熱工基礎類課程的教學實踐

唐 嬋 王紅艷 張翠珍

南京工程學院能源與動力工程學院 江蘇省 南京市 211167

熱工基礎類課程的教學實踐

唐 嬋 王紅艷 張翠珍

南京工程學院能源與動力工程學院 江蘇省 南京市 211167

為了更好地滿足專業(yè)分類的需要和實踐型人才培養(yǎng)，以培養(yǎng)學生發(fā)散思維為目標，對熱工基礎類課程的教學進行了探索和改革。提出了課程教學模塊化，分別為公共基礎模塊和各類專業(yè)模塊，實踐環(huán)節(jié)有傳統(tǒng)驗證性實驗模塊、挑戰(zhàn)性工程設計模塊和綜合熱流實驗模塊。在培養(yǎng)方法上選擇和改進具體的教學方法、手段和內(nèi)容，實現(xiàn)教學效果和人才培養(yǎng)的雙贏。

熱工基礎；模塊化；發(fā)散思維；人才培養(yǎng)

熱工基礎類課程包含的是工程熱力學、傳熱學以及由這2門課程組合成的熱工基礎等。熱工基礎類課程在理工科許多專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有重要地位，主要設置在能源動力類(發(fā)電、汽車船舶，航空航天)、石油化工類、土建類專業(yè)。工程熱力學研究的是熱能有效利用及轉(zhuǎn)換效率的提高途徑，傳熱學以熱量的傳遞現(xiàn)象及規(guī)律為基本內(nèi)容，以工程熱力學和傳熱學為主的熱工基礎類課程已經(jīng)成為歐美國家工程類學生的必修課，有的學校把此類課程作為工科的公共課程。由此可見，熱工基礎類課程已越來越受到各類相關學科的重視，將越來越被普及和推廣。

熱工基礎課程是基礎課程與專業(yè)課程的銜接，在專業(yè)課程學習中起著承前啟后的作用，是學好后續(xù)專業(yè)課程的奠基石，也為專業(yè)領域中學科交叉的寬度和廣度提供了公共平臺。課程具有很強的邏輯性和抽象性，需要一定的數(shù)學功底，各部分內(nèi)容相互交叉滲透，理論緊密聯(lián)系工程實際，但同時又把具體工程問題及設備抽象簡化成原理，對于教師的“教”與學生的“學”都是相對較難的課程。因此如何對熱工基礎課程教學進行改革，提高課程“教”與“學”的質(zhì)量，是學好該課程和后續(xù)專業(yè)課程以及跨專業(yè)學習深造的一個關鍵問題。

1 培養(yǎng)目標

為了培養(yǎng)“學以致用”的綜合性創(chuàng)新型人才，鼓勵和發(fā)展本科生的發(fā)散思維，培養(yǎng)他們對所學習內(nèi)容的深刻理解和運用。日常生活和工程實際中有不少有趣且值得思考的傳熱學與熱力學問題，能在教學中適當引用和拓展，對提高學生學習興趣，訓練發(fā)散思維很有幫助。例如，在空調(diào)房間內(nèi)，夏季與冬季室內(nèi)溫度都保持在20℃左右，夏季人們可以穿短袖襯衣，而冬季則要穿毛線衣；夏天如果把冰箱門打開，房間門窗緊閉，是否可以讓房間的溫度降低；微波爐加熱食物的原理；玻璃溫室種植熱帶植物的原理；下雪之后，為什么天橋上還有積雪，但是路面上卻沒有了。針對火力發(fā)電的學生還可以結合工程實例：鍋爐停爐后對其進行沖洗，管道保溫層能否無防淋濕措施；在機組正常運行過程中，保持凝汽器汽側(cè)不含不凝結氣體的原因；用套管溫度計測量容器內(nèi)的流體溫度，套管材料選用銅和不銹鋼時，哪種情況下測量誤差小。

開辟第二課堂教學，不僅可以提高學生的學習積極性和創(chuàng)新意識，還可以進一步拓展學生思維。學生自己在分析問題時，思維深度隨著問題研究的深入循序漸進。在闡述熱力學和傳熱學理論時，強調(diào)理論形成的不同途徑及其相應的表述形式對發(fā)展思維深度有幫助。課后布置有一定難度和深度的科研小論文，強化學生分析問題、解決問題能力。增加自學環(huán)節(jié)，給學生留有自由思考學習的空間。在工程熱力學和傳熱學中，新知識與舊知識有著緊密的聯(lián)系，學生完全有能力自學。例如在工程熱力學中，學習理想氣體熱力過程后，讓學生自主學習壓氣機和氣體動力循環(huán)過程的內(nèi)容，學生不僅可以鞏固前面的知識，還可以增強自學能力，最后學生通過自學備課到講臺上講解，對學生受益匪淺，教師也能找到不足和難點。教師應該充分相信學生的能力，努力做到“放手”讓學生自己歸納總結、引申拓展。例如，鼓勵學生組成學習小組，動手設計搭建簡單的實驗臺。大學生創(chuàng)新項目中引導學生對實際的熱電偶和露點儀進行測量，加以改進并進一步申請專利。由于前期的積累，學生在全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽獲得了優(yōu)異的成績。

2 課程模塊化

在具體教學實踐過程中，根據(jù)不同的專業(yè)方向，設置不同的熱工基礎課程模塊作為側(cè)重點，每個專業(yè)都有公共基礎模塊和本專業(yè)的模塊化部分。教學過程中，針對模塊化進行教學，可以分不同的基礎和專業(yè)教師分別進行教學和拓展。在歐美的高等學校中，工程類主修課程的設置一般分為2個模塊[1]，即公共模塊和專業(yè)模塊。公共模塊中的課程一般覆蓋了該校工程類各個研究方向最基本的原理，是所有學生的必修課，在這一模塊課程中均包含熱力學與傳熱學的基本原理課程在內(nèi)；專業(yè)模塊中按專業(yè)方向不同而分成若干組課程供學生選修。

在熱工課程的教學中，可以把包含各個研究方向最基本的原理作為公共模塊，是所有學生的必修內(nèi)容；各個不同專業(yè)方向的學生再進行專業(yè)模塊化部分的教學或者選修。工程熱力學中，例如熱能動力工程火力發(fā)電方向的學生選擇蒸汽動力循環(huán)和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為主要講解的模塊內(nèi)容，內(nèi)燃機和發(fā)動機方向的學生主要選擇氣體動力循環(huán)，制冷方向的學生主要選擇逆向制冷循環(huán)為主要講解的模塊內(nèi)容，建筑環(huán)境與設備工程的學生主要講解的模塊是濕空氣的焓濕圖及應用。而所有能源與動力類專業(yè)的公共模塊都是熱力學第一定律和第二定律。以傳熱學中的火力發(fā)電方向針對鍋爐詳細介紹氣體輻射作為專業(yè)模塊化部分為例，針對暖通制冷方向增加制冷劑的換熱和換熱器單元效能法的計算為專業(yè)模塊內(nèi)容。針對設備方面，火力發(fā)電專業(yè)的學生重點講解冷凝器和鍋爐內(nèi)的高低溫過熱器、省煤器，核能發(fā)電的學生主要講解蒸汽發(fā)生器，而他們共同的設備可以著重講解電廠實際回路中的表面式換熱器。專業(yè)模塊中還可以對前沿問題進行拓展，例如將微尺度傳熱，渦輪葉片的發(fā)散冷卻等作為專題讓學習探討。

實際操作中，根據(jù)不同教師的專業(yè)特長，同班級的學生在同一課時內(nèi)，可按照不同的模塊選派不同的教師進行教學。教學過程中，學生可以吸收不同教師的知識面和教學特點，同時增加了課堂的新穎感和興趣性。另外，針對當前中國的長期能源問題，在熱工基礎教學上，建立對新的、先進的能源利用方式(熱電冷聯(lián)產(chǎn)、新能源利用、先進的冷卻方式)模塊，如何提高超超臨界機組循環(huán)和燃氣輪機的經(jīng)濟性與環(huán)保性，也是熱工課程積極開拓和研究的方向。

在熱工基礎類課程的實踐環(huán)節(jié)方面，我國目前大部分還停留在驗證性實驗階段。美國普渡大學的3位教授對于傳熱學試驗提出了以下改革內(nèi)容：(1)減少傳統(tǒng)的驗證實驗，增加學生團隊項目。(2)增加有挑戰(zhàn)性的工程設計項目。(3)提供動手訓練機會。(4)增加與工程實際合作項目。(5)發(fā)展和培養(yǎng)匯報和交流項目結論的能力[2]。針對實驗環(huán)節(jié)，同樣設置模塊化實驗教學，也分為基礎模塊和拓展模塊，有傳統(tǒng)驗證性實驗模塊、挑戰(zhàn)性工程設計模塊。鼓勵和指導學生參加大學生創(chuàng)新項目和熱工競賽中的項目，需要學生自主創(chuàng)新和研發(fā)挑戰(zhàn)性工程類設計課題，為學生提供充分的工程實踐和團隊合作的機會。另外還可以開設一些綜合性熱工類實驗。為了培養(yǎng)學生在熱流學科方向的綜合應用能力，開設綜合熱力學、傳熱學、傳質(zhì)學和流體力學的公共實驗模塊，例如針對卓越工程師班設置綜合熱流實驗模塊，學生需要充分運用所學知識進行的實驗的組建和開發(fā)驗證。實踐環(huán)節(jié)是重視培養(yǎng)工程應用型人才的關鍵，讓學生有一個學以致用的平臺是熱工課程教改所一直致力的。

3 培養(yǎng)方法

為了更好提高學習興趣和改善教學效果，研究課堂教學模式是熱工基礎改革的關注點之一。將互動方式貫穿于教學的整個過程，教師出提綱學生自學，學生上去講，教師最后歸納總結。例如，教師講解完原理和知識點，列舉一兩個有代表性的例題，讓學生在課堂完成，并選擇學生上臺講解。熱工基礎類課程的特點是習題特別多，做習題時先讓學生自己做一遍，教師再講解，學生通過思考發(fā)現(xiàn)自己哪些地方不太清楚，而教師在講題時也可以針對學生出現(xiàn)的問題有的放矢。一方面活躍課堂氣氛，能集中學生的注意力，增強學生的自主學習能力，也能發(fā)現(xiàn)學生的不足，進一步補充和強化，在達到很好教學效果的同時，也鍛煉了學生的表達能力。例如在傳熱學教學過程中擬定幾個專題：各向異性材料導熱系數(shù)的確定，肋片的幾大作用，熱管內(nèi)的氣流兩相流等。運用討論的方法，讓學生開展分組討論，鼓勵每組派代表在全班匯報，并接受同學的提問。通過學生參與課堂教學比重的增加，使學生真正成為課程學習的主體。

對于一些工程實際內(nèi)容，例如換熱器部分可以組織學生到實驗室及鍋爐房看一些實物使學生有一個感性認識。例如，鍋爐、汽輪機結構模型和核電站系統(tǒng)模型都為學生提供了直觀的認識。講述太陽能利用、熱管、地源(水源)熱泵的應用，采用視頻方式加深在科技領域和實際生活中應用的認識。另一方面，利用計算機可以做到教材無法比擬的教學效果, CAI軟件成為了加速教學改革、提高教學效率的重要手段。目前我們的火力發(fā)電系統(tǒng)和核能發(fā)電系統(tǒng)仿真就是充分利用計算機實現(xiàn)的。開發(fā)工程熱力學和傳熱學的學習網(wǎng)站，將教學大綱、教案、上課錄像、課后習題答案與解析、歷年考研試題等作為網(wǎng)站的基本資源。同時建立熱工基礎類課程的習題庫，組織學生參加熱工基礎知識競賽，題庫由趣味性的日常生活、工程實際的熱工題目和適合考試和考研的習題組成，競賽的形式可以有卷面考試和問答(必答、搶答等)，通過這樣的活動，不僅能激發(fā)學生的學習興趣，同時鞏固了基礎知識，還可以獲得競賽經(jīng)驗。鼓勵教師積極開展雙語教學，加強工科學生工程技術能力的同時提高專業(yè)英語水平及綜合能力，注重雙語教學，循序漸進地進行教學，為學生以后的專業(yè)英語以及參加國際交流打下基礎。鼓勵青年任課教師到企業(yè)或現(xiàn)場掛職實踐，提高自身的工程經(jīng)驗和能力，將工程實踐有機地融合到教學中，從理論和實踐兩方面提升自身的學識。

4 結束語

本科生的培養(yǎng)重在發(fā)散思維，鼓勵學生有創(chuàng)新意義的思維。熱工基礎課程實現(xiàn)課堂教學的公共基礎模塊化和各類專業(yè)模塊化，實驗也分基礎模塊和拓展模塊。教師借助多種形式的教學方法，包括課堂各種形式的互動及課后參觀，第二課堂小論文及實踐創(chuàng)新項目，最終能達到很好的教學效果，滿足當前教育發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要。

[1] 何雅玲,陶文銓.對我國熱工基礎課程發(fā)展的一些思考[J].中國大學教學,2007(3):12-15.

[2] Bianchi M V A, Schoenhala R J, DeWitt D P. Changing the role of the laboratory in a heat transfer course. ASME HTDVol.344,National Heat Transfer Conference, Vol. 6, 1997, 1-8.

[3] 陶文銓,何雅玲.關于編寫傳熱學和工程熱力學教材的淺見[J].中國大學教學,2003(10):43-44.

[4] 劉愛萍.淺談傳熱學課程的教學改革[J].中國電力教育,2002(4):73-75.

[5] 郭平生,唐賢健.熱力學教學內(nèi)容革新的思考[J].廣西物理,2008,29(4):51-54.

[6] 郭永輝,王子云.關于傳熱學課程教學改革之我見[J].制冷與空調(diào),2004(1):69-70.

The Teaching Practice of Thermal Base Classes

Tang Chan, Wang Hongyan, Zhang Cuizhen
Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 211167, China

In order to better meet the needs of the professional classification and cultivating talents on practice， aiming at cultivating students' divergent thinking， the thermal base class teaching is explored and reformed. This paper puts forward the modular teaching， public basic module and all kinds of professional module， and the practice segment has the traditional confirmatory experiment module， challenging engineering design module and the comprehensive heat transfer experiment module. Through selection and improvement of specific teaching methods， means and contents， win-win situation of teaching effects and cultivation of talents will be realized.

thermal foundation; modular; divergent thinking; the cultivation of talents

2014-05-19

唐嬋，碩士，講師。