大工程觀下熱物理基礎課程體系改革研究

鄂加強　左紅艷　王曙輝　鄧元望　龔金科　蔡皓

摘 要：對工程專業(yè)學生進行熱物理基礎課程教學是培養(yǎng)具有熱物理工程技術(shù)的“大工程觀”要求的高等工程人才的唯一途徑。然而目前許多高校工程專業(yè)在熱物理基礎課程設置或者教學方面存在較多問題，為此，以“大工程觀”教育理念為指導，以理論教學與實踐教學結(jié)合為基礎，以熱物理與其他課程交叉滲透為依托，以熱物理工程的實踐性與培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性為核心，以具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保能力的培養(yǎng)為主線對工程專業(yè)的熱物理基礎課程進行適應性改革，探索大工程觀背景下工程專業(yè)熱物理基礎課程改革新途徑。

關鍵詞：大工程觀；熱物理基礎；教學內(nèi)容；工程專業(yè)；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2012）36-0300-04

自20世紀70年代以來，世界性的新技術(shù)革命對工程活動產(chǎn)生了巨大影響，工程活動對知識技術(shù)、能力綜合的需要達到前所未有的程度。從動力生產(chǎn)、能源節(jié)約、環(huán)境保護以及工業(yè)生產(chǎn)過程本身特點來看，工程專業(yè)學生應該具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保的意識并懂得其基本的技術(shù)，而熱物理基礎課程的內(nèi)容是合理用能及節(jié)能理論中的最基礎與核心的部分。因此，作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉(zhuǎn)換、傳遞技術(shù)的熱物理基礎課程，不僅應是大工程觀下能源動力類專業(yè)高等工程教育中的重要理論基礎課[1～2]，而且也應是21世紀所有大工程觀下工程專業(yè)學生的公共理論基礎課。

高等工程教育 [3～4] 的熱物理基礎課程教學是培養(yǎng)具有熱物理工程技術(shù)的“大工程觀”要求的高等工程人才的唯一途徑。因此，熱物理基礎課程和教學的改革占據(jù)著“大工程”培養(yǎng)觀的重要地位，在大工程觀下高等工程技術(shù)人才的培養(yǎng)方案中，熱物理基礎課程體系是整個工程專業(yè)課程體系的基礎，應首先進行改革，為整個培養(yǎng)具有大工程理念的高級工程技術(shù)人才打好基礎。

一、熱物理基礎課程體系現(xiàn)狀分析

（一）熱物理基礎課程特征分析

在中國，熱物理基礎課程一般指《工程熱力學》與《傳熱學》兩門課程。同時，由《工程熱力學》與《傳熱學》組成的《熱工學》、《熱工基礎》或《熱物理學》也屬于熱物理基礎課程的范疇。高等數(shù)學與大學物理是熱物理基礎課程的前續(xù)課程。對于工程專業(yè)而言，高等數(shù)學與大學物理是基礎中的基礎，很多學不好熱物理基礎課程的學生，主要是因為高等數(shù)學基礎知識或者大學物理基礎不扎實所造成的[5-6]?！豆こ虩崃W》是一門較完善的課程，已形成較完整的理論體系，并具有完整的理論結(jié)構(gòu)和實際應用內(nèi)容?！豆こ虩崃W》課程中的基本概念和理論基礎是熱力學工程實際應用的基礎，若基本概念和理論基礎沒掌握好，必然導致不能熟練推導出數(shù)學公式，從而會致使熱力學工程實際應用學習的難度大大增大，甚至會使得學生產(chǎn)生厭學的情緒。與《工程熱力學》不同，《傳熱學》的公式很多是來自于實驗的歸納整理，需要記熟背熟。《傳熱學》主要是使用其原理或知識進行分析，而《工程熱力學》主要是推導計算。兩門課程的共同特點是必須大量做思考題和習題，才能真正掌握，熟練應用。

（二）熱物理基礎課程體系存在的問題

與大工程觀背景下工業(yè)先進國家的熱物理基礎課程教學相比較，還有較大的差距，主要表現(xiàn)為[7]：（1）輕視實際、脫離實際；（2）人才培養(yǎng)的熱物理知識結(jié)構(gòu)體系不夠完善，面向?qū)嶋H的熱物理工程訓練不足，與企業(yè)聯(lián)系不夠緊密；（3）辦學方向面向熱物理工程不夠，教學模式和教學方法陳舊，文化陶冶過弱，專業(yè)教育過窄，功利導向過重，共性制約過強等。

二、大工程觀下熱物理基礎課程體系構(gòu)建

針對目前中國高等工程教育中熱物理基礎課程教學存在的問題，其改革思路是：以“大工程觀”教育理念為指導，以理論教學與實踐教學結(jié)合為基礎，以熱物理與其他課程交叉滲透為依托，以熱物理工程的實踐性與培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性為核心，以具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保能力的培養(yǎng)為主線對工程專業(yè)的熱物理基礎課程進行適應性改革，探索大工程觀背景下工程專業(yè)熱物理基礎課程改革新途徑（如下頁圖1所示）。

（一）大工程觀下熱物理基礎理論課程體系構(gòu)建

1.統(tǒng)籌規(guī)劃，合理安排工程專業(yè)熱物理基礎課程體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。（1）研究適應各大類工程專業(yè)學生培養(yǎng)需要的熱物理基礎課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。根據(jù)各大類工程專業(yè)學生培養(yǎng)所需要熱物理基礎知識的不同，各大類工程專業(yè)可分成三大類：1）熱物理基礎課程是該類型專業(yè)的重要技術(shù)基礎課；2）熱物理知識是某一大類中部份專業(yè)的技術(shù)基礎，而對另一些專業(yè)則關系則要遠一些（工業(yè)設計）或者熱物理知識是某類專業(yè)（如材料成型與控制工程）中的某一方向（如鑄造、焊接）的主要技術(shù)基礎課但與另一些方向（如真空技術(shù)及設備）關系較遠；3）熱物理知識與該大類專業(yè)的主干技術(shù)無直接的關系。因此，可針對此三大類工程專業(yè)開設不同結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的熱物理基礎課課程，并可分為高學時（必修）的《工程熱力學》和《傳熱學》、中學時（必修與選修）的《工程熱力學》、《傳熱學》或者《熱物理學》和少學時（必修與選修）的《熱物理學》等三種。對于同一大類中的不同類型專業(yè)在教學內(nèi)容上還可有所不同側(cè)重或以專題形式作適當補充。對于中學時（必修與選修）的《工程熱力學》、《傳熱學》或者《熱物理學》；和少學時（必修與選修）的《熱物理學》，應強調(diào)理解基本概念，掌握方法，而不深究公式的推導，通過典型問題的分析，達到舉一反三的目的。（2）熱物理基礎課程的相互滲透和相互融合。由于熱物理基礎課程的內(nèi)容是相互滲透、密切聯(lián)系的，必然存在交叉、重復部分。經(jīng)過綜合分析，可對那些有益的或是討論角度不同造成的重復內(nèi)容進行謹慎處理（如有些內(nèi)容壓縮，而有些內(nèi)容則須加強）。其處理原則是：既要考慮課時的有效利用，又要保持熱物理基礎課程之間的銜接和層次。（3）拓寬熱物理基礎課程的工程應用，增強與工程專業(yè)的聯(lián)系。熱物理基礎課程在工程實際中有廣泛的應用，在教學過程中，應突出地反映這一特點。從兩個方面著手，首先把每個教學單元劃分為基礎篇和應用篇，基礎篇著重掌握基本概念、定律，應用篇則力求培養(yǎng)分析能力，采用點面結(jié)合的方法。所謂點，就是講清某單元基礎知識在工程實際或?qū)I(yè)課某方面的應用，其中包括一定數(shù)量的例題或習題；所謂面，則是針對教師的科研、技術(shù)開發(fā)課題或科技論文做專題討論，綜合所學的知識。學生對這種教學方式反映熱烈，覺得學有所用。（4）更新熱物理基礎課程內(nèi)容，適應現(xiàn)代發(fā)展要求。近代工程技術(shù)的發(fā)展給本科《傳熱學》教學帶來了巨大的變化，《工程熱力學》的教學內(nèi)容也不同程度地存在類似的情況。例如，二十年前的本科生教材很少有關于火用 分析方面的內(nèi)容，而現(xiàn)在這個狀態(tài)參數(shù)已經(jīng)被廣泛接受并用來分析工程設備過程的能量利用情況。

相對于《傳熱學》，《工程熱力學》的國內(nèi)外教材的內(nèi)容顯得似乎過于穩(wěn)定，近年來出版的教材中新技術(shù)的概念介紹極少。比如，當前中國的長期能源問題已經(jīng)十分突出，為保護環(huán)境，執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展的方針，在“十二五”規(guī)劃教材上，《工程熱力學》應該對新的、先進的能源利用方式（聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、氫能利用、燃料電池、分布式發(fā)電和熱電冷三聯(lián)供、新能源發(fā)電等等）有適當?shù)姆从?。超臨界和超超臨界循環(huán)是傳統(tǒng)燃煤汽輪發(fā)電機組提高經(jīng)濟性與環(huán)保性的有效途徑，也是近年來國外燃煤火電廠的重要發(fā)展方向及中國要積極研發(fā)的方向，在熱物理基礎課程新教材和今后的教學中也應有相應的地位。如在這方面予以充分重視，在熱物理基礎課程新教材和今后的教學中注意揚棄舊的思想、研究方法及其內(nèi)容，利用一定學時介紹各學科的新方法、新內(nèi)容，努力使教學內(nèi)容適應現(xiàn)代科技的發(fā)展趨勢。

2.熱物理基礎課程與其他課程交叉滲透。（1）熱物理基礎課程與物理課程的交叉。熱物理基礎課程中的部分內(nèi)容與大學物理中的熱學存在重復。大學物理中，熱學內(nèi)容總學時數(shù)為12～14學時，且熱力學兩個定律只安排6學時。由于物理學主要解決“是什么”、“為什么”的問題，而熱物理基礎課程主要解決“做什么”、“怎么做”的問題，因此在熱物理基礎課程中，應著重討論熱力學系統(tǒng)與環(huán)境（外界）相互作用的形式；熱平衡態(tài)與準靜態(tài)過程的矛盾與統(tǒng)一；熱力學中如何延拓力學中的力、位移、功、熱力學能概念；為什么要討論可逆過程，如何由不可逆過程抽象出可逆過程概念，熵是如何引入的，為什么要定義一個熵函數(shù)等等。（2）熱物理基礎課程與流體力學課程的交叉。例如，《傳熱學》的對流換熱部分，有大量的邊界層和繞流理論，是重復流體力學的內(nèi)容。又如，流體力學和熱力學中都有氣體在管道、噴管中流動的理論。經(jīng)過綜合分析，可以對那些完全重復內(nèi)容予以削減，或者進行謹慎處理，但要保持熱物理基礎課程與流體力學課程之間具有較好的銜接性。（3）整合出新型熱物理課程。為適應不同類型專業(yè)的需要，可以開設出一些綜合性的、新的熱工類課程。無論是能量轉(zhuǎn)換、熱量傳遞還是質(zhì)量傳輸，都存在如何提高轉(zhuǎn)換效率、傳遞效率和節(jié)約能源的問題，其中的關鍵是要減少過程的熵產(chǎn)（或不可逆損失）以及強化傳遞過程。為此，可開設一門綜合《工程熱力學》、《傳熱學傳質(zhì)學》和《流體力學》的新課——例如可稱之為《工程裝備熱流設計與優(yōu)化》。如果關于“優(yōu)化”的內(nèi)容能具體結(jié)合一些工程專業(yè)過程中的具體問題，那么這樣的課程就會受到相關專業(yè)的歡迎。

（二）大工程觀下熱物理基礎實驗課程體系構(gòu)建

從熱物理基礎課程發(fā)展歷史來看，實驗研究和數(shù)學物理方法是并行發(fā)展、相互補充、相互促進的；而從教學角度分析，實驗是鍛煉學生動手能力，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際和解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。如何完善和合理組織實驗內(nèi)容將直接影響課堂教學的效果。為此，在熱物理基礎實驗教學中突破以往的傳統(tǒng)模式，以配合理論教學、鞏固課堂效果為目的，以培養(yǎng)應用型人才為目標，改革實驗教學方法，加強實驗室建設，有效地發(fā)揮了實驗室的功能。

1.科學設置熱物理基礎課程實驗項目。實驗室應成為理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生動手操作能力的場所。為滿足這種功能，應增加熱物理基礎課程實驗學時，增設熱物理基礎課程實驗項目，并相應設置演示實驗（包括課堂演示）、驗證性實驗、應用性實驗以及設計性實驗。演示、驗證性實驗是不可缺少的內(nèi)容，可幫助學生理解抽象概念，印證熱物理基本理論和基本定律，鞏固課堂學習內(nèi)容，熟悉各種儀器設備及其操作規(guī)程，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。應用性、設計性實驗則是一般實驗的一個飛躍，其作用更多的是為了培養(yǎng)鍛煉學生的綜合能力，引導他們的縱向和橫向思維以及創(chuàng)新思想。這樣，通過多方面、多層次循序漸進的實驗過程，以求達到掌握基本技能和提高應用能力的目的。

2.合理組織熱物理基礎課程實驗。以往的熱物理基礎課程實驗模式，大多是學生根據(jù)實驗指導書給出的原理和步驟等，機械地照搬硬套，做完實驗、寫出實驗報告。這樣既束縛了學生的積極性、創(chuàng)造性，也不能滿足能力訓練的要求。針對弊端，可對熱物理基礎課程實驗方式進行合理組織。根據(jù)不同實驗的性質(zhì)，有的安排預習，在實驗開始前由指導教師提出問題，讓學生回答解決方法，以此評定預習成績；有的則讓學生分組，自己動手組裝實驗臺，做完實驗后集中評議，對比優(yōu)劣，公開評定成績；設計性實驗則完全拋開指導書，代之以設備說明書、實驗任務和要求等，讓學生自己擬定實驗方案，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力。

3.更新熱物理基礎課程實驗設備和內(nèi)容。隨著科技的進步和學科的發(fā)展，熱物理基礎實驗的技術(shù)和手段也更加完善，內(nèi)容不斷推陳出新。要適應這種發(fā)展，不能僅僅依靠學校的撥款。在有限的財力、物力條件下，調(diào)動教師積極性，自行研制、設計新實驗，改造原有設備，開發(fā)新項目。例如，可以自行設計改造對流傳熱過程阻力實驗的微機采集和處理系統(tǒng)、熱管換熱器試驗臺等項目，這樣既可節(jié)省大量的經(jīng)費，鍛煉了教師隊伍，又可保證學生能夠在實驗中學習新知識、新技術(shù)，開拓視野。

4.制訂嚴格合理的考核制度。實驗成績的好壞，應有一個合理的考核方法。以往的考核大多以實驗報告為依據(jù)，而實驗報告中大部分內(nèi)容是從實驗指導書上照抄的實驗目的、原理、步驟等，考核成績不能反映學生的實際水平和能力以及相互之間的差別，影響了學生學習的主動性和積極性。為此，可制訂一套考核方法，分為紀律情況和學習態(tài)度、預習程度、操作和解決問題能力、實驗結(jié)果、實驗報告等多項考核內(nèi)容，貫穿了整個實驗過程，每項內(nèi)容按10分制評定成績，在統(tǒng)一印制的學生實驗卡上反映出來，這樣能促使學生在實驗的各個環(huán)節(jié)都認真對待，可提高實驗效果。

三、結(jié)論

時代在前進、教育在發(fā)展、教學工作在改革，包括教學內(nèi)容也應改革，與時俱進。作為熱物理基礎，一方面為大工程觀背景下各類工程專業(yè)學生學習后續(xù)專業(yè)課等提供預備知識；另一方面通過實驗、測試技能訓練，提高學生運用理論分析和解決工程實際問題的能力。

從教育改革的發(fā)展趨勢和培養(yǎng)本科層次的工程技術(shù)人才的角度來看，理論與實際相結(jié)合，強化技能訓練、培養(yǎng)學生的技術(shù)應用和開發(fā)能力應是技術(shù)基礎課的重要任務。在大工程觀下工程專業(yè)熱物理基礎課改革過程中，兼顧知識結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)兩個方面，使之成為由基礎到專業(yè)、從理論面向應用的橋梁，確保培養(yǎng)的工程人才具備工程知識能力、工程設計能力、工程實施能力、價值判斷能力、社會協(xié)調(diào)能力和終身學習能力。

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