信任是主动学习的驱动力

［摘 要］ “多孔介质传热传质”课程是学科交叉强烈、涉及领域广泛、课程内容前沿的专业基础课程。为应对“双碳”背景下新时代工科综合型人才培养的需求，围绕教学方法和教学模式、思政元素融入、教学理念创新等方面进行了观点阐述。认为如“多孔介质传热传质”这类需求背景清晰、行业背景强烈的专业基础课，应以学生为教学主体，给予学生充分的信任，以小班教学，以调研、讨论、汇报的形式发挥学生的积极性和主观能动性，适应学科交叉和新时代工科人才培养目标的需求。基于教学经验，形成了以“情怀+引领”为主线贯穿整个课程周期的教学理念，培养具有理论知识扎实、创新思维活跃的综合型人才。

［关键词］ 多孔介质传热传质；“双碳”背景；课程改革；教学理念

［基金项目］ 2023年度西北工业大学教育教学改革研究项目（PX-25222025）

［作者简介］ 白晓辉（1989—），男，辽宁阜新人，博士，西北工业大学动力与能源学院长聘副教授，博士生导师，主要从事航空发动机热管理研究；刘存良（1983—），男，河北衡水人，博士，西北工业大学动力与能源学院教授，博士生导师，主要从事航空发动机高温部件冷却研究；孟宪龙（1987—），男，黑龙江哈尔滨人，博士，西北工业大学动力与能源学院长聘副教授，博士生导师，主要从事航空发动机高温部件辐射研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）06-0021-04 ［收稿日期］ 2023-11-06

“多孔介质传热传质”课程具有学科交叉强烈、涉及领域广泛、研究内容前沿等特点。本课程作为研究课题，多孔介质传热问题存在于很多领域和学科，包括航空航天、建筑节能、石油化工、新能源汽车、电工电子、地下勘察、物料干燥以及储能储存等领域，涉及渗流原理、毛细理论、扩散理论、高温辐射以及流动传热等学科。因此，有关多孔介质传热的研究进展和迭代非常迅猛。但是，“多孔介质传热传质”课程给教师带来了很高的授课难度：一方面需要学生提前具备相关理论学习的基础；另一方面需要不断更新课程教学内容，也需要学生广泛调研文献、了解最新研究动态。因此，在短时间内很难对所有方面的内容进行普及和深入了解。在碳达峰碳中和的“双碳”背景下，也为了响应新时代人才培养目标和需求［1］，很有必要进行教学理念的创新，培养综合素养更高的引领型人才［2］。

多孔介质传热传质涉及领域广泛，也很容易结合国家重大战略需求和国民经济的发展需要，更容易挖掘课程内容和思政元素。比如，在致密地层石油的开采中可采用二氧化碳的特性进行驱油［3］、多孔介质换热结构的均温性控制［4］、多孔介质氢换热器的流动换热［5］、金属纳米流体在多孔介质中的自然对流［6］等。因此，需要以调研、讨论、汇报的形式开启以学生为主体的教学模式，最大限度发挥学生的积极性和主观能动性。本文围绕小班教学的小组讨论汇报形式的教学方法、思政元素融入方法、多学科交叉下的教学方法、综合型人才的培养等方面进行了经验的阐述，浅析了在“双碳”背景下“多孔介质传热传质”课程的教学体会。

一、小班教学，小组讨论，发挥学生的主观能动性

“多孔介质传热传质”课程涉及内容广泛。这是因为多孔介质本身的定义就比较宽泛，涉及的领域也很广，材料、结构、部件以及产品内部的局部问题都可以归纳到多孔介质传热传质问题。例如，目前航空航天领域发展的耐高温三维编织的碳/碳-SCI和CMC材料是可以作为多孔介质，并且可以通过多孔介质理论研究其各向异性导热系数的变化；地下石油的开采过程也是多孔介质流动问题，涉及孔隙压力对裂隙中石油的驱动；在海水淡化装置中，特别是电渗析脱盐装置主要是通过通电的方式驱动溶液中的阴、阳离子向两侧移动，再通过可选择透过性的离子交换膜分别对阴、阳离子进行筛选，实现对废水的稀释和淡化。将多孔介质应用于电渗析脱盐装置可以通过削弱边界层和增强通道内扰动的方式，增加可驱动离子，从而提高极限电流密度；在空调、电动汽车等产品的换热器中，更是离不开基于多孔介质的理论研究和设计。换热器的结构其实就是肋结构的设计，而肋结构就是不同孔隙率范围的多孔结构。提高多孔结构的孔隙率就是增大了结构的换热面积，强化换热效果，但又增大了通道的流动阻力；多孔介质的换热又可以与新型高热沉工质或超临界流体相结合，研究由于相变引起的复杂换热过程。另外，多孔介质的应用又可在热辐射、吸声降噪等学科领域中发挥作用。综上，多孔介质传热传质的研究领域很广泛，单纯依靠教师和有限的课时很难全面地介绍各种相关内容。因此，以小组讨论形式进行的教学方法，可以在更大限度上提升教学效果，提高学生的调研能力，加深学生对课程内容的理解。

实践的开启也是收获意外的开始，教师印象中无所事事的学生在讲台上的表现完全出乎意料，有些学生做了充足的调研，有了深刻的理解，讲述PPT内容时从容自若、条理清晰、逻辑清楚。当然这与学生平时的积累和自身的能力也有关，但课堂提供的机会也使学生发挥出了自身的想象能力和表达能力。有学生介绍了分形理论在多孔介质中的应用，介绍了分形理论的原理和基本特点，以双摆和蝴蝶效应为例阐述了混沌与分形的原理和特点，并以《礼记》中的“失之毫厘，谬以千里”来加以阐释了混沌与分形的关系。当然，也有学生以应付的态度完成课堂的任务，但学生上台展示便感受到了来自各方面的压力，即与其他学生的对比便高下立见，同时台下学生的质询也会让其无地自容。在这种差距对比的压力下自然就会端正态度、改变态度，试图尝试通过自己的努力而改变目前的状态，希望在下次展示的过程中能发挥出色，从而形成了积极和良性的循环，实现了课堂氛围和教学效果的改善和提升。

二、教师点评，梳理观点，提高学生的理解深度

教师实际上是课堂的组织者和管理者。课程的主要目的是完成教学内容，实现教学目标，而课程的目标就是为了让学生更多地消化教学内容，理解课程的内涵。在小组讨论的教学模式下，学生围绕某个问题展开调研并向大家汇报，在这个过程中，学生主观地做了充分的调研和学习，通过其不断地思考而对某一些问题有了自己的认识。而教师在这个过程当中也要起到自身的作用，即做好课程内容的梳理和观点的总结，通过教师的点评能够使观点得到升华，将结论上升到一个新的高度，让学生的思想高度有新的提升。这样会促使学生开启下一轮的思考和探索，对现有的知识和未知的领域能有更新的迭代。例如，在很多情况下多孔介质都可以用来隔热，即多孔介质中带有空气，可以降低导热系数。那么如果多孔介质夹层中的空气是可以流通的，对于隔热层的隔热效果来说是有利的还是不利的呢？当然，从主观上来说这种情况对隔热层的隔热效果肯定是不利的，因为所有的保温隔热层都是将空气密封到夹层中，利用其低导热系数进行隔热。那么如果隔热层的空气是流动的而不是密闭的，会发生什么现象呢？通过数值计算可以发现，在空气流动的情况下，外壁面的温度是不会增长的，甚至会下降，这样手触碰到外壁面也不会觉得烫。但空气的流动会从内壁面带走一部分热量，从而提升自身温度。因此，空气的流动可以起到隔热的作用，导致热量不会传递到外表面，但起不到保温的作用。在教师给予了这样的结论之后，学生自然是将信将疑，然后再继续寻找相关文献或理论知识去印证。这样就形成了一种良性循环，春风化雨，润物无声。

三、深入挖掘，思政融入，增强学生的责任感

课堂教学是高强度的教授和学习过程，应该是连贯的。教师做好教学设计，利用好课程的每一分钟。学生的学习也应是注意力高度集中的高强度学习。而现实中往往容易出现教师的课程内容衔接不连贯，导致学生因为理解力的阶跃而出现学习思路的中断。因此，课堂保持一气呵成的连贯不是一件容易的事。特别是当要很自然地融入课程思政内容和思政元素时，连贯的教学设计就显得尤为重要。课程思政元素很多，特别是在当今社会中，单纯地寻找具有教育意义的思政元素不难，而且在找到一个思政案例时，教师也有可能会觉得这个案例易于引起大家的共鸣，让人感同身受，特别贴合课程内容的主题。然而，在课程思政元素与课程内容相融合时还是需要精心设计，否则，不仅不能达到润物无声的效果，反而会使学生觉得两部分内容相互独立，容易因为学生没有领会而出现非常尴尬的局面。因此，思政素材的完美融入一定是基于教学设计的不断思考和深入挖掘，有了最基础的底色，才会不断有新颖的思路和合理的想法涌现，将底色装饰得更加亮眼。

西北工业大学具有强烈的国防特色和行业背景，而且近几十年的毕业生中有90%进入我国国防军工单位和高校从事航空航天事业的工作，从而被誉为“总设计师的摇篮”，这使西北工业大学的学生和教师都深受鼓舞。因此，西北工业大学利用得天独厚的优势，经常邀请行业“总设计师”来校讲课、做报告，一方面为学生讲述我国航空航天取得辉煌成绩的背后是成千上万科研人员的辛勤付出，也是在国家意志层面上的强力投入；另一方面为学生讲解航空飞行器、航空发动机在研制过程中遇到的技术问题和突破，让学生对教科书上难以理解的复杂结构和原理有更直观的认识。因此，形成了独特的“总设计师育人文化”引领的课程思政体系，将“低调务实、为国铸剑”的内涵融入人才培养全过程，厚植家国情怀，培养学生立大志、明大德、成大才、担大任，成为担当民族复兴大任的时代新人。

四、学科交叉，理念创新，培养引领型人才

在“中国制造2025”“人工智能”“大数据”等国家重大政策和新兴产业技术的驱动下，传统的单一学科及其培养出的专业型人才已不能满足社会发展的需求。“多学科交叉”“专业互融共建”已成为新时代、新专业的代名词。各个高校和教师都在围绕人才培养目标、课程教学内容、课程教学方法和理念等问题进行创新探索［7］。“多孔介质传热传质”课程体现了非常强烈的多学科交叉特点，涉及航空航天、建筑节能、石油化工、新能源汽车、电工电子、地下勘察、物料干燥以及储能储存等领域，包括渗流原理、毛细理论、扩散理论、高温辐射以及流动传热等学科。因此，学习多孔介质既要以“流体力学”“传热学”等专业基础课程作为基础，还要联系到科学研究的新进展和动态。例如，多孔介质流动在地下渗流、岩石裂隙流动以及金属泡沫热交换器中的流动体现了多尺度和跨尺度的特点，在微小尺度下的流动可以仅通过达西定律来描述其速度分布，而随着孔隙率的增大，必须考虑流体和固体边界的黏性阻力，特别是孔隙率较大时，还需要考虑由于流体惯性引起的流动状态变化，因此就形成了Darcy-Brinkman-Forchheimer的多孔介质流动控制方程研究多孔介质中的流体流动。显然，在管流中加入多孔介质必然会影响管内流动的速度分布，从而影响管内流体与管壁的流动换热，甚至会改变壁面的温度分布。当然，这也为多孔介质作为翅片来调控热源的温度分布带来了可能。因为在很多领域的冷却需求中，包括电池热管理、芯片散热等，温度均匀性成了一个影响元器件性能和寿命的重要因素，这种以多孔结构和工质的改变进行的热控制成了主流［4］。而随着研究工具的不断更新和技术水平的不断提高，多孔介质流动的研究已经广泛涉及纳米尺度的流动，例如，在石油开采中的页岩已经涉及纳米多孔介质的流动，不得不考虑到纳米尺度效应、表面润湿性、表观渗透率和增强系数等因素的影响［8］，而格子Boltzmann等新的方法也被广泛地应用，这无疑给多孔介质的研究带来了挑战，但也给课程内容和思政元素带来了更多的素材。

可以发现，“多孔介质传热传质”课程具有学科交叉强烈、涉及领域广泛、研究内容前沿等特点，课题教学一方面需要学生提前具备相关理论学习的基础，另一方面需要不断更新课程教学内容，也需要学生广泛调研文献、了解最新研究动态。因此，在短时间内很难普及和深入所有的方面，也给教师授课和学生学习带来了很大的难度。在如此背景下，为了响应新时代人才培养目标和需求，很有必要进行教学理念的创新，培养综合素养更高的引领型人才。本课程基于“双碳”背景和军工特色的行业背景，丰富课程内容、融入课程思政、窥探科学前沿，以学生为教学主体，给予学生充分的信任，以小班教学，以调研、讨论、汇报的形式发挥学生的积极性和主观能动性，适应学科交叉和新时代工科人才培养目标的需求。

结语

围绕“双碳”背景下对“多孔介质传热传质”课程教学方法和教学模式、思政元素融入、教学理念创新等方面进行了阐述和探讨。“多孔介质传热传质”作为一门需求背景清晰、行业背景强烈的专业基础课程，应始终以学生为教学主体，给予学生充分的信任，以小班教学、小组讨论的形式，发挥学生的主观能动性；以教师点评、梳理观点的形式，提高学生的理解深度；通过深入挖掘和思政融入，增强学生的责任感；基于学科交叉的特点，进行理念创新，培养引领型人才。形成了以“情怀+引领”为主线贯穿整个课程周期的教学理念，培养理论知识扎实、创新思维活跃的综合型人才。

参考文献

［1］陈敏，刘薇.新时期青年科技人才培养对策研究：基于职业发展需求视角［J］.中国科技人才，2022（6）：28-34.

［2］滕英跃，王威，何伟艳，等.无机非金属材料工程专业综合实训课程教学创新改革：基于“以训明理 以训赋能 以训育人”教学理念［J］.高教学刊，2023（9）：144-148.

［3］马含含，侯梦瑶，潘晓甜，等.二氧化碳强化致密油藏开发与地质封存研究［J］.石油化工应用，2023，42（9）：8-12.