体现航空特色的《传热学》教学改革探讨

----以飞行器动力工程专业为例

姚 玉，吴逸飞

（南昌航空大学 飞行器工程学院 南昌 330063）

[摘  要]《传热学》是研究热量传递规律及其应用的工程技术学科，是飞行器动力工程专业一门重要的专业学位课程，具有涉及的知识面广，实践性强的特点。该课程传统的教学内容过于偏重经典的传热学理论，没有体现出航空类专业的特色。为此，结合专业特点，提出了调整教学内容，增加航空特色和课程思政，以及更改考核方式等方法，从而提高学生使用知识解决问题的能力，增强实践能力，启发独立思考能力，提高自主学习积极性，达到良好教学效果的目的。

[关键词]传热学；飞行器动力工程；航空；教学改革

[基金项目]2019年，国家自然科学基金：旋转状态收敛缝形气膜孔的冷却特性（51866010）；2016年，南昌航空大学第二批创新创业教育课程培训项目：传热学（KCPY1627） 。

[作者简介]姚玉（1982-），女，河南汝南人，南昌航空大学飞行器工程学院，副教授，博士，主要研究方向：传热与燃烧；吴逸飞(1980-)，女，江西玉山人，南昌航空大学飞行器工程学院，讲师，博士，主要研究方向：航空发动机复杂流动机理研究。

[中图分类号]G642.0    [文献标识码]A   

《传热学》是能源动力、机械工程、航空航天等相关专业的一门重要技术基础课，是研究热量传递规律及其应用的工程技术学科。本课程可使学生获得比较宽广和扎实的有关热量传递的基本理论知识，相应的分析计算能力和一定的实验技能训练。本课程为后续专业课程的学习奠定必要的理论基础，同时通过本课程的学习，不仅为学习专业知识提供扎实的理论基础，为有关的工程技术课程提供基本的理论知识，也为培养提高学生分析和解决工程实际问题能力提供了重要环节，学好本课程为学生以后从事热能的合理利用、热工设备效能的提高、换热器的设计、开发研究及航空发动机热端部件的研究等方面的工作打下必要的基础，因此受到广大师生的高度重视。

一、课程教学现状

《传热学》课程是飞行器工程学院飞行器动力工程专业的学科基础必修课，涉及的知识面广，实践性强，在飞行器工程学院的课程中居于重要地位。该课程教学内容包括稳态热传导、非稳态导热、热传导问题的数值解法、对流传热的理论基础、单项对流传热的实验关联式、相变对流传热、热辐射基本定律和辐射特性、辐射传热的计算、传热过程分析与换热器的热计算等^[1]。由于传热实验设备的欠缺，学生没有实际动手操作，缺乏理论与实践的结合。从教学的知识结构来看，该课是在《工程热力学》和《流体力学》课程基础上关于热的理论，课程内容过于偏重热量的理论计算，并没有体现出航空类专业的特色。

随着现代科学技术的发展，航空发动机高温部件的设计也发生了巨大的变化，近十几年来，在该领域不断以创新的科技和先进的热传递技术引领着向前发展。对飞行器动力工程专业的学生而言，为了使学生更好地、有针对性地掌握本专业传热领域的相关技术，该课程教学内容的改革将势在必行。为此，本文结合我校飞行器动力工程专业现状，对《传热学》提出相关的课程改革思路和心得。

期望通过课程改革之后的学习，学生能熟练掌握导热、对流和热辐射三种热量传递方式的物理概念、特点和基本规律，能综合应用这些基础知识正确分析工程实际中的传热问题；能掌握计算各类热量传递过程的基本方法，能对典型的工程传热问题进行计算；了解强化或削弱热量传递过程的方法，能提出工程实际中切实可行的强化或削弱传热的措施；也能更加熟悉了解航空发动机热端部件的典型冷却措施，以及多种方法相结合的复合冷却方法等，能根据不同零部件采用不同的强化或削弱的换热措施。

通过课程改革之后，《传热学》更能体现专业特色，学生获得比较宽广和巩固的热量传递规律的基础知识，具备分析航空工程传热问题的基本能力，掌握计算航空工程传热问题的基本方法，并具有相应的计算能力，为后续的科研工作打下坚实的专业理论基础。

二、保留传统，增加航空特色

在最新一版的教学大纲中，飞行器动力工程专业的《传热学》课程新增加了4个理论课学时和4个实验课学时。因此，在课程教学过程中，可适当对教学内容进行调整，原有的基本传热学理论知识保留，在一些章节部分加入有关航空发动机热量传递方法的教学内容，以求让学生相对全面了解航空发动机的传热问题，培养学生具有基本的航空发动机热端部件传热的基础知识，启迪学生创新性思维，开发学生的创新潜力。

例如，在绪论部分，逐步引出传热学在航空宇航科学技术中的典型应用问题。课堂教学的引出思路为：首先说明在航空技术领域，发动机推重比和燃油消耗率是衡量航空发动机技术水平的综合性指标，航空发动机的技术进步主要体现在推重比的提高和燃油消耗率的降低上。接着给出航空燃气涡轮发动机的工作原理，采用的是布莱顿循环热力循环，再根据《工程热力学》学习过的发动机理想的热力循环^[2]，指出提高循环的最高温度是改善各种热能动力机械性能最基本的技术途径。对航空燃气涡轮发动机而言，这个最高温度对应的即是涡轮进口温度，也就是提高涡轮前进口温度可以有效地提升功率和热效率，是改善航空发动机特性的关键技术，从而引出在航空燃气涡轮发动机的发展过程中涡轮前温度的变化趋势。涡轮前温度近年来在逐步提升，而且越来越高，目前这个温度已导致高温部件的工作环境温度远超材料的耐热极限，而且高温合金材料的发展趋势远远赶不上涡轮进口温度的发展速度^[3-4]。因此，为保证各部件的正常运转，与温度提升相对应的各种强化冷却技术也在不断地更新。在此背景下，引出传热学面临的挑战有：精确的传热分析模型和高效的强化传热技术。在讨论精确的传热分析模型部分，指出受热状态是影响燃气涡轮动力装置高温零部件可靠性和寿命的决定因素之一，并且在涡轮叶片设计中，温度估计的100K温差将带来叶片寿命一个数量级的误差，因而为了保证这些高温部件可靠的工作，不得不采用“过冷却”的办法来弥补对温度估计的误差，但这样就不能充分有效地利用现有的冷却技术。因此，如果能得到更为精确的传热分析模型，把温度的估计更为精确，就可以既保证这些高温部件的寿命，又可以充分利用现有的冷却技术，从而尽可能的提高涡轮前温度。在讨论高效的强化传热技术部分，指出为了适应涡轮叶片进口温度不断提高的高性能燃气轮机的发展趋势，国内外普遍应对的技术途径集中在两个方面，高温耐热材料的研究和高效传热冷却技术的研究。很显然，在材料受限的情况下，如能有更加高效的传热冷却技术，航空发动机的涡轮前进口温度又可进一步提高。增加的这些航空特色的内容，明显吸引了学生的注意力，同时适时提出的问题，加强了与学生的互动，使得他们对工程问题更加感兴趣，对传热学更加有兴趣，提高了学习的主动性。

在热传导问题的数值解法中，除保留单纯的理论讲解之外，还引入了CFD的计算样例，让学生在动手中主动学习，增加了学习的自主性。例如针对某型涡轮叶片，课堂教学之前引导学生事先采用Ansys软件对其温度场进行数值模拟，可以让学生查询资料，自主设定不同的设计状态，得到对应的温度场。课堂上就可以根据数值计算得到的温度场，引导学生分析涡轮叶片为何不同区域的温度场分布不同，而温度场又能反应出哪些有关传热学的问题，各个区域处分别采用哪些换热方法可以对涡轮叶片形成更好的保护，以及各个设计状态的变化又会对温度场带来哪些影响等。这些内容可以通过采用布置大作业的形式，要求学生使用学习过的计算软件，对叶片进行建模、网格划分、设定边界条件以及计算分析。在这个过程中锻炼了学生对计算软件的实际操作能力，对航空发动机高温部件的冷却换热措施有了更为直观的了解，对传热学的学习有了更加明确的目的。

在仔细学习了热量传递的三种基本方式之后，增加了传热学专题，对典型的航空燃气涡轮发动机高温部件的换热方法进行了较为详细的介绍。航空发动机热端部件的换热所涉及的方法非常广泛，包括气膜冷却、发散冷却、冲击冷却、扰流柱增强换热、肋增强换热、以及多种传热方法相结合的复合冷却方法等。对每种典型的换热方法，分别针对它们的换热原理，与学生讨论可采用的强化和削弱换热的方式，同时有针对性的根据国内外发表的研究内容分别进行详细的讨论，引导学生提前进入有关科研的探索。通过传热专题的引入，让学生对传热学在科研中的应用更为熟悉，对传热学的兴趣更为浓厚。

在《传热学》的实验课中，适时引导学生加深对航空发动机热端部件换热方法的理解。例如，气—汽对流传热系数测定实验中，通过对比普通和增强型对流换热系数的数据，与学生探讨应用于涡轮叶片增强换热方法的可行性，让传热学在航空方向的应用更加直观，从而加深理论学习的印象，更容易对传热学产生兴趣。

三、提高自主学习积极性

教学过程中突出以学生为主体。例如，探讨到某热端部件的换热方法时，在教学前要求学生提出各自的看法，以问题为载体，通过启发与引导，加强与学生的互动。学生通过网络、书籍收集相关的文献、分析现有的典型换热方法，也可以提出自己的创新想法，培养学生独立思考，使其具有批判性和创造性思维。

教学过程中注重学以致用的目标。例如，在学习涡轮叶片的换热方式时，使学生充分理解导热、对流、辐射三种基本传热方式的特点，结合工程实际，运用所学知识和理论，培养学生对具体高温部件热交换的要求进行分析，选取合理的冷却技术，从而培养学生解决问题的能力和创造能力。

由于《传热学》的理论与实践性均较强，为了学生直观的接收课堂知识，便于学生的学习，教学过程中，充分利用信息技术与网络技术，建设数字化教学资源库，探索基于网络的探究性教学新模式，便于学生课外与教师交流互动，营造学生自主学习的氛围。让学生真正参与到教学中，增强信心，增加兴趣，提高自主学习的积极性。

四、加入课程思政环节

2016年习近平总书记在全国高校思想政治工作会议中指出：高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面^[5]。

2020年教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》^[6]，指出把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量。全面推进课程思政建设，就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，这是人才培养的应有之义，更是必备内容。要紧紧抓住教师队伍“主力军”、课程建设“主战场”、课堂教学“主渠道”，让所有高校、所有教师、所有课程都承担好育人责任，守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思政课程同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局。全面推进课程思政建设，教师是关键。专业课程是课程思政建设的基本载体。要深入梳理专业课教学内容，结合不同课程特点、思维方法和价值理念，深入挖掘课程思政元素，有机融入课程教学，达到润物无声的育人效果。

对专业课而言，以专业技能知识为载体加强大学生思想政治教育，具有强大的说服力和感染力，有助于将课堂主渠道功能发挥最大化，扭转专业课程教学重智轻德现象，具有其他教育方式不可替代的优势^[7]。因此，在《传热学》课堂教学中，适时融入了思政元素。

例如，绪论中分析了传热学在航空宇航科学技术中的典型应用问题之后，可以与学生探讨我国航空发动机的发展历程，介绍从建国以来不断奉献的一代代航空人，培养学生的爱国精神，奉献精神等。

在传热学专题中，让学生主动去寻找资料，提出见解、看法，将学生主体性、自主能动性与教师主导性融为一体，发挥学习产出型教学和即时型教学评价的优势，激发学生学习的内动力。

在传热学实验中，严格要求学生实验操作的规范性，告诉他们应当用严谨的态度对待学术科研之路；通过整理记录实验数据，向学生强调学术诚信的重要性。

对传热学课程思政，要结合课程特点，通过言传和身教切实实现隐性育人，为立德树人、全程育人、全方位育人贡献力量。

五、课程考核方式改革

以往传热学的课程考核方式为：平时成绩30%+期末笔试成绩70%相结合。改革后的考核标准保持不变，但考核的具体内容发生变化。

改革前的平时成绩主要包括课本作业+出勤，而改革后除继续保留这两项外，还增加了课堂讨论成绩和以航空传热学为主题的大作业成绩，并且占据平时成绩的大比重，从而让平时成绩更能反应学生的学习态度和积极性，更加公平合理。

改革前的期末试卷仅以课本的理论知识为考核范围，改革之后加入了一些有关航空类的简答分析题，更能检测出学生对有关知识学习理解的效果。

六、小结

作为高校授课教师，要充分利用好课堂教学，结合课程和专业特点，激发学生的学习兴趣以及对本专业的热情，充分发挥学生的主观能动性和创新性，立足专业课堂培养多方位综合性人才。

[参考文献]

[1] 杨世铭, 陶文铨. 《传热学（第四版）》[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2] 沈维道, 童钧耕. 《工程热力学（第五版）》[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[3] 曹玉璋, 陶智, 徐国强, 等. 《航空发动机传热学》[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.

[4] 倪萌, 朱惠人, 裘云, 等. 航空发动机涡轮叶片冷却技术综述. 燃气轮机技术, 2005, 18(4): 25-33.

[5] 习近平. 把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[N]. 人民日报, 2016-12-9.

[6] 教育部. 教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL]. （2019-6-10） [2020-6-1]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html．

[7] 高德毅, 宗爱东. 从思政课程到课程思政: 从战略高度构建高校思想政治教育课程体系[J]. 中国高等教育, 2017(1): 43-46.

Discussion on the Teaching Reform of "Heat Transfer" Reflecting Aviation Characteristics

----Taking the Aircraft Engine Engineering as an Example

Yao Yu, Wu Yi-fei

(School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang, 330063, China)

Abstract: Heat transfer is an engineering technology subject that studies the law of heat transfer and its application. It is an important professional degree course for aircraft engine engineering. It has the characteristics of wide range of knowledge and strong practicality. The traditional teaching content of this course pays too much attention to the classical heat transfer theory and does not reflect the characteristics of aviation specialty. Therefore, combined with the specialty characteristics, this paper suggests some methods such as adjusting the teaching content, increasing the aviation and curriculum ideology and politics, and changing the examination methods, so as to improve the students ability to use knowledge to solve problems, enhance the practical ability, inspire the ability of independent thinking, improve the enthusiasm of autonomous learning, and achieve the purpose of good teaching effect.

Key words: Heat Transfer; Aircraft Engine Engineering; aviation; teaching reform