《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程教學改革實踐

王旦 陳蔚芳

摘??要：傳熱學是研究熱量傳遞規律的科學，廣泛應用于工程技術領域。如何有效進行傳熱學的課程教育，解決傳統灌輸式教學效果不佳的問題，是高校相關專業教師面臨的難題。為解決傳熱學課程教學問題，本文依托高速直升機主減速器通風散熱需求，以共軸剛性旋翼高速直升機主減速器為研究對象，借助南京航空航天大學及某主機所的教育資源，進行傳熱學項目式課程教學改革實踐。作者將傳熱學的理論學習與實踐應用相結合，提出了以項目教學法為主，參觀教學法、線上研討教學法為輔的傳熱學課程教學方法。同時，作者從理論和實踐出發，進行了《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程的項目設計、課程設計，并在此基礎上，進行了傳熱學項目式課程教學實踐，取得了很好的教學成果。

關鍵詞：傳熱學；項目式課程；課程教學改革；直升機傳動

高功率密度傳動技術是重型和高速直升機研制的關鍵，高效散熱是實現高功率密度傳動技術的重要保證[1，2]。傳熱學廣泛應用于以直升機傳動系統為代表的現代機械產品設計中，是機械類專業本科生必須掌握的一項基本專業技能。本課程教學改革充分發揮南京航空航天大學在直升機技術領域的特色，依托于直升機傳動技術國家級重點實驗室，聯合某主機所，開展面向高功率密度直升機傳動系統的傳熱學項目式課程教改活動。通過組織實施高速和重型直升機傳動系統高效通風散熱仿真項目，使學生掌握傳熱學的基本定義、概念、原理和方法，理解三大守恒定律的基本內涵，熟悉熱力學方程、熱流耦合方程典型數值求解算法及其特點，了解直升機傳動系統的典型構型及其特點，能夠熟練使用?MATLAB和商業有限元軟件進行系統熱分析和熱優化。通過開展本課程的教學改革活動，使學生具備在產品開發設計中正確進行熱分析和熱設計的能力，樹立航空報國的情懷。同時，能夠有效解決傳統灌輸式教學存在的課程組織方式單一、教學效果不佳的問題[3，4]，為機械類專業傳熱學課程的組織形式提供借鑒。

本課程屬于項目式教學課程，因此將以項目教學法[5-7]為主，并輔以參觀教學法[8]和線上研討教學法[9]。在課程組織實施過程中，以項目為主線，教師為引導，學生為主體。學生通過開展相對獨立的科研項目研究，理論聯系實際，實現對傳熱學專業知識的高效學習。其中，項目設計是本課程教學設計的核心。項目將緊密圍繞高功率密度直升機傳動系統高效散熱需求，開展傳動系統飛行冷卻仿真分析，獲得典型工況下減速器溫度分布和減速器艙通風流場分布，建立不同參數對減速器散熱效率的影響規律，實現對減速器艙和通風系統的優化設計。項目實施過程中將注重穿插、融入傳熱學的基本定義、概念、原理和方法，使學生自覺構建相對完整和扎實的傳熱學相關基本理論知識和應用技能，具有鮮明的高階性、創新性和挑戰性特點。此外，課程充分發揮校企合作特色，赴某主機所開展直升機傳動系統試驗臺參觀教學活動，加強學生對項目研究背景的認識。同時，課程教學團隊成員包含某主機所一線工程師，課程組將定期開展線上研討，保證項目的工程實用性。

1?《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程的項目設計

項目是項目式課程的核心和靈魂，整個課程需圍繞項目的組織實施而開展，項目設計的成功與否決定著項目式課程的教學成敗以及最終效果。項目式課程的項目設計一方面需要兼顧本科生的知識背景和能力特點，另一方面區別于基礎理論課程，需要與科技攻關項目相結合，具有一定的前瞻性、創新性和挑戰性?！吨鄙龣C傳動系統中的傳熱學》將傳熱學基礎理論知識與直升機高功率密度傳動“卡脖子”技術進行結合，面向本科生開展項目式教學活動。直升機高功率密度傳動技術的攻克會涉及到多類傳熱知識，并且不同的傳熱學知識會在不同的技術攻關細節中體現。因此，如何從高功率密度傳動“卡脖子”技術中梳理出合適的研究點，使學生通過學習該課程形成相對系統完整的傳熱學知識，掌握面向實際應用的傳熱學專業技能，是本課程建設項目需要重點攻關的任務。本課程通過系統梳理傳熱學基本知識體系和直升機高功率密度傳動“卡脖子”技術的技術攻關點，在兩者間尋找結合點，從而完成課程的項目設計。

本課程項目面向高速直升機主減速器通風散熱需求，以共軸剛性旋翼高速直升機主減速器為研究對象，研究分析高速直升機主減速器不同工況下（懸停、高速前飛、干運轉等）的生熱情況和機匣表面的溫度分布情況，建立高速直升機主減速器艙的通風散熱熱流仿真模型，獲得典型工況下主減速器艙的流場和溫度場分布情況以及主要參數對高速直升機主減速器艙通風散熱效率的影響，為高速直升機主減速器的設計提供技術基礎[10]。具體內容如圖1所示，其中研究內容1側重于熱傳導、熱輻射相關內容的學習和訓練，主要是對主減速器機匣的熱源發熱量及換熱系數進行計算分析，并基于熱網格法和有限元法對主減速器的溫度分布進行研究，為主減速器艙飛行冷卻的仿真分析奠定基礎；研究內容2側重于熱對流相關內容的學習和訓練，在建立減速器艙幾何模型、關鍵散熱部件等效模型、減速器艙冷卻仿真模型的基礎上，考慮不同工況及環境的影響，對主減速器艙的流場和溫度場進行仿真分析。同時，兩大研究內容的順利開展需要學生熟悉溫度場、流場等數值求解方法和商業有限元仿真手段。一方面，需要考慮學生的先修課程是否充足，以確保授課對象具有足夠的知識儲備；另一方面，在項目式課程開展過程中，需要授課教師針對性對數值求解方法和有限元仿真方法進行講解，確保學生能夠高效、順利進行課程學習。

2?《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程設計

課程設計也是項目式課程的重要組成部分。合理的課程組織方式和課程評價方法是項目式課程高效開展的重要保證。區別于普通的基礎理論課程，項目式課程無法采取單純的講授式教學方法。項目式課程必須充分發揮學生的主導地位，教師只是起到引導作用。項目式課程更多采用研討等相對自由的教學方法[11]，但另一方面，項目式課程又需要避免課程組織過程中出現“放羊式”教學的不良現象，需要做到松弛有度。同時，區別于普通的大學生科技創新活動，項目式課程具有明確的教學目標。在項目式課程組織實施中，應注意課程知識點的貫穿；在項目進行的同時需要教師進行穿插授課、答疑，以保證學生能夠學習充足的傳熱學課程知識，順利完成項目設計。此外，項目式課程的課程評價方法也具有其特殊性，其必須與課程組織方式相適應，起到強化課程教學效果的作用。因此，如何構建寬松有序、富有效率的課程組織方式以及與教學方式相適應的課程評價方法是本課程建設項目需要重點開展的另一任務。本課程將在常規項目式教學方法的基礎上，充分發揮學校的航空航天行業特色，借助便捷的線上教學手段，定期與某主機所一線工程技術人員開展線上組會，強化項目的應用性。同時，在課程的評價過程中將充分考慮一線工程技術人員的意見，形成學生-導師-行業導師多維度評價方法，進一步確保該項目式課程的可行性。

綜合考慮教師授課時長需要、學生自主項目時長需要、線上研討時長需要，合理設置本課程的具體學時分布如圖2所示，總共32學時。其中，教師授課8學時，在項目進行過程中按周次間隔授課，對傳熱學的基本知識內容、數值計算方法、有限元仿真方法、高速直升機傳動技術及項目基本情況進行講解，搭建傳熱學的知識框架，講授課程知識。學生自主項目20學時，占總教學時長的最大比例，主要是學生進行高速直升機主減速器機匣溫度分布計算和主減速器艙飛行冷卻仿真分析兩方面內容，教師在學生自主項目進行時，應起到監督、引導、解惑的作用，與學生在線上、線下進行定期交流，避免出現“放羊式”的不良教學現象，確保該項目式課程順利進行。線上討論4學時，采用線上交流的方式，利于學生與一線工程技術人員的交流學習，使得項目成果更具有實用性。

3?《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程教學實踐

項目式課程教學實踐是檢驗項目設計和課程設計的重要和唯一途徑，在完備的項目設計以及精細的課程設計兩方面基礎上，作者利用南京航空航天大學的教學資源和環境，聯合某主機所工作人員進行線上指導，進行《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程教學實踐。本次教學改革實踐以大學生創新項目為依托，選取5名來自南京航空航天大學機電學院和理學院的大二、大三學生組成教學對象，以項目設計為主體內容、課程設計為時間主線，開展為期8個周的課程教學實踐。最終，該5名同學出色的完成了項目課程知識的學習、相關項目的研究以及課程最終的答辯考核。如圖3所示，為該組同學完成的高速直升機主減速器艙仿真模型以及部分仿真成果。該仿真模型具備高速直升機主減速器生熱量計算和主減速器艙溫度場、流場仿真能力，其中主減速器生熱計算考慮了輻射換熱的影響，本模型第一次實現了主減速器生熱計算和主減速器艙流場仿真的雙向耦合。通過與主機所一線工程技術人員進行線上項目成果交流，該項目式課程以及項目成果得到了肯定，具有一定的實用價值。

4?總結

針對工科專業傳熱學課程經典的灌輸式教學模式存在教學組織方式單一、課程教學效果不佳，無法滿足機械設計行業對學生熱設計和熱分析的能力要求，本文以高速直升機高校通風散熱項目為依托，開展了《直升機傳動系統中的傳熱學》項目式課程教學改革實踐，進行了課程項目設計、課程組織方式設計，在此基礎上進一步開展了項目式課程教學實踐，獲得了良好的教學效果?？紤]到進行項目式課程教學實踐并在實踐中優化項目設計和課程設計是課程建設項目的另一重要任務。未來可進一步借助流程記錄、問卷調查、訪談等多種手段，分別從學生、導師、行業導師、教學專家等多方位對課程實踐活動進行評估和分析，實現對項目設計和課程設計的迭代優化。

參考文獻

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基金項目：南京航空航天大學本科教學建設項目（課程建設類-“項目式課程”建設）《直升機傳動系統中的傳熱學》（項目編號：2021JG0532A）

作者簡介：王旦（1990-），男，漢族，江蘇泰興人，博士研究生，副教授，主要從事直升機傳動技術教學與科研工作。

陳蔚芳（1966-），女，漢族，江蘇無錫人，博士研究生，教授，主要從事直升機傳動技術教學與科研工作。