多维度融合下的“热交换器原理与设计”教学实践

鞠晓丽 王富强 于秋红

[摘 要] “热交换器原理与设计”是能源动力专业的核心课程之一，为了培养适应新世纪能源动力类创新型人才，本文针对目前课程教学中存在的突出问题，提出了“学与问”“经典与前沿”“科研与教学”“正反向思维”多维度融合的教学模式和教学方法，并用具体的实例探讨了一些体会和观点。

[关键词] 多维度融合;热交换器原理与设计;教学实践

[基金项目] 2018年度山东省本科教改项目“‘能源与动力工程专业阶梯式科教融合的教学方法对创新人才培养的研究”（M2018B3312）

[作者简介] 鞠晓丽（1977—），女，山东威海人，工学硕士，讲师（通信作者），研究方向为热交换器设计;王富强（1983—），男，黑龙江鹤岗

人，工学博士，教授、博士生导师，研究方向为高效太阳能热利用;于秋红（1963—），女，黑龙江哈尔滨人，工学学士，副教授，

研究方向为燃烧污染物排放控制。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）30-0277-02    [收稿日期] 2019-11-21

一、引言

热交换器的应用可以说是无处不有，它不仅是一种广泛应用的通用设备，同时也是诸多工业产品的关键部件[1]。随着能源的日趋紧张、环境保护要求的提高以及节能减排技术的发展，给热交换器提供了日益广阔的应用前景，促进了热交换器技术的快速发展[2]。

热交换器原理与设计是我校能源与动力专业本科生的专业核心课程之一，总学时为56个学时。通过该课程的学习，使学生掌握各种常见热交换器的工作原理、分类、设计方法，了解热交换器的实验研究方法、强化技术及性能评价，使学生具有设计能源动力设备的能力和初步的创新能力。本课程涉及面较广，工程实践性很强，学生在学习过程中很容易感到枯燥乏味。为了激发学生的学习热情，培养创新意识，提升实践能力，笔者结合近几年的教学经验，对本课程提出了多维度融合的教学实践改革。

二、教學实践

1.学与问的融合。课堂教学是一种有组织、有计划的师生互动的过程。传统课堂的互动环节，通常以教师为中心，题目由教师设计，采取“教师提问—学生回答”的单向模式。长期以来，导致学生的思维模式完全受教师的教学思路所束缚，缺乏主动性，自主意识薄弱。为此，教师需要转换角色定位，放弃对教学的绝对控制，让学生成为问题的提出者。

“传热有效度—单元数法”是热交换器设计的重要方法之一，是本课程的核心理论，具有概念抽象、公式复杂的特点。笔者在课堂中，首先抛开有效度复杂的计算公式，由简单的线图入手提出问题：“从顺、逆流有效度曲线图中，分别能发现哪些规律？”引导学生带着问题去思考，鼓励他们大胆提出疑问。针对提出的问题，课堂上给予充分肯定与解答。通过这种“学与问”的融合，学生不再是消极地接受知识，而是主动去理解，去探究知识的本质，提升了获取和应用知识的能力。

另外，学生在问题中也潜移默化地感受到了工程设计的理念，比如在设计热交换器时，不能不惜一切成本去追求高有效度、系统设计时要顾全大局、不能过度关注某个设备的性能等，这些理念的灌输为本课程的后续学习乃至未来的职业生涯都打下良好的基础。

2.经典与前沿融合。热交换器自诞生至今已经历了九个多世纪，在漫长的发展过程中，对热交换器设计的改进及新技术的开发从未间断过[2]。如何实现课程的与时俱进是教师必须思考的问题，笔者主要从以下两方面入手。

首先是优化课程内容。教材是课程内容，但不完全等于课程内容，因为课程内容所包含的新技术、新方法等在教材中难以同步更新。在讲到“管壳式热交换器”时，折流板作为管壳式热交换器的主要部件之一，影响着热交换器的传热和压降性能。教材中仅仅介绍了弓形和圆环（圆盘）形两种经典结构，这两种折流板虽然结构简单、可靠性高，但存在着压降与传热之间的突出矛盾。带着这一问题，引导学生去探索、了解多种前沿新型折流结构，比如螺旋折流板、改进型螺旋折流板、折流杆及折流栅等。通过课程内容的优化加深了学生对经典理论的理解，同时也领会到科学研究就是一个不断探索、不断创新的过程。

其次是优化教学方法，充分利用现代化教学手段，给学生营造一个以文字、图像、视频等为手段的多方位立体学习情景。在学习“板式热交换器”一节，首先通过动画让学生对该热交换器的原理产生初步的感性认识;然后利用视频展示制造加工工艺，对结构和特点产生更深入的理解;最后，针对关键元件—传热板展开详细探讨。笔者以某型号人字纹换热板片为例，引导学生利用计算流体动力学软件CFD进行数值模拟，并将模拟结果在课堂上进行演示分析。这种多媒体参与的教学过程，使学生对知识的认识实现了从“生动直观”到“抽象思维”的螺旋上升型路线前进，极大提高了学生的认知能力。

3.科教融合。开展科研与教学之间的良性互动是高校提高人才培养质量的重要手段。科教融合可使最新的科研成果转化为最新的教学内容，使学生能随着科学技术的进步而掌握最前沿的科技[3]。笔者所在的能源与动力工程专业，很多教师的科研项目都是围绕着热交换器设计及其应用，具备了较强的科研基础和丰富的实践经验。在讲到“紧凑式热交换器”时，由于涉及多类型的热交换器，内容繁杂。笔者以自身科研项目中LED灯散热器作为案例，将实际所设计的板翅式、热管式、针翅式等多种类型的散热器实体带到课堂上，并介绍所用过的设计方法及模拟软件ICEPAK的功能及使用情况。这种近距离观察和感受，激发了学生内在的学习动机，培养了科学研究的兴趣。

4.正、逆向思维的融合。长期以来，本课程教材内容的编写大都是正向思维模式，在介绍每一类热交换器时，通常按照基本构造、分类、工作原理和设计计算的顺序进行。学生在学习过程中，往往也沿着问题的正向去思考，造成学生对知识的理解表面化，影响了学生分析、解决问题的能力和创新能力的锻炼。而逆向思维是求异思维，是指为实现某一创新或解决某一因常规思路难以解决的题目和问题时，让思维向对立的方向发展和引申而采取反向思维寻求解决问题的方法[5]。

筆者在讲到“管壳式冷凝器”时，由于存在着复杂的相态变化，其结构上较常规管壳式热交换器有许多特殊之处。为了便于学生更好地理解这部分内容，在课堂上通过引入几个典型的工程失误案例，指出这些热交换器使用中存在着“排液不畅”“冷却效果差”及“振动或液击”等诸多问题，引导学生去思考。经过分组讨论与论证，学生很快找到了问题所在，这些问题的解决正体现了冷凝器所独有的特点。通过这种以问题为导向，“由果索因”的教学模式，不仅让学生能够在轻松的氛围中理解和接纳了那些原本难以理解的知识，更重要的是学会了如何学习，如何发现问题，如何推理、论证，同时也从中体会到发现自我及学以致用的喜悦。

三、结束语

学生个体发展总是要与社会的发展交织在一起[6]。随着我国能源结构的调整，可再生能源的开发和各种余热回收利用的推进，各种新型热交换器技术不断涌现，培养适应新时代的能源类创新型人才迫在眉睫。热交换器原理与设计作为能源与动力工程专业核心课程之一，必须紧跟社会需求步伐。本文结合教学内容和课程特点，提出的多维度融合的课程教学改革实践已初现成效，但仍需不断用心去探索、去实践。

参考文献

[1]史美中，王中铮.热交换器原理与设计（第6版）[M].南京：东南大学出版社，2018：1-2.

[2]张利，李友荣.换热器原理与计算[M].北京：中国电力出版社，2017：6-7.

[3]黄崇杏，许树沛，黄丽婕.科教融合的创新型工程专业人才培养模式[J].高教学刊，2019（17）：37-38.

[4]沙拉.换热器设计技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5]熊淑艳.高等数学教学中培养大学生逆向思维能力的探讨[J].2019（6）：66-67.

[6]李朝辉.教学论（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2016：121.

Teaching Practice of the Course on Heat Exchanger Principle and Design from the Perspective of Multi-dimensional Integration

JU Xiao-li，WANG Fu-qiang，YU Qiu-hong

（College of New Energy，Harbin Institute of Technology，Weihai，Shandong 264209，China）

Abstract：Principle and Design of Heat Exchanger is one of the core courses of energy and power specialty.In order to cultivate innovative talents for energy and power in the new century，this paper puts forward a multi-dimensional integrated teaching model and method of "learning and asking"，"classic and frontier"，"scientific research and teaching"，"positive and negative thinking" in view of the outstanding problems existing in the current course teaching.Some experiences and viewpoints are discussed with concrete examples.

Key words：multi-dimensional integration;Principle and Design of Heat Exchanger;teaching practice