向夏楠

［摘要］本文在分析傳熱學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了將CFD技術(shù)引入到傳熱學(xué)教學(xué)中，以此作為新的教學(xué)手段，提高多媒體課堂教學(xué)水平和增加雙語(yǔ)教學(xué)建設(shè)。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中增加CFD試驗(yàn)部分，提高了實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，為傳熱學(xué)教學(xué)改革開(kāi)辟了一條新途徑。

［關(guān)鍵詞］CFD傳熱學(xué)教學(xué)改革

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）06-0119-02

引言

傳熱學(xué)課程是湖南城市學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是我校重點(diǎn)建設(shè)的課程。由于傳熱學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)多，課時(shí)在教學(xué)改革的推進(jìn)中又不斷被壓縮，在這個(gè)矛盾中，學(xué)生們常感覺(jué)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)不夠深入，有許多問(wèn)題想進(jìn)一步進(jìn)行深究卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量有所下降。作為教師應(yīng)當(dāng)如何高效地利用課堂時(shí)間提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生們能夠真正掌握該門(mén)課程所需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，為以后專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，是當(dāng)前傳熱學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革的重點(diǎn)及難點(diǎn)。要解決以上矛盾問(wèn)題就必須提高學(xué)習(xí)效率，筆者認(rèn)為將目前常用的計(jì)算機(jī)輔助手段引入傳熱學(xué)教學(xué)將有效解決這一矛盾現(xiàn)象。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD技術(shù)是利用質(zhì)量守恒，牛頓第二定律和能量守恒這三大定律的最基本形式，即積分方程或者偏微分方程轉(zhuǎn)換成離散代數(shù)形式，然后求解代數(shù)方程得到離散的空間或時(shí)間上的流程數(shù)值，從而揭示其物理特性和規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，目前已成為十分熱門(mén)的研究領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于換熱器流固熱耦合三維流場(chǎng)仿真、電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)、通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)、多種翅片管換熱及流動(dòng)特性模擬、多孔介質(zhì)區(qū)域流動(dòng)模擬、建筑風(fēng)場(chǎng)模擬、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外流場(chǎng)模擬等許多工程領(lǐng)域。目前已有部分高校教師嘗試將CFD技術(shù)應(yīng)用到 “傳熱學(xué)”的教學(xué)中，該教學(xué)方法能夠?qū)⒏鞣N課堂上學(xué)習(xí)的傳熱現(xiàn)象在屏幕上生動(dòng)、形象地通過(guò)CFD軟件模擬，對(duì)于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，可以通過(guò)計(jì)算結(jié)果的云圖方式表示出來(lái)，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，可以以動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)畫(huà)形式表示出來(lái)。通過(guò)模擬畫(huà)面與基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行對(duì)比，能夠加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解，另外，計(jì)算機(jī)模擬又能十分靈活地改變各種參數(shù)，參數(shù)變化后能得到不同的結(jié)果，這也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

在學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的過(guò)程中，大部分學(xué)生都反映傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論比較晦澀難懂，特別是講到對(duì)流傳熱部分，大篇幅內(nèi)容都是講經(jīng)驗(yàn)公式，讓學(xué)生印象不深。作為老師在課堂上沒(méi)有具體動(dòng)態(tài)地將傳熱現(xiàn)象講授給學(xué)生，容易造成傳熱學(xué)理論知識(shí)學(xué)習(xí)無(wú)法與工程實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)于傳熱學(xué)這樣實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該現(xiàn)象需要盡快轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的教學(xué)把實(shí)踐部分的教學(xué)放在實(shí)驗(yàn)室中，但是由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)課時(shí)等問(wèn)題約束，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生們的需要，比如實(shí)驗(yàn)室的器材無(wú)法給每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)都成為演示性的實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)際不能相結(jié)合的問(wèn)題突出。僅使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法講授傳熱學(xué)課程，其教學(xué)效果無(wú)法得到保障，而該學(xué)科在本專(zhuān)業(yè)中十分重要，對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)的掌握程度將直接影響其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

CFD技術(shù)與傳熱學(xué)教學(xué)相結(jié)合是解決上述問(wèn)題的捷徑，傳熱學(xué)中的一些傳熱過(guò)程是可以通過(guò)CFD軟件在課堂上進(jìn)行簡(jiǎn)單的演示性模擬的，特別是對(duì)一些在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，更能體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢(shì)。而且模擬過(guò)程以及結(jié)果都以彩色畫(huà)面在屏幕上展示出來(lái)，很直觀，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳熱過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)。在課堂上也能傳授一部分CFD軟件的應(yīng)用入門(mén)知識(shí)，學(xué)生們掌握一定的應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)后也能獨(dú)立地動(dòng)手來(lái)模擬甚至探索書(shū)本以外的傳熱現(xiàn)象，如果在這個(gè)過(guò)程中遇到難題也更愿意探索深究其中的原因，如此良性循環(huán)不但能增加課堂生動(dòng)性，提高每位學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也得到了最佳的教學(xué)效果。

二、教學(xué)手段的改進(jìn)

（一）多媒體教學(xué)

目前在課堂上應(yīng)用最為廣泛的是PPT，其特點(diǎn)是形象、生動(dòng)、容易制作，但對(duì)于建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)這樣的工科專(zhuān)業(yè)而言，更重要的是理論與實(shí)踐相結(jié)合，PPT在直觀性方面還有待加強(qiáng)。而與實(shí)踐沒(méi)有緊密聯(lián)系的教學(xué)方法必然與當(dāng)前學(xué)校教育改革的精神相背離，也與大學(xué)教育的本質(zhì)相沖突。在這種情況下多媒體教學(xué)的改革勢(shì)在必行，筆者認(rèn)為教學(xué)手段除了多媒體PPT教學(xué)外應(yīng)該加入一部分CFD軟件的模擬教學(xué)內(nèi)容。例如在導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值解法基礎(chǔ)一章中，如果按照教材中所提示的，在課堂中用PPT演示區(qū)域與時(shí)間的離散化，就會(huì)相當(dāng)抽象，對(duì)于初次接觸導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值解法的學(xué)生們來(lái)說(shuō)比較晦澀難懂，但是如果引入CFD技術(shù)，比如通過(guò)fluent軟件中的前處理軟件gambit對(duì)某一生活中常見(jiàn)的物體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，就能生動(dòng)形象地解釋離散的含義，有利于學(xué)生們對(duì)課堂知識(shí)的理解。

（二）雙語(yǔ)教學(xué)

在課堂中，特別是課件中應(yīng)引入雙語(yǔ)教學(xué)。一方面，要了解傳熱學(xué)的最新的研究進(jìn)展必須查閱外文期刊、國(guó)際會(huì)議論文集以及相關(guān)領(lǐng)域國(guó)際知名研究人員的研究報(bào)告，如果在該領(lǐng)域進(jìn)行研究，無(wú)論是參加國(guó)際會(huì)議還是撰寫(xiě)科技文章，都需要用到專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)，因此在課堂中學(xué)習(xí)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)是十分必要的；另一方面，各類(lèi)CFD軟件都是英文界面的，掌握好專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)對(duì)CFD軟件的理解也能提供很好的幫助，以FLUENT軟件為例，該軟件為全英文的，目前也有許多該軟件的教材，教材的形式往往是以實(shí)例教學(xué)為主。在這些教材中，對(duì)實(shí)例中的操作進(jìn)行了詳細(xì)的講解，而對(duì)于專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)學(xué)得好的學(xué)生，其中各種參數(shù)的設(shè)置含義將十分清晰，學(xué)習(xí)效果也將事半功倍，而如果專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)不太好，對(duì)于參數(shù)設(shè)置半知半解，學(xué)習(xí)完這些教程也沒(méi)有理解其實(shí)質(zhì)，往往事倍功半。學(xué)生如果想自學(xué)該軟件也必須學(xué)好專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)。

三、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

除了課堂上，傳熱學(xué)教學(xué)中另一個(gè)重要的部分就是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)加深學(xué)生們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握并提升其創(chuàng)新能力，是教學(xué)改革的一項(xiàng)重要任務(wù)。

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)以實(shí)驗(yàn)為主，這一點(diǎn)作為實(shí)踐教學(xué)的根本，必須繼續(xù)加強(qiáng)，一方面積極推進(jìn)學(xué)校實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)，把硬件設(shè)備建設(shè)好是學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性研究的基礎(chǔ)。另外，作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，將CFD技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)也是十分可行的，CFD技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)后能提高實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，而且該技術(shù)在以后的學(xué)習(xí)工作中都將有用武之地。在設(shè)計(jì)CFD實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)設(shè)定不同的條件，來(lái)保證學(xué)生們的題目都不相同，都必須進(jìn)行獨(dú)立思考，避免了互相抄襲的現(xiàn)象。同時(shí)CFD試驗(yàn)帶有更多的不確定性，一個(gè)設(shè)定條件的改變都能影響最后模擬的結(jié)果，這勢(shì)必會(huì)帶來(lái)課下更多的學(xué)習(xí)探討，開(kāi)拓了學(xué)生的思維，不光在課堂上聽(tīng)老師講解，更要自己動(dòng)腦學(xué)習(xí)，除了掌握所學(xué)知識(shí)，更能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

四、總結(jié)

將CFD技術(shù)引入“傳熱學(xué)”課堂教學(xué)中，通過(guò)CFD軟件強(qiáng)大的圖形顯示功能，使學(xué)生更易于理解和掌握課程中的基本理論，能有效解決課程教學(xué)中的一些難于講解的問(wèn)題，提高多媒體課堂教學(xué)水平。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中增加CFD試驗(yàn)部分，提高了實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，為傳熱學(xué)教學(xué)改革開(kāi)辟了一條新途徑。

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［責(zé)任編輯：左蕓］