科研促教学—传热学课程教学优化探究

2023-07-10贾明正孙悦马雪芹

时代汽车 2023年12期

贾明正　孙悦　马雪芹

摘要：传热学主要研究热量传递的规律，所涉及到的知识在能源、汽车、化工等领域有着广泛的应用。为了更好的优化教学效果，本文主要从科研融入教学、学生参与科研两个方面来优化教学，为传热学课程教学改革提供参考。

关键词：传热学教学科研优化

高校教师的主要工作是教学和科研，虽然对于高校教师来说，教学和科研工作都有自己的规律和侧重点。但实际上，教学与科研必须紧密结合，形成互动，才能更好的促进其共同发展。一方面，教学为科研明确方向，成为科研成果交流讨论的平台；另一方面，科学研究可以促进教学。如果没有扎实的科研基础和深厚的科研背景，没有长期科研工作积累的经验和成果，教學质量就无法保证。因此，教学与科研相辅相成，相互影响，密不可分，相互促进。

传热学是能源与动力工程专业的一门专业基础课，所涉及到的知识在许多工程技术领域有着广泛的应用。主要研究内容是由温差引起的热量传递的规律[1]，在教学过程中需要对经典理论、公式推导和例题进行讲解。本文结合传热学的教学经验，探索科研促教学的具体途径，通过对课程的进一步优化，提高传热学课程的教学效果。

1 科研对于传热学教学的重要性

知识的更新可以促进能源与动力工程专业的发展，传热学作为能源与动力工程专业的一门专业基础课程，学生是否能掌握该门课程的知识点，是后续专业课程的能否学好，毕业设计能否做好的关键，同时也为毕业后进入发动机、换热器、制冷等行业打下一定的理论基础，这就要求授课教师既要认真研究课本中的内容，又要持续通过科研创新追踪课程前沿，持续更新自己的专业知识，将科研创新与课程结合起来，将科研成果融入教学，这样做可以对教学效果起到良好的促进作用。

2 将科研成果融入课堂教学，增强学生学习积极性

传热学所学内容是换热器、发动机、动力电池冷却系统、保温隔热等研究的基础知识。因此，在传热学授课过程中，可以通过增加所讲知识对应的最新研究内容，来对教学内容进行优化，下面通过几个实例来阐述。

热辐射是传热学的重要内容，所讲内容主要包括热辐射定律、热辐射特性及计算等。基尔霍夫定律、兰贝特定律等都是黑体热辐射的重要定律，蒋晓熙[2]等通过应用基尔霍夫定律、兰贝特定律等定律探究了房屋结构、材料发射率对地暖的影响，那么在对黑体辐射相关定律进行讲解过程中，就可以把上述研究融入进去，让学生知道所学内容在科学研究中的应用。遮热板是用于削弱辐射传热的薄板，为了更好的讲解其原理和应用，在教学过程中可以把最新的科研成果融入其中。例如，王其良[3]等提出一种内置遮热板的新型高温集热管，并且对比分析了有无遮热板的两种真空集热管的性能，发现在给定工况条件下，有遮热板的集热管在集热温度高于285℃时辐射热损小。把王其良的研究内容融入到教学过程中，这样可以使学生更好的理解遮热板在辐射传热中的作用。

在对传热过程进行分析的教学过程中，可以把墙体保温研究成果融入其中，比如，刘超杰[4]等采用数值模拟方法分析了导热、对流传热和辐射传热对空心砖温度分布和热流量的形象。分析表明导热和辐射传热对空心砖总传热量影响较大，而对流传热影响较小。张勇[5]等通过实验研究对比分析了生产型建筑腔体表皮系统（PASS）和几种常用建筑材料的保温性能，实验平台如图1所示。实验研究表明，PASS的整体保温性能要好于中空玻璃双层窗和未铺设保温材料的其他几种建筑材料。生产型单元在冬季正常使用工况下，保温性能更加稳定，和保温空心砌砖的保温性能比较接近，内墙面界面的稳定热通量为18.03W/m2。通过把上述研究内容融入传热过程的教学中，可以让学生更好复习三种基本传热方式，更好的理解传热系数、热通量等概念和这些概念在实际科研、工程领域的作用，此外通过实验研究过程的讲解可以让学生了解应该如何进行实验研究。

换热器是能源、汽车、制冷等行业的重要换热设备[6]，也是传热学学习中学生要掌握的重要知识，为了更好的让学生掌握换热器的原理、计算、发展情况，把换热器的最新研究成果融入教学过程中就显得非常必要。比如，甘刘意[7]等提出了一种新型高效缩放板螺旋板式换热器，其流道结构如图2所示，利用Fluent软件分析了雷诺数对该换热器传热影响因子、阻力影响因子等参数的影响，并且发现该换热器相比于普通的螺旋板式换热器综合性能更优。莫逊[8]等研究分析了三维隐形翅片管的传热性能和流动性能，发现换热器的总传热系数和阻力都是评价换热器性能的重要指标。与其它强化管式换热器进行对比分析中发现前者管侧和壳侧的综合性能因子更优。为了更好的让学生理解雷诺数、传热因子、阻力因子、总传热系数等参数的意义以及知道这些参数在解决实际问题中的作用，并且了解换热器的优化方法及优化方向，就可以把上述研究内容融入换热器的教学，增加学生的理解能力。

通过上述实例可以发现，传热学教学过程中结合保温隔热[9]、强化传热[10-12]、辐射换热[13]等科学研究中的实际问题，既可以加深学生对传热学理论知识的理解，又可以增强学生利用传热学知识解决实际问题的能力。

在教学过程中，将换热器、保温、太阳能热利用等最新的研究方法和成果融入传热学教学过程中，使学生在学习传热学基础知识的同时也能了解到前沿知识，可以更好的激发学生的求知欲。但是根据不同知识点，选择合适的科研内容及成果融入教学过程中，无疑是一项全新的挑战，这就要求授课教师投入更多的时间和精力。备课时既要紧密结合教学大纲，又要查阅大量资料，做到讲课内容紧跟前沿。通过补充传热学最新的科研知识，既保持教学内容的先进性，又增加了知识的实用性，让学生知道所学内容具有现实意义，从而促进学生积极思考，主动参与教学过程，更好的体现学生的主题作用。

3 学生参与科研，培养学生科研能力

高校学生参与科研是课堂教学的延续，也是实践教学的重要组成。为了提高能源与动力工程专业学生的综合素养，在传热学教学过程中，授课教师可以根据自己所研究的内容，结合传热学相关知识点，设置一些适合学生研究的创新型课题，并通过设立奖励制度，鼓励学生积极参与其中，通过学生参与创新型科研来巩固课堂教学，提高传热学整体教学效果。

无论是在工程还是在科研上，CFD仿真软件对能源与动力工程专业人员来说都是非常重要的，通过CFD仿真软件可以精确描述流体流动规律和热量传递现象。因此，在传热学教学过程中可以把CFD仿真软件融入其中，让学生参与到与运用CFD仿真软件进行仿真的科研实践活动中。例如，在电动汽车开发中，动力电池性能的好坏直接影响着电动汽车整车的综合性能和安全性。在影响动力电池性能的因素中，温度起到至关重要的作用。为了保证动力电池在一定的温度范围内工作，并使各单体电池间温度分布更加均匀，需要设计一套高效的热管理系统。因此，新能源汽车动力电池的热管理系统[14，15]就成为科研人员现在的研究热点，热管理系统的类型主要有风冷、液冷、制冷剂直接冷却系统等，热管理系统的优化可以通过CFD仿真软件来实现。在传热学实践教学过程中，可以以液冷热管理系统中的一种液冷板[16]的优化为课题，结构如图3所示。此液冷板的优化方向有流道数量的优化、流道结构的优化等，让学生以小组的形式参与到运用CFD仿真软件优化液冷板的课题中。

汽车空调冷凝器是汽车空调制冷系统重要部件之一，其作用为把从汽车空调压缩机排出的高温高压的气态制冷剂转变为液态制冷剂，在这个过程中制冷剂通过冷凝器向环境散热。现在使用比较多的是平行流式冷凝器，该冷凝器主要由铝制扁管和百叶窗波纹翅片所构成，扁管与波纹翅片之间采用钎焊连接方式降低热阻。结构示意图如图4所示。扁管、百叶窗、流道等都是平行流冷凝器的优化方向[17，18]，因此在实践教学中可以以汽车平行流冷凝器扁管、百叶窗、流道结构等的优化为课题，让学生以小组的形式运用CFD仿真软件对平行流冷凝器的一个优化点进行优化。

在学生参与上述科研课题过程中，学生不仅可以掌握运用CFD仿真软件进行换热设备优化的方法，而且可以强化对所涉及到的传热知识的理解。使用CFD仿真软件对动力电池液冷系统液冷板和换热器等进行建模、仿真、分析，可以使学生更直观的看到液冷板、换热器等设备中工质温度、速度等参数的变化，有助于学生更好的理解研究对象的传热过程，掌握传热原理，激发学生的学习兴趣，促进其综合能力提高。

综上所述，通过鼓励学生参加与传热学有关的科研课题，不但有助于学生复习巩固所学知识和掌握相关科研方法，还有助于调动学生的科研创新兴趣，提高理论知识和实际结合运用的能力，从而增强学生的整体素质，促进传热学教学效果。

4 总结

科研促教学，将科研融入传热学课程教学，鼓励、支持学生积极参与科研，是培养能源与动力工程专业学生创新能力、实践能力和科研能力最直接、最重要、最有效的举措，也是科研促进教学的重要途径。科研内容与传热学课程教学有机结合，更好的体现学生的主体地位，发挥教师的主导作用，对传热学教学起到良好的促进作用。

基金资助：黄河交通学院2022年度教科研项目（Hhjt-2022073）；传热学一流课程项目（HHJTXY-2021ylkc24）。

参考文献：

[1]陶文铨.传热学[M].5版.北京：高等教育出版社.2019：2.

[2]蒋晓熙，王浩森.地暖辐射传热的三维模拟研究[J].高师理科学刊，2021，41（05）：31-38+71.

[3]王其梁，裴刚，杨洪伦，李鹏程，季杰.辐射遮热板对高温真空集热管热损的影响研究[J].太阳能学报，2018，39（04）：972-979.

[4]刘超杰，华永明，贾春苹.空心砖传热方式及填充物对传热的影响研究[J].建筑节能，2019，47（03）：50-54.

[5]张勇，李哲，张玉坤.生产型建筑表皮模组节能性能研究[J/OL].南方建筑：1-13.

[6]杜文静，赵浚哲，张立新，王湛，季万祥.换热器结构发展综述及展望[J].山东大学学报（工学版），2021，51（05）：76-83.

[7]甘刘意，陆怡，查涵清，卫渊钊，刘犇欢，王园春.新型螺旋板式换热器及其传热特性研究[J].流体机械，2021，49（06）：36-43.