以兴趣为先导的高等传热学课程教学改革探索和实践

摘

要：高等传热学是动力工程与工程热物理一级学科研究生的重要学位课程，目前其教学体系存在偏重数理推导、与工程实际联系不紧密、教学方法陈旧等问题。文章针对研究生教育教学改革倡导的创新能力和实践能力培养目标，提出兴趣先导是提高研究生理论课程教学成效的主导因素，并以此为出发点，从课程内容、专题研究及讨论、教学方法和过程考核等方面进行高等传热学课程改革探索与实践，以期为能源动力类研究生相关课程的教学改革提供新思路。关键词：高等传热学；兴趣先导；专题讨论；教学方法国家“双碳”战略和科教融合背景下，能源与动力工程学科研究生培养面临新的挑战。高等传热学是动力工程及工程熱物理一级学科研究生的主干学位课，也是供热、制冷空调、化工等专业研究生的重要课程之一，其目的是基于本科传热学理论体系，加强学生对热传导、对流传热传质及热辐射基本原理和基本规律的认知，培养学生运用数学手段分析解决传热问题的基本思路和能力，从而为研究生从事相关设计、科研工作和解决实际工程传热问题奠定基础。高等传热学课程的系统性、理论性较强，传统教学内容晦涩难懂、偏重数理推导，理论方法与工程应用联系不够紧密，加之教学“本科化”，部分学生缺乏学习兴趣、被动式学习，不利于达成新形势下研究生教学改革倡导的“三强一高”（创新能力强、实践能力强、国际交流能力强、综合素质高）培养目标[1]。因而，高等传热学教学改革对于能源动力类研究生培养具有实际意义。近年来，国内诸多高校已认识到高等传热学课程建设的重要性，陆续开展了相关教学改革探索，如在课堂教学中引入研究性教学方法[2-3]或开放互动式教学方法[4]提高学生参与度，探索基于实验教学的研究型教学改革途径[5]，以及尝试规划课程内容、教材建设、特色案例库建设以及小学时等教学改革举措，其共性目标在于调动学生的学习积极性，培养科研思维和创新能力[6-10]。然而，笔者在多年高等传热学课程教学中发现，依靠外驱力调动学生学习积极性往往事倍功半，特别是在信息技术快速发展的今天，研究生通过互联网便捷地获取学习资源的同时，其兴趣点也易受到社交媒体和短视频的冲击，仅从教学方法和课程内容上加以改革很难达成预期目标。一、兴趣先导的重要性综合国内各高校课程开设情况及笔者所在学校教学实践经验，目前高等传热学课程教学中还存在一些典型问题。（一）课程内容逻辑性强，偏重数理推导高等传热学课程内容着重导热和对流传热问题的解析分析方法，如分离变量法、拉普拉斯变换法、相似解法和积分法等，这些方法均涉及烦琐的逻辑推理和数学推导，需要较好的数学基础，对工科研究生不友好。尤其对于跨学科读研或跨专业选课的学生，由于本科阶段没有系统学习过流体力学和传热学等能源动力类专业基础课，其知识体系基础不牢，甚至难以支撑高等传热学课程学习，普遍对枯燥的理论推导存在“畏难”情绪，学习兴趣也相应地大打折扣。（二）课程设置导向性不强，与工程实践存在脱节高等传热学推导的理论解通常包含复杂的函数形式（如无穷级数、贝塞尔函数等），而工程传热计算追求简便、易行，过于繁杂的理论解往往无用武之地。同时，解析方法只适合解决具有规则几何结构和简单边界条件的传热问题，对于工程实践中常见的具有不规则结构、变物性、随时空变化的边界条件等特征的研究对象，则更宜采用数值模拟方法。由此，高等传热学本应作为培养学生应用传热学理论解决实际工程问题能力的课程，变成应试型教学，使得学生对其实用性产生质疑，缺乏主动学习的兴趣，更遑论探究性学习了。（三）教学方法“本科化”，考核方式不灵活由于课程内容设置过于注重理论分析，课堂教学以数学公式推导为主，基本沿袭本科阶段“照本宣科”的教学方式，教学过程中教师往往作为主角，忽视了研究生的主体性，并且理论知识也不能有效联系实践，无助于提高学生分析和解决实际问题的能力。烦琐、枯燥的授课内容也使得课堂氛围沉闷，教学过程中学生专注度和参与度不高，教师与学生间缺乏有效互动。课程考核方面，基本采用期末考试方式，考核内容大多为公式推导，忽视过程考核，难以评价学生对知识灵活运用的能力。高等传热学课程存在的上述问题严重制约了学生学习的积极性，其本质原因在于研究生对传统课程内容缺乏学习兴趣、内驱力不足。著名科学家爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”我国古代著名教育家孔子也说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”这些思想都体现了内驱力的重要性。如果能从思想意识层面转变学生的学习态度，使其变被动学习为主动学习，这对于研究生培养质量提高将大有助益。因而，如何激发学生的学习兴趣，是高等传热学课程教学改革应着力解决的问题。山东大学是教育部直属重点大学、国家“双一流”建设高校，学校对于研究生培养一惯注重夯实基础，为使学生不仅能够掌握扎实的基础理论，而且能够提升解决实际工程问题的能力，近年来从兴趣先导思路出发，开展了高等传热学课程教学改革研究。二、兴趣先导的课程建设围绕激发学习兴趣这一指导思想，从课程内容优化、专题研究及讨论、教学方法和课程考核等四方面进行改革实践。（一）课程内容优化作为研究生专业基础课，高等传热学课程的内容设置既要“宽”又要“专”。研究生个体的知识构成有差异，未来从事的课题也多样化，因而课程内容要尽量多地涵盖传热学科的基本概念和理论体系，以培养学生扎实的理论功底。同时，考虑到各高等院校行业背景和学科方向的差异，加之层出不穷的新兴交叉研究领域，课程内容设置上还需纳入新理论和新方法，以开拓学生视野，培养创新性思维。理论性课程要吸引学生注意力，需要与实践紧密结合，让学生认识到课程的实用价值，因而笔者在高等传热学理论体系基础上，兼顾山东大学主要科研方向与新兴交叉学科，梳理和优化了授课内容，适当删减应用面狭窄或推导过于烦琐的教学内容，如拉普拉斯变换法或格林函数法，强化理论方法的实际运用，并增加了本领域前沿动态介绍。由于山东大学已开设辐射换热原理课程，优化后的教学内容按导热和对流传热两部分展开，采用单元化教学模式，其中导热内容设置导热理论基础、多维稳态导热和非稳态导热单元，涉及的理论方法有分离变量法和近似分析解法；对流传热内容包括层流流动与换热、湍流流动与换热、自然对流换热和相变传热单元，涉及的理论方法有量纲分析法、相似解法和积分法。为减少烦琐的理论推导，提高学生学习兴趣，弱化理论性教学内容，并结合相关科研成果遴选新能源、储能等热点领域的研究性教学素材和传热学问题案例，拓展实践性教学内容，引导学生将理论知识应用于实际问题分析，从而达到知行合一。（二）专题研究及讨论专题研究及讨论是增强课堂教学互动、激发研究生学习兴趣的有效方式，能够增进学生对所学理论知识的掌握与运用。当前00后一代已基本成为研究生主体，该群体伴随互联网成长，思维活跃，视野较为宽广，因而专题研究选题非常关键，既要密切联系理论知识，又要具备一定趣味性和实用性。专题研究的题目分为引导性题目和自选题目两类，其中引导性题目由笔者根据热点事件或日常生活中的趣味性素材设计，如结合电影《泰坦尼克号》场景提出“不同环境下人体失温问题”，结合短视频热点提出“非稳态导热视角下如何优雅地吃撒尿牛丸”，结合生活中的气候变化提出“冰柱的成长历程问题”，如表1所示；自选题目由研究生根据兴趣自行设计和选择，教师不作过多限制，但选题范围不可超出高等传热学课程内容范畴，同时鼓励学生结合未来各自的研究方向选择题目。专题研究所采用的研究方法可以是综述、数值模拟和解析求解，鼓励采用解析方法进行分析，最终完成并提交一篇专题研究论文，且要求参考资料不少于5篇，可以为教科书、期刊论文、研究报告、网络信息等；围绕相关专题，选择学生进行PPT报告并展开提问和讨论，最终由教师进行点评。（三）教学方法传统高等传热学教学的主要任务是提高学生理论水平，教学重点是传热过程数理方程推导和解析分析方法，由此导致教学“本科化”倾向。然而，随着研究生教育理念的发展，创新能力和解决实际问题能力的培养受到重视，同时还需兼顾课程思政建设，这就需要将原本单纯的理论课转变为涉及强化理论素养、拓宽学术视野和提高实践能力的综合训练，结合新的课程定位及兴趣先导的指导思想，对教学方法进行改革。在教学手段方面，课堂上充分利用互联网学习资源，在有限的授课时间内增加教学信息量和最新研究动态，提高课程效率；课堂以外充分运用现代信息技术作为辅助教学手段，利用如课程网站、微信群等，拓宽教师与学生间讨论、互动的渠道，对于促进课堂教学具有明显成效。在授课方法方面，采用模块化设计将课程分为三个教学模块，如图1所示。第一模块占总学时10%，重点回顾本科传热学基础知识，帮助基础薄弱或跨专业选课研究生巩固基础，同时介绍传热领域的研究动态和新课题，并通过引导性专题讨论培养学生学习兴趣。第二模块占总学时的70%，针对每个教学单元讲授高等传热学基础理论和特色案例，其中基础理论讲授弱化数学推导，着重厘清分析问题思路。第三模块占总学时的20%，采用开放互动式教学模式开展专题讨论，使学生充分参与教学，通过主动思考和实践锻炼分析与解决实际问题的能力。（四）课程考核方式高等传热学课程考核应强调理论知识灵活运用和解决实际问题的能力，考核内容不应只考虑数学公式推导和理论计算，同时也可将考核方式作为研究生更好地开展主动学习的激励手段。课程考核的原则是强化过程考核，适当降低期末考试成绩权重。成绩组成包括期末考试占60%，专题研究成果（如研究论文、模型等）占30%，PPT报告和专题讨论占10%。若满足以下兩个条件中的任意一条，则课程成绩直接评定为优秀：（1）专题研究小论文在国内核心及以上期刊发表；（2）针对某传热问题开展系统的自主研究，并主动报名参加PPT报告讨论，获得一致认可。通过考核方式改革，引导学生积极参与实践性教学环节。三、教学改革实践及效果目前，上述高等传热学教学改革举措已在山东大学2019级、2020级、2021级和2022级动力机械及工程、工程热物理、热能工程等专业研究生教学中进行了实践。通过贯彻兴趣先导，学生的学习兴趣在第一模块授课中得到充分激发，特别是引导性专题研究贴近生活、趣味性强，提高了学生参与专题研究的积极性和主动性，学生能够通过查阅文献和资料论证问题，并积极参与专题讨论和课堂互动，使得以学生为主体的教学理念得到体现。同时，这种学习热情也能够延续到第二模块和第三模块的课程教学。根据每届学生选课人数情况，约40—60%的学生能够参与到专题讨论环节，使得课程整体教学效果明显提高。新的考核方式弱化期末考试成绩，突出过程考核和成果导向，能够更加直观反映学生理论联系实际的能力。在四年的教学改革实践过程中，笔者在每届学生中开展调查问卷，及时反馈教学改革举措的问题和不足，并及时加以调整和完善。其中较为突出的问题是专题讨论环节实施方式的选择，