以興趣為先導(dǎo)的高等傳熱學(xué)課程教學(xué)改革探索和實(shí)踐

摘

要：高等傳熱學(xué)是動(dòng)力工程與工程熱物理一級(jí)學(xué)科研究生的重要學(xué)位課程，目前其教學(xué)體系存在偏重?cái)?shù)理推導(dǎo)、與工程實(shí)際聯(lián)系不緊密、教學(xué)方法陳舊等問題。文章針對(duì)研究生教育教學(xué)改革倡導(dǎo)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)，提出興趣先導(dǎo)是提高研究生理論課程教學(xué)成效的主導(dǎo)因素，并以此為出發(fā)點(diǎn)，從課程內(nèi)容、專題研究及討論、教學(xué)方法和過程考核等方面進(jìn)行高等傳熱學(xué)課程改革探索與實(shí)踐，以期為能源動(dòng)力類研究生相關(guān)課程的教學(xué)改革提供新思路。關(guān)鍵詞：高等傳熱學(xué)；興趣先導(dǎo)；專題討論；教學(xué)方法國家“雙碳”戰(zhàn)略和科教融合背景下，能源與動(dòng)力工程學(xué)科研究生培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。高等傳熱學(xué)是動(dòng)力工程及工程熱物理一級(jí)學(xué)科研究生的主干學(xué)位課，也是供熱、制冷空調(diào)、化工等專業(yè)研究生的重要課程之一，其目的是基于本科傳熱學(xué)理論體系，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱傳質(zhì)及熱輻射基本原理和基本規(guī)律的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)手段分析解決傳熱問題的基本思路和能力，從而為研究生從事相關(guān)設(shè)計(jì)、科研工作和解決實(shí)際工程傳熱問題奠定基礎(chǔ)。高等傳熱學(xué)課程的系統(tǒng)性、理論性較強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂、偏重?cái)?shù)理推導(dǎo)，理論方法與工程應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，加之教學(xué)“本科化”，部分學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣、被動(dòng)式學(xué)習(xí)，不利于達(dá)成新形勢下研究生教學(xué)改革倡導(dǎo)的“三強(qiáng)一高”（創(chuàng)新能力強(qiáng)、實(shí)踐能力強(qiáng)、國際交流能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高）培養(yǎng)目標(biāo)[1]。因而，高等傳熱學(xué)教學(xué)改革對(duì)于能源動(dòng)力類研究生培養(yǎng)具有實(shí)際意義。近年來，國內(nèi)諸多高校已認(rèn)識(shí)到高等傳熱學(xué)課程建設(shè)的重要性，陸續(xù)開展了相關(guān)教學(xué)改革探索，如在課堂教學(xué)中引入研究性教學(xué)方法[2-3]或開放互動(dòng)式教學(xué)方法[4]提高學(xué)生參與度，探索基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究型教學(xué)改革途徑[5]，以及嘗試規(guī)劃課程內(nèi)容、教材建設(shè)、特色案例庫建設(shè)以及小學(xué)時(shí)等教學(xué)改革舉措，其共性目標(biāo)在于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)科研思維和創(chuàng)新能力[6-10]。然而，筆者在多年高等傳熱學(xué)課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，依靠外驅(qū)力調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性往往事倍功半，特別是在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，研究生通過互聯(lián)網(wǎng)便捷地獲取學(xué)習(xí)資源的同時(shí)，其興趣點(diǎn)也易受到社交媒體和短視頻的沖擊，僅從教學(xué)方法和課程內(nèi)容上加以改革很難達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。一、興趣先導(dǎo)的重要性綜合國內(nèi)各高校課程開設(shè)情況及筆者所在學(xué)校教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前高等傳熱學(xué)課程教學(xué)中還存在一些典型問題。（一）課程內(nèi)容邏輯性強(qiáng)，偏重?cái)?shù)理推導(dǎo)高等傳熱學(xué)課程內(nèi)容著重導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱問題的解析分析方法，如分離變量法、拉普拉斯變換法、相似解法和積分法等，這些方法均涉及煩瑣的邏輯推理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)工科研究生不友好。尤其對(duì)于跨學(xué)科讀研或跨專業(yè)選課的學(xué)生，由于本科階段沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過流體力學(xué)和傳熱學(xué)等能源動(dòng)力類專業(yè)基礎(chǔ)課，其知識(shí)體系基礎(chǔ)不牢，甚至難以支撐高等傳熱學(xué)課程學(xué)習(xí)，普遍對(duì)枯燥的理論推導(dǎo)存在“畏難”情緒，學(xué)習(xí)興趣也相應(yīng)地大打折扣。（二）課程設(shè)置導(dǎo)向性不強(qiáng)，與工程實(shí)踐存在脫節(jié)高等傳熱學(xué)推導(dǎo)的理論解通常包含復(fù)雜的函數(shù)形式（如無窮級(jí)數(shù)、貝塞爾函數(shù)等），而工程傳熱計(jì)算追求簡便、易行，過于繁雜的理論解往往無用武之地。同時(shí)，解析方法只適合解決具有規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)和簡單邊界條件的傳熱問題，對(duì)于工程實(shí)踐中常見的具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)、變物性、隨時(shí)空變化的邊界條件等特征的研究對(duì)象，則更宜采用數(shù)值模擬方法。由此，高等傳熱學(xué)本應(yīng)作為培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用傳熱學(xué)理論解決實(shí)際工程問題能力的課程，變成應(yīng)試型教學(xué)，使得學(xué)生對(duì)其實(shí)用性產(chǎn)生質(zhì)疑，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，更遑論探究性學(xué)習(xí)了。（三）教學(xué)方法“本科化”，考核方式不靈活由于課程內(nèi)容設(shè)置過于注重理論分析，課堂教學(xué)以數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)為主，基本沿襲本科階段“照本宣科”的教學(xué)方式，教學(xué)過程中教師往往作為主角，忽視了研究生的主體性，并且理論知識(shí)也不能有效聯(lián)系實(shí)踐，無助于提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。煩瑣、枯燥的授課內(nèi)容也使得課堂氛圍沉悶，教學(xué)過程中學(xué)生專注度和參與度不高，教師與學(xué)生間缺乏有效互動(dòng)。課程考核方面，基本采用期末考試方式，考核內(nèi)容大多為公式推導(dǎo)，忽視過程考核，難以評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)靈活運(yùn)用的能力。高等傳熱學(xué)課程存在的上述問題嚴(yán)重制約了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，其本質(zhì)原因在于研究生對(duì)傳統(tǒng)課程內(nèi)容缺乏學(xué)習(xí)興趣、內(nèi)驅(qū)力不足。著名科學(xué)家愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”我國古代著名教育家孔子也說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！边@些思想都體現(xiàn)了內(nèi)驅(qū)力的重要性。如果能從思想意識(shí)層面轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，使其變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，這對(duì)于研究生培養(yǎng)質(zhì)量提高將大有助益。因而，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是高等傳熱學(xué)課程教學(xué)改革應(yīng)著力解決的問題。山東大學(xué)是教育部直屬重點(diǎn)大學(xué)、國家“雙一流”建設(shè)高校，學(xué)校對(duì)于研究生培養(yǎng)一慣注重夯實(shí)基礎(chǔ)，為使學(xué)生不僅能夠掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，而且能夠提升解決實(shí)際工程問題的能力，近年來從興趣先導(dǎo)思路出發(fā)，開展了高等傳熱學(xué)課程教學(xué)改革研究。二、興趣先導(dǎo)的課程建設(shè)圍繞激發(fā)學(xué)習(xí)興趣這一指導(dǎo)思想，從課程內(nèi)容優(yōu)化、專題研究及討論、教學(xué)方法和課程考核等四方面進(jìn)行改革實(shí)踐。（一）課程內(nèi)容優(yōu)化作為研究生專業(yè)基礎(chǔ)課，高等傳熱學(xué)課程的內(nèi)容設(shè)置既要“寬”又要“?！薄Ｑ芯可鷤€(gè)體的知識(shí)構(gòu)成有差異，未來從事的課題也多樣化，因而課程內(nèi)容要盡量多地涵蓋傳熱學(xué)科的基本概念和理論體系，以培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論功底。同時(shí)，考慮到各高等院校行業(yè)背景和學(xué)科方向的差異，加之層出不窮的新興交叉研究領(lǐng)域，課程內(nèi)容設(shè)置上還需納入新理論和新方法，以開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。理論性課程要吸引學(xué)生注意力，需要與實(shí)踐緊密結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程的實(shí)用價(jià)值，因而筆者在高等傳熱學(xué)理論體系基礎(chǔ)上，兼顧山東大學(xué)主要科研方向與新興交叉學(xué)科，梳理和優(yōu)化了授課內(nèi)容，適當(dāng)刪減應(yīng)用面狹窄或推導(dǎo)過于煩瑣的教學(xué)內(nèi)容，如拉普拉斯變換法或格林函數(shù)法，強(qiáng)化理論方法的實(shí)際運(yùn)用，并增加了本領(lǐng)域前沿動(dòng)態(tài)介紹。由于山東大學(xué)已開設(shè)輻射換熱原理課程，優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容按導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱兩部分展開，采用單元化教學(xué)模式，其中導(dǎo)熱內(nèi)容設(shè)置導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)、多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱單元，涉及的理論方法有分離變量法和近似分析解法；對(duì)流傳熱內(nèi)容包括層流流動(dòng)與換熱、湍流流動(dòng)與換熱、自然對(duì)流換熱和相變傳熱單元，涉及的理論方法有量綱分析法、相似解法和積分法。為減少煩瑣的理論推導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，弱化理論性教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合相關(guān)科研成果遴選新能源、儲(chǔ)能等熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究性教學(xué)素材和傳熱學(xué)問題案例，拓展實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題分析，從而達(dá)到知行合一。（二）專題研究及討論專題研究及討論是增強(qiáng)課堂教學(xué)互動(dòng)、激發(fā)研究生學(xué)習(xí)興趣的有效方式，能夠增進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的掌握與運(yùn)用。當(dāng)前00后一代已基本成為研究生主體，該群體伴隨互聯(lián)網(wǎng)成長，思維活躍，視野較為寬廣，因而專題研究選題非常關(guān)鍵，既要密切聯(lián)系理論知識(shí)，又要具備一定趣味性和實(shí)用性。專題研究的題目分為引導(dǎo)性題目和自選題目兩類，其中引導(dǎo)性題目由筆者根據(jù)熱點(diǎn)事件或日常生活中的趣味性素材設(shè)計(jì)，如結(jié)合電影《泰坦尼克號(hào)》場景提出“不同環(huán)境下人體失溫問題”，結(jié)合短視頻熱點(diǎn)提出“非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱視角下如何優(yōu)雅地吃撒尿牛丸”，結(jié)合生活中的氣候變化提出“冰柱的成長歷程問題”，如表1所示；自選題目由研究生根據(jù)興趣自行設(shè)計(jì)和選擇，教師不作過多限制，但選題范圍不可超出高等傳熱學(xué)課程內(nèi)容范疇，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合未來各自的研究方向選擇題目。專題研究所采用的研究方法可以是綜述、數(shù)值模擬和解析求解，鼓勵(lì)采用解析方法進(jìn)行分析，最終完成并提交一篇專題研究論文，且要求參考資料不少于5篇，可以為教科書、期刊論文、研究報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)信息等；圍繞相關(guān)專題，選擇學(xué)生進(jìn)行PPT報(bào)告并展開提問和討論，最終由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。（三）教學(xué)方法傳統(tǒng)高等傳熱學(xué)教學(xué)的主要任務(wù)是提高學(xué)生理論水平，教學(xué)重點(diǎn)是傳熱過程數(shù)理方程推導(dǎo)和解析分析方法，由此導(dǎo)致教學(xué)“本科化”傾向。然而，隨著研究生教育理念的發(fā)展，創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)受到重視，同時(shí)還需兼顧課程思政建設(shè)，這就需要將原本單純的理論課轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕皬?qiáng)化理論素養(yǎng)、拓寬學(xué)術(shù)視野和提高實(shí)踐能力的綜合訓(xùn)練，結(jié)合新的課程定位及興趣先導(dǎo)的指導(dǎo)思想，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革。在教學(xué)手段方面，課堂上充分利用互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)資源，在有限的授課時(shí)間內(nèi)增加教學(xué)信息量和最新研究動(dòng)態(tài)，提高課程效率；課堂以外充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，利用如課程網(wǎng)站、微信群等，拓寬教師與學(xué)生間討論、互動(dòng)的渠道，對(duì)于促進(jìn)課堂教學(xué)具有明顯成效。在授課方法方面，采用模塊化設(shè)計(jì)將課程分為三個(gè)教學(xué)模塊，如圖1所示。第一模塊占總學(xué)時(shí)10%，重點(diǎn)回顧本科傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，幫助基礎(chǔ)薄弱或跨專業(yè)選課研究生鞏固基礎(chǔ)，同時(shí)介紹傳熱領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)和新課題，并通過引導(dǎo)性專題討論培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。第二模塊占總學(xué)時(shí)的70%，針對(duì)每個(gè)教學(xué)單元講授高等傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論和特色案例，其中基礎(chǔ)理論講授弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，著重厘清分析問題思路。第三模塊占總學(xué)時(shí)的20%，采用開放互動(dòng)式教學(xué)模式開展專題討論，使學(xué)生充分參與教學(xué)，通過主動(dòng)思考和實(shí)踐鍛煉分析與解決實(shí)際問題的能力。（四）課程考核方式高等傳熱學(xué)課程考核應(yīng)強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)靈活運(yùn)用和解決實(shí)際問題的能力，考核內(nèi)容不應(yīng)只考慮數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和理論計(jì)算，同時(shí)也可將考核方式作為研究生更好地開展主動(dòng)學(xué)習(xí)的激勵(lì)手段。課程考核的原則是強(qiáng)化過程考核，適當(dāng)降低期末考試成績權(quán)重。成績組成包括期末考試占60%，專題研究成果（如研究論文、模型等）占30%，PPT報(bào)告和專題討論占10%。若滿足以下兩個(gè)條件中的任意一條，則課程成績直接評(píng)定為優(yōu)秀：（1）專題研究小論文在國內(nèi)核心及以上期刊發(fā)表；（2）針對(duì)某傳熱問題開展系統(tǒng)的自主研究，并主動(dòng)報(bào)名參加PPT報(bào)告討論，獲得一致認(rèn)可。通過考核方式改革，引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。三、教學(xué)改革實(shí)踐及效果目前，上述高等傳熱學(xué)教學(xué)改革舉措已在山東大學(xué)2019級(jí)、2020級(jí)、2021級(jí)和2022級(jí)動(dòng)力機(jī)械及工程、工程熱物理、熱能工程等專業(yè)研究生教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐。通過貫徹興趣先導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在第一模塊授課中得到充分激發(fā)，特別是引導(dǎo)性專題研究貼近生活、趣味性強(qiáng)，提高了學(xué)生參與專題研究的積極性和主動(dòng)性，學(xué)生能夠通過查閱文獻(xiàn)和資料論證問題，并積極參與專題討論和課堂互動(dòng)，使得以學(xué)生為主體的教學(xué)理念得到體現(xiàn)。同時(shí)，這種學(xué)習(xí)熱情也能夠延續(xù)到第二模塊和第三模塊的課程教學(xué)。根據(jù)每屆學(xué)生選課人數(shù)情況，約40—60%的學(xué)生能夠參與到專題討論環(huán)節(jié)，使得課程整體教學(xué)效果明顯提高。新的考核方式弱化期末考試成績，突出過程考核和成果導(dǎo)向，能夠更加直觀反映學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。在四年的教學(xué)改革實(shí)踐過程中，筆者在每屆學(xué)生中開展調(diào)查問卷，及時(shí)反饋教學(xué)改革舉措的問題和不足，并及時(shí)加以調(diào)整和完善。其中較為突出的問題是專題討論環(huán)節(jié)實(shí)施方式的選擇，