面向全校理工科專業(yè)的熱工基礎(chǔ)課程探索與實(shí)踐

王春華，梁鳳麗，楊理理，賀振中

摘要：為了提高學(xué)生合理用能、節(jié)能及環(huán)保意識(shí)，南京航空航天大學(xué)面向全校理工科專業(yè)開設(shè)了36學(xué)時(shí)的熱工基礎(chǔ)課程。熱工基礎(chǔ)課程依托于能源與動(dòng)力類專業(yè)工程熱力學(xué)課程和傳熱學(xué)課程，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式進(jìn)行了改革。通過(guò)三年多的探索與實(shí)踐，達(dá)成了預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)。本文主要針對(duì)熱工基礎(chǔ)課程開設(shè)以來(lái)所取得的有益經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有不足進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：熱工基礎(chǔ)；工程熱力學(xué)；傳熱學(xué)；節(jié)能

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）46-0135-02

世界性的新技術(shù)革命對(duì)工程活動(dòng)產(chǎn)生了巨大影響。從動(dòng)力生產(chǎn)、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程本身特點(diǎn)來(lái)看，工程類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保的意識(shí)并懂得其基本的技術(shù)?；诖吮尘埃暇┖娇蘸教齑髮W(xué)面向全校理工科專業(yè)開設(shè)了熱工基礎(chǔ)學(xué)科拓展平臺(tái)課程。熱工基礎(chǔ)課程屬于熱物理類課程，是大學(xué)數(shù)學(xué)以及大學(xué)物理的后續(xù)課程。熱工基礎(chǔ)共36學(xué)時(shí)，前20學(xué)時(shí)主要學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)，后16學(xué)時(shí)主要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、導(dǎo)熱、對(duì)流換熱以及熱輻射等基礎(chǔ)理論知識(shí)，并能夠運(yùn)用這些理論知識(shí)解釋生活中的熱物理現(xiàn)象；鼓勵(lì)學(xué)生積極探索提升熱力機(jī)械工作性能、強(qiáng)化工業(yè)領(lǐng)域換熱的有效途徑。經(jīng)過(guò)三年多的實(shí)踐，課程教學(xué)組獲得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)，也認(rèn)識(shí)到了現(xiàn)有的不足。本文主要對(duì)這些經(jīng)驗(yàn)和不足進(jìn)行總結(jié)，并針對(duì)今后該課程的發(fā)展提出一些建議。

一、熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)

1.課程教學(xué)內(nèi)容的改革經(jīng)驗(yàn)。工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)是能源與動(dòng)力類專業(yè)極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，所占學(xué)時(shí)較多。熱工基礎(chǔ)課程包括了工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的絕大多數(shù)內(nèi)容。因此，必須針對(duì)工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行縮減才能滿足36學(xué)時(shí)熱工基礎(chǔ)課程的需要。熱工基礎(chǔ)課程在工程熱力學(xué)部分強(qiáng)化對(duì)熱力學(xué)第一定律的講解，要求學(xué)生能夠運(yùn)用熱力學(xué)第一定律分析閉口和開口系統(tǒng)的熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換過(guò)程，對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)、內(nèi)燃機(jī)循環(huán)以及燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)等基本動(dòng)力循環(huán)掌握循環(huán)熱效率及循環(huán)功量的計(jì)算分析方法；弱化對(duì)熱力學(xué)第二定律中 、 等抽象概念的講解。熱工基礎(chǔ)課程在傳熱學(xué)部分弱化對(duì)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、熱邊界層等復(fù)雜理論知識(shí)的講解，要求學(xué)生在導(dǎo)熱和熱輻射部分能夠基于基本原理建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型并求解，在單相流體對(duì)流換熱、凝結(jié)和沸騰換熱部分則能夠針對(duì)工程實(shí)際選擇合理的半經(jīng)驗(yàn)公式。

2.課堂教學(xué)方式的改革經(jīng)驗(yàn)。在課堂授課過(guò)程中，更加注重于將熱物理基礎(chǔ)知識(shí)與身邊的熱物理現(xiàn)象相結(jié)合。例如在講授熱力學(xué)第二定律時(shí)，要求學(xué)生用相關(guān)知識(shí)解釋“為什么在密閉的房間中打開冰箱門后房間溫度會(huì)升高”，“在什么樣的條件下才能實(shí)現(xiàn)空調(diào)一夜僅耗一度電”；在講授濕空氣時(shí)，要求學(xué)生解釋“為什么冬天房間開空調(diào)感覺(jué)干燥”，“為什么夏天的清晨會(huì)有露水”；在講授導(dǎo)熱部分內(nèi)容時(shí)，要求學(xué)生解釋“為什么冰箱要定期除霜”，“為什么在0℃的水中人會(huì)覺(jué)得比0℃的空氣寒冷”；在講授熱輻射部分內(nèi)容時(shí)，要求學(xué)生解釋“為什么冬天20℃的房間比夏天20℃的房間覺(jué)得寒冷”。通過(guò)身邊的熱物理現(xiàn)象，使學(xué)生對(duì)熱工基礎(chǔ)課程產(chǎn)生濃厚的興趣，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。對(duì)于諸如理想氣體熱力過(guò)程、動(dòng)力裝置循環(huán)、換熱器等理論應(yīng)用章節(jié)，嘗試采用翻轉(zhuǎn)課堂的新形式。首先將學(xué)生分組，按學(xué)生人數(shù)的多少給每組布置一定數(shù)量的問(wèn)題；在課堂上則由學(xué)生主講，通過(guò)課前的自主學(xué)習(xí)回答這些問(wèn)題；最后再由老師將這些問(wèn)題串聯(lián)起來(lái)，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)講解，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。這種教學(xué)方式的開展活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。作為課堂教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，課后積極安排答疑，并通過(guò)諸如QQ群、微信群等方式提供簡(jiǎn)單易得的教師輔導(dǎo)，及時(shí)為學(xué)生解決學(xué)習(xí)中遇到的困難。

3.考試方式的改革經(jīng)驗(yàn)。能源與動(dòng)力工程專業(yè)對(duì)工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)課程采用形成性考試與總結(jié)性考試相結(jié)合的考試方式。對(duì)于熱工基礎(chǔ)課程，考慮到學(xué)生專業(yè)的差異性，將總結(jié)性考試成績(jī)所占比例降低至50%。形成性考試由若干次大的課后作業(yè)、考勤情況以及翻轉(zhuǎn)課題成績(jī)構(gòu)成，其中作業(yè)本身占20分，考勤占10分，翻轉(zhuǎn)課堂成績(jī)占20分。具體如下：①每周一次作業(yè)，作業(yè)要求獨(dú)立完成，根據(jù)作業(yè)得分情況分為優(yōu)、良、中、及格與不及格5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)2分、1.5分、1分、0.5分、0分。②嚴(yán)格執(zhí)行課堂考勤，每缺席1次均直接扣3分，遲到或者早退1次扣1分，缺席3次、遲到或者早退5次以上不能參加本課程的總結(jié)性考試。③翻轉(zhuǎn)課堂成績(jī)根據(jù)主講學(xué)生回答問(wèn)題的正確情況由其他學(xué)生進(jìn)行評(píng)分，教師只參與點(diǎn)評(píng)，不打分。成績(jī)統(tǒng)計(jì)時(shí)，去掉最高分和最低分，計(jì)算平均成績(jī)。課程結(jié)束后的一周后進(jìn)行總結(jié)性考試，考試時(shí)長(zhǎng)2h，滿分100分?？荚囶}型為判斷題（20分）、選擇題（20分）、問(wèn)答題（20分）以及計(jì)算題（40分）。

二、熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)的不足

1.教學(xué)內(nèi)容新穎性的不足。當(dāng)前我國(guó)能源問(wèn)題已十分突出，傳統(tǒng)能源的新利用方法以及新能源的利用越來(lái)越引起重視。然而熱工基礎(chǔ)課程對(duì)這些方面并沒(méi)有涉及，在應(yīng)用章節(jié)仍然集中于對(duì)傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)、內(nèi)燃機(jī)循環(huán)以及燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的分析，知識(shí)體系已較為落后。針對(duì)這一問(wèn)題，在后續(xù)教學(xué)內(nèi)容編排中更多地關(guān)注新能源以及傳統(tǒng)能源的新利用技術(shù)，適當(dāng)增加熱物理基本理論在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、氫能利用、新能源發(fā)電中的應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。在講授蒸汽動(dòng)力循環(huán)時(shí)，關(guān)注超臨界和超超臨界循環(huán)燃煤發(fā)電知識(shí)，使得教學(xué)內(nèi)容更具新穎性。

2.與實(shí)際聯(lián)系的不足。熱工基礎(chǔ)課程在講授熱物理理論的同時(shí)應(yīng)該側(cè)重于工程應(yīng)用。然而當(dāng)前高校的教學(xué)體系仍然重理論輕實(shí)踐。比如“動(dòng)力裝置循環(huán)”這一章節(jié)，主要講授熱力學(xué)第一定律在蒸汽動(dòng)力循環(huán)、四沖程內(nèi)燃機(jī)循環(huán)及燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中的應(yīng)用；但絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)火力發(fā)電、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)都缺乏基本的認(rèn)識(shí)。在“傳熱過(guò)程與換熱器”這一章節(jié)，對(duì)于蛇型管、熱管等換熱器，學(xué)生也從未有過(guò)接觸。針對(duì)此問(wèn)題，將在后續(xù)教學(xué)中增加濕蒸汽、壓氣機(jī)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過(guò)下廠實(shí)習(xí)加深學(xué)生對(duì)各種熱動(dòng)力機(jī)械的認(rèn)識(shí)；同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生在課后時(shí)間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段自學(xué)鍋爐構(gòu)造、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造及燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)造。

3.內(nèi)容系統(tǒng)性的不足。工程熱力學(xué)的研究對(duì)象是熱能與其他形式的能量之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，是系統(tǒng)性的，側(cè)重于功熱轉(zhuǎn)換；而傳熱學(xué)則重點(diǎn)研究導(dǎo)熱、對(duì)流換熱及熱輻射等細(xì)節(jié)問(wèn)題。兩部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，如何有機(jī)地把工程熱力學(xué)部分和傳熱學(xué)部分相結(jié)合以提高熱工基礎(chǔ)內(nèi)容的系統(tǒng)性是一個(gè)值得深入探究的問(wèn)題。相反，傳熱學(xué)部分與流體力學(xué)結(jié)合較為緊密，但絕大多數(shù)學(xué)生沒(méi)有流體力學(xué)學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，因此如何穿插講授流體力學(xué)基本知識(shí)也值得探討。針對(duì)此問(wèn)題，將在后續(xù)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步改革教學(xué)內(nèi)容，提高工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)部分的耦合度。如在熱邊界層概念的引出之前，可專門預(yù)留1課時(shí)講授流動(dòng)邊界層的概念，推導(dǎo)流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程。

4.教師自身專業(yè)背景的不足。由于授課對(duì)象是全校理工科專業(yè)學(xué)生，所以要求授課老師對(duì)各學(xué)科專業(yè)有基本的了解，才能找出熱物理基本理論與學(xué)生專業(yè)知識(shí)的有機(jī)契合點(diǎn)。然而目前熱工基礎(chǔ)授課老師專業(yè)背景較為單一，對(duì)其他專業(yè)還缺乏深刻的認(rèn)識(shí)，這就需要在今后授課過(guò)程中不斷擴(kuò)展教師的專業(yè)知識(shí)面。

三、結(jié)論

在三年多的熱工基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，授課教師針對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式不斷的進(jìn)行改革，學(xué)生對(duì)課程的滿意率從73%增加到95%，課堂出勤率大幅度增加，考核不及格率也由7%下降道2%。熱工基礎(chǔ)課程的開設(shè)一方面為大工程觀背景下各類工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課等提供預(yù)備知識(shí)；另一方面提高學(xué)生運(yùn)用理論分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到了預(yù)期開課效果。

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