時代背景下熱能與動力工程專業(yè)教學(xué)改革與創(chuàng)新

張光學(xué) 王進卿 池作和

摘要：隨著我國對節(jié)能減排政策的不斷深化，熱能與動力工程專業(yè)的重要性日益凸現(xiàn)。對當(dāng)前熱能與動力工程專業(yè)在教學(xué)過程中需要改進的方面進行了深入的探討，提出了新形勢下的改革方案與教學(xué)方法，其中包括CFD課程的開設(shè)、污染物控制與節(jié)能減排政策的相結(jié)合，為不斷提高教學(xué)效果和對本專業(yè)的建設(shè)提供參考作用。

關(guān)鍵詞：熱能與動力工程；節(jié)能減排；改革；創(chuàng)新；CFD課程

作者簡介：張光學(xué)（1982-），男，浙江湖州人，中國計量學(xué)院能源工程研究所，副教授；王進卿（1985- ），男，浙江義烏人，中國計量學(xué)院能源工程研究所，實驗師。（浙江 杭州 310018）

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0037-02

目前，世界能源消耗量巨大，主要耗能方式仍是來自于煤、石油和天然氣的燃燒，這些化石燃料在利用過程中產(chǎn)生了大量的污染物，如煙塵、二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物，[1-2]嚴(yán)重影響了人們的正常生活，甚至威脅著人類的生存與發(fā)展。為應(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，我國大力推廣節(jié)能減排政策。作為高校，為培養(yǎng)適合新形勢下的專業(yè)型技術(shù)人才，在教學(xué)環(huán)節(jié)中也要對教學(xué)方法和內(nèi)容有所調(diào)整。

現(xiàn)今傳統(tǒng)的能源消耗形式已逐步向清潔能源（風(fēng)能、太陽能、潮汐能、水能等）方向發(fā)展，[3]雖然所占比例還比較低，不過對于緩解嚴(yán)重的環(huán)境壓力而言將發(fā)揮積極性的作用。熱能專業(yè)與能源的綜合利用息息相關(guān)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)對已有的教材內(nèi)容加以篩選，對于一些落后于時代發(fā)展的方法與技術(shù)，不再重點講解，而對于一些新技術(shù)與新方法在教學(xué)中要重點闡述。把當(dāng)前的熱點技術(shù)提升到理論高度，使學(xué)生在未來的科學(xué)研究或是工作中找準(zhǔn)方向。

在教學(xué)改革實施過程中，我們將新型能源的發(fā)展趨勢及特點加到教學(xué)任務(wù)當(dāng)中，并對CFD軟件在本專業(yè)的應(yīng)用價值及前景進行了探討，開設(shè)了CFD相關(guān)課程。本文中，筆者分析了現(xiàn)行課程教學(xué)中存在的問題，并對教學(xué)改革的經(jīng)驗進行總結(jié)和系統(tǒng)介紹。

一 、現(xiàn)行教學(xué)工作存在的問題

1.教材內(nèi)容與時代背景互不銜接

熱能與動力工程專業(yè)的教材種類繁多，且現(xiàn)行教材內(nèi)容中所涵蓋的方法及技術(shù)大多是已有的陳舊理論，同時教材中的相關(guān)章節(jié)落后于時代背景，沒有對當(dāng)前的新技術(shù)、新方法加以系統(tǒng)性的介紹。這樣的后果是，學(xué)生的思維方式還停留在陳舊的方法體系當(dāng)中，不能對本專業(yè)的發(fā)展趨勢有明確的判斷，學(xué)生今后的研究及工作產(chǎn)生知識脫節(jié)，進而也對本專業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

2.缺乏對新型教學(xué)方法的探索

目前的教學(xué)方式還基本以課堂講授為主，并結(jié)合一定課時的實驗內(nèi)容。實驗也是以仿真平臺實現(xiàn)及外加一定的動手環(huán)節(jié)。但該過程避免不了存在著課時上的沖突，以致課堂教學(xué)與實踐教學(xué)之間不能統(tǒng)調(diào)，造成了理論知識與實踐內(nèi)容相結(jié)合時的不契合，且教學(xué)過程中師生間缺乏互動。

3.教學(xué)內(nèi)容與節(jié)能減排政策相脫離

當(dāng)今環(huán)境保護問題已經(jīng)提上了人們的日事議程，然而在教學(xué)內(nèi)容上，還是圍繞著以如何產(chǎn)能及能效問題為主，雖然在部分章節(jié)上對污染物控制策略加以闡述，但內(nèi)容片面，所涵蓋的信息量有限，也未能把教學(xué)內(nèi)容與節(jié)能減排政策相結(jié)合；且教學(xué)時也沒有在充分保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，探討如何節(jié)約授課成本。

4.對新型清潔能源的教學(xué)內(nèi)容不足

現(xiàn)在所教授的熱能專業(yè)課程主要是以煤、石油、天然氣為主的利用方式。而這些燃料在燃燒過程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，不符合當(dāng)前節(jié)能減排形勢。授課時也沒有對新型清潔能源加以系統(tǒng)的講解。且現(xiàn)今為止，對新型能源課程的側(cè)重點不夠，據(jù)調(diào)查其他很多高校也沒有開設(shè)相關(guān)課程。

二、教學(xué)工作的改革與創(chuàng)新

針對上述存在的教學(xué)問題，筆者從教材內(nèi)容的選取、實踐環(huán)節(jié)的完善及如何培養(yǎng)學(xué)生自主研究能力等相關(guān)環(huán)節(jié)進行了以下探索。

1.明確教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

為應(yīng)對當(dāng)前教材內(nèi)容的固化，在教學(xué)過程中，對于一些需要重點掌握的內(nèi)容不斷深化，不但要讓廣大學(xué)生從根本上了解其基本原理及相應(yīng)機制，還通過制作物理模型，或是制作相應(yīng)的動畫、短片來模擬其工作進程，使學(xué)生從固定形式的書本內(nèi)容過渡到生動鮮明的動態(tài)模型中，從而加深對理論知識的理解，同時對這些理論知識的應(yīng)用范圍進行闡述，如卡諾循環(huán)在熱機上應(yīng)用等。在每課時后都會布置相應(yīng)的課后內(nèi)容，這其中包括課后習(xí)題的計算，對書本上存在的重點、難點問題，通過網(wǎng)上搜索、到圖書館查閱資料等方式進行知識的梳理，使學(xué)生的知識體系得到全面的升華。

科技是不斷進步的，本專業(yè)的發(fā)展也應(yīng)與時俱進。為彌補書本中存在的知識點不完善問題，在其中加入時代背景下的新技術(shù)。例如，現(xiàn)行的熱能教材中，所講解產(chǎn)能方式都以燃煤、燃?xì)鉃橹鳎渲袥]有或是很少涉及到新型能源的相關(guān)方面。然而，隨著國家節(jié)能減排政策的不斷深化，在建設(shè)節(jié)約型社會的引領(lǐng)下，為適應(yīng)時代的發(fā)展趨勢，也本著更好地建設(shè)熱能與動力工程專業(yè)的發(fā)展要求，教學(xué)時增加對風(fēng)能及太陽能等清潔能源的利用及特點的系統(tǒng)性講解，并結(jié)合相關(guān)的應(yīng)用實例。

2.教學(xué)手段

在教學(xué)過程中，無論是課堂教學(xué)還是實踐教學(xué)，在原有的教學(xué)模式上進行改進工作。授課過程不再是教師獨自完成教學(xué)任務(wù)，而是采用啟發(fā)互動式的教學(xué)方法。旨在使學(xué)生間、教師與學(xué)生間產(chǎn)生良性互動，形成一種探討式的教學(xué)理念，使彼此的觀點相互碰撞，產(chǎn)生共鳴，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

本著培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，同時也為了擴寬學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，在“能源與環(huán)境系統(tǒng)工程概論”授課中期，安排學(xué)生對本專業(yè)的相關(guān)理論在工程實際中的應(yīng)用進行案例介紹，實施過程主要是通過制作PPT的形式，在課堂上每位學(xué)生進行10分鐘的講解。講解結(jié)束，臺下學(xué)生可根據(jù)自己的想法提出相應(yīng)問題，之后講解者進行解答。通過這樣的方式，每個學(xué)生都可以參與其中，如此也進一步彌補了實踐課程不足所造成的知識體系不全面。

3.CFD課程的開設(shè)

CFD技術(shù)是建立在經(jīng)典流體動力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)上的一門新型的獨立學(xué)科，[4]它兼有理論性和實踐性的雙重特點，是與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相連的。

通過實驗的方法所測得的數(shù)據(jù)真實可信。然而實驗時，往往會受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精確度等方面的限制，有時很難通過實驗的方法得到滿意的結(jié)果。此外，實驗時還會有經(jīng)費的投入、人力和物力的消耗及實驗周期長的問題，定會造成能源的浪費現(xiàn)象。而CFD技術(shù)在一臺計算機上完成相關(guān)運算，是用模擬的方法完成相同的實驗內(nèi)容，通過數(shù)值模擬再現(xiàn)實際場景。

在教學(xué)改革中，正是考慮到CFD計算精確、能耗小、實踐性強的特點，在本專業(yè)開設(shè)了“CFD工程軟件及應(yīng)用”課程。選取的教材為王福軍編著的《計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用》（清華大學(xué)出版社），該教材實用性強、重點突出、易學(xué)易懂。本課程在教學(xué)任務(wù)共計32個學(xué)時，每講授1個課時，預(yù)留給學(xué)生1個計算實例，培養(yǎng)其動手能力。為防止互相抄襲現(xiàn)象，每位學(xué)生的計算案例皆不相同。由于本軟件具有理論性與實踐性的優(yōu)點，學(xué)生不僅對理論知識進行了梳理，實踐能力也得到了加強，補充了實驗課程少所帶來的不利影響。

CFD課程的開設(shè)在一定方面也與我國所提出的節(jié)能減排政策相契合，這樣的授課特點既減少了課程開支，也保證了教學(xué)質(zhì)量。

4.污染物控制教學(xué)與節(jié)能減排形勢相結(jié)合

在世界范圍內(nèi)，環(huán)境保護已成為熱點話題，而電站燃煤是造成環(huán)境問題的罪魁禍?zhǔn)?。圍繞著環(huán)保，產(chǎn)生了各種燃煙型控制技術(shù)，這其中包括煤的凈化技術(shù)、煤的先進燃燒技術(shù)、燃煤煙氣凈化技術(shù)及潔凈煤發(fā)電新技術(shù)。

在過去的一段時間內(nèi)大氣污染的重點控制對象為硫氧化物及碳氧化物，而現(xiàn)今的重點控制對象已變?yōu)榈趸?。為此，在對學(xué)生授課時，對污染物控制技術(shù)應(yīng)深入介紹，同時也要對我國排放標(biāo)準(zhǔn)與國際排放標(biāo)準(zhǔn)進行比較，讓學(xué)生對相關(guān)政策有一定的了解。例如，授課時對脫硝裝置進行系統(tǒng)的介紹，使學(xué)生知道當(dāng)前的脫硝技術(shù)有哪些、國際上的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)如何。

5.社會實踐環(huán)節(jié)

熱能與動力工程專業(yè)是一個實踐性很強的學(xué)科，很多的理論知識都需要通過實踐的方式去領(lǐng)會與消化。因此，實踐教學(xué)是提高學(xué)生對知識全面掌握程度的必備環(huán)節(jié)。

實踐環(huán)節(jié)主要是以當(dāng)前污染物控制相關(guān)內(nèi)容為主，在提前與電廠溝通的前提下，且在電廠檢修期間，帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場教學(xué)，同時要充分注意學(xué)生安全問題。由于時間限制，主要對除塵系統(tǒng)、煙氣排放系統(tǒng)、脫硫島及脫硝島進行參觀及學(xué)習(xí)。在現(xiàn)場時，學(xué)生對于不懂的問題，由教師或電廠的運行人員進行答疑解惑。

同時，鼓勵學(xué)生參加相關(guān)的節(jié)能減排大賽。充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力與想象力，在其過程中，教師給予一定的指導(dǎo)工作。通過實踐環(huán)節(jié)，使每個學(xué)生對本專業(yè)有整體上的認(rèn)識，為今后的研究與工作打下堅實的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

在節(jié)能減排的時代背景下，針對熱能專業(yè)的特點，對有利于本學(xué)科發(fā)展的教學(xué)工作完善問題進行了有益的探討。具體內(nèi)容包括：教學(xué)內(nèi)容上對清潔新型能源的重點介紹、理論性與實踐性完備的CFD課程的開設(shè)、為應(yīng)對污染物控制問題的控制策略。通過這些改革與創(chuàng)新方法的嘗試，在教學(xué)上取得了令人滿意的成績。學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性有所提高，對知識的理解得以深入，且本專業(yè)就業(yè)趨勢明朗，就業(yè)單位對學(xué)生評價較高，從而證實了該教學(xué)改革與創(chuàng)新工作的實施是成功的，達到了最初的教學(xué)目標(biāo)。

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[4]王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CDF軟件原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯：劉輝）