工程熱力學(xué)課程的教學(xué)方法初探

孫迎春　薛斌　王艷玲

摘 要： 本文就如何增強(qiáng)工程熱力學(xué)課程的教學(xué)效果，從模塊化教學(xué)；理論聯(lián)系實(shí)際，案例教學(xué)；巧妙合理地運(yùn)用p-v圖、T-s圖；基本理論及定律的內(nèi)涵滲透四方面展開(kāi)討論。

關(guān)鍵詞： 工程熱力學(xué) 教學(xué)方法 模塊化教學(xué) 案例教學(xué)

1.引言

工程熱力學(xué)是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是數(shù)學(xué)、物理和專(zhuān)業(yè)課的橋梁。它不僅為學(xué)生以后學(xué)習(xí)有關(guān)專(zhuān)業(yè)課打好基礎(chǔ)，而且是今后能源，特別是熱能在各領(lǐng)域被深入研究、開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新的基礎(chǔ)[1]。課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、公式繁多、實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜，并且與高等數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科聯(lián)系緊密，而學(xué)時(shí)被大量縮減，使得其成為學(xué)生公認(rèn)的“難啃的硬骨頭”。由Y.A.Cengel編著的熱力學(xué)教材明確指出“用簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的方式與明天的工程師開(kāi)展直接的對(duì)話(huà)，鼓勵(lì)他們的創(chuàng)新思維及培養(yǎng)他們對(duì)所學(xué)習(xí)內(nèi)容的深刻理解[2]”。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，結(jié)合課程的性質(zhì)、目標(biāo)，廣大教師一直在努力探索與研究。本文是筆者多年教學(xué)中的一些體會(huì)總結(jié)，供專(zhuān)家、學(xué)者批評(píng)、指正。

2.模塊化教學(xué)

工程熱力學(xué)課程教學(xué)中遵循“以應(yīng)用為目的，以必需夠用為度”的原則，注重基礎(chǔ)知識(shí)、基本定律、基本技能的學(xué)習(xí)，提煉實(shí)用性教學(xué)模塊，模塊與模塊之間既相互區(qū)別，又有機(jī)聯(lián)系在一起。學(xué)生對(duì)于整個(gè)課程的脈絡(luò)、主線(xiàn)非常清楚，并且清楚自己在每一階段的學(xué)習(xí)任務(wù)與目標(biāo)。

2.1基礎(chǔ)理論模塊

2.1.1基本概念：開(kāi)口系、閉口系、絕熱系、孤立系；平衡態(tài)與準(zhǔn)平衡態(tài)；準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程；可逆過(guò)程的功量、熱量；卡諾循環(huán)、概括性卡諾循環(huán)；體積功、技術(shù)功、推動(dòng)功、流動(dòng)功、有用功、軸功、耗功；熱力學(xué)能、焓、熵、熵流、熵產(chǎn)；比定壓熱容、比定容熱容；增壓比、壓縮比、預(yù)脹比等等。在教學(xué)中，教師應(yīng)深入淺出，用淺顯而又確切的語(yǔ)言、生活實(shí)例，幫助學(xué)生理解這些基本概念的定義，包括外延、內(nèi)涵，及其物理意義。

2.1.2基本定律：熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。

基本定律是工程熱力學(xué)課程的理論基礎(chǔ)、精髓，貫穿課程始終。教學(xué)中須使學(xué)生深刻理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，“量”守恒；熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)，能量不但有“量”的多少，而且有“質(zhì)”的高低。用能的原則應(yīng)該是不同品質(zhì)的能量匹配使用，避免高品質(zhì)能無(wú)謂地轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)能。自古以來(lái)，永動(dòng)機(jī)一直有人推崇，要使學(xué)生意識(shí)到任何試圖制造熱效率y≥100%的機(jī)器都是徒勞的，都是違反熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的。

2.1.3轉(zhuǎn)換內(nèi)外條件：工質(zhì)的熱力性質(zhì)與熱力過(guò)程。

研究熱力過(guò)程的目的在于揭示過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，以及能量轉(zhuǎn)化情況，進(jìn)而找出影響轉(zhuǎn)化的主要原因，找到節(jié)能途徑。

2.2工程應(yīng)用模塊

重點(diǎn)介紹壓氣機(jī)、動(dòng)力循環(huán)，而制冷循環(huán)則作簡(jiǎn)要介紹。對(duì)這一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，應(yīng)著重采用討論等方法，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行分析＼計(jì)算，從而加深對(duì)課程內(nèi)容系統(tǒng)地理解、掌握，提高其熱力分析、熱力計(jì)算的能力。

3.理論聯(lián)系實(shí)際，案例教學(xué)

熱力學(xué)是學(xué)生公認(rèn)的“難啃的硬骨頭”，期末考試及格率不甚理想。但是確切地說(shuō)，工程熱力學(xué)卻是基于我們?nèi)粘Ｉ?、?shí)驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)之上的一門(mén)學(xué)科，并不是很難的課題。講課中，理論聯(lián)系實(shí)際，利用案例教學(xué)，既使學(xué)生感到工程熱力學(xué)并非遙不可及，取得良好的教學(xué)效果，又能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的習(xí)慣。講授可逆過(guò)程概念時(shí)，以物理學(xué)中的單擺在真空中、空氣中為例或以在氣缸的活塞上移走砝碼、沙子為例，闡述可逆過(guò)程的特點(diǎn)、實(shí)質(zhì)；區(qū)分準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程與可逆過(guò)程、不可逆過(guò)程；進(jìn)一步說(shuō)明沒(méi)有耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程才是可逆過(guò)程；不可逆過(guò)程并不意味著不能向相反方向進(jìn)行。講授熱力學(xué)第二定律時(shí)，以航海為例，若輪船沒(méi)有燃料時(shí)，試圖從大海吸熱，使之轉(zhuǎn)化為功，實(shí)質(zhì)就是從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)化為功，即第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)，這也是不可能實(shí)現(xiàn)的。

4.巧妙合理地運(yùn)用p-v圖、T-s圖

p-v圖、T-s圖是進(jìn)行熱力分析、熱力計(jì)算的重要工具，應(yīng)貫穿工程熱力學(xué)課程始終。合理運(yùn)用p-v圖、T-s圖教學(xué)，能準(zhǔn)確或定性地描述基本概念、理論及工程現(xiàn)象；巧妙地分析、比較熱力過(guò)程、熱力循環(huán)；提高學(xué)生運(yùn)用工程圖形語(yǔ)言巧妙、形象、直觀地分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。以單級(jí)活塞式壓氣機(jī)為例，應(yīng)用p-v圖、T-s圖，做耗功分析及熱力性能分析，進(jìn)而找到省功及節(jié)能途徑，既避免了數(shù)學(xué)上復(fù)雜的運(yùn)算，又提高了學(xué)生靈活運(yùn)用圖形分析工程現(xiàn)象的能力。

5.基本理論及定律的內(nèi)涵滲透

“在課程的講授中，教師非常注重從基本理論及定律的內(nèi)涵滲透，原理、定律的本質(zhì)內(nèi)涵出發(fā)，解決各類(lèi)實(shí)際問(wèn)題[3]”。這是美國(guó)同行極其重視的教學(xué)方法，實(shí)踐證明是行之有效的。以理想氣體熱力過(guò)程膨脹功的求解為例，具體公式有十多個(gè)，學(xué)生學(xué)起來(lái)，既難記又容易混淆。若從膨脹功定義式、熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程這些基本定律、基本公式出發(fā)，結(jié)合過(guò)程特點(diǎn)，就可解決所有問(wèn)題，并且避免學(xué)生遇到問(wèn)題僅會(huì)生搬硬套，遇到復(fù)雜問(wèn)題就無(wú)從下手的弊端。

6.結(jié)語(yǔ)

工程熱力學(xué)課程博大精深，每上一次課就有一次新的體會(huì)與收獲，教師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，做到“常教常新、常教常精”。這樣使明天的工程師對(duì)物理問(wèn)題及其規(guī)律有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)與掌握，從而解決更為復(fù)雜的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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