卜 诗，刘红梅，许伟刚，彭 剑

（常州大学 机械与轨道交通学院，江苏 常州 213164）

传热现象广泛存在于自然界、日常生活和工程实践活动中，小到穿衣取暖，大到航天器热防护，传热问题几乎无处不在。传热学自20世纪30年代成为独立学科以来，经过近一个世纪的发展，已经形成系统完备的专业架构［1］。随着人类科学技术活动在深度和广度上的不断延伸，传热学领域的新问题、新理论、新方法正在持续出现，例如微纳尺度传热、稀薄介质传热、极端条件下的非傅里叶现象等，对新时期传热领域人才的理论功底、专业素养和创新能力提出了更高的要求。在新工科建设和创新创业教育的大背景下［2］，如何从教学内容、教学方法、考核方式等各方面对“传热学”课程实施持续深化改革，以适应国家和社会对新时代高素质复合型人才的需求，是迫切需要解决的问题。

一、少学时“传热学”课程教学面临的挑战

“传热学”广泛设置于各类各层次高校的学科基础课门类中，在能源动力类专业中，“传热学”普遍作为必修课，至少有50个学时。但在机械大类下的绝大多数专业中，“传热学”的学时安排较少，有时仅作为选修课。作者承担了常州大学过程装备与控制工程、机械设计制造及其自动化等非能源动力类专业的“传热学”教学任务，以过程装备与控制工程为例，“传热学”仅安排了24个学时，这就使教学活动的开展受到了很大限制。传热学本身的学科属性，也对少学时课程教学提出了挑战，具体表现如下。

（一）课程难度高

“传热学”课程理论性极强，包含物理模型构建、复杂数学推导、经验公式选用等抽象要素，如果没有坚实的数学基础，在面对大量的偏微分方程和数值计算任务时，将难以适从。作者调研后发现，即使是在高等数学考试中取得较好成绩的学生，其具备的工具素养也难以支撑传热学理论知识的学习。在学时安排少、课程难度大的情况下，更不可能再挤出时间为学生进行查漏补缺。

（二）教学内容多

“传热学”内容丰富，知识点多，以高等教育出版社的《传热学（第五版）》（陶文铨编著）为例，全本教材共计11个章节567页，涵盖的知识点超过60个［3］。在有限的学时内，极难在覆盖全部内容的同时保证教学质量。作者面向的授课对象正处在专业基础课云集、学业负担繁重的阶段，在这一情况下，难以促使学生利用课外时间通过“啃书本”自学一门少学时的选修课。

（三）学习需求弱

作者通过调研了解到，大多数学生选修少学时“传热学”课程的出发点，仅是希望以最少的精力投入获得学分，少有对知识学习和能力提升的需求。即使出于考研目的而引起重视，也极易在学习过程中产生畏难情绪或因时间精力不够而放松学习。在一些学生的认知中，“传热学”对将来的工作没有任何用处。作者在面向2018级学生的教学过程中，嵌入了很多与真实生活密切相关的传热现象例子［4］，但这种常规的案例教学很难充分调动学生的学习热情，更难培养理论联系实际和实践创新的能力。

基于上述客观因素，少学时“传热学”课程形同“鸡肋”，教师“教”得枯燥乏味，学生“学”得草草了事。如前所述，传热学应用广泛，机械大类学生也会经常运用传热学知识解决问题，若不具备坚实的学科素养，在面对各类能量传递问题时，将会束手无策。因此，如何在较短的时间内调动主观能动性，建立专业理论素养，提升实践创新能力，是少学时“传热学”课程迫切需要解决的问题。

二、“案例中心”教学模式的构建

为应对少学时“传热学”课程教学面临的挑战，作者和教学团队打破了传统的“知识点平推”模式，改革了常规的案例嵌入方式，构建了内容立体、方式多元、考核灵活的“案例中心”模式，面向常州大学2019级过程装备与控制工程专业学生进行了实践。与采用传统教学模式的2018级授课对象进行了对比，结果表明新模式在兴趣激发、知识学习、能力培养等各方面均取得了更加突出的成效。

“案例中心”模式的基本思路是，教学活动围绕实际工程案例展开，案例不再是教学内容的点缀，而是成为教学活动的核心。学生在任务驱动下进行有组织的理论学习、技能训练和创新活动。教师提供真实的工程案例，学生根据兴趣意愿进行自主选择，围绕案例自行组队。教师为每项案例制定设计目标，通常具体到特定的工程性能指标参数。学生在教师指导下进行目标分析、路径规划和任务分工。近似真实的情景模拟方式，使学生迅速完成了从“旁观者”到“主人翁”的角色认知转变，学习兴趣、参与热情和责任意识得到了充分激发。学生在案例实施过程中同步进行知识积累、能力训练和创新实践。教学活动深度融合了“合作学习法”“翻转课堂”“线上线下混合”“思政融入”等要素［5-8］，丰富了“案例中心”模式的内涵。成绩考核面向创新创业要求，融入了项目路演环节，学生通过多媒体自主展示案例成果。经过第一轮面向2019级过程装备与控制工程专业的教学实践，证明了新模式能够有效解决少学时“传热学”课程难度高、内容多、需求弱的问题，取得了理想的教学成效。

作者和教学团队为课程准备了“防冰型气水分离器”“熔喷牵伸通道传热工艺”等四个案例，均来源于教学团队成员承担的产学研合作开发项目，是面向地方产业现实技术需求的真实案例，将其用于“传热学”“案例中心”模式教学，可以让学生切身经历企业的技术开发实战，既贯彻落实产教融合政策，又有利于创新创业能力培养。以案例为中心构建的教学实施路径如图1所示。

图1 “案例中心”模式教学实施路径

（一）项目提出

第1次课向学生介绍“案例中心”教学方式、学习要求和考核方法。实践表明，学生对平铺直叙的教学方式已感到厌倦和排斥。新模式从一开始就让学生感到耳目一新，激发了参与的积极性。不同于普通的案例嵌入，一旦案例成为课程核心，便可更加有机地融入思政元素。比如，对于“防冰型气水分离器”，因其应用场景是极地环境下的船舶与海洋工程平台，将国家海洋开发战略、全球气候变化与极地航道开发、能源安全等要素嵌入，可帮助学生建立国际视野、升华爱国情怀。在项目提出阶段设计的思政融入，更加提升了学生对于案例任务的自豪感，加深了对将要学习的专业知识重要性的认识，从源头提高了学习的主观能动性。

（二）组建团队

学生围绕案例自行组队，仿照“挑战杯”“互联网+”等创新创业大赛模式，在教师的指导下进行分工。情景模拟促使每位学生都树立了主人翁意识，杜绝了企图滥竽充数、蒙混过关的侥幸心理，对学生主动学习起到了有效的督促作用。根据常州大学“专创融合”教学改革项目建设要求，课程结束后，选择部分优秀团队参与校级创新创业培育。因此，各团队之间存在良性竞争关系，对于培养学生的集体主义精神、团队合作能力和竞争意识具有显著作用。项目提出和组建团队总计1个学时即可完成。

（三）目标分析

第2～4次课，学生围绕项目进行目标分析，明确完成最终工程设计目标需要掌握的理论知识和工具技能。以“防冰型气水分离器”为例，设计目标是：构建分离器流道，在0～5 m/s工况下，满足分离效率要求，并能将-10℃空气加热至0℃以上。如果让学生在短时间内，从零基础开始解决此类专业性强的工程问题，难度是显而易见的。若沿着“导热→对流→辐射→换热器设计”的常规顺序推进教学，学习负担重，效率低，无助于设计目标的达成。本阶段采用直击要害、精准教学的方式，围绕完成案例目标须掌握的知识点进行学习。本案例关联知识点浓缩至三处：（1）对流传热物理现象和过程本质；（2）内部强制对流传热；（3）强化传热方法、原理及评价。教材中涉及篇幅不超过20页，这就大幅减轻了学习压力，也帮助学生建立了信心。不同案例需要掌握的工具技能存在共性，不外乎数值模拟中的“几何建模→网格建立→传热解算”流程。几何建模须掌握的AutoCAD、Solidworks等工具已在前期“机械制图”“工程软件应用”课程中涉及，学生掌握良好；网格建立和传热解算只需初步掌握ICEM、Fluent等专业软件的简单操作，教师进行几次操作演示即可帮助学生掌握大体流程。

本阶段对精简后的知识点进行启发式讲解，围绕少量工具软件进行简明的操作培训，明确任务路径，只需6个学时即可完成。

（四）案例实施

第5～11次课，学生开始进行自主学习和项目实施。围绕理论学习，作者已在“超新在线课程学习平台”完成了“传热学”线上课程建设，基本覆盖了全部知识点，包含视频、习题、文献等各种资源，延伸了教学的时空广度，提高了教学灵活性。线下为答疑时间，针对学生在理论学习和工具实操过程中遇到的问题进行辅导。打破传统的“排排坐”模式，以项目组为单位自由安排座位，便于研讨交流，营造轻松的课堂氛围。融入翻转课堂，不定期组织汇报，学生通过多媒体进行阶段性成果展示，教师点评，学生互评。实践证明，上述方法极大地调动了积极活跃的课堂氛围，加快了案例实施进度，也使学生加深了对基础知识的理解掌握。以“防冰型气水分离器”为例，线下仅用2个学时就使学生完成了对相关知识点的掌握。利用8个学时，进行传热结构设计、经验公式计算、几何建模、仿真分析、方案迭代。通过反复实操，学生的学科素养、工具技能、创新能力、团队精神等各方面素质均得到大幅提升。

学生提交设计方案后，在机械学院金工厂和3D打印实验室的协助下，完成结构加工制作。利用4个学时，借助小型风洞实验平台实施传热性能测试，对设计目标达成情况进行验证评价。每位学生都能全程参与测量段安装、传感器布置、数据采集等环节，避免了“少数人做，多数人围观”的现象。

从理论学习、方案设计到实验验证、案例实施阶段，充分凸显了学生的主体地位。

（五）成绩考核

成绩考核的第一部分为期终测试，教师根据不同案例的实际情况设计考题，考查知识点运用能力，由于知识点并非面面俱到，可精简题量，利用1个学时完成考试，成绩权重40%。第二部分为项目路演和设计报告，各组分别制作多媒体展示材料，在课堂上用10分钟完成项目路演，教师点评，学生互评。全部项目汇报共计1个学时。教师根据路演情况和设计报告质量进行评分，成绩权重60%。

“案例中心”模式更加注重过程考核和实践创新能力的培养，对缓解畏难情绪、减轻应试压力、激发学习兴趣具有积极作用。多媒体制作和路演答辩还能锻炼学生的图文表达和语言表达能力。

三、教学实施成效

采用“案例中心”教学模式，使少学时“传热学”课程获得了积极理想的教学成效，表现在以下几方面。

1.理论知识掌握更加牢固。相比于接受常规教学模式的2018级学生，2019级学生的卷面成绩优秀率提高了30%，基础理论掌握情况显著改善，学生普遍形成了较好的学科素养。

2.实践创新能力大幅提升。通过仿真和实验实操，学生的工具技能和动手能力得到切实提升，为今后毕业论文和研究生阶段学习打下了基础，也为走上工作岗位做好了准备。值得一提的是，学生自主设计的新型气水分离器流道结构的实测性能超出了设计目标预期，得到了企业用户的肯定和好评。项目团队还被推荐参加校级创新创业培育，预备参加更高层级的“双创”竞赛。

3.主观能动性显著加强。通过团队合作、情景模拟、理论联系实际和成果产出，学生切身感受到知识的力量，品尝了创新的快乐，不再为了获得学分学习，而是真实产生了对自身能力进步的渴求。

结语

对于难度大、内容多、学时少的专业基础课程，如果一味遵循常规的“满堂灌”教学方式，很难在较短的学时内达到理想的教学效果，反而浪费了珍贵的学习时间。“案例中心”教学模式从具体项目出发，学生为主，教师引导，任务驱动，通过多种软硬件渠道和现代化教学手段，完成理论学习和设计实操，使学生专业综合素质、实践创新能力和主观能动性同时得到大幅跃升，教学成效十分显著，充分适应了新工科建设和创新创业教育大背景下对高素质复合型人才的培养要求。