熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程教學(xué)的新探索

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程教學(xué)的新探索【摘要】熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程涉及面廣、理論性強(qiáng)，公式較多、符號繁雜，難講難學(xué)。因此在教學(xué)中要用靈活的方式傳授知識，并且筆者利用軟件技術(shù)進(jìn)行新的教學(xué)探索，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果?！娟P(guān)鍵詞】熱質(zhì)交換原理與設(shè)備；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)實踐前言1998年教育部把原來的“供熱通風(fēng)與空調(diào)工程”專業(yè)和“燃?xì)夤こ獭睂I(yè)合并為“建筑環(huán)境與設(shè)備工程”專業(yè)。為適應(yīng)新的專業(yè)規(guī)劃，該專業(yè)新增了三門專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)理論課，“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”是其中之一[1]。教育部關(guān)于印發(fā)《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》《普通高等學(xué)校本科專業(yè)設(shè)置管理規(guī)定》等文件的通知中，建筑節(jié)能技術(shù)與工程、建筑設(shè)施智能技術(shù)（部分）、建筑環(huán)境與設(shè)備工程合并為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。專業(yè)重新調(diào)整后，“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”仍然是專業(yè)必修課程。該課程是將多門專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課（包括傳熱學(xué)、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、供熱工程、工業(yè)通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)、空調(diào)用制冷技術(shù)、鍋爐及鍋爐房設(shè)備等課程）中涉及到熱質(zhì)交換原理和設(shè)備的內(nèi)容抽出，經(jīng)綜合整理、充實加工形成的一門課程。它以動量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論為基礎(chǔ)，重點研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)的設(shè)備熱工計算方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)建筑室內(nèi)環(huán)境打下基礎(chǔ)[2]。該課程起著聯(lián)結(jié)本專業(yè)基礎(chǔ)課與技術(shù)課的橋梁作用[3]。由于該課程涉及面廣、理論性強(qiáng)，同時公式比較多、符號繁雜，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時，特別是剛開始接觸關(guān)于傳質(zhì)方面的理論知識時，容易感到內(nèi)容枯燥乏味，影響對課程的學(xué)習(xí)。因此，在授課時教師必須在深入掌握課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，積極研究教學(xué)方法，針對不同的教學(xué)內(nèi)容采用相應(yīng)的教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果。本文結(jié)合筆者講授“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”的實踐與體會，對該課程的教學(xué)方法進(jìn)行新的嘗試并進(jìn)行總結(jié)和探討，以引導(dǎo)學(xué)生更好地學(xué)好該課程。1.課程教學(xué)內(nèi)容的整合《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》整個課程不僅覆蓋面廣，而且各章內(nèi)容相對獨(dú)立，整體邏輯性較差，沒有形成貫穿整門課程的一條知識鏈條，而是多部份的并列組合體。這就形成了這門課程的特點：涉及面廣、綜合性強(qiáng)、理論性強(qiáng)、難度較大。對于這樣一門課程：知識點多且相對獨(dú)立、內(nèi)在規(guī)律性知識融合的力度不夠，如何突出重點，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，成為本課程教學(xué)改革的關(guān)鍵點之一。盡管該課程各章獨(dú)立性強(qiáng)，但是總體上可以劃分為理論與工程實際兩大部分。其中，理論部分，即熱質(zhì)交換原理部分主要包括傳質(zhì)的基本概念及主要的傳質(zhì)過程、固液相變熱質(zhì)交換的基本原理及其在冰蓄冷技術(shù)中的應(yīng)用、空氣熱質(zhì)處理方法、途徑和機(jī)理；工程實際部分，即熱質(zhì)交換設(shè)備部分主要介紹建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)常見的熱質(zhì)交換設(shè)備的形式與結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的熱工計算。由于課程包含的內(nèi)容多，在有限的課時內(nèi)不可能做到面面俱到，這樣就必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合。在理論部分重點講述傳質(zhì)的基本概念及主要的傳質(zhì)過程，主要講解菲克定律的應(yīng)用以及對流傳質(zhì)的基本分析和傳質(zhì)模型，在分析動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的類比關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立傳熱傳質(zhì)同時進(jìn)行時的熱質(zhì)傳遞模型。固液相變原理部分內(nèi)容對于本科生而言難度偏大且需要參考較多文獻(xiàn)，故僅向?qū)W生介紹求解相變問題的基本方法和思路，而著重講授固液相變應(yīng)用即冰蓄冷技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)作為專業(yè)前沿進(jìn)行講解，以工程設(shè)計為重點進(jìn)行講解，并且給學(xué)生提供相應(yīng)的文獻(xiàn)，結(jié)合書本了解此項節(jié)能技術(shù)。空氣熱質(zhì)處理方法部分與空調(diào)工程課程的內(nèi)容有較多的重疊，可以完全由學(xué)生自學(xué)。熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算既是重點，也是難點。這部分是流體力學(xué)，傳熱學(xué)和熱質(zhì)交換理論的工程應(yīng)用。需要作為講課重點，畢竟本專業(yè)的大部分學(xué)生是要在工程一線工作，設(shè)計施工都離不開熱質(zhì)交換設(shè)備。在教學(xué)內(nèi)容上，以設(shè)備的設(shè)計選型基本原則和方法為基礎(chǔ)，選取典型的設(shè)備作詳細(xì)地計算，在每一步驟中貫穿其原則和公式，并提出存在的問題或局限性，引導(dǎo)學(xué)生做優(yōu)化思考，充分掌握設(shè)備的選型和校核，為今后的實際工作打下良好的基礎(chǔ)。2.課堂教學(xué)方法的靈活性在教學(xué)過程中，教師要始終把握本課程的體系結(jié)構(gòu)，講清和夯實基本概念，注重學(xué)生理論思維能力的培養(yǎng)，還要將理論知識的講授與工程實際緊密結(jié)合，不斷拓寬學(xué)生的專業(yè)知識視野。只有這樣，學(xué)生才能更好的理解和掌握本課程的知識要點，并在工程實際中加以正確的應(yīng)用。2.1傳統(tǒng)黑板教學(xué)法與現(xiàn)代多媒體課件教學(xué)法相結(jié)合由于該課程既包含較高深的熱質(zhì)交換原理的理論知識，又涉及到在實際工程中應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱質(zhì)交換設(shè)備。理論部分公式推導(dǎo)比較多，如微分方程的推導(dǎo)采用板書方式可以讓學(xué)生一步步跟著教師思考，從而更好地掌握這些內(nèi)容。但是板書教學(xué)教學(xué)具有信息量少不能充分顯示圖片信息等不足之處，所以應(yīng)該充分利用多媒體教學(xué)等現(xiàn)代化教學(xué)手段講解熱質(zhì)交換設(shè)備部分的內(nèi)容，熱質(zhì)交換設(shè)備種類繁多，構(gòu)造復(fù)雜，很難用粉筆在黑板上畫清楚，采用多媒體教學(xué)后可使學(xué)生非常直觀地了解各種熱質(zhì)交換設(shè)備及其內(nèi)部構(gòu)造。這樣可加深學(xué)生對理論知識的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的聽課興趣和熱情。根據(jù)本課程教學(xué)內(nèi)容的特點將兩者高效融合，優(yōu)勢互補(bǔ)，相得益彰，可以有效保證課堂教學(xué)質(zhì)量。2.2啟發(fā)式、互動式教學(xué)方法傳統(tǒng)的教學(xué)模式是老師在課堂上盡可能多地傳授知識，學(xué)生被動地去接受和理解老師講述的知識。這樣的教學(xué)模式，發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，但忽視了學(xué)生認(rèn)知主體的主動性。而采用互動式教學(xué)模式既發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，又強(qiáng)調(diào)學(xué)生認(rèn)知主體的作用，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在互動式教學(xué)過程中，教師需要用啟發(fā)式教學(xué)，在給出學(xué)生結(jié)論前，要多向?qū)W生發(fā)問，讓學(xué)生使用自己的方法去推導(dǎo)出結(jié)論。這樣在學(xué)生得到結(jié)論的過程中，不僅鍛煉了思考能力，更能提高解決問題的能力，而這些能力正是大學(xué)學(xué)習(xí)的根本。本課程主要講解質(zhì)量傳遞，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過動量傳遞和熱量傳遞的基本知識，在課程中，就可以充分調(diào)動學(xué)生回顧之前所學(xué)的知識，啟發(fā)他們主動發(fā)現(xiàn)三種傳遞現(xiàn)象之間的聯(lián)系，即可以達(dá)到對以前所學(xué)知識的融會貫通，又有助于學(xué)生自身發(fā)散思維的養(yǎng)成，同時也有利于學(xué)生對傳質(zhì)理論的理解。利用三傳類比的知識，啟發(fā)學(xué)生去解決在傳熱學(xué)中的難題，即空氣的自然對流換熱系數(shù)直接測量，我們可以通過測量固體萘升華的傳質(zhì)系數(shù)間接測量空氣自然對流的換熱系數(shù)。3.課外教學(xué)實踐的多樣性由于課堂教學(xué)學(xué)時數(shù)有限，僅僅依靠課堂教學(xué)很難真正掌握此門課程。《熱質(zhì)交換原理和設(shè)備》課程的理論性比較強(qiáng)，如果要保證學(xué)生真正掌握，就需要安排一定量的習(xí)題作業(yè)。習(xí)題作業(yè)的內(nèi)容應(yīng)該分類，重點放在基本概念和原理應(yīng)用上，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程意識、動手能力及分析問題解決問題的能力，不只是讓學(xué)生學(xué)會模仿、套公式算題，而是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)邏輯思維能力，提高他們的綜合素質(zhì)。熱質(zhì)設(shè)備部分有很多換熱設(shè)備的選型設(shè)計。教師可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行換熱設(shè)備的選型軟件的開發(fā)，將學(xué)生分成幾個大組，每個組選擇一種類型的換熱器，然后收集相關(guān)的換熱器參數(shù)信息。學(xué)生使用VB就編制能完成可視性、操作性都方便的小軟件。許多學(xué)生對于此類小軟件的開發(fā)非常感興趣，在編制軟件的過程中，專業(yè)知識進(jìn)一步提高了。在換熱器性能改進(jìn)部分，我們給同學(xué)介紹了CFD軟件，這個軟件的使用過程加深了學(xué)生對流體力學(xué)，傳熱學(xué)，傳質(zhì)理論的深入理解，而且由于軟件的功能強(qiáng)大，直觀性強(qiáng)，學(xué)生在進(jìn)行換熱器改進(jìn)設(shè)計的過程，可以直接看到改進(jìn)后的效果。這個軟件的介紹提升了很多學(xué)生多此門課的興趣。4.結(jié)束語筆者在熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的教學(xué)過程中，深深地感覺，教師要積極探索適合學(xué)生能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；同時，要建立良好的課內(nèi)外專業(yè)學(xué)習(xí)氛圍，盡量使學(xué)科基礎(chǔ)課程和工程實踐聯(lián)系起來，這樣才能提高學(xué)生對專業(yè)理論基礎(chǔ)課的興趣并且熟練掌握