热辐射及辐射换热的教学组织和方法探讨

唐爱坤+邵霞

摘 要 结合热辐射和辐射换热部分教学内容的特点和教学实践，在教学组织和开展方面进行了总结和探讨。提出渐进式教学引导学生的学习兴趣，注意区分几组重要概念引导学生深入理解问题，并培养学生工程视角，提升灵活处理问题的能力。

关键词 辐射换热 传热学 教学组织

中图分类号：G642.3 文献标识码：A

传热学是高等学校能源动力类专业重要的基础课程，它研究因温差而引起的热量传递规律的科学，具有应用性强的特点，其相关理论和规律被广泛用于指导人类进行科学的热管理和控制。传热学的研究综合了理论分析、实验测定和数值计算，经验公式较多，具有明显的工程特点，学生在学习过程中不易透彻掌握。本文结合教学实践经验，以传热学中热辐射及辐射换热部分为例，探讨其教学特点和方法。

热辐射是三大基本传热方式之一，是传热学中重要的组成部分，具有重要的学术研究价值和广泛的工程应用价值。其内容特点主要有：

（1）基本概念多，且经常集中出现。如不进行认真的语言组织则很容易引起混淆。例如热辐射与辐射换热、投入辐射与有效辐射、定向发射率、半球光谱发射率和半球总发射率等。

（2）同一参数的计算方法多。较为突出的有角系数的计算，可用代数分析法、直接积分法、几何分析法和蒙特卡洛方法进行计算；辐射换热的计算则涉及了净热量法和网络法等等。如何深入浅出地引导学生理解并掌握各种方法之间的联系与区别并能灵活选择应用，是教学组织过程中的难点。

（3）理想物体与实际物体的热辐射特性的联系、区别和推演。从理想物体表面的辐射、吸收特性出发，利用灰体、漫灰体作为过渡，将其推演到对实际物体的相关计算过程中。这些过渡逐步扬弃不利于定量计算的因素，简化计算并使结果符合工程实际。这在教学过程中也是不易为学生理解和掌握的部分，需要注重建立学生的工程视角，以帮助理解知识点。

针对上述特点，主要从以下几个方面进行教学准备和实践：

1充分备课，用丰富的工程应用激发学生学习兴趣

热辐射和辐射传热在工程领域普遍存在，尤其是高温物体传热、红外加热技术、航空航天工程、辐射采暖辐射冷却等领域中占有非常重要的地位。在教学组织过程中，结合学生的认知特点，先从日常生活中简单的热辐射现象开始，例如分析太阳能热水器的集热器设计，冬天人们烤火等，初步建立学生对热辐射和辐射换热的感性认识；之后可通过介绍温室效应、温室大棚种植等将对热辐射的理解引向深入。在简单讲解基础上通过提问方式引导学生主动思考诸如辐射力的计算、影响热辐射和换热的因素、辐射与吸收之间的联系与区别等。通过渐进式教学，让学生在产生学习兴趣的同时，了解热辐射部分内容安排上的逻辑，并建立起较为清晰的学习思路。

2重点讲解几组概念，培养学生的工程视角

热辐射及辐射换热知识体系是基于对理想模型黑体的描述而建立的。因此对于理想模型以及模型演化的理解十分重要。黑体是一种现实中并不存在的理想物体，在相同温度下，具有最大辐射能力和对能量全部吸收的能力，因此成为研究和比较一般物体辐射能力的基础，对于定量研究辐射换热具有重要意义。教学过程中通过举例法降低学生理解黑体概念的难度。在日常生活中，我们眺望远处建筑物的窗户几乎都是漆黑一片，基本原因在于从窗户进入建筑物内部的能量极少可从窗户出来，视觉上该处就显现黑色，因此可将建筑物内部视为黑体表面。这与课本上的提到的球形空腔上开小孔的黑体模型是类同的。至于其具有同温度下最大辐射力的部分的理解，则放到后续的计算公式中予以说明。

在进行实际物体的热辐射相关计算过程中，逐步提出了灰体和漫灰体等理想模型，它们兼顾材料的工程特性，确定实际物体和黑体之间热辐射的偏离程度，利用偏离程度系数来简化实际物体的辐射换热计算。对于灰体，需要明确它也是一类理想模型，是考虑到在红外范围内，大多数的工程材料光谱吸收比与波长无关，其辐射和吸收特性与黑体之间十分类似，只存在修正系数上的差别而提出的，这样可将针对黑体的辐射计算引入到一定范围的实际物体，拓展了应用范围。漫灰体则是在灰体的基础上进一步提出的，它匡定了一类工程材料：在一定温度下光谱发射率和光谱吸收率均与波长无关，为常数，且相等。在几个概念的演进过程中，每一处都可以看到工程实际的影响，因此应顺势培养学生工程视觉以及科学灵活的法论。

在讲解实际物体的定向辐射强度部分时，常规的简略化讲解会使学生在后续计算过程中产生理解上的困难，因为前一节介绍的公式只是针对方向和光谱平均的情况。但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。这里应该将几组概念对比讲解，分别是方向光谱发射率、定向发射率、半球光谱发射率和半球总发射率。只有在定义和计算公式上对上述概念有了明确区分之后，才能的將实际物体的定向辐射强度这一概念梳理清晰，这样的教学组织对于理解实际表面与服从兰贝特定律的表面之间的差距和引出漫射表面的原因是十分有利的。

3增加例题比重，强化对角系数和辐射换热计算的理解和掌握

角系数的确定对于辐射换热的计算至关重要，两表面或多表面间的辐射换热根本问题在于确定角系数。角系数的基本性质以及计算方法是教学过程中的基本内容，有必要安排一定量的例题增强理解，在题型的安排上兼顾一般性和特殊性。在计算方法的介绍上也需要有所侧重，例如在某些复杂辐射换热情况下，如何多重积分求解角系数等。

在辐射换热的计算部分，教材按照两特殊表面间的辐射换热到多表面间辐射换热进行编写。由于热阻网络图法能使辐射传热更为直观化，是计算多表面间辐射换热的重要方法。在这一部分的例题讲解中，应在常规辐射换热系统的基础上兼顾具有热阻并联、黑表面和重辐表面等特殊情况辐射系统，引导学生深刻理解空间和表面热阻的物理意义。

4结语

热辐射及辐射换热是传热学的重要组成部分，相关的技术成果已经应用到了国民生产的各个领域。由于在内容上存在概念杂多、算法各异，且具有鲜明的工程性等特点，向来是教学中的重点和难点，考验教师的语言组织和教学水平。笔者，对该部分的内容特点和重要部分的教学组织进行了思考和探讨，在教学实践过程中取得了良好的教学效果。

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] 李雪梅，李金成.传热学课程中辐射换热部分教学的探讨[J].化工高等教育， 2007 （01）：59-60.

[3] 唐爱坤，潘剑锋，邵霞，张彭岗，张墨.卓越工程师背景下“传热学”课程教学的思考[J].中国电力教育，2013（29）：62-63.endprint