能源與動(dòng)力工程專業(yè)熱工系列課程改革實(shí)踐

代乾?王澤生?楊俊蘭

摘要：熱工系列課程作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，舊的課程體系已不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，故需要進(jìn)行一定范圍的改革。提出了混合式教學(xué)方式，并將課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：能源與動(dòng)力工程；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)；混合式教育

作者簡介：代乾（1981-），男，河北滄州人，天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院，講師；王澤生（1964-），男，天津人，天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院，教授。（天津 300384）

基金項(xiàng)目：本文系天津城市建設(shè)學(xué)院2012年度教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JG-1207）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）05-0074-02

2012年9月，教育部頒布實(shí)施新的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》，熱能與動(dòng)力本科專業(yè)更名為能源與動(dòng)力工程專業(yè)。由專業(yè)名稱可見該專業(yè)的內(nèi)涵更加廣闊和深遠(yuǎn)，從而也說明隨著能源動(dòng)力科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和新問題地提出，社會(huì)對(duì)人才的培養(yǎng)提出了新的要求。目前，大約有170多所高校設(shè)置了熱能與動(dòng)力工程專業(yè)。[1]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境逐漸成為世界各國所面臨的重大科技和社會(huì)問題。培養(yǎng)高素質(zhì)的具有創(chuàng)新意識(shí)的能源工程專業(yè)人才是本學(xué)科義不容辭的責(zé)任。而熱工系列課程作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。合理的課程體系是體現(xiàn)教育教學(xué)理念的重要載體，是實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、構(gòu)建學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的中心環(huán)節(jié)，建立適應(yīng)社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要、體現(xiàn)熱能動(dòng)力技術(shù)學(xué)科內(nèi)在規(guī)律、科學(xué)合理的課程體系極為重要。[2]為了使該課程適應(yīng)新的要求，非常有必要對(duì)其進(jìn)行一定的改革，以培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展需要的人才，同時(shí)對(duì)推動(dòng)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。

一、實(shí)施混合式教育方式

開發(fā)混合式學(xué)習(xí)方案的關(guān)鍵因素在于確定適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，使用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞?，為適當(dāng)?shù)膶W(xué)生施行教學(xué)。而教師想要運(yùn)用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞叫枰紤]學(xué)習(xí)地點(diǎn)的設(shè)置、信息傳輸技術(shù)及時(shí)間的安排、教學(xué)策略和績效援助策略等。[3]混合式教學(xué)模式一般可分為以下幾個(gè)階段：[4-6]

1.前期分析

學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體是有認(rèn)知、有情感的，學(xué)生本身的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力和社會(huì)特征都對(duì)學(xué)習(xí)的信息加工過程產(chǎn)生影響，教師進(jìn)行學(xué)生特征分析有助于了解學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備和學(xué)習(xí)風(fēng)格，從而為后面的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)和媒體的選擇提供依據(jù)。

2.混合式教學(xué)的組織與管理

教師應(yīng)按照教學(xué)進(jìn)度有針對(duì)性地選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)要參照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容及其呈現(xiàn)形式，將其與具體的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。教學(xué)活動(dòng)的作用在于為學(xué)生創(chuàng)造具體的學(xué)習(xí)情境，并加強(qiáng)師生、生生之間的交流互動(dòng)，因此恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略對(duì)于教學(xué)活動(dòng)的順利展開尤為重要。

3.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及教學(xué)資源建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)的對(duì)于教學(xué)來說不應(yīng)當(dāng)只是發(fā)布教學(xué)內(nèi)容，而更多的應(yīng)該是支持教學(xué)交互、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理，教學(xué)交互、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，這就需要有一個(gè)集教學(xué)內(nèi)容發(fā)布與管理、課堂教學(xué)、在線教學(xué)交互、在線教學(xué)評(píng)價(jià)、基于項(xiàng)目的協(xié)作學(xué)習(xí)、發(fā)展性教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)來支撐混合式教學(xué)。本校對(duì)“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”、“工程流體力學(xué)”原有的教學(xué)網(wǎng)站進(jìn)行了全面改版，并于2010年先后投入運(yùn)行。其中“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)網(wǎng)站主頁如圖1所示。網(wǎng)站按照省部級(jí)精品課程的要求制作，網(wǎng)上教學(xué)內(nèi)容詳實(shí)，包括課程的概況、教學(xué)文件、習(xí)題及答案、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等各種資源。學(xué)生可通過瀏覽網(wǎng)站學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，這對(duì)課堂教育來說是一個(gè)非常有益的補(bǔ)充，并有助于實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)。

二、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

“工程流體力學(xué)”是理解能源動(dòng)力系統(tǒng)工質(zhì)流動(dòng)與流量、能量分配的基礎(chǔ)。“工程熱力學(xué)”是研究如何充分和有效利用能量的學(xué)科，其基本內(nèi)容是熱力學(xué)基本定律和工質(zhì)熱物性、熱過程的研究，是理解能源動(dòng)力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換基本規(guī)律和提高系統(tǒng)能源利用效率的理論基礎(chǔ)?！皞鳠釋W(xué)”研究熱量傳遞的基本規(guī)律，是理解和控制能源動(dòng)力系統(tǒng)熱量傳遞過程的理論基礎(chǔ)?！盁峁W(xué)”集成了“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”的基本理論和核心內(nèi)容，為能源動(dòng)力類安全工程專業(yè)等提供必要和少量學(xué)時(shí)的熱工理論基礎(chǔ)教育，也是其他非能源動(dòng)力類專業(yè)節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用的理論基礎(chǔ)課程。“熱工測量技術(shù)”和“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程則是關(guān)于“工程流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”的實(shí)驗(yàn)理論的技術(shù)基礎(chǔ)課程，旨在揭示相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)、原理、方法以及應(yīng)用。

1.熱工系列課程間內(nèi)容關(guān)聯(lián)性分析

（1）“工程流體力學(xué)”與“工程熱力學(xué)”在教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：“工程流體力學(xué)”中的一維無粘性重力流體流動(dòng)能量方程（伯努利方程）與“工程熱力學(xué)”中的熱力學(xué)第一定律穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式具有相同的理論基礎(chǔ)，后者是普遍適用的能量方程式，而后者是前者在一維無粘性重力流體條件下的特例和不同的表達(dá)方式；“工程流體力學(xué)”中的可壓縮流體流動(dòng)基礎(chǔ)與“工程熱力學(xué)”中的氣體和蒸汽的流動(dòng)研究對(duì)象及理論基礎(chǔ)完全相同，只不過研究的側(cè)重點(diǎn)不同，前者強(qiáng)調(diào)流動(dòng)特性，后者注重能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程。

（2）“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容方面具有緊密的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，主要體現(xiàn)在“工程流體力學(xué)”中粘性流動(dòng)方面與“傳熱學(xué)”中對(duì)流換熱方面的相關(guān)內(nèi)容，具體為：

1）研究對(duì)象均為傳遞現(xiàn)象，“工程流體力學(xué)”研究的是動(dòng)量的傳遞，而“傳熱學(xué)”研究的則是熱量的傳遞，其規(guī)律及分析方法具有類比性。首先，傳遞驅(qū)動(dòng)力分別為速度差和溫度差；其次，傳遞方式均為分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散，其中對(duì)于分子擴(kuò)散基本規(guī)律兩者具有類似的形式，即牛頓摩擦定律及傅里葉定律，也均有描述傳遞能力的物性參數(shù)，即運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）和熱擴(kuò)散系數(shù)（m2/s），而且流動(dòng)邊界層與熱（溫度）邊界層具有相似的定義和相同的邊界層結(jié)構(gòu)；最后，描述傳遞現(xiàn)象的控制方程，即動(dòng)量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程，也具有相似的形式。這也是“傳熱學(xué)”中動(dòng)熱類比分析方法（類比律，即將阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算）的理論基礎(chǔ)。

2）如果粘性流體流經(jīng)壁面且具有與壁面不同的溫度時(shí)，就會(huì)同時(shí)發(fā)生動(dòng)量傳遞和熱量傳遞現(xiàn)象。此時(shí)“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”研究的是同一現(xiàn)象的不同方面的特性，即阻力特性和傳熱特性。一般阻力特性是傳熱特性研究的基礎(chǔ)，某些特殊情況（流動(dòng)及對(duì)流換熱具有耦合特征）下兩者相互影響，如流體外掠平板的層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、圓管內(nèi)層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、外掠圓柱的層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、各類自由流動(dòng)及對(duì)流換熱等等。顯然在此類教學(xué)內(nèi)容中，“工程流體力學(xué)”是“傳熱學(xué)”的基礎(chǔ)。

3）具有相同的分析、計(jì)算方法。正是由于動(dòng)量方程和能量方程具有相似的形式，理論分析法（包括微分方程組求解及積分方程組求解）、模化實(shí)驗(yàn)方法（相似原理）、數(shù)值計(jì)算方法均可應(yīng)用于阻力特性和傳熱特性的研究，甚至同一數(shù)值計(jì)算商業(yè)軟件（如FLUENT、ANSYS、PHINICS等）可同時(shí)分析求解同一現(xiàn)象的阻力特性和傳熱特性。因此在研究方法上，“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”是并行的或者說是相同的。

（3）“工程熱力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容具有關(guān)聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：“工程熱力學(xué)”中有關(guān)熱量傳遞只是討論熱力過程中熱量傳遞的量，而“傳熱學(xué)”研究的是熱量傳遞的機(jī)理、方式、影響因素、計(jì)算方法。在“熱力學(xué)”中熱量的單位是q（J/kg），而“傳熱學(xué)”中熱量（熱流密度）單位是q（W/m2），可見后者強(qiáng)調(diào)的是熱量傳遞的速率及能力，而后者以前者的理論（即熱力學(xué)第一定律—能量守恒規(guī)律）為基礎(chǔ)；“工程熱力學(xué)”中有關(guān)濕空氣焓及含濕量變化規(guī)律與“傳熱學(xué)”中的熱質(zhì)交換有著內(nèi)在聯(lián)系。如電廠冷卻塔中，“工程熱力學(xué)”討論了其工作原理及狀態(tài)參數(shù)的變化，而“傳熱學(xué)”則討論了其熱濕交換的具體方式和傳遞速率。

2.熱工系列課程教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化原則

依據(jù)培養(yǎng)方案，流體熱工系列課程時(shí)間安排順序是“工程流體力學(xué)”—“工程熱力學(xué)”—“傳熱學(xué)”（或“熱工學(xué)”）—“熱工測量技術(shù)”，“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程與上述課程并行安排。因此，熱工系列課程教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化按照以下原則進(jìn)行：

（1）安排在前的課程。教師除完成本課程教學(xué)內(nèi)容外，須根據(jù)上述各課程之間知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，有意識(shí)地為后續(xù)課程涉及的內(nèi)容打下牢固的理論基礎(chǔ)。“工程流體力學(xué)”課程的教師需要向“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”課程任課教師了解相關(guān)的內(nèi)容，如一元絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律、相似原理等等，在“工程流體力學(xué)”的教學(xué)中兼顧這些內(nèi)容的教學(xué)需求。

（2）安排在后的課程。教師依據(jù)上述各課程之間知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性分析，在相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過程中，須了解前面課程任課教師的授課內(nèi)容和方法，精選授課內(nèi)容，避免不必要的重復(fù)，使該課程與前面課程有機(jī)銜接，且注意采取比較教學(xué)法，讓學(xué)生更容易掌握課堂知識(shí)。

（3）“熱工測量技術(shù)”和“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程。課程任課教師應(yīng)了解和引用其他理論課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。如溫度測量，教師除加強(qiáng)溫度測量原理、儀表、標(biāo)定及使用方法教學(xué)外，對(duì)于高速氣流溫度測量，需引用“工程熱力學(xué)”中氣流一維絕熱流動(dòng)能量方程以及滯止溫度和氣流溫度的關(guān)系等相關(guān)理論知識(shí)，說明氣流速度對(duì)溫度測量誤差的影響；而對(duì)于高溫氣流溫度測量，需引用“傳熱學(xué)”的輻射換熱相關(guān)理論，說明輻射對(duì)測溫誤差的影響以及消除誤差的措施；而對(duì)于鎧裝熱電偶或在加溫度計(jì)套管情況下，還需引用“傳熱學(xué)”的通過肋壁導(dǎo)熱的相關(guān)理論，說明套管的存在對(duì)溫度測量誤差的影響以及消除誤差的措施。

三、結(jié)束語

經(jīng)過一定時(shí)間的教學(xué)體驗(yàn)和學(xué)生的反饋表明，該教學(xué)模式使教學(xué)效果得到很大提高。筆者認(rèn)為在以后的教學(xué)當(dāng)中，要把這種模式繼續(xù)深化并推廣到其他課程的教學(xué)當(dāng)中，熱工系列課程的教學(xué)改革也必然會(huì)取得成功。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）