陈小砖 陈国艳 李海霞 王 华 张安超

河南理工大学机械与动力工程学院 河南焦作 454000

传热学作为研究热量及质量传递规律的工程技术科学是能源动力工程及相关专业主要的专业基础课程。传热学和工程热力学、流体力学一起为将来从事该学科工程的技术人员提供扎实的整体知识结构，培养他们利用专业基础知识解决工程实践问题的综合素质和动手能力。同时，传热学课程也是能源动力工程学科基础课与专业课之间的重要桥梁。通过传热学课程的系统学习可以达到两个目的：使学生获得热量与质量传递规律的基本知识，具备分析传热与传质工程实际问题的基本能力，掌握计算工程传热与传质问题的基本方法和主要步骤；为学生毕业后从事热能的合理利用和转换、热工设备效率优化以及换热器的设计校核等方面的工作打下坚实的基础[1]。

1 传热学课程教学现状与教学改革背景

传热学教材中导热、对流换热和热辐射这三部分内容具有相对独立性，导热和对流换热有一些联系，但辐射换热和前两部分内容没有太多关联性，第四部分换热器设计校核计算则是前三部分内容的综合应用。加上传热学本身学时长，教材内容知识点多，学生学习这几部分内容跨度大，导致对传热学知识点的掌握有些支离破碎，难以形成一个有机的整体，短时间内无法掌握传热学的本质要点[2]。此外，传热学整个内容涉及很多高等数学和流体力学方面的知识。例如在传热学导热微分方程和对流换热能量守恒方程的推导过程中，涉及高等数学的常微分、偏微分、定积分、泰勒级数知识。在非稳态导热温度场和肋片温度场推导过程中，要用到贝塞尔函数和齐次方程求解等数学知识[3]。因为河南理工大学能源与动力工程、建筑环境与设备工程、材料成型与控制工程和安全工程等专业均开设传热学课程。传热学课程的教学效果直接影响到不同专业学生后续的专业课学习。所以非常有必要分析当前传热学课程教学的现状，同时吸收不同高校传热学教学经验，引入当前先进的教育理论和教学思想比如建构主义教育理论，深入开展教育教学改革。这样就能适应新时代的教育理念和经济发展需要，努力提高互联网时代背景下的传热学课程教学效果。

2 建构主义教育理论简介

建构主义（constructivism）也可以译作结构主义。建构主义理论的主要提出者有皮亚杰、维果茨基等[4]。基于建构主义的教育理论有十分丰富的内容体系，但其核心内容可以用一句话概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现及对所学知识意义的主动建构。情境、 协作、 会话和意义建构是知识的四大属性，学习是学习者在周围丰富的情境中通过主动探索和协商合作实践从而建构意义、创造新知识体系的过程。建构主义教育理论既强调学习者的认知主体作用，同时也不忽视教师的指导作用。教师是意义建构的启蒙者、帮助者、促进者，而不单纯是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者。建构主义教育理论的核心是意义建构，它强调学习的积极主动性、目标指引性、任务真实性、不断反思性和互动合作性[5]。由于建构主义所倡导的学习环境（情景）适应了当代最新网络和信息技术发展的要求，这就使建构主义教育理论逐渐与广大教师的教学实践普遍地结合起来，可以成为国内外学校深化教学改革的指导思想。

3 建构主义指导下的教学改革

3.1 教学内容改革

兴趣是最好的老师。建构主义特别强调学生对知识的主动探索、主动发现及对所学知识意义的主动建构。即以学生为中心，重视学生学习过程中的主观能动性。因此，学生必须对教师传授的内容有浓厚的兴趣，这是教学工作开展的关键和出发点。可喜的是，传热学教材和工业生产、居民日常生活有着密切的联系。例如，火电厂和化工厂应用众多的换热器，制冷空调器有蒸发器和冷凝器，工业中强化传热或者保温蓄热方面的需求也和传热学有十分密切的联系。生活中也有很多应用传热学内容的例子，冬天人们喜欢穿羽绒服是利用空隙中空气的保温作用，夏天电风扇降温和对流换热有关，玻璃温室和太阳能热水器也是应用了辐射换热方面的知识。如果教师在授课过程中适当举出一些传热学的典型案例，学生将会激发更大的学习热情和浓厚兴趣，这样他们才会喜欢上传热学这门课程，并主动学习。笔者在讲述传热学第三章非稳态导热时，当讲到集总参数法求解零维物体温度场时，特意提出一个“厨师吹肉丝”的例子：给出一定的换热条件和几何条件，求厨师需要等待多长时间才可以品尝到刚从热锅里夹出的高温肉丝？这个例子就是应用集总参数法求肉丝在空气对流冷却下的温度随时间的变化曲线。在课堂上学生一听到这个生活中常见的例子就表现出浓厚的兴趣，课堂气氛非常热烈，同学们也兴奋地提出自己的一些观点。这样他们对集总参数法就理解得更加深入，取得了非常好的学习效果。当笔者讲到第三章非稳态导热求解半无限大物体温度场时，举出“冰冻三尺非一日之寒”的例子：冬天寒潮突然来临，求解地面一定深度位置从初始温度冷却到冰点所需要的时间。将这些典型案例充实到教学内容中，把原本深奥的传热学公式推导变得生动活泼，更贴近学生对周围环境和世界的认识情况，学习者更能全身心地投入到课程学习中。

随着近几十年全球范围内的科学技术突飞猛进的发展，特别是信息技术和动力工程及工程热物理方面的高速发展，传热学的教学内容也有了较大的变化与更新。因此，教师在讲授教材内容的同时适当引入相关的前沿学术动态和科研成果可以开阔学生的视野，培养他们利用书本上的知识解决本专业实际问题的综合能力。当前提倡教学与科研相互促进，教师也应该将科学研究中相关的传热学知识点适当引入到课堂教学中，学生可以了解本学科的发展现状，认识到教材内容是将来从事科研的理论基础。

3.2 教学方法改革

教学内容准备充分这只是第一步，如何表达出来，给学生营造一个好的学习情景，这也是一门学问。因此教学方法和表达方式显得尤其重要。传统的传热学教学方式主要是黑板板书教学，现在随着科技的进步和网络的发达，大部分教室都配备了多媒体教学设备。现在的教学工具能够利用多媒体幻灯片、视频辅助教学，一般还能联网查询更丰富的教学内容。如何利用板书与多媒体教学设备的优点合理切换教学方法和教学工具是一个关键问题。笔者在传热学教学中以多媒体教学为主，灵活恰当地在黑板上推导公式，取得了一定的教学效果。多媒体教学设备可以播放传热学的发展历史视频，学生在绪论学习时能够了解到传热学的发展过程和不同阶段的研究成果。多媒体还能描绘出物体的三维温度场，这都是现代教育技术带来的便捷与高效。多媒体教学优点是图文并茂，文字优美工整，前后内容能够自由切换。缺点是推导传热学公式时，学生理解速度较快但是遗忘速度也很快。因此应该充分利用不同教学方法的优点，扬长避短，方便学习者主动建构自己的知识体系。关于教学方法，不同的教师针对不同的专业有自己的习惯和经验，这是一个不断更新和完善的课题，目前还在积极的探索与研究中。

3.3 实验教学模式改革

通过课堂教学，学生已经有初步的知识和意义建构，但这还不是全面和立体的建构。无论是稳态温度场还是非稳态温度场，数学分析是精确的，其数学曲线是平滑的。而实际上有多种测量温度场的工具，热电偶、热电阻、水银温度计等。温度是可以测量的，其测量值具有一定的工程允许误差范围。学生通过传热学实验就会更形象、更生动地理解温度场，也就能理解和掌握导热微分方程和对流换热能量守恒方程的内涵。因此实验环节是课堂教学的良好补充，传热学是应用性很强的专业基础课，实验显得更加重要[6]。建构主义提到知识的四大属性：情境、 协作、 会话和意义建构，这些都能在学生实验过程和实验成果的整理中得到体验与锻炼。河南理工大学能源与动力工程专业非常重视传热学课程的实验教学内容。安排实验学时共10个学时，提供4～5个实验项目，由学生自由选择组合。包括平板稳态导热实验、强制对流换热实验、自然对流换热实验、黑体辐射强度测试实验和换热器综合实验等。能动专业实验室减少了演示型和验证型实验，面向全校相关专业增加了创新型和开放型实验，并且制订了开放型实验的管理制度和激励措施，这样大大提高了实验效果，受到广大师生的欢迎与好评。

3.4 知识体系的重新建构

根据建构主义教育理论，学习者知识体系的建构是一个变化、重整、完善的动态过程。传热学学时长、内容丰富，初学者知识的建构是一个不断成长、补充的过程，课堂教学时间是有限的，学习者课后的复习和作业也是不容忽视的环节。根据笔者的经验，即使学生课堂上认真听讲，课堂内容也能够理解透彻，如果课后没有及时复习，不独立完成课后作业，传热学的学习效果也要打折扣。这是因为传热学有很强的工程应用背景，理论知识需要和实践相结合，课后的作业是课堂内容的有益补充。如果学习者课后能够及时复习并认真完成作业，那么形成的知识建构将是一个完整、立体的建构，学习者就能真正掌握知识并会运用理论知识解决实际工程问题。

4 结语

随着科技的进步和教学设备的更新发展，建构主义教育理论可以和传统的教学模式良好结合。建构主义教育理论强调的学习者主动探索、主动发现及主动建构在传热学教学改革中得到充分的重视和体现。在建构主义教育理论指导下，教学内容得到充实和更新，内容知识体系更立体饱满，以学习者为中心，全面服务课程教学的开展。教学方法也得到了完善，传统板书教学和多媒体教学两种方法相互配合，充分发挥两者的优点，为学习者搭建了知识和能力建构的桥梁。实验教学方面增加了创新型和开放型实验，更加重视学生的动手能力和独立操作实验的综合素质。传热学课后的作业和复习也是需要重视的一个环节，这是对课程教学的有益补充，学习者通过认真复习和完成作业，其知识体系建构更加完整，形成一个有机的整体。近三年，通过这些教学改革，学生传热学的学习效果显著提高，为后续的专业课学习打下良好的基础。