换热器原理与设计教学改革探讨

摘"要：为了应对现代工程教育中理论与实践脱节的问题，以换热器原理与设计中热管换热器这一内容为例，探讨有效的教学改革模式，改革方案通过实施个性化教学、结合社会热点问题、应用多媒体教学资源、融入课程思政和引入前瞻性知识等，全面提升学生的学习兴趣、主动性和创新能力。教学改革的实施可以有效提升学生的学习动力和满意度，增强学生解决实际工程问题的能力。关键词：换热器原理与设计；热管换热器；教学改革；个性化教学；课程思政0"引言换热器作为能源动力领域的重要设备，被广泛地应用于多种工业过程，如动力、石油、化工、制冷空调等[1-3]。因此，在工程教育领域，换热器原理与设计课程的教学尤为重要，旨在向学生介绍热交换的基本理论和实际应用[4]。然而，随着工业技术的迅速发展，传统的教学方法逐渐显示出其局限性，主要体现在理论教学与实际应用之间的脱节以及缺乏有效的实践和互动环节[5-7]。在现代工程教育中，随着新工科教育改革的推进[8-9]，课程内容与教学方式需要全面更新。新工科倡导跨学科融合和创新能力培养，强调与工业界的紧密合作，从而更好地适应未来技术发展的需求。在这一框架下，换热器原理与设计课程教学改革应当充分响应新工科教育理念，整合最新的工业技术进展和市场需求，使学生能够在实践中掌握先进的热交换技术和设计方法。本文以热管换热器为例，探讨换热器原理与设计课程的教学改革模式。热管换热器因其高效的热传递性能在众多工业领域得到应用，如航空航天、电子制冷和化工过程等[10-11]。然而，传统的教学模式常忽略将实际应用案例融入教学，导致学生将理论知识应用于解决实际工程问题的能力不足。为了解决这一问题，本文探讨如何通过引入项目导向和问题导向的教学方法，将理论知识与实际工程案例结合，激发学生的探索精神，增强学生解决实际工程问题的能力。结合新工科教育理念，提出换热器原理与设计教学改革方案，旨在通过理论与实践的深度融合以及与工业界的紧密合作，全面提升教学质量，增强学生解决实际工程问题的能力，符合当前工程教育的发展趋势。1"教学目标换热器原理与设计课程中针对热管换热器部分的教学目标为提高学生的理论知识掌握水平、应用能力和创新思维能力。1.1"深入理解热管的工作原理和超导机理学生需要学习并掌握热管内部的热传导和对流机制，包括相变过程及其对热管性能的影响。这一部分还包括对热管的超导性质的探讨，特别是在极端环境下的工作效率和性能表现以及热管的热传递特性分析（如热阻、热流密度和温度分布）。1.2"掌握不同类型热管换热器的设计和运行原理换热器原理与设计课程涵盖各种类型的热管换热器，如两相闭式热虹吸管、重力热管和毛细泵回路，学生需要了解这些热管换热器的结构设计、运作原理、优势和局限性以及不同材料和结构设计对其性能的影响。1.3"熟悉热管的循环动力学和控制方法学生需要理解热管的循环动力学原理，特别是热驱动循环和流体循环机制。课程涉及控制热管工作状态的多种方法，如温度调节和压力控制，以及在不同工作条件下的动力学表现和稳定性分析。1.4"能够分析应用热管换热器的实际案例通过分析热管换热器在电子冷却、航天器热管理和化工过程等领域的实际应用案例，学生能够理解热管设计的实际考虑因素和面临的挑战。案例分析可以帮助学生将理论知识应用于解决实际工程问题。1.5"培养学生的实践技能和创新思维能力通过实验室实践和项目式教学，学生有机会设计、搭建和测试热管换热器原型，不仅可以增强实践操作能力，还可以激发对传统热管换热器进行改进的创新思维。1.6"强化跨学科知识的融合与应用课程整合物理、化学、材料科学和机械工程等学科知识，使学生能够全面理解热管换热器的工作原理和应用。跨学科知识的融合旨在培养学生解决复杂工程问题的能力。2"学情分析在推进换热器原理与设计课程教学改革前，充分了解学生的学习状态和需求至关重要。本次课程教授对象为能源与动力工程专业大三学生，总人数为101人。通过与相关前序课程的教师进行沟通和对学习环境的细致观察，对该课程学生群体的学情进行总结：学生已完成传热学、工程热力学和流体力学等专业基础课程的学习，为理解换热器的原理奠定一定的理论基础；大部分学生对专业有一定的认知，挂科率较低，但学习主动性较差，对相对枯燥的专业课学习热情较差。换热器原理与设计课程涉及较多专业综合知识，传统的讲授式教学容易使学生处于被动接受的状态，在课堂上缺乏积极性，这与新工科要求的培养具有广阔视野、创新能力和实践能力的复合型人才之间存在差距。尽管多数学生对专业基础掌握良好，但仍有少数学生基础薄弱，主动学习意愿不足。针对上述分析，为激发学生的学习动力并增强其学习效果，提出以下教学改革措施。1）理论与实践相结合。引入实际工程案例，使理论知识与实际应用紧密结合，以提升学生的兴趣和理解能力。2）使用图文并茂的教学材料。使用包含丰富图表和实例的课件，使抽象的理论知识更加直观、易懂。3）开展混合式教学。采用线上线下结合的混合式教学模式，提高学生的参与度，增强互动性。4）开展个性化教学。根据学生的不同学习态度实施个性化教学，对学习意愿较低的学生提供额外的辅导和激励。5）增强实验和实践环节。通过实验室实践、项目制作等方式，增强学生的实践能力和创新思维能力。这些改革措施可以有效增强学生的学习动力，加深学生对换热器原理与设计的理解，提高学生将理论知识应用于解决实际工程问题的能力。3"教学改革方案的实施本次教学改革方案旨在通过实施个性化教学、结合社会热点问题、应用多媒体教学资源、融入课程思政和引入前瞻性知识等，全面提升学生的学习兴趣、主动性和创新能力，为学生立足未来的工程领域打下坚实的理论和实践基础。3.1"调查学生实际需求，实施个性化教学在课程正式开始前，让学生通过阅读教材和观看线上视频，对热管换热器的基本概念进行初步了解。通过线上问卷调查的方式收集学生对热管教学内容的具体需求，如感兴趣的知识点、对热管技术前沿的好奇等。这一步骤不仅有助于教师了解学生的兴趣和需求，而且能增强学生的参与感和对课程的期待感。教师根据问卷结果对教学内容和方法进行个性化调整，因材施教，如对于对实验感兴趣的学生，可以增加更多的实验演示和实践机会。3.2"结合社会热点问题，引发学生兴趣以青藏铁路中的热棒作为教学的切入点，将学科知识与实际应用相结合，同时通过此案例提出问题：为什么热棒能解决冻土问题？这一举措旨在引起学生对热管技术学习的兴趣。再从案例过渡到理论，教师逐步深入到热管换热器的运行原理、主要特征和运行极限的讲解，让学生通过对热管理论系统性的学习后，最终解答为什么热棒能解决冻土问题。这种与实际应用相结合的问题导向教学方法能更好地帮助学生理解和吸收复杂的理论知识。3.3"应用多媒体教学资源通过实验视频和动画的形式，直观展示热管的工作状态和特点，这种图文并茂的多媒体教学资源的运用能帮助学生更好地理解理论知识并激发他们的学习兴趣。比如展示热管在不同温度条件下的工作状态的实验视频，帮助学生理解热管的等温特性和高导热性，部分课件如图1所示。另外，本课程详细介绍热管换热器的各种类型，如两相闭式热虹吸管、旋转热管等，以及它们在不同领域的应用，如高性能芯片散热、卫星均温、手术刀、太阳能发电等。通过这些内容的介绍，学生不仅能够理解热管的多样性，还能够了解热管在实际工程中的广泛应用。3.4"融入课程思政3.4.1"弘扬大国工匠精神在课程中穿插介绍中国热管技术的发展历程，强调工程技术人员在国家发展中的重要作用，培养学生的国家认同感和职业自豪感，激发他们的爱国心和报国志。3.4.2"培养创新精神，树立正确“三观”通过展示国内外热管技术的发展和应用，激发学生的创新思维和对工程技术的热爱，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。例如，介绍热管在航天器中的应用，让学生了解工程技术对于国家科技进步的重要性，从而坚定学生为国家科技进步作贡献的决心。3.5"引入前瞻性知识为了增强课程的前瞻性，介绍最新的热管技术发展和潜在应用，如在可持续能源、空间技术等领域的应用前景，不仅能激发学生的好奇心和探索欲，而且有助于提高他们对行业发展趋势的认识。在介绍新技术的同时，鼓励学生思考如何利用这些技术解决现实世界的问题，让学生了解热管技术的前沿动态，激发学生的学习兴趣和主动性。4"教学反馈与评价为了确保课程的教学效果，采用多元化的教学评价方法，包括在线测试、课后作业和期末考试等，全面评估学生对学习目标的掌握程度。4.1"在线测试利用学习通软件对学生进行在线测试，主要针对热管换热器的特点、不同种类的热管在各应用领域的使用等。这种测试不仅能即时检验学生对课堂内容的掌握情况，而且能增强学生的参与度和互动性。通过学习通软件的自动分析系统，快速获得测试结果，并据此进行点评和分析。这一环节对于实时分析学习目标的达成情况至关重要，教师可以根据测试结果及时调整教学内容和教学方法。4.2"课后作业设计开放性课后作业，旨在充分调动学生的学习积极性，鼓励他们进行深入思考和探索。例如：选择一种类型的热管，要求学生论述该类热管的发展现状，包括其背景、结构、原理、发展史等，帮助学生加深对特定热管类型的理解，培养学生的研究和分析能力；选择一个特定领域，让学生从需求、解决方案和发展现状的角度论述热管的应用情况，理解热管技术在实际工程中的应用，激发创新思维。最后，教师针对作业的内容进行评价，关注学生对问题的理解深度、分析能力和创新思考，以便更全面地评估学生对课程内容的理解和应用能力。4.3"期末考试期末考试可以综合评估学生对整个课程包括热管换热器部分的理解和掌握情况。以试卷为载体，设置客观题和主观题，测试学生对理论知识的掌握和应用能力。热管换热器章节内容的测试以论述题为主，如分析重力热管的运行原理，举例说明重力热管的应用领域。期末考试结果将与课堂测试、课后作业等其他评价方式结合，形成对学生学习效果的综合评价。这种多元化的评价方法可以更全面地反映学生的学习情况，帮助教师和学生了解学习目标的达成程度。通过上述综合性的教学评价方法，可以有效地监控和评估学生对热管换热器这一章节的理解和掌握情况，不仅有助于教师及时调整教学方法，以更好地满足学生的学习需求，而且能够帮助学生清晰地认识到自己的进步和不足，从而不断增强学习效果。通过这种方式，确保教学目标的有效实现。5"教学改革成效本文以热管换热器为例，探讨换热器原理与设计教学改革方案，通过实施个性化教学、结合社会热点案例、应用多媒体教学资源、融入课程思政和引入前瞻性知识的方法，激发学生的学习兴趣，增强他们的主动性和创新能力。此外，通过在线测试、课后作业和期末考试等多元化的教学评价方式，全面评估学生对学习目标的掌握程度，确保取得理想的教学效果。对所教授的学生（共101位学生）进行满意度问卷调查和单元测试结果分析，调查结果和单元测试分数分布情况分别如图2和图3所示。图2表明，针对本次教学改革后的课堂，约75%的学生表示非常满意，基本满意度达到100%。图3表明，学生对这一章节知识的掌握情况良好，85分以上的人数超过75%，全部学生都能得到65分以上。总体而言，教学改革效果良好，学生对热管换热器这一章节的知识掌握情况达到预期目标。6"结束语本教学改革方案不仅为换热器原理