能源化学工程专业作为化工、材料、工程热物理等领域的新兴交叉学科，积极响应我国及全球范围传统能源升级换代、可再生能源和新能源材料开发的迫切需求，意在培养为科学利用和可持续发展绿色能源做出突出贡献的高水平创新型人才[1]。传热学是能源化工必修专业基础课，在工程领域与日常生活中都具有十分广泛的应用，也是连接基础课与专业课的重要纽带[2,3]。通过传热学学习，使学生了解传热技术的发展方向与趋势，掌握传热学基本理论和现代新技术，具备解决实际工程中传热问题的能力 [4,5]。
本课程主要讲述了导热、对流及辐射三大热量传递方式及计算方法，涉及大量数学物理模型的理解及经验公式、半经验公式的应用[6]，具有“理论知识多、难度高、覆盖面广”等特点[7]。在针对能源化工专业的教学过程中，发现由于课程有难度、学生数理基础有限、对课程重要性认识不足等问题，传统教学模式(以教师为主导)易导致课堂枯燥、学生参与度不高、难以学以致用等问题[8]。同时，能源化工专业学生有良好的交叉学科背景，具有视野广、综合能力强等优点。因此，如何针对能源化工专业特点，在传热学课堂教学“取长补短”，提高课程趣味性与生动性，探索创新教学方式，强化学习效果，促进理论与实践能力的提高，是待解决的迫切问题，也是提高教学质量的关键。本文以2018年以来华南理工大学化学与化工学院能源化工专业传热学课程教学改革为例，简述了包括翻转课堂、仿真实验、实例探讨等探索实践，探讨了提高传热学教学质量、培养学生创造性思维能力的途径。
1 传热学教学与专业特色
华南理工大学能源化工专业源于2004年，2011年获批广东省特色专业，是化学工程与技术的重要分支学科，也是解决人类必须面对的能源和环境问题的重要新兴前沿特色学科之一。正是由于这一新兴专业鲜明的交叉学科特色，给传热学经典课程教学带来了不一样的特色与问题。具体如下：
(1) 能化专业培养方案中包含大量化学与化工相关课程，例如四大化学（无机化学、有机化学、物理化学、分析化学）、化工系统工程及化学反应工程等。学生对于化学及化工方面知识面广、了解深，特别是对其在实际工程中的应用兴趣较浓。然而，受“大化类”招生及课程影响，该专业学生数理基础一般，数学、物理等先修课程有限（例如大学物理仅6学分），对物理模型构建及数学推导有畏难情绪，传热学授课中常见学生跟不上进度、难以理解消化等现象。
(2) 能化专业作为分支学科，虽单独开设传热学、流体力学、传质与分离等课程，如继续深造则必须报考化工专业，以“化工原理”或“物理化学”作为入学考试或面试专业课。这一定程度上导致了学生对本课程重视程度不够，对于课程知识特别是基础理论不愿深究，只希望老师简单的传达如何解题、如何应付考试等内容。实际授课中发现涉及模型或推导的课程学生普遍存在开小差、写其他科目作业等情况，影响了教学质量和秩序。
(3) 该专业学生有良好的交叉学科背景，在化工、材料、建筑、能源甚至计算机等领域均有课程涉及，文献检索、自主学习能力较强，对于案例分析等研究性学习方式亦有着浓厚的兴趣及优势。而传统教学方式过于侧重知识传授，教学内容过于理论化，很难与工程实际紧密结合，也无法反映出能化专业的特色。
总结以上问题，可以看出能化专业学生学科交叉背景好、知识面广、综合素质强、对实际应用兴趣浓。但传热学传统授课方式难以结合该专业学生兴趣点和优势，受限于学生数理基础有限、对课程重要性认识不足等问题，导致学生主动性、课堂参与度不佳，教学效果不理想，实施教学改革势在必行。
2 教学改革探索
在华南理工大学校级教改项目支持下，2018年起笔者连续三年对能源化工专业必修课传热学实施教学改革探索，提升学生参与度，重视学生在学习过程中的主体地位，旨在建立起教学相长的课堂氛围、激发学生的主动性和创新性。具体包括：
针对能化专业学生有化工、材料、建筑、能源甚至计算机等领域良好的学科交叉背景，对实际工程兴趣浓等特色，在教学内容中加入了世界能源变革与我国能源战略转型简介。通过举例、新闻分享及热点研究速递等介绍近年来我国在石油化工、空天技术、清洁能源及分布式能源发展等重大进展及大型工程，讲解传热至关重要的作用，将思想政治教育有机融入课程教学。
笔者在教学过程中，贯穿“传热无时不有,无处不在”的特点，引导学生发现及观察身边的传热现象，从衣食住行到空调系统、农作物种植，再到温室效应、全球气候变化、空间探索等，让同学深刻认识到传热在实际生活、工程及尖端技术中的重要地位，加强对节能减排的理解。进一步的，引入科学探究元素，如在讲解导热原理、导热系数概念时，引入材料微观结构改进如高导热塑料制备、石墨烯改性等对于导热性能的影响，现场展示所在团队研发的高导热、高绝热材料，让学生直观感受到科技发展的魅力、触摸到科学前沿。通过课程思政建设，强调了传热学的重要性及能化专业同学在当代“能源技术革命”中的使命与担当，大大提升了学生对课程的重视程度。
(2) 微课+翻转课堂
微课+翻转课堂是此次教学改革的重点。针对学生数理基础有限、课程难度较高等问题，选取了传热学课程中有代表性及涉及数学物理模型的理论知识点，制作了每个约15分钟的微课（见表1）。每一微课集中讲解一至两个知识点，采用PPT+手写板+背景声音讲解的方式，结合动画、激光笔指示及手写功能，力求呈现类似于“板书推导”的展示方式与速度。视频除知识点介绍及公式推导过程，还包括相关背景及数学基础，便于学生有针对性的进行查找复习。此外，微课末尾还附有开放式问题供学生思考。
基于微课视频，翻转课堂主要采用“课前学习+课堂讲解讨论+课后复习”的方式进行。课前，学生预习相关微课，根据自己数学水平自定步调学习，并可有目的的复习相关数学知识。授课过程中，课堂节奏紧凑，采用提问、讨论、测试等较为生动的教学手段，对知识点及数学物理模型进行更深入的讲解，并根据学生在微课学习中的难点进行答疑解惑和应用提升。课后，学生可根据自己的理解程度，通过慢放、重播等方式对微课进行反复学习。
这一教学模式充分考虑学生诉求，帮助背景不同、数学水平有差异的学生更好的掌握及内化单个知识点，令学生更好及更有连贯性的理解传热学课程内容。学生不再是被动的接收者，而是教学活动的中心，教师则可根据学生在微课及课堂学习的反馈，及时有效的指导及促进学生知识的吸收与运用能力。
表1 传热学微课列表
Tab 1. List of Video Micro-lessons of “Heat Transfer”
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序号 |
微视频名称 |
所属章节 |
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1 |
导热微分方程推导过程 |
第二章 |
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2 |
一维稳态导热问题分析解 |
第二章 |
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3 |
临界热绝缘直径推导过程 |
第二章 |
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4 |
等截面直肋导热推导过程 |
第二章 |
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5 |
集中参数法推导过程 |
第三章 |
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6 |
典型一维物体非稳态导热分析解 |
第三章 |
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7 |
热平衡法建立内节点离散方程 |
第四章 |
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8 |
对流换热微分方程组推导过程 |
第五章 |
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9 |
边界层型对流传热微分方程组 |
第五章 |
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10 |
相似原理及量纲分析的应用 |
第五章 |
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11 |
自然对流传热控制方程推导过程 |
第六章 |
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12 |
膜状凝结边界层微分方程组的求解 |
第七章 |
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13 |
兰贝特定律 |
第八章 |
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14 |
基尔霍夫定律 |
第八章 |
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15 |
|
第九章 |
（3）应用案例探讨
应用案例探讨是教学改革的又一重要内容。能化专业学生知识面广，文献检索及自主学习的能力较强。探讨案例是综合性、挑战性较强的教学环节，考察学生综合运用所学传热学原理分析、解决实际问题，适于发挥本专业学生优势，对学生有较强吸引力。案例设定中，教师针对课程中导热、对流传热、辐射或传热综合等重点内容，提出某种生活或工程实践领域，主动引导学生，鼓励学生独立思考。学生分析这一现象中所涉及到的传热学知识点，通过阅读文献、查找资料及讨论总结等进行学习研究，撰写相关建模、计算过程及结果报告，并及时与老师交流。最终报告在学期末以类似论文答辩的形式进行，回答教师及同学问题，并作为期末考核的一部分进行评分。
以石油输送中的传热问题这一应用案例为例（见图1），热油沿管路输运过程中会不断散热，使得油流粘度升高，可能导致管道内结蜡、摩擦阻力急剧升高等问题。输运管道需要保温，还需要考虑当地土壤环境及气候，还需设置加热站和泵站。因此，该项目是一个典型的多层圆筒壁导热与对流传热综合问题，还涉及了传热学与热力学、流体力学的综合应用。在假设或已知当地情况及输运工况的基础上（需学生查阅文献获得），要求学生对于管道保温层厚度、进出口油温、加热站和泵站容量等进行计算校核，撰写设计报告并进行口头答辩。近两年来采用过的部分案例题目见表2。
案例探讨以学生为中心，以探究式学习模式为基础，引导学生思考让学生对获得的知识加以运用，解决实际问题。这一过程实现了理论知识和项目的结合，使学生有较强的满足感，对提高学生课堂参与度、激发学生兴趣十分有益。不仅帮助学生更好的掌握基本科学知识，更培养了学生创新、合作、逻辑、演讲等综合素质，从而激发学生的内驱力。
图1 案例介绍之石油输送中的传热问题
Fig 1 Practical case introduction: Heat transfer in the oil transportation
表2 传热学部分应用案例题目
Tab 1. Discussion topics of some practical cases
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序号 |
案例题目 |
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1 |
导热在建筑围护结构中的应用 |
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2 |
对流传热在军事领域的应用 |
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3 |
辐射传热与太阳能应用 |
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4 |
对流传热与电子冷却中的应用 |
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5 |
传热综合：能源动力电池中的传热问题 |
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6 |
传热综合：石油输送中的传热问题 |
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7 |
传热综合：汽车余热利用 |
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8 |
传热综合与暖通系统节能 |
3 结论
综上所述，针对能源化学工程专业学生有良好的学科交叉背景、但数理基础有限、对课程重要性认识不足等问题，实施了包括“微课+翻转课堂”、“课程思政建设”及“应用案例探讨”等环节的传热学课程教学改革，意在突出能化专业学生优势、增强认同度、理论与实际结合，引导学生自主性学习、思考问题，激发学生兴趣和主动性。课程改革取得了良好的教学效果，学生兴趣浓厚，对知识的掌握更为熟练，分析和解决问题的能力得到了提高。受到能化专业学生认可度较高，笔者评教分数连续三年超过4.7/5.0分（全院前10%）；2019/2020学年评教分为4.9分（全院前5%）。进一步的，这一教学探索激起了能化学生自主学习及探索实际现象背后机理的浓厚兴趣，三年来结课后有十多名同学继续参加由笔者指导的创新创业计划或毕业设计，有8人组队参加“互联网+”大学生创新创业大赛，1人以共同一作身份发表SCI期刊International Journal of Green Energy论文，3人获本科生综合论文训练院级优秀论文等。
传热学是一门很重要的专业基础课，期待着通过改进教学方式和提高教学效果，为培养具有工程实践能力和创新能力的高素质能源化工人才尽一份力。
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