新能源科學(xué)與工程專業(yè)工程熱力學(xué)課程教學(xué)探討

袁洪春 肖進(jìn) 熊超 趙宇 馬金祥 陳磊

摘 要：文章針對(duì)新能源科學(xué)與工程專業(yè)要求及工程熱力學(xué)課程特點(diǎn)，探討了該課程的教學(xué)方法與方式，更加貼近并體現(xiàn)專業(yè)特色，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，確保教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果，為新能源人才培養(yǎng)添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué)；新能源；教學(xué)改革；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）01-0048-02

Abstract： According to the requirements of new energy science and engineering and characteristics of engineering thermodynamics， this paper introduces a series of the teaching methods for the course of engineering thermodynamics， appropriately embodying its professional characteristics， stimulating students' learning interest， ensuring teaching quality， and improving teaching effect. These teaching methods contribute to cultivating talents specialized in the new energy field.

Keywords： engineering thermodynamics； new energy； teaching reform； teaching methods

引言

“工程熱力學(xué)”是能源動(dòng)力類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是研究熱能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、轉(zhuǎn)換規(guī)律及應(yīng)用。一方面，該課程理論深?yuàn)W、概念抽象、公式繁多且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密、應(yīng)用性很強(qiáng)，使得師生都有難學(xué)難講難考的體會(huì)[1]。如何提高該課程的課程教學(xué)質(zhì)量，解決學(xué)生難學(xué)、教師難講的問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，是相關(guān)專業(yè)教師一直探索的問題。另一方面，新能源科學(xué)與工程專業(yè)是教育部2011年批準(zhǔn)設(shè)立新建專業(yè)，學(xué)科建設(shè)正處于起步階段，相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)需要在不斷實(shí)踐中探索與總結(jié)[2]。因此，針對(duì)新能源科學(xué)與工程專業(yè)進(jìn)行工程熱力學(xué)教學(xué)改革，突出更加貼近并體現(xiàn)專業(yè)特色，對(duì)保證教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果對(duì)培養(yǎng)新能源科學(xué)與工程專業(yè)高素質(zhì)的科技人才都有十分重要的意義。下面，結(jié)合工程熱力學(xué)課程特點(diǎn)和新能源科學(xué)與工程專業(yè)背景，對(duì)該課程教學(xué)方法改革提出了幾點(diǎn)建議，供大家參考。

一、抓住課程精髓，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能意識(shí)

工程熱力學(xué)以熱力學(xué)第一、第二定律為理論基礎(chǔ)，主要研究熱能及熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換規(guī)律，如何提高能源轉(zhuǎn)化效率與能源利用的經(jīng)濟(jì)性。熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用，從數(shù)量上揭示熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換是守恒的；而熱力學(xué)第二定律則揭示了熱力學(xué)過程進(jìn)行的方向性和限度以及能量轉(zhuǎn)換過程的品質(zhì)高低的問題。在能量轉(zhuǎn)換過程中既受到熱力學(xué)第一定律的限制，又受到熱力學(xué)第二定律的約束，這兩大基本定律是相互獨(dú)立、相互依存，貫穿于整個(gè)課程的精髓[3]。

課程中涉及的基本概念都是伴隨著這兩大基本定律提出的，例如：閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)，準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程、不可逆過程，熱力學(xué)能、焓和熵，膨脹功、流動(dòng)功、技術(shù)功和推動(dòng)功，理想氣體與實(shí)際氣體，干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度等。熱力學(xué)兩大基本定律是熱力過程分析和計(jì)算的基礎(chǔ)，也解決了水蒸氣的定壓發(fā)生過程的熱力性質(zhì)，濕空氣的狀態(tài)參數(shù)及加熱和冷卻過程的能量轉(zhuǎn)換。此外，在熱力學(xué)第二定律中，熵是一個(gè)重要概念、參數(shù)；從能量、能量利用角度描述，熵是不可逆耗散程度的量度，不可逆能量耗散越多，熵變化越大；熵增加，意味有效作功能量的減少。

熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的表現(xiàn)，其實(shí)是從數(shù)量角度解釋了節(jié)能的基本原理。雖然從第一定律的角度分析自然界的能量是守恒的，但是不是所有能量都是便于被利用的，如環(huán)境物質(zhì)的熱力學(xué)能過程中耗散的能量；也不是所有能源都是可以持續(xù)被利用的，如不可再生的能源煤、石油和天然氣。所有在沒有尋找到合適的替代能源之前就必須數(shù)量上節(jié)約不可再生能源，并考慮能量的品質(zhì)。熱力學(xué)第二定律指出了宏觀熱現(xiàn)象過程不可逆，實(shí)質(zhì)是從能源品質(zhì)上確定了節(jié)能的基本思想。從節(jié)能角度考慮，因?yàn)椴煌问侥芰科焚|(zhì)的不同，在確證效果相同的同時(shí)，應(yīng)首先使用低品質(zhì)能源，來合理利用能源提高效率。因此，圍繞熱能的轉(zhuǎn)換與利用展開，注重的是熱能的有效利用。在講解物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化規(guī)律及其應(yīng)用過程中，節(jié)能不僅體現(xiàn)在數(shù)量上的節(jié)約，更體現(xiàn)在質(zhì)量上的節(jié)約。合理利用能源要提高能源使用效率，更要減少能源消耗，發(fā)展好回收和利用低品位熱能的技術(shù)，充分利用好工業(yè)中的余熱等低品位熱能。

二、體現(xiàn)專業(yè)特色，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

新能源科學(xué)與工程專業(yè)是培養(yǎng)學(xué)生具備能源工程、工程熱力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，掌握新能源轉(zhuǎn)換與利用原理、新能源裝置及系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)，發(fā)展好利用包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等方面新能源的工程與技術(shù)，畢業(yè)后能夠在國家新能源科學(xué)與工程領(lǐng)域從事教學(xué)、研發(fā)、管理等方面的工作。工程熱力學(xué)是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，它以熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律為理論依據(jù)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率為研究目標(biāo)。工程熱力學(xué)的理論研究及技術(shù)發(fā)展，面向能源的有效利用是傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域，在節(jié)能減排中大有作為，也是當(dāng)下最熱門的研究領(lǐng)域。根據(jù)新能源科學(xué)與工程專業(yè)背景，在緒論中增加介紹自然界中已開發(fā)的各種能源，包括太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒑四?、生物質(zhì)能、海洋潮汐能在國內(nèi)使用和發(fā)展現(xiàn)狀；對(duì)國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的已經(jīng)發(fā)揮積極而重要作用；同時(shí)也指出了需要克服的困難和探討了行業(yè)發(fā)展前景，這些引起學(xué)生的充分關(guān)注，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓舞學(xué)生的研究熱情。

熱能的利用離不開熱工設(shè)備，諸如鍋爐、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和各類換熱器，它們承擔(dān)著熱能直接利用或間接利用的具體任務(wù)。另外，工程中還有另一類熱工設(shè)備與裝置，如壓氣機(jī)和制冷機(jī)等，它們的工作過程與熱機(jī)相反，但同樣存在著熱能和機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換。針對(duì)新能源專業(yè)，一方面圍繞熱與功轉(zhuǎn)換，例如集中供熱供暖的熱源，常取自熱電聯(lián)產(chǎn)，空調(diào)的冷源來自制冷裝置等內(nèi)容；另一方面掌握動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)等不同熱力循環(huán)在實(shí)際設(shè)備和工程中的應(yīng)用，熟悉實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣λ柙O(shè)備，提高熱效率的途徑。動(dòng)力循環(huán)要側(cè)重讓學(xué)生理解它的基本原理和掌握提高效率的途徑；制冷循環(huán)及熱泵部分，要讓學(xué)生在清楚構(gòu)成循環(huán)的各個(gè)設(shè)備部件以及各部件對(duì)循環(huán)的影響的前提下，掌握熱力循環(huán)的原理。

為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)工程熱力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為了使熱工學(xué)教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩，我們提供課程同步學(xué)習(xí)資料，并關(guān)注學(xué)科交叉前沿研究熱點(diǎn)在教學(xué)上及時(shí)增加相關(guān)內(nèi)容。例如，太陽能熱利用技術(shù)；半導(dǎo)體制冷、地源熱泵循環(huán)的研究；余熱的利用和節(jié)能技術(shù)；分布式能源系統(tǒng)；核能、太陽能、風(fēng)能、生物能等可再生能源在國內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用案例；新能源汽車動(dòng)力循環(huán)，太陽能熱水系統(tǒng)，建筑節(jié)能中的熱力學(xué)問題等。

三、理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力

工程熱力學(xué)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，教學(xué)目的是學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)回歸工程實(shí)踐，掌握科學(xué)系統(tǒng)的工程實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)方案或工程工藝，解決工程實(shí)踐中具體的工程問題。因此在教學(xué)過程中，必需根據(jù)學(xué)生的具體專業(yè)制定教學(xué)大綱，設(shè)計(jì)具體教學(xué)環(huán)節(jié)，理論知識(shí)聯(lián)系工程實(shí)際?？捎删唧w工程實(shí)例的分析和計(jì)算，推進(jìn)討論課堂、分析課堂、辯論課堂，來實(shí)現(xiàn)研教結(jié)合、學(xué)思結(jié)合、知識(shí)課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變的開放性翻轉(zhuǎn)課堂。這樣學(xué)書本上的基本概念、原理不再是枯燥空洞，而是富有工程背景和使用價(jià)值的理論，從而使學(xué)生由單純的知識(shí)學(xué)習(xí)升華為將所學(xué)知識(shí)科學(xué)應(yīng)用到工程實(shí)踐的能力培養(yǎng)。例如在工程熱力學(xué)中學(xué)生都覺得狀態(tài)參數(shù)熵很難理解，在教學(xué)時(shí)可以引入其在樓宇中節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用。介紹樓宇節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)中，如何利用熵權(quán)理論來確定各個(gè)影響指標(biāo)的權(quán)重，從而直觀準(zhǔn)確地判斷、選擇、優(yōu)化樓宇節(jié)能方案。

帶領(lǐng)學(xué)生參觀地方發(fā)電廠，使學(xué)生了解發(fā)電廠的工業(yè)流程，了解汽輪機(jī)、鍋爐、給煤機(jī)等主要設(shè)備的外形、構(gòu)造、操作以及工作原理；以冷藏庫、家庭用的空調(diào)、電冰箱為例講解制冷裝置循環(huán)；介紹濕空氣熱學(xué)過程在中央空調(diào)、火力發(fā)電、集中供熱采暖等中的具體應(yīng)用。將教材內(nèi)容和工程實(shí)例有機(jī)地聯(lián)系起來，這不僅能使學(xué)生能夠真正理解、掌握、運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和原理，理性檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)，而且能通過實(shí)際應(yīng)用的參觀、剖析等直觀而感性的認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析、解決具體問題的思路和能力。

四、引入科研案例，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

工程熱力學(xué)這門課課程是在工程實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而其理論研究的新成果又將反過來推動(dòng)能源動(dòng)力領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和技術(shù)革新[4]。我們在教學(xué)過程中，結(jié)合新能源科學(xué)與工程專業(yè)，介紹新能源領(lǐng)域中的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)、科研項(xiàng)目和研究課題、典型能源應(yīng)用實(shí)例。在講解熱力循環(huán)時(shí)，引入當(dāng)前的熱力循環(huán)研究的新思路和前沿?zé)狳c(diǎn)，特別是多能源綜合利用的熱力學(xué)循環(huán)和新的可再生能源熱力循環(huán)，例如天然氣與太陽能組合的多能源發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)、燃料電池與太陽能聯(lián)合發(fā)電的多能源循環(huán)系統(tǒng)、氫能熱力循環(huán)、生物質(zhì)能熱力循環(huán)、地?zé)崮軣崃ρh(huán)。

將課堂教學(xué)與教師科研相結(jié)合，一方面課堂教學(xué)引導(dǎo)教師積累科研案例、關(guān)注前沿，促進(jìn)教師重視科研工作；科研工作又為課堂教學(xué)提供案例、注入活力，鼓舞教師熱心教學(xué)工作，起到科研與教學(xué)相互促進(jìn)、共同發(fā)展的作用；另一方面，加深學(xué)生對(duì)基本概念和理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語

工程熱力學(xué)作為一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，如何在課堂教學(xué)這個(gè)重要環(huán)節(jié)，深化教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量和效果，我們虛心學(xué)習(xí)了很多同行和前輩對(duì)此作出的有益探索和研究，他們給出了許多有價(jià)值的建議和研究成果；我們也要圍繞新能源科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，給出了課堂教學(xué)改革中的幾點(diǎn)思路，希望與同行們交流與分享。在今后的教學(xué)中，還要更加深入持續(xù)地進(jìn)行改革，不斷優(yōu)化課堂教學(xué)，希望通過改變教學(xué)思路，改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際工程實(shí)踐中具體相關(guān)問題的能力，為未來從事新能源相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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