過程裝備與控制工程專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)改革探討

◆吳 晅 何麗娟 王麗芳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院)

過程裝備與控制工程(文中均簡稱“過控專業(yè)”)學(xué)科是機(jī)械類學(xué)科的一個(gè)重要分支，其自身屬于機(jī)械領(lǐng)域，但同時(shí)其又服務(wù)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(zhì)為主要目的。其包括冶金、化工、化學(xué)、煉油、制藥、食品、環(huán)保、能源、動(dòng)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(xué)過程，主要有傳質(zhì)過程、傳熱過程、流動(dòng)過程、反應(yīng)過程、機(jī)械過程、熱力學(xué)過程等。正是這些物理、化學(xué)過程，構(gòu)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(fù)雜的工藝過程，因而整個(gè)過程需要由為數(shù)眾多的單元構(gòu)成，而每一個(gè)單元又需要由能實(shí)現(xiàn)這一功能的設(shè)備來完成，而將這些單元設(shè)備連在一起便構(gòu)成了過程裝備。

工業(yè)過程中的物理、化學(xué)過程無不涉及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問題，而熱力過程又是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(xué)課程在專業(yè)學(xué)習(xí)中起到重要的作用。結(jié)合這幾年熱力學(xué)教學(xué)改革實(shí)踐以及我校實(shí)際，本文將分析過控專業(yè)所開設(shè)的工程熱力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，并就其改革的方向和方法進(jìn)行探索和思考。

一、工程熱力學(xué)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(shè)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(shè)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(shè)備和以機(jī)械加工為主要的制造手段的(諸如壓縮機(jī)、離心機(jī)、泵、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等)過程設(shè)備。這些過程設(shè)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(zhì)的運(yùn)動(dòng)和能量的轉(zhuǎn)換。而工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容就是通過工質(zhì)的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、通過掌握能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律獲得提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑。同時(shí)，過程裝備與控制工程專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)有三個(gè)層次:專業(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)。在專業(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)中，熱力學(xué)基礎(chǔ)就是其中重要的內(nèi)容之一。因此工程熱力學(xué)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(chǔ)課。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)目前在工程熱力學(xué)教學(xué)方法的探討和改進(jìn)方面有許多有效的措施，但其中絕大部分都集中在能源動(dòng)力類專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)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(xué)的教學(xué)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(yīng)的側(cè)重點(diǎn)也難免會(huì)有所差異。具體針對過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)改革還少有文獻(xiàn)發(fā)表。為此本文僅針對內(nèi)蒙古科技大學(xué)的實(shí)際情況，提出過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)改革的一些建議和思考。

二、工程熱力學(xué)在過控專業(yè)存在的問題

1.我校過控專業(yè)設(shè)在機(jī)械工程學(xué)院。學(xué)院在制定培養(yǎng)方案和在學(xué)生培養(yǎng)過程當(dāng)中均主要偏向于機(jī)械裝備方面。因此，過控專業(yè)學(xué)生的能源應(yīng)用意識(shí)和對能源轉(zhuǎn)換的理解上要滯后于能源動(dòng)力類專業(yè)的學(xué)生。但正如本文前面所分析的，過控專業(yè)實(shí)際上又是與能源應(yīng)用和轉(zhuǎn)換密不可分的。

2.工程熱力學(xué)課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)非常多，而且各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間又相互緊密聯(lián)系。同時(shí)課程中的概念十分抽象，具有較強(qiáng)的理論性。這在一定程度上增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度和積極性。而這在過控專業(yè)更為突出，在教學(xué)中學(xué)生普遍反映熱力學(xué)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(xué)情緒。

3.不同專業(yè)方向?qū)こ虩崃W(xué)知識(shí)需求的側(cè)重點(diǎn)不同，而針對不同專業(yè)安排教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)課時(shí)以及教材的選取還有待進(jìn)一步完善。

三、工程熱力學(xué)在過控專業(yè)教學(xué)中的探索與思考

1.結(jié)合過控專業(yè)特色和專業(yè)方向，整合工程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容

我校除了過控專業(yè)，還有建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)、熱能與能源應(yīng)用工程專業(yè)均開設(shè)有工程熱力學(xué)課程。對于后兩個(gè)專業(yè)而言，其工程熱力學(xué)課程學(xué)時(shí)數(shù)較多，并且它們的能源應(yīng)用的方向性和技術(shù)性與工程熱力學(xué)要更加緊密。而過控專業(yè)相對來說熱力學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)偏少，其專業(yè)方向性與工程熱力學(xué)就不是那么緊密。因此，在過控專業(yè)中所講授的熱力學(xué)課程內(nèi)容就不能像能源動(dòng)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(diǎn)和專業(yè)方向?qū)崃W(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍。優(yōu)化后的工程熱力學(xué)主要教學(xué)內(nèi)容為:熱力學(xué)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(xué)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(jī)的熱力過程;制冷循環(huán)、動(dòng)力循環(huán);以及系統(tǒng)工質(zhì)(如水蒸氣)的熱力性質(zhì);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(dāng)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(xué)教材都是根據(jù)能源動(dòng)力類專業(yè)的特點(diǎn)和發(fā)展方向來編寫的。而能源動(dòng)力類相應(yīng)的熱力學(xué)教材，不論是在教學(xué)內(nèi)容上，還是在知識(shí)結(jié)構(gòu)的編排，以及工程實(shí)例的選取上，都不能滿足過控專業(yè)的實(shí)際要求。以內(nèi)蒙古科技大學(xué)為例，學(xué)校開設(shè)有多個(gè)能源動(dòng)力類專業(yè)，相關(guān)熱力學(xué)教學(xué)師資力量較強(qiáng)。因此，基本是都是由能源動(dòng)力類的專業(yè)老師來擔(dān)任過控專業(yè)的教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，由于過控專業(yè)與能源動(dòng)力類專業(yè)分屬不同的學(xué)院，在教學(xué)、培養(yǎng)方案、教材以及教學(xué)人員等方面無法實(shí)現(xiàn)有效的統(tǒng)籌規(guī)劃。此外，一些熱力學(xué)任課老師為了自己上課方便，在擔(dān)任過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)時(shí)，往往就直接采用能源動(dòng)力類熱力學(xué)教材和講義。這些在一定程度影響到因材施教，同時(shí)也加大了過控專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。因此，選定與過控專業(yè)相匹配的熱力學(xué)教材，并編寫相應(yīng)的講義對提高過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)水平具有重要作用。

3.提高知識(shí)點(diǎn)講解的通俗易懂性

工程熱力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)繁瑣、公式多、內(nèi)容抽象的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此，如何對各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解做到通俗易懂是非常考驗(yàn)任課老師大智慧的。例如，任何一本教材都有它的局限性。例如同樣一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，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(dòng)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(xué)任課教師要廣讀相關(guān)熱力學(xué)書籍和教材，平時(shí)留意日常生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，這樣有利于例舉出與日常生活緊密相關(guān)的實(shí)例進(jìn)行講解，從促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解。根據(jù)學(xué)生實(shí)際水平因材施教。熱力學(xué)的一個(gè)特點(diǎn)就是公式形式多、公式推導(dǎo)多?；A(chǔ)差的學(xué)生聽起來會(huì)十分枯燥而且不好理解。那么我們可以明確就告訴學(xué)生不用去深究其如何推導(dǎo)得到的，只要熟悉幾個(gè)重要公式如何使用就可以了，但這就需要在教學(xué)中通過舉例或?qū)嵺`來加強(qiáng)這些公式的應(yīng)用。在實(shí)踐中引出并講解公式的應(yīng)用，比直接生硬的推導(dǎo)出一堆公式要更容易讓學(xué)生理解和接受。

4.加強(qiáng)以過控專業(yè)過程工程為背景的情景教學(xué)

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(xué)課程的主要任務(wù)是通過對課程的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生熱力學(xué)基礎(chǔ)理論水平，培養(yǎng)學(xué)生分析和處理問題的抽象能力和邏輯思維能力，為學(xué)生從事工業(yè)過程尤其是熱力過程的設(shè)計(jì)與控制工作奠定必備的理論基礎(chǔ)。但同時(shí)，通過課程的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)際熱力過程的分析，做到實(shí)際工程于理論相結(jié)合顯得更為重要。因?yàn)檫@一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，另一方面可以加深學(xué)生對課程知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。因此在工程熱力學(xué)的教學(xué)上，要注重工程實(shí)踐的融入。構(gòu)建實(shí)際的工程情景。將熱力學(xué)知識(shí)點(diǎn)融入到情景中去講授。例如，將空調(diào)實(shí)際制冷、供熱過程引入逆卡諾循環(huán)的講解中。讓學(xué)生理解逆卡諾循環(huán)為什么能夠?qū)崿F(xiàn)制冷和供熱功能。理解制冷系數(shù)和供熱系數(shù)的實(shí)際意義和價(jià)值;將機(jī)械領(lǐng)域常見的壓縮機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等實(shí)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(shí)點(diǎn)上。以加強(qiáng)學(xué)生對能量方程的工程應(yīng)用價(jià)值的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)。

5.增加熱力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，提高實(shí)踐能力

相對于能源動(dòng)力類專業(yè)，我校過控專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)較少。再加上專業(yè)方向偏重于機(jī)械類。因此早期該課程教學(xué)大綱制定上就沒有安排基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。但是從多年教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)情況來看，增加一定學(xué)時(shí)的熱力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是非常有必要的。在課程安排上，可以精簡一部分理論知識(shí)的講授來滿足實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生對熱力過程的深入認(rèn)識(shí);此外還需補(bǔ)充一到兩個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。如制冷循環(huán)、動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)等。這些都可以和內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源動(dòng)力類專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來開展。但需要注意的是，在講解及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中要突出“過程”這個(gè)專業(yè)特點(diǎn)。

四、結(jié)束語

工程熱力學(xué)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(diǎn)和學(xué)生接受能力適時(shí)調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，因材施教，探索有效的教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)中有意識(shí)的構(gòu)建實(shí)踐情景，注重知識(shí)的工程應(yīng)用，在工程應(yīng)用中學(xué)知識(shí)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程過程分析和應(yīng)用能力，提高學(xué)生工程應(yīng)用素質(zhì)。

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