過程裝備與控制工程專業(yè)工程熱力學教學改革探討

吳晅 何麗娟 王麗芳

以熱力過程為研究對象的工程熱力學課程在以過程工業(yè)為背景的過程裝備與控制工程專業(yè)教學中的作用日益凸顯。分析了工程熱力學課程在過程裝備與控制工程專業(yè)中的地位。結合我校特點，分析了課程教學中存在的若干問題，并針對過程裝備與控制工程專業(yè)要求及熱力學課程特點，對工程熱力學課程的教學方法和手段進行了探索和思考。

過程裝備與控制工程工程熱力學教學改革過程裝備與控制工程（文中均簡稱“過控專業(yè)”）學科是機械類學科的一個重要分支，其自身屬于機械領域，但同時其又服務于過程工業(yè)。因此其主要以過程工業(yè)為專業(yè)背景。過程工業(yè)是以流程性物料（如氣體、液體、粉體等）為主要對象，以改變物料的狀態(tài)和性質為主要目的。其包括冶金、化工、化學、煉油、制藥、食品、環(huán)保、能源、動力等諸多行業(yè)與部門。過程工業(yè)所涉及的一些物理、化學過程，主要有傳質過程、傳熱過程、流動過程、反應過程、機械過程、熱力學過程等。正是這些物理、化學過程，構成了過程工業(yè)的生產(chǎn)過程。過程工業(yè)所涉及的對象是流程性物料，從原料到產(chǎn)品需經(jīng)過復雜的工藝過程，因而整個過程需要由為數(shù)眾多的單元構成，而每一個單元又需要由能實現(xiàn)這一功能的設備來完成，而將這些單元設備連在一起便構成了過程裝備。

工業(yè)過程中的物理、化學過程無不涉及能量的轉換和傳遞問題，而熱力過程又是實現(xiàn)能量轉換和傳遞的必要途徑。以熱力過程為研究對象的工程熱力學課程在專業(yè)學習中起到重要的作用。結合這幾年熱力學教學改革實踐以及我校實際，本文將分析過控專業(yè)所開設的工程熱力學課程教學中存在的問題，并就其改革的方向和方法進行探索和思考。

一、工程熱力學在過程裝備與控制工程專業(yè)中的地位

過控專業(yè)的總體框架為以“過程設備”為主體，以“過程工程”和“過程控制”為兩翼的“一體兩翼”。其中，過程設備主要是以焊接為主要制造手段的（諸如換熱器和鍋爐等）過程設備和以機械加工為主要的制造手段的（諸如壓縮機、離心機、泵、內(nèi)燃機和汽輪機等）過程設備。這些過程設備的共性在于，其目的是要通過一系列過程來獲得產(chǎn)品，這些過程伴隨著流體工質的運動和能量的轉換。而工程熱力學的研究內(nèi)容就是通過工質的狀態(tài)變化實現(xiàn)能量的轉換、通過掌握能量的轉換規(guī)律獲得提高能量轉化效率的途徑。同時，過程裝備與控制工程專業(yè)的知識結構有三個層次：專業(yè)理論基礎知識、專業(yè)技術基礎知識和專業(yè)知識。在專業(yè)理論基礎知識中，熱力學基礎就是其中重要的內(nèi)容之一。因此工程熱力學是過程裝備與控制工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)理論基礎課。查閱相關文獻，不難發(fā)現(xiàn)目前在工程熱力學教學方法的探討和改進方面有許多有效的措施，但其中絕大部分都集中在能源動力類專業(yè)工程熱力學教學上。雖然這些方式方法大多也可借鑒到過控專業(yè)工程熱力學的教學改革中。但由于專業(yè)發(fā)展方向的不同，使得課程改革相應的側重點也難免會有所差異。具體針對過控專業(yè)工程熱力學教學改革還少有文獻發(fā)表。為此本文僅針對內(nèi)蒙古科技大學的實際情況，提出過控專業(yè)工程熱力學教學改革的一些建議和思考。

二、工程熱力學在過控專業(yè)存在的問題

1.我校過控專業(yè)設在機械工程學院。學院在制定培養(yǎng)方案和在學生培養(yǎng)過程當中均主要偏向于機械裝備方面。因此，過控專業(yè)學生的能源應用意識和對能源轉換的理解上要滯后于能源動力類專業(yè)的學生。但正如本文前面所分析的，過控專業(yè)實際上又是與能源應用和轉換密不可分的。

2.工程熱力學課程內(nèi)容知識點非常多，而且各個知識點之間又相互緊密聯(lián)系。同時課程中的概念十分抽象，具有較強的理論性。這在一定程度上增加了學生學習的難度和積極性。而這在過控專業(yè)更為突出，在教學中學生普遍反映熱力學課程太難，書中公式太多，內(nèi)容抽象，從一開始就產(chǎn)生了厭學情緒。

3.不同專業(yè)方向對工程熱力學知識需求的側重點不同，而針對不同專業(yè)安排教學內(nèi)容、教學課時以及教材的選取還有待進一步完善。

三、工程熱力學在過控專業(yè)教學中的探索與思考

1.結合過控專業(yè)特色和專業(yè)方向，整合工程熱力學教學內(nèi)容

我校除了過控專業(yè)，還有建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)、熱能與能源應用工程專業(yè)均開設有工程熱力學課程。對于后兩個專業(yè)而言，其工程熱力學課程學時數(shù)較多，并且它們的能源應用的方向性和技術性與工程熱力學要更加緊密。而過控專業(yè)相對來說熱力學學時數(shù)偏少，其專業(yè)方向性與工程熱力學就不是那么緊密。因此，在過控專業(yè)中所講授的熱力學課程內(nèi)容就不能像能源動力類專業(yè)中那樣面面俱到。那么只能根據(jù)過控專業(yè)的專業(yè)特點和專業(yè)方向對熱力學內(nèi)容進行取舍。優(yōu)化后的工程熱力學主要教學內(nèi)容為：熱力學第一定律及由其而展開的開口、閉口系統(tǒng)能量方程式；熱力學第二定律及由其而展開的卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)到孤立系統(tǒng)熵增原理；壓氣機的熱力過程；制冷循環(huán)、動力循環(huán)；以及系統(tǒng)工質（如水蒸氣）的熱力性質；其中一些基本概念（如熱力系統(tǒng)、功、熱、焓、熵、理想氣體、狀態(tài)方程等）貫穿在以上內(nèi)容的講解當中。

2.選定適用于過控專業(yè)的教材

目前出版的絕大部分工程熱力學教材都是根據(jù)能源動力類專業(yè)的特點和發(fā)展方向來編寫的。而能源動力類相應的熱力學教材，不論是在教學內(nèi)容上，還是在知識結構的編排，以及工程實例的選取上，都不能滿足過控專業(yè)的實際要求。以內(nèi)蒙古科技大學為例，學校開設有多個能源動力類專業(yè)，相關熱力學教學師資力量較強。因此，基本是都是由能源動力類的專業(yè)老師來擔任過控專業(yè)的教學任務。同時，由于過控專業(yè)與能源動力類專業(yè)分屬不同的學院，在教學、培養(yǎng)方案、教材以及教學人員等方面無法實現(xiàn)有效的統(tǒng)籌規(guī)劃。此外，一些熱力學任課老師為了自己上課方便，在擔任過控專業(yè)工程熱力學教學時，往往就直接采用能源動力類熱力學教材和講義。這些在一定程度影響到因材施教，同時也加大了過控專業(yè)學生的學習難度，從而影響學生學習積極性。因此，選定與過控專業(yè)相匹配的熱力學教材，并編寫相應的講義對提高過控專業(yè)工程熱力學教學水平具有重要作用。

3.提高知識點講解的通俗易懂性

工程熱力學是一門理論性較強、知識點繁瑣、公式多、內(nèi)容抽象的專業(yè)基礎課。因此，如何對各個知識點的講解做到通俗易懂是非?？简炄握n老師大智慧的。例如，任何一本教材都有它的局限性。例如同樣一個知識點，就出現(xiàn)在適用于過控專業(yè)教材的陳述和解釋上沒有能源動力類教材解釋的清晰易懂的情況。因此，在講義的編寫過程中，在課堂的講授中，不能局限與所選用的教材。作為熱力學任課教師要廣讀相關熱力學書籍和教材，平時留意日常生活的點點滴滴，這樣有利于例舉出與日常生活緊密相關的實例進行講解，從促進學生對知識點的理解。根據(jù)學生實際水平因材施教。熱力學的一個特點就是公式形式多、公式推導多。基礎差的學生聽起來會十分枯燥而且不好理解。那么我們可以明確就告訴學生不用去深究其如何推導得到的，只要熟悉幾個重要公式如何使用就可以了，但這就需要在教學中通過舉例或實踐來加強這些公式的應用。在實踐中引出并講解公式的應用，比直接生硬的推導出一堆公式要更容易讓學生理解和接受。

4.加強以過控專業(yè)過程工程為背景的情景教學

過控專業(yè)突出工業(yè)過程的控制，而熱力過程又是工業(yè)中最為常見的過程之一。熱力學課程的主要任務是通過對課程

的學習，提高學生熱力學基礎理論水平，培養(yǎng)學生分析和處理問題的抽象能力和邏輯思維能力，為學生從事工業(yè)過程尤其是熱力過程的設計與控制工作奠定必備的理論基礎。但同時，通過課程的學習來培養(yǎng)學生對實際熱力過程的分析，做到實際工程于理論相結合顯得更為重要。因為這一方面可以培養(yǎng)學生的工程意識，另一方面可以加深學生對課程知識的認識，提高學習興趣。因此在工程熱力學的教學上，要注重工程實踐的融入。構建實際的工程情景。將熱力學知識點融入到情景中去講授。例如，將空調(diào)實際制冷、供熱過程引入逆卡諾循環(huán)的講解中。讓學生理解逆卡諾循環(huán)為什么能夠實現(xiàn)制冷和供熱功能。理解制冷系數(shù)和供熱系數(shù)的實際意義和價值；將機械領域常見的壓縮機、內(nèi)燃機等實際壓縮、膨脹等熱力過程引入到閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)能量方程知識點上。以加強學生對能量方程的工程應用價值的理解，培養(yǎng)學生工程意識。

5.增加熱力學基礎實驗學時，提高實踐能力

相對于能源動力類專業(yè)，我校過控專業(yè)學時數(shù)較少。再加上專業(yè)方向偏重于機械類。因此早期該課程教學大綱制定上就沒有安排基礎實驗學時。但是從多年教師授課和學生學習情況來看，增加一定學時的熱力學基礎實驗是非常有必要的。在課程安排上，可以精簡一部分理論知識的講授來滿足實驗學時。實驗內(nèi)容不在多，而在于精，具有一定代表性。其中要有必要的熱力過程演示實驗，以提高學生對熱力過程的深入認識；此外還需補充一到兩個綜合性實驗。如制冷循環(huán)、動力循環(huán)實驗等。這些都可以和內(nèi)蒙古科技大學能源動力類專業(yè)相關實驗相結合來開展。但需要注意的是，在講解及實驗的設計中要突出“過程”這個專業(yè)特點。

四、結束語

工程熱力學課程在過程裝備與控制工程專業(yè)中具有重要的地位，需要引起足夠的重視。針對專業(yè)特點和學生接受能力適時調(diào)整優(yōu)化教學內(nèi)容，因材施教，探索有效的教學方法，提高教學質量。教學中有意識的構建實踐情景，注重知識的工程應用，在工程應用中學知識，以培養(yǎng)學生的工程過程分析和應用能力，提高學生工程應用素質。

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基金項目：內(nèi)蒙古科技大學2014年度教學（教改）研究項目（項目編號：JY2014035）。