學(xué)手段，有效地提高學(xué)生上課的注意力，調(diào)動學(xué)生課上主動性和課后思考的學(xué)習(xí)積極性，并且培養(yǎng)了學(xué)生的獨立思考能力。教學(xué)的主要內(nèi)容、授課教案等都可以在網(wǎng)站上瀏覽，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)了解該課程的主要內(nèi)容。網(wǎng)上教學(xué)與答疑可以通過傳熱學(xué)精品課程網(wǎng)站（資源共享課）進(jìn)行。為了增強(qiáng)教師與學(xué)生的聯(lián)系，解決學(xué)生對于該課程存在的一些疑問，并及時了解學(xué)生對于本課程的反響，我們還開設(shè)了微信群和QQ群進(jìn)行教學(xué)討論和答疑交流；另外網(wǎng)站設(shè)置了資源共享區(qū)，為授課教師與學(xué)生之間建立了資源共享的渠道。
講解課程時，積極引導(dǎo)學(xué)生從實際問題出發(fā)，學(xué)習(xí)理解基本概念、基本理論和基本計算方法。為使學(xué)生更好地理解和掌握課程基本知識，講解的例題都與實際生活和科研項目相聯(lián)系。比如講解緒論的時候，筆者在講課時問學(xué)生，人們在冬天一只手握鐵棒另一只手握木棒時，為什么感覺握鐵棒的手比握木棒的手更冰冷？為什么蔬菜大棚里的溫度比大棚外的溫度高？神舟飛船是如何克服大氣燒蝕返回地面的？于是學(xué)生就有了反應(yīng)，開始思考。這樣一來，自然而然，老師就把學(xué)生引入下面要介紹的導(dǎo)熱強(qiáng)化、對流換熱強(qiáng)化和輻射換熱強(qiáng)化等基本原理和控制手段。通過這些問題的提出，學(xué)生可以知道學(xué)習(xí)這門課以后，能夠運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)知識解決哪些實際問題，學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，就不會盲目，大大激發(fā)了他們學(xué)習(xí)這門課程的興趣，引導(dǎo)學(xué)生從傳熱學(xué)的角度去發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際工程問題，真正學(xué)會如何利用傳熱學(xué)知識去控制熱環(huán)境。
3 N+1的考核手段
考試方式改革如何客觀、公正、有效地考核學(xué)生，如何摒棄一張考卷定乾坤的現(xiàn)象，一直是廣大教師探討的問題。對于絕大多數(shù)大學(xué)課程來說，尤其是一些工科課程，我們所要考查的決不是學(xué)生記憶公式的能力，而是學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析和解決問題的能力。因此，怎樣通過考試來考查學(xué)生綜合運(yùn)用傳熱學(xué)知識分析和解決問題的能力就很值得我們思考。為此，我們設(shè)計了N+1全方位多層次的考核辦法，辦法的內(nèi)容如下：
（1）課堂提問，考核學(xué)生學(xué)習(xí)情況、表達(dá)能力與課堂出勤情況，以提高學(xué)生聽課的積極性和思考問題的獨立性。
（2）平時小測驗，考核學(xué)生知識積累能力與平時的學(xué)習(xí)態(tài)度。
（3）課程設(shè)計，考核學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析和解決問題的能力。
要求：構(gòu)思、提出一種熱環(huán)境控制技術(shù)方案，并進(jìn)行基本的論證。沒有應(yīng)用領(lǐng)域限制，充分發(fā)揮。最后經(jīng)過老師評定較好的方案將有機(jī)會上臺展示并講述5～10分鐘。
（4）課后資料查閱，鼓勵學(xué)生積極思考，通過文獻(xiàn)了解專業(yè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
要求：自擬題目，要求圖文并茂，按正規(guī)學(xué)術(shù)論文形式撰寫，必須有自己的觀點或認(rèn)識?？蛇x擇下列之一：①針對某一工程領(lǐng)域的熱環(huán)境控制技術(shù)，進(jìn)行文獻(xiàn)資料綜述、評價、分析，每人至少查找20篇國內(nèi)外較新的論文（近10年）、技術(shù)報告及應(yīng)用介紹。②針對某一傳熱方式的熱環(huán)境控制技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，進(jìn)行文獻(xiàn)資料綜述、評價、分析，每人至少查找20篇國內(nèi)外較新的論文（近10年）、技術(shù)報告及應(yīng)用介紹。
（5）期末考試采取閉卷形式，進(jìn)行基本概念、原理考試，加深學(xué)生對傳熱學(xué)和傳熱強(qiáng)化與控制的理解。
4 結(jié)論
熱環(huán)境控制是一種改善傳熱性能的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。通過對熱環(huán)境控制的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何改善提高熱傳遞的速率，以達(dá)到利用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，或是用最經(jīng)濟(jì)的冷卻來保護(hù)高溫部件安全，或是用最高的熱效率來實現(xiàn)能源合理利用。不僅為專業(yè)知識拓展提供有效的手段，也是培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題和解決工程實際問題能力的重要環(huán)節(jié)。
我們對“熱環(huán)境控制”課程教學(xué)方法的進(jìn)行了探討，主要目的就是提高教學(xué)效果，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的主動性和積極性，使他們在有限的學(xué)習(xí)時間中掌握熱量傳遞的高效途徑和控制方法，為后繼的專業(yè)課學(xué)習(xí)提供必要的基礎(chǔ)理論知識，同時培養(yǎng)和提高學(xué)生分析解決工程問題的能力。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；任務(wù)教學(xué)法；課程設(shè)計
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0044-02
傳熱學(xué)是一門研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，它不僅是能源動力、交通運(yùn)輸、石油化工等專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，而且在機(jī)械、電子、土木、航天航空和輕紡食品等工程技術(shù)領(lǐng)域里的應(yīng)用也十分廣泛。目前大連海洋大學(xué)（以下簡稱“我?！保┰撜n程體系是由理論、實驗、實習(xí)和課程設(shè)計四個環(huán)節(jié)所組成。其中傳熱學(xué)課程設(shè)計這個教學(xué)環(huán)節(jié)是緊接在傳熱學(xué)課程理論教學(xué)之后進(jìn)行的一個綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合運(yùn)用傳熱學(xué)、換熱器設(shè)計以及相關(guān)先修課程知識，聯(lián)系實際生產(chǎn)和日常生活，以完成以某一特定設(shè)計任務(wù)為主的一次工程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)（包括自行完成主體設(shè)備的選型計算、材料選擇及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝計算及主要尺寸設(shè)計，主要附屬設(shè)備的選型設(shè)計，主體設(shè)備總圖的繪制等，同時還要綜合考慮制造成本、加工工藝難度、維護(hù)保養(yǎng)等因素）。因此，該課程設(shè)計在整個課程體系教學(xué)改革中的地位十分重要。[1-3]
一、傳熱學(xué)課程設(shè)計的現(xiàn)狀與改革方向
目前高校的課程設(shè)計大多數(shù)是依附于理論課程而開設(shè)的，與理論教學(xué)同步并在授課計劃范圍內(nèi)完成，通常課程設(shè)計的過程往往是學(xué)生仿照教師的設(shè)計過程和設(shè)計指導(dǎo)書上的步驟來進(jìn)行。因此課程設(shè)計的核心主要是指導(dǎo)教師，學(xué)生按教師預(yù)先給定好的設(shè)計流程進(jìn)行，被動地接受設(shè)計方案，喪失了主動參與課程設(shè)計的積極性和熱情，而且在設(shè)計中發(fā)生問題也不能及時反饋。這樣的結(jié)果，將大大降低學(xué)生的動手能力、分析和解決問題的能力，更談不上對學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)了。
隨著對培養(yǎng)工程素質(zhì)人才的需求和對傳統(tǒng)課程設(shè)計教學(xué)模式改革的呼聲越來越高，一種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念即“任務(wù)學(xué)習(xí)法”越來越受到教育工作者的重視。這種教學(xué)模式主要是體現(xiàn)“任務(wù)導(dǎo)向”和“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”的教學(xué)原則，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力，甚至于交流合作的能力，這同樣也是當(dāng)前培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的工程型人才的改革方向。[4，5]
二、基于任務(wù)型教學(xué)法的課程設(shè)計改革原則
為了將任務(wù)教學(xué)法成功而高效地運(yùn)用于傳熱學(xué)課程設(shè)計這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在改革之前必須制訂某些行之有效的原則作為指導(dǎo)，以便使其更好地發(fā)揮功用。考慮到任務(wù)型教學(xué)法是一種以任務(wù)為核心單位計劃和組織教學(xué)的途徑，它強(qiáng)調(diào)在“做中學(xué)”，不僅吸收了以往多種教學(xué)方法的優(yōu)點，而且和其他的教學(xué)方法并不排斥。因此，筆者在教學(xué)改革實施過程中根據(jù)此教學(xué)方法的特點提出了以下的課程設(shè)計原則。[6]
1.將較難的任務(wù)前置
大量的研究結(jié)果表明，學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的精力是有限的。根據(jù)筆者多年指導(dǎo)課程設(shè)計的教學(xué)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往在學(xué)習(xí)過程的前半階段思想最為活躍，精力也最為充沛。因此，在給定課程設(shè)計任務(wù)后，教師應(yīng)有意識地把那些理論性強(qiáng)、需要花費大量精力才能掌握的較難的任務(wù)環(huán)節(jié)放在課程設(shè)計的前半階段，例如對換熱器的選型計算部分。這不僅僅是因為這些較難的學(xué)習(xí)任務(wù)往往更具有冒險性和創(chuàng)新性，而且這樣的設(shè)置可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，從實際教學(xué)反饋效果來看教學(xué)效果良好，也更有利于教師靈活地推動整個課程設(shè)計教學(xué)流程的進(jìn)行。
2.將安靜的教學(xué)任務(wù)前置
激烈的教學(xué)活動能讓學(xué)生的大腦興奮，特別是在課程設(shè)計的后半階段，學(xué)生往往會感覺到疲憊，這個時候如果再進(jìn)行安靜的教學(xué)活動，學(xué)生的大腦就會處于一種抑制狀態(tài)，從而影響整個課程設(shè)計的教學(xué)效果。因此，為了保證學(xué)生處于科學(xué)、合理的學(xué)習(xí)狀態(tài)，指導(dǎo)教師應(yīng)當(dāng)把相對較為安靜的教學(xué)任務(wù)安排在課程設(shè)計的前半階段。
3.將整個課程設(shè)計連貫化
根據(jù)任務(wù)型教學(xué)法的指導(dǎo)思想，任務(wù)的設(shè)計是實施任務(wù)型教學(xué)法的關(guān)鍵和前提。因此，在課程設(shè)計正式開始之前，教師應(yīng)指導(dǎo)每名學(xué)生根據(jù)分配的相關(guān)參數(shù)獨立構(gòu)建設(shè)計項目，每一項目均設(shè)計任務(wù)若干，在任務(wù)設(shè)計的過程中考慮行業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求的實際情況，同時把傳熱學(xué)作為基礎(chǔ)技能貫穿于任務(wù)環(huán)中，讓學(xué)生提前對任務(wù)環(huán)的大體框架有一個較為清晰的了解。同時以任務(wù)為核心單位計劃和組織教學(xué)，在“教中做”，在“做中學(xué)”，通過一系列的集體活動或個人活動來開展課程設(shè)計，最后對所涉及的全部教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合并總結(jié)?？傊恳粋€教學(xué)環(huán)節(jié)都應(yīng)該緊密相連，從教學(xué)設(shè)計角度保證課程設(shè)計的連貫性，并讓學(xué)生能夠獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。
三、課程設(shè)計的具體改革步驟
1.改革課程設(shè)計的教學(xué)大綱
課程設(shè)計中的教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)都是依據(jù)教學(xué)大綱提出的，而教學(xué)大綱中所提出的相關(guān)教學(xué)要求和教學(xué)任務(wù)就是開展課程設(shè)計的指揮棒，其作用不言而喻。顯然，大綱中的這些目標(biāo)和要求應(yīng)該能夠體現(xiàn)任務(wù)教學(xué)法的任務(wù)設(shè)計思想。
通過傳熱學(xué)課程設(shè)計這一實踐環(huán)節(jié)，應(yīng)該讓學(xué)生掌握換熱器設(shè)備設(shè)計的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的途徑，正確地選用公式和數(shù)據(jù)，加強(qiáng)工程計算和CAD繪圖能力，初步形成工程優(yōu)化意識，并能運(yùn)用簡潔的文字和工程語言正確表述設(shè)計思想和結(jié)果，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。筆者在總結(jié)以往教改經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將教學(xué)大綱作為前任務(wù)階段進(jìn)行改革，根據(jù)行業(yè)的發(fā)展趨勢以及學(xué)生日后就業(yè)的企業(yè)需求，為每名學(xué)生都構(gòu)建了不同的設(shè)計項目，引導(dǎo)學(xué)生自主地參與到任務(wù)設(shè)計環(huán)節(jié)中來。當(dāng)學(xué)生對自身任務(wù)有了較為明確的認(rèn)知后，就可以進(jìn)入任務(wù)環(huán)階段了。
2.課程設(shè)計題目的設(shè)定
在任務(wù)環(huán)階段需要學(xué)生采用各種方法和手段去完成任務(wù)要求。如何能讓學(xué)生從課程設(shè)計中既學(xué)到有用的知識和技能，同時又符合傳熱學(xué)課程設(shè)計的教學(xué)要求，這是課程設(shè)計題目設(shè)定的最根本原則。考慮到傳熱學(xué)課程設(shè)計最多一般也就兩周的時間，同時受各種條件的限制，學(xué)生到現(xiàn)場測量考察換熱器實物的可能性很小。如果設(shè)置的課程設(shè)計題目過大過深，學(xué)生可能會沒有時間深入研究任務(wù)而只是忙于完成形式上的設(shè)計報告。因此，在設(shè)計題目的設(shè)定上，指導(dǎo)書中會盡量選取學(xué)生在學(xué)校和日常生活中能接觸到的常見換熱器類型，同時做到每名學(xué)生的初始設(shè)計參數(shù)都不一樣，從而培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計的獨立工作意識。[7]
3.教學(xué)環(huán)境的改革
傳統(tǒng)的課程設(shè)計教學(xué)環(huán)境已經(jīng)不能很好地適應(yīng)新形勢下的課程設(shè)計教學(xué)要求。任務(wù)教學(xué)法就是要以學(xué)生為中心，創(chuàng)新教學(xué)模式和教學(xué)方法，建立以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，通過組建課程設(shè)計小組，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生通過組內(nèi)分工、信息資源共享、技術(shù)難題攻關(guān)、組內(nèi)討論、組外交流等多種方式參與到教師的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中去，鼓勵每一名學(xué)生發(fā)揮自身特點，積極參與到設(shè)計團(tuán)隊的任務(wù)中，充分利用學(xué)生主觀能動性，師生共同營造一個輕松熱烈的教學(xué)環(huán)境。
基于以往的課程設(shè)計教學(xué)經(jīng)驗，采用靈活的情景式教學(xué)比較有利于任務(wù)教學(xué)法的開展，同時適當(dāng)結(jié)合CDIO（構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運(yùn)作）模式等先進(jìn)教學(xué)方法，展開對設(shè)計任務(wù)的團(tuán)隊討論及研究模式，注重原理和應(yīng)用相結(jié)合，強(qiáng)化以工程實例為載體的案例教學(xué)，將課程設(shè)計與工程體系有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化綜合設(shè)計和工程實踐訓(xùn)練。同時開展專題討論，強(qiáng)化能力的培養(yǎng)。教學(xué)中增加一些專題討論、工程案例、工程項目研究報告，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。
4.評價與考核方式的改革
從學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，對學(xué)生的評價與考核不過是激勵他們不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)步的一種手段。既然實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)目的是側(cè)重提高學(xué)生的動手實踐能力，那么其評價考核方式就應(yīng)與傳統(tǒng)的理論教學(xué)有所區(qū)別，針對任務(wù)教學(xué)法更應(yīng)如此。
由于任務(wù)教學(xué)法是以任務(wù)作為教學(xué)的主線，以學(xué)生實踐作為中心，以老師作為輔導(dǎo)。因此，在考核方式上也應(yīng)以學(xué)生為主體，以設(shè)計任務(wù)完成的質(zhì)量作為考核依據(jù)，而不再以最終的課程設(shè)計報告作為終結(jié)性評價指標(biāo)。每個學(xué)生作為個體既是自己任務(wù)的設(shè)計者，也是其他同學(xué)的“同行”，可以對其他同學(xué)的設(shè)計進(jìn)行評價打分，因為學(xué)生在一起共同完成課程設(shè)計任務(wù)的同時，對彼此平時的表現(xiàn)也是最為了解的，這樣可以提升評價考核的公平性與透明度，有效促進(jìn)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。
四、結(jié)束語
總而言之，任務(wù)教學(xué)法有效地打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，最大限度地發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，不僅符合新形勢下對高素質(zhì)工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需要，同時在教學(xué)實踐中也取得了良好的教學(xué)效果。在教學(xué)中，教師要不斷地總結(jié)實際經(jīng)驗，運(yùn)用任務(wù)教學(xué)法，實現(xiàn)傳熱學(xué)課程設(shè)計教學(xué)效果的不斷提高。
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在傳熱與流體流動問題的數(shù)值計算研究中，主要存在兩種思路，一種是應(yīng)用數(shù)學(xué)家針對空氣動力學(xué)問題發(fā)展的可壓縮流動計算方法，以有限差分法為主，國內(nèi)習(xí)慣上稱其為計算流體力學(xué)（CFD）；另一種是物理學(xué)家針對傳熱問題發(fā)展的不可壓縮流動計算方法，以有限體積法為主，國內(nèi)習(xí)慣上稱為計算傳熱學(xué)（NHT）。通過某種特殊處理，兩種思路都試圖將方法推廣到另一種思路所側(cè)重的問題。流體流動和傳熱現(xiàn)象十分復(fù)雜，其中不少子課題均可并且已經(jīng)形成獨立的學(xué)科。數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算方法也名目繁多、千姿百態(tài)。想要花費較少的時間歷數(shù)各類流動和傳熱現(xiàn)象、各類數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法，幾乎是不可能；對于初學(xué)者來說也沒有這個必要[2]。許多專門講解計算流體力學(xué)的各種書籍，由于需要較多的數(shù)學(xué)知識，而顯得晦澀難懂。針對初學(xué)者的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該是能夠突出介紹傳熱和流體流動數(shù)值計算核心算法，而又盡量避免深奧的數(shù)學(xué)知識，特別是為他們克服最初的入門障礙，以便建立起對CFD和NHT的興趣和信心，為繼續(xù)學(xué)習(xí)更深入的相關(guān)知識做好鋪墊。教學(xué)過程中要力求做到以較簡單的數(shù)學(xué)方程來解釋計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)的基本知識。在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可的作為CFD和NHT入門學(xué)習(xí)的教材有1980年P(guān)atankarS.V.[6]撰寫的《Nu-mericalHeatTransferandFluidFlow》（1984年張政[7]譯為中文，科學(xué)出版社出版），1995年VersyeegH.K.和MalalasekeraW.[8]撰寫的《AnIntroductiontoComputationalFluidDynam-ics—theFiniteVolumeMethod》（2005年李人憲[9]撰寫的《有限體積法基礎(chǔ)》大量參考了此書的有關(guān)內(nèi)容（作者注），國防工業(yè)出版社出版），1995年AndersonJ.D.[10]撰寫的《Computa-tionalFluidDynamics—theBasicswithApplications》（2007年吳頌平和劉趙淼[2]譯為中文版，機(jī)械工業(yè)出版社出版）。這三本書中，前兩本主要介紹有限體積法，數(shù)值計算方法主要為壓力修正的SIMPLE算法系列；第三本書主要專門介紹有限差分法，對有限體積法只是一帶而過。我們知道，當(dāng)前流體流動和傳熱問題的數(shù)值計算方法有多種，如有限體積法、有限差分法、有限元法、譜分析法、各類格子類方法等。每一種方法都有其特點和使用范圍。在應(yīng)用于傳熱和流體流動問題數(shù)值計算的眾多方法中，有限體積法由于其物理意義明確、實施過程簡便、數(shù)值特性優(yōu)良而獲得了特別廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前主流通用商品化CFD軟件（如：PHOENICS、FLU-ENT、Star-CD、CFX）中最常用的核心算法，也是最為成熟的一種方法。特別是自20世紀(jì)80年代以來，由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，有限體積法更是得到了長足的進(jìn)步。值得指出的是，雖然有限體積法表現(xiàn)出優(yōu)異的程序通用性和對求解域的廣泛適應(yīng)性，但因為這樣的原因而只是去了解有限體積法的知識是不夠的。原因如下：第一方面，有限差分法是有限體積法的基礎(chǔ)，有限體積法是在有限差分法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第二方面，如何分析和判斷一個離散格式的有效性和可靠性，即離散格式的數(shù)學(xué)特性（相容性、收斂性、穩(wěn)定性、數(shù)值耗散與色散）的分析，必須借助于有限差分法才能完成。有限體積法是無法看見離散格式的內(nèi)在微觀特性的。這也是很多初學(xué)者學(xué)習(xí)完計算傳熱學(xué)（有限體積法）后，再去學(xué)習(xí)計算流體力學(xué)（有限差分法）時仍然感到吃力和困難的原因。有限差分法更多地是建立在數(shù)學(xué)概念上的，需要學(xué)習(xí)者要有較為厚實的數(shù)學(xué)功底；有限體積法是從物理概念入手，顯然容易理解和接受，但難以透徹理解各物理量的內(nèi)在聯(lián)系。第三方面，有限差分法簡便易行、格式和離散方案豐富多彩，求解變量設(shè)置隨意，是初學(xué)者練習(xí)編寫小程序而能深刻理解數(shù)值計算精髓很好的方法。第四方面，有限體積法在當(dāng)前仍然被廣泛使用，特別是在航空航天領(lǐng)域更是必不可少。綜上所述，對于教授初學(xué)傳熱與流體流動數(shù)值計算的學(xué)生而言，在安排教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)當(dāng)涵蓋有限體積法和有限差分法兩方面的內(nèi)容。兩種方法是否應(yīng)當(dāng)有所側(cè)重，得依據(jù)修課學(xué)生的專業(yè)情況來具體舍取。另外，對于初學(xué)者要立足基礎(chǔ)，突出物理概念和數(shù)學(xué)模型的循序漸進(jìn)、由淺入深。因為精確科學(xué)的目標(biāo)就是通過數(shù)學(xué)而簡化自然界的問題，以確定物理上的量。反之，片面追求起點高、內(nèi)容深，會使大部分學(xué)生感到畏懼，敬而遠(yuǎn)之，從而失去繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的興趣。
二、明確本課程的學(xué)習(xí)方法
鑒于傳熱與流體流動數(shù)值計算課程的重要性，特別是許多學(xué)生在接下來的學(xué)位論文工作時，都要采用數(shù)值計算的手段去研究自己的特定問題。那么如何才能學(xué)好CFD或NHT？或者是應(yīng)該采用什么樣的方法來學(xué)好這門課程？這是初學(xué)者經(jīng)常愛詢問的問題。有效的學(xué)習(xí)方法能起到事半功倍的效果，對于本門課程學(xué)習(xí)中需要注意以下幾方面的問題：1.要有扎實的流體力學(xué)和傳熱學(xué)基本知識。所謂計算流體力學(xué)或計算傳熱學(xué)，顧名思義，就是數(shù)值計算和流體力學(xué)（或傳熱學(xué)）兩方面知識的結(jié)合。要想學(xué)好CFD和NHT，首先要有扎實的數(shù)學(xué)功底、流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本知識。在理解并應(yīng)用CFD和NHT的所有知識之前，我們必須充分理解流體力學(xué)和傳熱學(xué)控制方程，包括它們的數(shù)學(xué)形式和它們所描述的物理現(xiàn)象。有的同學(xué)在學(xué)習(xí)過程中想要繞過流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本知識，特別是粘性流體力學(xué)的內(nèi)容，最終的效果只能是知其然而不知其所以然。2.不要忽視自己動手編寫程序。這是一門理論和編程并重的課程，應(yīng)使理論與編程操作相結(jié)合，二者才能相得益彰。因此，想要學(xué)好CFD和NHT，應(yīng)該鼓勵自己去編寫一些計算簡單問題的程序。而且只有通過編寫程序來親手實踐，才能了解CFD和NHT究竟是如何一回事。3.要學(xué)習(xí)使用商品軟件。自己編程是一個良好的學(xué)習(xí)方法，針對某一較簡單的問題編程容易實現(xiàn)；而對于復(fù)雜問題，自己動手從零開始編寫程序?qū)且粋€繁雜的工作。對于作為工程計算而非專門的研究型人員來說，學(xué)會使用一個通用的商品軟件是有益的，像流行的PHOENICS、FLU-ENT、CFX和Star-CD等商品軟件，雖說不是針對性軟件，應(yīng)用于某些專門問題的計算時可能表現(xiàn)出效率低、精度低，但要自己編制一個計算復(fù)雜流場的軟件，還是要慎重思考。
三、結(jié)束語
關(guān)鍵詞：螺旋盤管 曲率半徑 螺距 fluent
中圖分類號：TE08文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
引言
螺旋盤管管構(gòu)造獨特，可以利用離心力來抑制污垢的生長，起到自清洗作用。螺旋盤管換熱器充分利用空間進(jìn)行設(shè)計，管內(nèi)通道與管外通道均為螺旋狀流體通道，一次介質(zhì)與二次介質(zhì)均可旋流運(yùn)動進(jìn)行熱交換，傳熱系數(shù)較高，結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高，換熱面積大大增加，而且占地面積很小[1]。本文對螺旋盤管換熱器進(jìn)行研究，研究螺旋盤管的結(jié)構(gòu)對換熱器換熱系數(shù)和流動性能的影響。
螺旋管中的流體在離心力的作用下，呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀流動或不規(guī)則螺旋流動，增強(qiáng)了流體邊界層、換熱邊界層的擾動，使邊界層變薄，強(qiáng)化對流換熱。而且在離心力的作用下，污水中的雜質(zhì)輕易被帶走，具有自清洗功能，避免了頻繁清洗，在一定程度上解決了污水中雜質(zhì)沉淀造成的換熱器堵塞、換熱效率降低等問題。
1、影響螺旋盤管換熱器性能的因素
螺旋管管內(nèi)為強(qiáng)制對流換熱，換熱系數(shù)由Dittus-Boelter公式[2]計算：
加熱流體時，n=0.4，冷卻流體時，n=0.3。此關(guān)聯(lián)式僅適用于平直管道，對于螺旋管，需要進(jìn)行修正。工程上一種實用的做法是，應(yīng)用上述準(zhǔn)則式計算出Nu數(shù)后再乘以一個螺旋管修正系數(shù)cr。對于液體，，R為盤管曲率半徑。
選定介質(zhì)及換熱器材料后，對換熱系數(shù)有直接影響的參數(shù)有：換熱管管徑d、螺旋管曲率半徑R、螺距b。螺旋盤管式換熱器的一個優(yōu)勢就是可以充分利用空間，若螺距過大會導(dǎo)致空間利用率低，同時根據(jù)文獻(xiàn)[3]資料可知，螺距相對曲率半徑來說，對換熱效率及壓強(qiáng)損失的影響相對較小，因此先研究曲率半徑對螺旋管換熱效果的影響，再研究螺距的影響。
2、螺旋盤管換熱器傳熱模型
2.1模型建立過程的數(shù)學(xué)描述
2.1.1模型假設(shè)
為了使數(shù)值模擬結(jié)果更能準(zhǔn)確真實地反映螺旋盤管強(qiáng)化換熱過程，根據(jù)流體動力學(xué)和傳熱學(xué)等理論基礎(chǔ)，對管內(nèi)的流動與傳熱進(jìn)行簡化假設(shè)。在研究流體流動規(guī)律時，文中做了如下假設(shè)：
（1）螺旋管管內(nèi)流體為不可壓縮的牛頓流體，流動過程為充分發(fā)展階段的三維定常湍流流動；
（2）流體的各項物性參數(shù)不隨溫度發(fā)生變化；
（3）傳熱過程為穩(wěn)態(tài)。
2.1.2坐標(biāo)系的建立
根據(jù)以上假設(shè)，在螺旋盤管換熱器的流動換熱過程中，建立以r、θ、z為變量的柱坐標(biāo)系， r代表徑向，從圓心向外指為正；θ代表切向，根據(jù)右手法則，大拇指指向z軸方向，四指指向為切向的正向；z代表軸向，向上為正。
流速在三個坐標(biāo)方向r、θ、z上的分量分別為u、v、w，流體壓力為 p，密度為常數(shù)。螺旋盤管物理模型參數(shù)如下：管徑d，曲率半徑R，曲率直徑D，螺距b，螺旋升角。
2.1.3判斷流型
管道內(nèi)流體狀態(tài)分為層流和湍流，層流的各流層間互不混合，只存在黏性引起的隔層流間的滑動摩擦阻力；湍流流體在沿管軸向流動的同時，伴著大小不等的渦體動蕩于各層流之間，流體體質(zhì)點彼此碰撞、混合。層流是只有軸向速度而徑向速度為0，紊流時則出現(xiàn)了徑向脈動速度，湍流阻力比層流阻力大得多。
管內(nèi)流體流態(tài)的判別準(zhǔn)則――臨界雷諾數(shù)Recr，若Re≤Recr，則為層流；若Re≥Recr，則為湍流。流態(tài)判斷的關(guān)鍵在于臨界雷諾數(shù)的求解，而螺旋盤管的臨界雷諾數(shù)的計算不同于直管。1959年Ito給出了螺旋管道中流體臨界雷諾數(shù)的計算公式[4]：
2.2螺旋管內(nèi)控制方程的建立
湍流對流傳熱問題的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、方程和能量方程?？刂品匠痰耐ㄓ眯问綖閇5]：
連續(xù)性方程：
動量方程：
k-ε方程：
能量方程：
3、模擬求解過程
3.1曲率半徑對流動與換熱的影響
綜合考慮換熱效率與壓強(qiáng)損失，本研究換熱管選用DN25的銅管，螺距為35mm，保證換熱面積一樣，分別模擬以下四種曲率半徑，換熱面積A=0.222m2。
（a）R1=45mm、n1=10；（b）R2=60mm、n2=7.5；（c）R3=75mm、n3=6；（d）R4=90mm、n4=5
將以上四種模型進(jìn)行求解，模擬條件：螺旋管為銅管，壁厚取為2.5mm，取管壁溫度t=27℃；模擬時定義成速度進(jìn)口，壓力出口，螺旋管的進(jìn)口溫度40℃；取管內(nèi)流體流速為1.0m/s。將模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，繪制出換熱系數(shù)、壓強(qiáng)損失隨曲率半徑的變化曲線圖，如圖1所示。
圖1 傳熱系數(shù)、壓強(qiáng)損失隨曲率半徑的變化
根據(jù)圖1可知：在速度、管徑、螺距一定的情況下，傳熱系數(shù)隨曲率半徑的增大而減小，壓強(qiáng)損失也隨著曲率半徑的增大而減小，這是由于管道趨于平緩，離心力導(dǎo)致的脈動程度降低。曲率半徑由90mm減小到45mm，傳熱系數(shù)升高了4.2%，而壓強(qiáng)損失增加了23%，壓損增大的速度遠(yuǎn)大于傳熱效果提高的速度。由圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲率半徑由45mm增大到60mm時，壓強(qiáng)損失急劇下降，下降了13.8%，而傳熱系數(shù)下降了1.7%，相對其他情況，在曲率為60mm左右時螺旋管性能較優(yōu)。
3.2螺距對流動與換熱的影響
模擬條件：換熱管為DN25銅管，曲率半徑D=60mm，換熱面積A=0.2m2，管壁溫度t=27℃，管內(nèi)進(jìn)口溫度40℃，速度進(jìn)口，壓力出口，流速1m/s。分別模擬螺距為35mm、45mm、55mm、65mm時的情況。對以上四種模型進(jìn)行求解，并繪制出換熱系數(shù)、壓強(qiáng)損失隨曲率半徑的變化曲線圖，如圖2所示。
圖2 傳熱系數(shù)、壓強(qiáng)損失隨螺距的變化
根據(jù)圖2可知：在速度、管徑、曲率半徑一定的情況下，傳熱系數(shù)隨著螺距的增大而增大，但是增大的幅度很小，螺距為55mm時，比螺距為35mm時換熱系數(shù)提高了1.17%，說明螺距對換熱系數(shù)的影響不大；在速度、管徑、曲率半徑一定的情況下，壓強(qiáng)損失隨螺距的增大而增大，螺距為65mm時，比螺距為35mm時壓降提高了5.3%。
螺距大了雖然換熱效果稍有提高，但是相應(yīng)的壓損也大了，不利于節(jié)能，而且由于壓損增大的程度比傳熱系數(shù)要大。綜合以上分析，同時為了充分利用換熱器空間，體現(xiàn)螺旋盤管換熱器的優(yōu)勢，在設(shè)計換熱器結(jié)構(gòu)時，取螺距為35mm左右比較合適。
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熱學(xué)課程論文教學(xué)形式與作用一、引言
《熱學(xué)》是物理學(xué)中研究物質(zhì)熱運(yùn)動及其有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的一門分支學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)本、?？茖W(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課?！稛釋W(xué)》課程在實驗基礎(chǔ)上，通過物理學(xué)的基本概念、基本原理、基本知識、基本思想和方法的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)好物理學(xué)的興趣，提高學(xué)生的自學(xué)能力、分析和解決問題的能力。其主要內(nèi)容包括：分子動理學(xué)理論的平衡態(tài)理論、輸運(yùn)現(xiàn)象與分子動理學(xué)理論的非平衡態(tài)理論、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律與熵、液態(tài)與固態(tài)、相變等方面的基本概念、基本理論和基本運(yùn)算技能。通過本課程的學(xué)習(xí)，既要幫助學(xué)生迅速掌握大學(xué)的學(xué)習(xí)特點和規(guī)律，建立正確的學(xué)習(xí)方法，努力養(yǎng)成刻苦踏實、勤于思考的良好學(xué)風(fēng)，又要為后繼課程的學(xué)習(xí)作好業(yè)務(wù)、思想和心理上的準(zhǔn)備，還要為學(xué)生畢業(yè)后從事有關(guān)科學(xué)研究、應(yīng)用開發(fā)、教學(xué)工作等打下良好的基礎(chǔ)。在目前《熱學(xué)》課程的教學(xué)中，課程論文扮演著越來越重要的角色，探討課程論文教學(xué)的相關(guān)研究課題也逐漸開始得到重視。課程論文要求學(xué)生在掌握物理學(xué)基本概念和基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查研究，適當(dāng)了解這些基本概念與規(guī)律以及它們在生產(chǎn)技術(shù)、特別是高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，注意培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，培養(yǎng)學(xué)生對實際問題特別是當(dāng)代物理學(xué)前沿以及當(dāng)前高技術(shù)領(lǐng)域中物理問題的興趣，引導(dǎo)和激勵他們解決實際問題的愿望和責(zé)任感。教學(xué)方法的改進(jìn)是課程教學(xué)改革的重要方面，在課程論文的實施過程中重視學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)，把課程建設(shè)的目標(biāo)定位于造就新世紀(jì)人才，使學(xué)生終生受益。
二、課程論文的基礎(chǔ)
課程論文實際上是對學(xué)生提出了更高的要求，因此，《熱學(xué)》課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)把重點放在打好基礎(chǔ)上。如果學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識雄厚，基本功扎實，再加上廣泛涉獵與深入鉆研，專業(yè)課就能學(xué)得好，理解得深，在將來從事高新科技領(lǐng)域的創(chuàng)新工作時就上手快，回旋的余地也比較大。況且，“熱學(xué)”課程在傳授系統(tǒng)物理學(xué)知識的同時，還要培養(yǎng)學(xué)生掌握物理學(xué)中的思維方法與工作語言。這樣，盡管有些基礎(chǔ)物理知識從表面上看似乎并沒被直接應(yīng)用，但這卻會影響到學(xué)生的工作方法、思維方式以至世界觀，當(dāng)他們以后從事科研與教學(xué)工作時會在潛意識深處起重要作用。總而言之，《熱學(xué)》課程的基礎(chǔ)還是基本概念、基本原理、方法，離開這些基礎(chǔ)去談?wù)n程論文就是無源之水、無本之木。
三、課程論文的形式
課程論文的形式靈活，不僅包括論文、調(diào)查報告，還包含有實驗研究、實物制作等多種形式。在教學(xué)過程中，教師可以通過告知、提問等多種提示方式引導(dǎo)同學(xué)自行深入研究，常見的課程論文形式主要有以下幾種。一是解題方法的探究，通過對一個例題或習(xí)題的多種方法求解，使得學(xué)生對相關(guān)概念、原理、方法掌握得更透徹；二是實驗探究，例如，當(dāng)講解到氣體玻一馬定律與蓋?呂定律知識點時，可以讓學(xué)生自行設(shè)計相關(guān)實驗來驗證上述定律；三是調(diào)研報告，例如在講解卡諾循環(huán)這一知識點時，可讓學(xué)生調(diào)研、總結(jié)目前市場上熱機(jī)的工作原理與工作流程等；四是理論模擬與分析，例如講到相變這一知識點時，可以通過理論分析各種相的穩(wěn)定性。五是合理的估算，例如氣體動理學(xué)理論里輸運(yùn)現(xiàn)象中的氣體黏度公式，查普曼和恩斯庫格曾用不同的高深理論得到相同結(jié)果，它是個級數(shù)，由前幾項可得系數(shù)約為0.499，而如果充分考慮速度住留的簡便方法，很容易就得到此系數(shù)等于1/2，又如通過對小無極分子估算分子間力的有效作用距離與平衡距離的半經(jīng)驗公式，再如可以用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型中數(shù)以千計的數(shù)據(jù)，考慮地面凹凸不平的影響，可求出精度較高的大氣粒子總數(shù)，然后與用均質(zhì)大氣模型、等溫大氣模型或者地面大氣壓強(qiáng)所得到的結(jié)果進(jìn)行對比，從而總結(jié)出估算行星大氣粒子總數(shù)的簡便方法；目前“熱學(xué)”課程中有一些概念和提法在學(xué)術(shù)界實際并未完全統(tǒng)一，有的甚至還是有爭議的，例如：任意逆循環(huán)的制冷系數(shù)的定義，等熱容過程與多方過程的差異，卡諾循環(huán)的概念以及回?zé)崾窖h(huán)與非回?zé)崾窖h(huán)，等等。遇到這些內(nèi)容時，就在課程講授中把各家的觀點都原原本本地告訴學(xué)生，同時也介紹自己的看法，然后讓學(xué)生獨立進(jìn)行研究，自由思考，自己做出合理的判斷。
四、總結(jié)
《熱學(xué)》課程論文的目的是使得學(xué)生通過熱力學(xué)宏觀定理與微觀模型的學(xué)習(xí)，建立把宏觀現(xiàn)象與微觀模型進(jìn)行聯(lián)系的物理思想方法，掌握對事物的實驗――理論――實踐的認(rèn)知規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，采用問題探討與課程講授、主題討論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，以教學(xué)論文為載體，實現(xiàn)《熱學(xué)》課程的互動研究型教學(xué)，重視學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)，通過精心設(shè)計方案，全面加強(qiáng)各個環(huán)節(jié)，合理運(yùn)用各種方法手段，形成視野開闊、理論聯(lián)系實際的特色風(fēng)格。用搞科研的態(tài)度對待教學(xué)，積極開展教學(xué)論文的教學(xué)，從教學(xué)有關(guān)領(lǐng)域挖掘課題開展科研，再把科研成果引入教學(xué)豐富教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)與科研兩者有機(jī)地相結(jié)合。教師在課程教學(xué)中引入了這些從教學(xué)有關(guān)領(lǐng)域挖掘課題開展科研所取得的成果，身教言傳，課程里就會充滿了研究與探索的特色和風(fēng)格，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的過程中逐漸受到熏陶，養(yǎng)成勤于思考研究、勇于提出自己獨立見解的良好習(xí)慣，并為學(xué)生發(fā)展其科學(xué)研究能力和科學(xué)創(chuàng)新能力創(chuàng)造了良好的學(xué)術(shù)環(huán)境，使得學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力都能夠得到進(jìn)一步的提升。
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1.美國高校。僅為大四學(xué)生開設(shè)頂峰（又譯高峰）體驗課程，基于工程學(xué)開設(shè)，絕大數(shù)高校（如麻省理工、加州理工等）是（專業(yè)）必修課，從3學(xué)分到分，學(xué)生自行選擇，有的甚至長達(dá)三個學(xué)期，學(xué)分也從分到18學(xué)分不等。還有課程屬于選修課，通常能拿到3~4個學(xué)分，教師提出課題，學(xué)生解答，不要求寫畢業(yè)論文。教學(xué)的模式是接受（Receive）—聯(lián)系（Relate）—反思（Reflect）—提煉（Refine）—建構(gòu)（Reconstruct）。接受指教學(xué)內(nèi)容和方法。打通學(xué)生知識和技能之間的壁壘?？颇炕A(chǔ)上選擇恰當(dāng)?shù)闹黝}，整合經(jīng)驗。專家評估后，編寫課程大綱———課程目標(biāo)、考核方案等。
2.德國高校。應(yīng)用型大學(xué)課程設(shè)置和內(nèi)容多偏重于應(yīng)用，畢業(yè)設(shè)計以校企合作的方式為主。聯(lián)邦政府和州政府均提供經(jīng)費、制定法規(guī)和優(yōu)惠企業(yè)的政策，學(xué)生可以從多種渠道選擇自己感興趣的題目。（1）本科生教育分兩個階段，第一階段一般為兩年，通過考試進(jìn)行選拔和淘汰。第二階段學(xué)生選擇專業(yè)方向，完成必修課、選修課和任選課程的學(xué)習(xí)任務(wù)，還要完成規(guī)定實驗、課程設(shè)計、專題報告、實習(xí)和畢業(yè)論文，第五學(xué)年，學(xué)生花3~6月時間寫畢業(yè)論文[5]。（2）畢業(yè)設(shè)計選題。①大企業(yè)在網(wǎng)站或報紙雜志上貼出課題信息，學(xué)生申請企業(yè)選擇是否錄取。②小企業(yè)由校內(nèi)相關(guān)部門企業(yè)需求信息和課題內(nèi)容。③一些校內(nèi)課題信息。（3）畢業(yè)設(shè)計管理方式。①一旦學(xué)生被企業(yè)選中，企業(yè)就會派一名工程師指導(dǎo)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計工作，包括給出具體的課題名稱、任務(wù)要求、課題截止時間、預(yù)期結(jié)果等。②學(xué)生在設(shè)計課題一段時間后，要找導(dǎo)師審查課題。（4）畢業(yè)設(shè)計基本要求。①大約100頁的文字材料、論文格式、需要的圖表說明。②對于論文的質(zhì)量控制，堅持應(yīng)用為本。即使課題未能完成，以科學(xué)的方法進(jìn)行課題研究，也可以獲得通過。（5）畢業(yè)設(shè)計成績評定。五分制評定。畢業(yè)論文分?jǐn)?shù)加上專業(yè)考試分?jǐn)?shù)而得出的平均分?jǐn)?shù)是畢業(yè)的總分。評定畢業(yè)論文原則上有兩位考官，其中一位是畢業(yè)論文題目的指定者，另一位（教師或畢業(yè)設(shè)計單位工程師）由考試委員會主席委派。兩位考官在評定畢業(yè)論文中發(fā)生意見分歧時，以地方性考試規(guī)則的評分辦法為準(zhǔn)。成績由學(xué)校教授給出，畢業(yè)設(shè)計單位不參與成績評定。
二、機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學(xué)模式探討及實踐
提出畢業(yè)設(shè)計與生產(chǎn)、科研、教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。以指導(dǎo)老師為中心、學(xué)生為主體管理，對畢業(yè)設(shè)計全程質(zhì)量監(jiān)控。
1.時間安排。工科院校的畢業(yè)設(shè)計基本都是安排在大四下學(xué)期，16周，每周5天，要求學(xué)生每天必須保證8學(xué)時，學(xué)時總數(shù)是640學(xué)時，便于集中做好畢業(yè)設(shè)計，管理與指導(dǎo)學(xué)生。缺點是學(xué)生沒有充足自由安排時間，設(shè)計質(zhì)量得不到保證。暑期期間，重點學(xué)習(xí)冶金工藝、相應(yīng)重點設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳動原理及零件或材料加工機(jī)理。大四上學(xué)期，基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、夯實及拓展專業(yè)知識、研究及設(shè)計工具掌握。如本課題組研究重要方向之一，金屬材料控冷強(qiáng)韌化，就需要學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)、傳熱學(xué)及材料相關(guān)理論，并且熟悉研究及設(shè)計工具，如流體仿真軟件Fluent、有限元軟件ANSYS、設(shè)計軟件CAD二維或三維等掌握及熟練應(yīng)用。大四下學(xué)期，進(jìn)入學(xué)校規(guī)定的畢業(yè)設(shè)計階段，重點是研究及設(shè)計方案的創(chuàng)新。
2.結(jié)合生產(chǎn)實際或者實驗室建設(shè)任務(wù)，努力做到真題真做。本專業(yè)選題絕大多數(shù)仍然以冶金行業(yè)中課題進(jìn)行設(shè)計及研究。作者所在的“金屬材料控冷強(qiáng)韌化”研究團(tuán)隊，分為鋼板、鋼管、棒材及型鋼等方面控冷題目的設(shè)計或研究，根據(jù)品種規(guī)格，在一大題目下，分若干小專題。如“浸入式鋼管淬火裝置研究與設(shè)計”題目下，有幾小專題“浸入式鋼管淬火裝置影響因素研究”、“浸入式鋼管淬火裝置上料裝置設(shè)計”等，這樣選題能對學(xué)生進(jìn)行流體力學(xué)、傳熱學(xué)、液壓傳動及機(jī)械等各專業(yè)的綜合訓(xùn)練。對于已經(jīng)明確就業(yè)意向或者是找到就業(yè)單位的學(xué)生來講，作為指導(dǎo)教師必須要根據(jù)學(xué)生在就業(yè)時的選擇以及需要設(shè)計相關(guān)的畢業(yè)課題，如準(zhǔn)備讀研學(xué)生分配做論文（研究）類題目，擬到公司就業(yè)學(xué)生分配做設(shè)計類題目。
3.借鑒國外高校做法，以小組為單位進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計。培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神。如“浸入式鋼管淬火裝置研究與設(shè)計”題目的幾個專題，研究題目可以為設(shè)計題目提供設(shè)計合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計題目又可為液壓設(shè)計或研究題目提供合理結(jié)構(gòu)模型。
4.國內(nèi)設(shè)計成果主要有二類：設(shè)計類提供圖紙，設(shè)計類課題的設(shè)計圖紙工作量，一般控制在4~7張（折合A1）；機(jī)類專業(yè)學(xué)生必須有用計算機(jī)繪制的圖紙；研究類提供畢業(yè)設(shè)計（論文），要求使用計算機(jī)打印。將畢業(yè)設(shè)計成果多樣化。只要能反映學(xué)生的創(chuàng)新成果，達(dá)到學(xué)生鍛煉的目的成果形式均可。
5.采取“專題講座”、“學(xué)術(shù)匯報”、“個別輔導(dǎo)”、“科研實踐”、“小組討論”等多種指導(dǎo)方式指導(dǎo)學(xué)生。第三類是校企聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量。但必須組織得當(dāng)，在校企聯(lián)合中“以我為主”，堅持學(xué)校主導(dǎo)作用。
6.畢業(yè)答辯時，一般會根據(jù)專業(yè)大類分成幾個小組，學(xué)生單獨答辯，答辯組對學(xué)生的態(tài)度、能力水平、論文質(zhì)量及應(yīng)用價值給出評定意見，給出成績。以答辯組成績?yōu)樽罱K成績。建議還是建立指導(dǎo)教師、評閱教師及答辯組共同給學(xué)生成績較為合理，當(dāng)然可以給答辯組成績更高的權(quán)重，有的高校達(dá)到50%。作者所指導(dǎo)本科生中，優(yōu)良率一直較高，尤其是在設(shè)計方面，圖紙規(guī)范，結(jié)構(gòu)合理，較好地傳承了我們工科院校對本科生進(jìn)行良好設(shè)計綜合訓(xùn)練的傳統(tǒng)。
三、結(jié)語
