木材科學(xué)與工程專業(yè)能源類課程的教學(xué)探討

徐德良 賈翀 王志強(qiáng) 劉翔 鄒玲 孫軍 潘彪

摘要 針對木材加工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級及當(dāng)前高等教育課程設(shè)置改革的不斷推進(jìn)，明確能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)教育中設(shè)置的必要性，探索新形勢下能源類課程設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容，分析能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)教育教學(xué)過程中的重點(diǎn)與方法，以期推進(jìn)木材科學(xué)與工程專業(yè)課程體系的建設(shè)，完善木材科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的知識體系。

關(guān)鍵詞 木材科學(xué)與工程；能源類課程；教學(xué)探討

中圖分類號 S-9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-381-03

基于當(dāng)前本科教學(xué)課程設(shè)置重基礎(chǔ)、重實(shí)踐的指導(dǎo)原則，許多專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)選修課的設(shè)置受到了沖擊。前期以熱工理論基礎(chǔ)、工業(yè)企業(yè)供熱等為代表的能源類課程在我國主要的林業(yè)類院校的木材科學(xué)與工程專業(yè)本科課程體系中開設(shè)較為廣泛。熱工理論基礎(chǔ)課程在很多高校中都被認(rèn)定為夯實(shí)學(xué)生專業(yè)知識基礎(chǔ)的重要課程[1]。以南京林業(yè)大學(xué)為例，該校在木材科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)工作中，一直設(shè)有熱工教研組，長期以來教研組的師資主要以東南大學(xué)等傳統(tǒng)的熱工專業(yè)畢業(yè)生構(gòu)成。適當(dāng)?shù)膶W(xué)時(shí)數(shù)、專業(yè)的師資保證了較好的教學(xué)成果。能源類課程在我國各林業(yè)高校的木材科學(xué)與工程專業(yè)并不是都有設(shè)置，而且在專業(yè)課程調(diào)整時(shí)，該類課程的保留以及相應(yīng)學(xué)時(shí)數(shù)的設(shè)置經(jīng)常會受到質(zhì)疑。例如在南京林業(yè)大學(xué)新一輪的本科課程設(shè)置教學(xué)大綱的修訂工作中，工業(yè)企業(yè)供熱課程就由專業(yè)基礎(chǔ)課調(diào)整為通識教育選修課，學(xué)時(shí)也從32學(xué)時(shí)調(diào)整為24學(xué)時(shí)。基于當(dāng)前木材科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)體系及木材加工行業(yè)的能源利用狀況，該文探討了在木材科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)能源類課程的必要性，分析了能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)重點(diǎn)。

1 能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的必要性

在工科類專業(yè)課程開設(shè)中，課程開設(shè)的必要性主要體現(xiàn)在課程知識在工作實(shí)踐中的實(shí)用性、課程在專業(yè)課程體系的聯(lián)系性等方面。能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的必要性主要體現(xiàn)在如下方面。

1.1 木材科學(xué)與工程相關(guān)行業(yè)的能源利用對從業(yè)人員專業(yè)知識的要求

傳統(tǒng)的木材加工行業(yè)主要包括制材、干燥、木制品處理等環(huán)節(jié)。木材干燥環(huán)節(jié)對能源利用的依賴性最強(qiáng)，涉及到干燥熱介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送；干燥窯內(nèi)部流場、溫度場的優(yōu)化設(shè)置；木質(zhì)品干燥過程中的傳熱、傳質(zhì)特性；干燥窯的保溫，能源的高效利用，新能源、可再生能源在木材干燥方面的開發(fā)應(yīng)用等相關(guān)的問題。然而當(dāng)前我國的木材干燥特別是實(shí)木干燥產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，能源利用總量不大。在整個木材加工產(chǎn)業(yè)中，人造板加工行業(yè)是全行業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。我國人造板產(chǎn)量早已躍居世界第一，其中膠合板產(chǎn)量約為13 725萬m3/年，纖維板產(chǎn)量約為6 400萬m3/年，刨花板產(chǎn)量約為1 885萬m3/年[2]。在三板生產(chǎn)過程中，膠合板能耗的優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)為≤200 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m3[3]，纖維板能耗的優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)為≤320 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m3[4]，刨花板能耗的優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)為≤120 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m3[5]。從以上數(shù)據(jù)可以看出能源利用在人造板產(chǎn)業(yè)中的重要性，特別是隨著能源利用成本的提高以及我國當(dāng)前大氣污染問題的日益嚴(yán)重，整個行業(yè)在探尋人造板加工工藝過程中能源優(yōu)化利用途徑的工作中做出了大量努力，同時(shí)也取得了比較好的成果。代表性的技術(shù)如“熱能中心”在人造板熱能供應(yīng)中的應(yīng)用，熱能中心以生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的木質(zhì)剩余物為能源，為適應(yīng)燃料特性，鍋爐燃燒設(shè)備以往復(fù)爐排搭配噴燃裝置為主要模式，塊狀剩余物在爐排上進(jìn)行燃燒，粉狀剩余物通過燃燒器噴入燃燒室進(jìn)行燃燒。鍋爐生產(chǎn)蒸汽、導(dǎo)熱油供應(yīng)熱磨、熱壓工藝，由于采用木質(zhì)剩余物為燃料，因此鍋爐尾氣中灰分和SO2含量低，可直接混合冷風(fēng)，作為纖維、刨花的干燥熱介質(zhì)。熱能中心生產(chǎn)的熱能最后由旋風(fēng)分離器排入環(huán)境中，出口處尾氣溫度僅有60 ℃左右，進(jìn)而整套熱能中心供熱系統(tǒng)對能源實(shí)現(xiàn)了清潔、高效的利用。在各行業(yè)的能源利用中，林產(chǎn)行業(yè)的“熱能中心”能源利用模式是非常成功的案例。當(dāng)前我國規(guī)模較大的人造板生產(chǎn)線熱能供應(yīng)都以熱能中心供應(yīng)模式為主。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，熱能工程專業(yè)背景的畢業(yè)生很少選擇在木材加工行業(yè)就業(yè)，例如熱能中心等先進(jìn)的能源生產(chǎn)與利用系統(tǒng)的運(yùn)行管理人員多以木材科學(xué)與工程專業(yè)木工設(shè)備等方向的畢業(yè)生為主。先進(jìn)的能源利用理念及集成的能源利用系統(tǒng)對該方面從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)提出了一定要求，只有掌握一定的能源利用相關(guān)知識，才能有效理解“熱能中心”等先進(jìn)能源利用理念，才能對能源利用、設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行專業(yè)化的管理。因此具備一定的能源利用相關(guān)知識，對木材科學(xué)與工程專業(yè)的畢業(yè)生在林產(chǎn)加工行業(yè)的從業(yè)中會起到非常有益的作用，特別是對工廠中能源生產(chǎn)、輸送、使用崗位上的從業(yè)人員而言，具備能源利用的相關(guān)基礎(chǔ)知識更應(yīng)是必備的要求。同時(shí)，從業(yè)人員具備能源利用的基礎(chǔ)知識，對優(yōu)化林產(chǎn)加工行業(yè)的能源利用，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)的升級具有重要作用。

1.2 木材科學(xué)與工程課程體系對能源課程設(shè)置的要求

當(dāng)前全國開設(shè)木材科學(xué)與工程專業(yè)的院校有17所，不同學(xué)校的專業(yè)設(shè)置略有差別，但主要包括木材加工工藝、木材加工機(jī)械裝備、家具設(shè)計(jì)與制造、膠黏劑與涂料、木結(jié)構(gòu)建筑等幾個方向。以南京林業(yè)大學(xué)為例，在該專業(yè)的兩個主要培養(yǎng)方向：木材加工工藝、木材加工裝備與自動化培養(yǎng)方案的設(shè)置中，將能源動力類的基礎(chǔ)課程熱工理論基礎(chǔ)（32學(xué)時(shí)，2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）一直定為專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程開課時(shí)間在二年級第二學(xué)期。之所以將熱工理論基礎(chǔ)一直放在相對重要的位置，主要體現(xiàn)在課程體系中的后續(xù)課程特別是專業(yè)課木材干燥、人造板生產(chǎn)工藝學(xué)的教學(xué)必須有熱工理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。沒有熱工理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對后續(xù)專業(yè)課相關(guān)內(nèi)容的理解將非常吃力。該校在木材科學(xué)與技術(shù)的研究生培養(yǎng)方案中同樣設(shè)置了傳熱傳質(zhì)學(xué)等熱工類的拓展課程，部分來自在本科培養(yǎng)方案中沒有開設(shè)熱工理論基礎(chǔ)院校的學(xué)生反映相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容對其專業(yè)課的理解非常有幫助。熱工理論基礎(chǔ)包括的工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)的發(fā)展過程是從純物理學(xué)中的一部分逐漸發(fā)展到與工程緊密結(jié)合的[6]，該課程具有很強(qiáng)的理論性，同時(shí)很多知識在工程應(yīng)用中又有著很好地體現(xiàn)。因此，該類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)體系中起到了很好的過渡作用，即將學(xué)生的學(xué)習(xí)從純理論的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理過渡到與工程結(jié)合緊密的木材干燥等專業(yè)課，可以很好地增強(qiáng)整個培養(yǎng)方案的連貫性與系統(tǒng)性[7]。除了相關(guān)課程的教學(xué)對熱工知識提出要求外，在木材科學(xué)與工程學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)特別是本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，熱工基礎(chǔ)相關(guān)知識同樣是學(xué)生必需的理論知識基礎(chǔ)。該校木材科學(xué)與工程的木結(jié)構(gòu)建筑方向的培養(yǎng)方案中沒有開設(shè)熱工基礎(chǔ)類課程，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)后續(xù)與建筑材料、建筑節(jié)能、建筑環(huán)境相關(guān)的課程對熱工基礎(chǔ)的理論知識都有要求，特別是在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，很多選題都涉及到了材料的保溫、建筑的節(jié)能，熱工基礎(chǔ)知識的缺乏使很多學(xué)生在進(jìn)行此類選題時(shí)，基礎(chǔ)性概念理解不清楚，從而造成課題方案、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏合理性，理論依據(jù)不足。由此可見，大部分工科專業(yè)都作為專業(yè)基礎(chǔ)課開設(shè)的熱工理論基礎(chǔ)在木材科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)體系中同樣占有重要的地位，該類課程的開設(shè)在木材科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)體系中具有很強(qiáng)的必要性，在培養(yǎng)方案的設(shè)置與修訂中該課程不應(yīng)被忽視，同樣沒有開設(shè)該類課程的木材科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)創(chuàng)造條件，對學(xué)生進(jìn)行熱工基礎(chǔ)類知識的教學(xué)。

2 能源類課程在木材科學(xué)與工程專業(yè)的開設(shè)內(nèi)容

與能源動力專業(yè)相關(guān)的專業(yè)課主要包括傳熱傳質(zhì)學(xué)、工程熱力學(xué)、工程流體力學(xué)、熱工測量、泵與風(fēng)機(jī)、鍋爐與鍋爐房設(shè)備、工業(yè)供熱等。雖然很多內(nèi)容在各工科專業(yè)的教學(xué)及工作實(shí)踐中都有涉及，但木材科學(xué)與工程等專業(yè)在進(jìn)行相關(guān)知識的教學(xué)時(shí)不需要面面俱到，特別是在當(dāng)前本科教學(xué)壓縮課堂學(xué)時(shí)數(shù)的大背景下。該類課程的設(shè)置應(yīng)考慮在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生能系統(tǒng)掌握熱工知識的基礎(chǔ)理論，能最大限度地結(jié)合專業(yè)課及學(xué)生工作實(shí)踐的具體工程問題進(jìn)行教學(xué)課程與內(nèi)容的安排。以南京林業(yè)大學(xué)為例，在木材科學(xué)與工程新版的培養(yǎng)方案中，熱工教研組為該專業(yè)開設(shè)了兩門能源類課程。以介紹基礎(chǔ)理論為主：熱工理論基礎(chǔ)（32學(xué)時(shí)），該課程涵蓋工程熱力學(xué)（16學(xué)時(shí)）和傳熱學(xué)（16學(xué)時(shí)）兩部分；工業(yè)企業(yè)供熱（24學(xué)時(shí)），該課程貼近生產(chǎn)，重點(diǎn)介紹企業(yè)供熱設(shè)備、系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容。隨著幾輪培養(yǎng)方案的修訂，兩門課程學(xué)時(shí)數(shù)不斷被壓縮。因此在有限的學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)，兩門課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置特別注意緊貼專業(yè)特點(diǎn)，注重與工程應(yīng)用相結(jié)合。

2.1 熱工理論基礎(chǔ)

熱工理論基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容包括工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分。工程熱力學(xué)主要通過研究工質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變來分析能量的轉(zhuǎn)換與傳遞的特征，教學(xué)的內(nèi)容主要包括：熱力學(xué)相關(guān)的基本概念（狀態(tài)參數(shù)，平衡狀態(tài)等），熱力學(xué)第一、第二定律，熱力過程及熱力過程中的能量轉(zhuǎn)變，常見工質(zhì)（水蒸氣、濕空氣等）的基本熱力性質(zhì)，常規(guī)熱工設(shè)備汽輪機(jī)、發(fā)動機(jī)等）的熱力循環(huán)過程[8]。木材科學(xué)與工程專業(yè)熱工理論基礎(chǔ)設(shè)置的工程熱力學(xué)部分教學(xué)內(nèi)容主要包括：熱力學(xué)基本概念與基本定律，穩(wěn)定流動能量方程，水蒸氣，濕空氣。在上述內(nèi)容的教學(xué)中，要通過基本概念及熱力學(xué)第一定律的學(xué)習(xí)使學(xué)生能掌握熱力狀態(tài)與熱力過程的分析方法，能對熱工設(shè)備進(jìn)行最基本的熱力設(shè)計(jì)與選型。通過第二定律的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握能級的概念，樹立節(jié)能意識，明確在工程實(shí)踐中提高能效、節(jié)約能源的熱力學(xué)基本原理。通過對在木材加工過程中最常見的兩種熱力工質(zhì)水蒸氣和濕空氣的學(xué)習(xí)，掌握兩種工質(zhì)的熱力狀態(tài)分析，熟悉兩種工質(zhì)的熱力過程計(jì)算，使學(xué)生在后續(xù)課程如木材干燥等的學(xué)習(xí)過程中能熟練進(jìn)行熱力過程分析與計(jì)算。傳熱學(xué)的研究是建立在工程熱力學(xué)第一、二定律的基礎(chǔ)上的，區(qū)別在于傳熱學(xué)在研究熱量傳遞時(shí)考慮時(shí)間的物理量，體現(xiàn)在工程技術(shù)領(lǐng)域主要是如何進(jìn)行強(qiáng)化換熱，如何削弱換熱，如何在熱能應(yīng)用過程中進(jìn)行溫度控制[9]。三種基本傳熱方式導(dǎo)熱、對流、熱輻射是傳熱學(xué)的知識框架，32學(xué)時(shí)熱工理論基礎(chǔ)中的傳熱學(xué)教學(xué)仍以學(xué)習(xí)此三種基本傳熱方式的基礎(chǔ)知識為教學(xué)主體，教學(xué)內(nèi)容注重與工程技術(shù)的結(jié)合，弱化理論分析部分。通過該部分知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料特別是木質(zhì)材料傳熱特性的基本知識，了解增強(qiáng)或削弱換熱的技術(shù)途徑，結(jié)合工程熱力學(xué)知識能明白木材加工過程中如噴蒸熱壓等工藝過程的熱工原理。在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，32學(xué)時(shí)熱工理論基礎(chǔ)設(shè)置2學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，筆者選擇材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定作為實(shí)驗(yàn)課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解傳熱學(xué)理論計(jì)算方法的應(yīng)用實(shí)例，實(shí)驗(yàn)過程可以選用木質(zhì)材料作為實(shí)驗(yàn)試樣，進(jìn)一步加深學(xué)生對木質(zhì)材料傳熱物性的理解。綜上所述，熱工理論基礎(chǔ)課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置時(shí)不應(yīng)面面俱到，一定要考慮與后續(xù)課程教學(xué)內(nèi)容的銜接，教學(xué)時(shí)注重學(xué)生對基本概念、基礎(chǔ)知識的理解和掌握，該課程的很多知識在生產(chǎn)、生活中的很多場合都有體現(xiàn)，因此課程教學(xué)與課程習(xí)題的布置應(yīng)盡量貼近生產(chǎn)實(shí)際，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 工業(yè)企業(yè)供熱

工業(yè)企業(yè)供熱課程教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋熱能的生產(chǎn)、輸送及使用三個方面。為體現(xiàn)當(dāng)前各行業(yè)對節(jié)能、減排技術(shù)的迫切需求，在南京林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程專業(yè)新版的教學(xué)大綱修訂中該課程更名為工業(yè)企業(yè)供熱與節(jié)能，教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)增加工業(yè)節(jié)能方面的知識。通過該課程的學(xué)習(xí)能使學(xué)生比較全面地了解工業(yè)企業(yè)供熱系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)型式和主要特點(diǎn)，了解供熱系統(tǒng)主要設(shè)備的工作原理，尤其是對熱油供熱技術(shù)、木廢料能源利用技術(shù)、木材工業(yè)企業(yè)“熱能中心”技術(shù)等有比較深入的了解。教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容主要包括：林產(chǎn)工業(yè)企業(yè)能源選擇的基本原則；各種燃料的基本燃燒特性，燃料燃燒過程，燃燒設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作過程和工作特點(diǎn)；工業(yè)鍋爐節(jié)能的途徑，煙塵的危害與消煙除塵原理、SO2的危害及其減排措施；蒸汽供熱系統(tǒng)；熱

油供熱系統(tǒng)；熱能中心。通過上述知識的學(xué)習(xí)，為學(xué)生以后在相關(guān)崗位的工作儲備最基本的專業(yè)知識。

3 結(jié)語

通過熱工理論基礎(chǔ)、工業(yè)企業(yè)供熱與節(jié)能兩門課程的教學(xué)可以為學(xué)生構(gòu)建能源利用相關(guān)的從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的知識體系。當(dāng)前，各個行業(yè)都將能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)作為產(chǎn)業(yè)升級關(guān)注的重點(diǎn)方面。能源特別是熱能的利用在木材加工產(chǎn)業(yè)中是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)林產(chǎn)行業(yè)又因其主要以木質(zhì)類生物質(zhì)原料為加工與生產(chǎn)對象，因此在其能源利用環(huán)節(jié)存在優(yōu)化利用的潛力。通過從業(yè)人員能源利用專業(yè)知識的培養(yǎng)，可以為行業(yè)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化升級儲備智力基礎(chǔ)。

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