工程熱力學(xué)課程教學(xué)探討

常金秋

摘要：

工程熱力學(xué)是一門工科專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，是工程應(yīng)用性較強(qiáng)的課程。其具有理論邏輯性強(qiáng)、工程應(yīng)用性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)，是一門較難學(xué)的課程。文章結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，通過課程教學(xué)改革實(shí)踐，探討較為有效的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程；工程熱力學(xué)； 教學(xué)改革與實(shí)踐

中圖分類號：G6423；TK123文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2018）02006103

工程熱力學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)必修的一門承前啟后的基礎(chǔ)課程。其教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生掌握熱力學(xué)基本概念、基本定律、常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程及相關(guān)計(jì)算，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實(shí)際工程問題的能力，并使學(xué)生建立節(jié)能意識。課程理論邏輯性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生難于理解，存在畏難情緒。如何幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)信心和興趣，確保課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是授課教師必須認(rèn)真思考的問題，在教學(xué)過程中需要注意教學(xué)的方法和手段，使學(xué)生能較好地理解掌握教學(xué)內(nèi)容。文章針對工程熱力學(xué)課程特點(diǎn)和自身專業(yè)特點(diǎn)，從以下幾方面對該課程教學(xué)進(jìn)行了改革實(shí)踐。

一、教材選用與課程內(nèi)容優(yōu)化

工程熱力學(xué)是研究能量及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的基礎(chǔ)應(yīng)用型學(xué)科，主要內(nèi)容包括基本概念、基本定律、理想氣體及常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程和熱力循環(huán)分析計(jì)算等，涵蓋內(nèi)容廣泛，與工程實(shí)踐結(jié)合緊密。課程選用了本專業(yè)指導(dǎo)委員會推薦教材——譚羽非主編的《工程熱力學(xué)》（第六版），并建議使用中國建筑出版社出版，武淑萍編寫的《工程熱力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》作為參考書。

作為非能源動力類的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)，該課程理論授課僅有44學(xué)時。為充分利用有限學(xué)時，保證教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合前期課程及后續(xù)專業(yè)課程，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了合理的調(diào)整優(yōu)化。在有限的學(xué)時內(nèi)，教材上的章節(jié)不可能全部細(xì)講，在保證課程基本理論體系完整的前提下，重點(diǎn)放在與后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)緊密相關(guān)的內(nèi)容上，既要避免與前期課程內(nèi)容簡單重復(fù)，又要確保后續(xù)基礎(chǔ)知識的傳授。例如，工程熱力學(xué)中與大學(xué)物理重復(fù)的理想氣體性質(zhì)及狀態(tài)方程部分不再詳細(xì)論述，直接利用其結(jié)論[1]，重點(diǎn)講解其應(yīng)用和熱力過程?？?/p>

適當(dāng)弱化復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，學(xué)生有問題在課余時間復(fù)習(xí)答疑解決。同時，結(jié)合專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)和后續(xù)專業(yè)課程設(shè)置，除了必須掌握的基本理論內(nèi)容，適當(dāng)強(qiáng)化與專業(yè)課程密不可分的內(nèi)容，如水蒸氣、濕空氣、制冷循環(huán)等與空調(diào)工程密切相關(guān)的內(nèi)容，而熱力學(xué)微分關(guān)系式、動力循環(huán)內(nèi)容、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)等內(nèi)容只作一般了解，讓學(xué)生課后自學(xué)。

二、重視緒論教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

學(xué)生一般對新的課程都有一種好奇，想知道這門課是學(xué)什么的？有什么用？如果能將學(xué)生的這種好奇轉(zhuǎn)變?yōu)榕d趣，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的動力，則事半功倍。緒論作為工程熱力學(xué)課程的第一堂課，主要介紹能源及熱能利用、能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)、工程熱力學(xué)的研究對象及主要內(nèi)容，其教學(xué)目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。通過緒論教學(xué)讓學(xué)生理解工程熱力學(xué)主要研究的是熱能與其他形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，旨在達(dá)到資源利用率最大化。日常生活中的方方面面都存在熱能的利用，在能量利用、轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生污染物，熱能的有效利用和節(jié)能減排都離不開工程熱力學(xué)的支撐。應(yīng)用其基本理論探討提高能量轉(zhuǎn)換效率、提高能量利用的經(jīng)濟(jì)性是工程熱力學(xué)的主要任務(wù)。認(rèn)識到工程熱力學(xué)知識與工業(yè)生產(chǎn)、資源利用、環(huán)境保護(hù)等都有關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性。

三、改進(jìn)教學(xué)方法和手段

（一） 建立知識結(jié)構(gòu)體系

每門學(xué)科都有其內(nèi)部的知識結(jié)構(gòu)，而每門課程結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)又有自身的課程教學(xué)知識體系。如果學(xué)生了解課程知識結(jié)構(gòu)體系，從整體上把握課程內(nèi)容，清楚各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，這樣在學(xué)習(xí)各個章節(jié)內(nèi)容時，目的性就會更加明確，學(xué)習(xí)效果將大幅度提升。

工程熱力學(xué)以能量及能量轉(zhuǎn)換為基本線索，并貫穿始終[2]，整個教學(xué)內(nèi)容圍繞這一主線展開。先介紹基礎(chǔ)理論：相關(guān)的概念、定理與定律、工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)及熱力過程等；后介紹理論應(yīng)用：對于熱能和機(jī)械能持續(xù)不斷轉(zhuǎn)換的幾種熱力循環(huán)這部分內(nèi)容，不同的專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同，在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)，制冷循環(huán)是重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，動力循環(huán)一般了解即可。在每個章節(jié)的教學(xué)總結(jié)時，不僅讓學(xué)生熟悉本章節(jié)知識結(jié)構(gòu)框架，更要了解其與前后章節(jié)的聯(lián)系。這樣，學(xué)生以基本線索串聯(lián)所學(xué)知識，內(nèi)容更具條理性，避免知識點(diǎn)凌亂。通過不斷學(xué)習(xí)、思考，學(xué)生對課程構(gòu)架有整體性的理解，掌握了個性化的知識結(jié)構(gòu)體系，同時也培養(yǎng)了科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。

（二）理論聯(lián)系實(shí)際

工程熱力學(xué)是在生產(chǎn)實(shí)踐過程中逐漸形成與完善的，其研究的專題源于生活及工程實(shí)踐，有鮮明的工程應(yīng)用背景。在教學(xué)中若能結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)設(shè)置教學(xué)情景引入案例教學(xué)，把理論知識與日常生活現(xiàn)象、實(shí)際工程相聯(lián)系，既可加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，又使學(xué)生充分認(rèn)識本門課程的實(shí)用性和重要性，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情。例如，介紹相對濕度時，提出下雨天為何洗的衣服不容易晾干的問題。介紹露點(diǎn)時，提出從冰箱拿出的水果，為何放置一會表面就產(chǎn)生水珠的問題，用理論解釋日常生活現(xiàn)象，再引申到空調(diào)系統(tǒng)中冷凝水的產(chǎn)生，冷凝水水管的設(shè)置，自然地將理論引申到實(shí)際專業(yè)工程應(yīng)用[3]。介紹水的飽和溫度與飽和壓力單值對應(yīng)關(guān)系時，提出以下問題：為何用高壓鍋煮食物用時短？為何高溫供水管網(wǎng)，必須采取定壓措施？介紹熱力學(xué)第二定律時，為讓學(xué)生理解熱力過程的方向性，可列舉一些實(shí)際生活中的例子，如，水杯中的熱水會自然冷卻到與環(huán)境溫度一致，但反過來，水杯中的水不可能吸收空氣中的熱能將其加熱為熱水。介紹逆循環(huán)時，讓學(xué)生明白工質(zhì)耗功可將熱量從低溫轉(zhuǎn)移到高溫，可被利用于制冷和供熱，使學(xué)生了解空調(diào)、冰箱的工作原理。這樣，通過理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)互動，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，形成較好的課堂氣氛，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識和原理在實(shí)際中的運(yùn)用。

（三）加強(qiáng)師生互動交流

教學(xué)過程中師生之間相互交流和探討，可引導(dǎo)學(xué)生主動思考問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。課堂講授應(yīng)注意觀察學(xué)生的反應(yīng)，重視問題反饋。不可只注重講課進(jìn)度，忽視學(xué)生接受程度。通過課堂提問和課堂作業(yè)，隨時檢查學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，使其建立課程學(xué)習(xí)的自信。例如，在開始講授熱力學(xué)第一定律時，先提問：“第一類永動機(jī)能實(shí)現(xiàn)嗎？夏天用電扇能讓室內(nèi)空氣降溫嗎？”講授熱力學(xué)第二定律時，先提問： “是否所有滿足熱力學(xué)第一定律的自然現(xiàn)象都能實(shí)現(xiàn)呢？”學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，為尋找答案就會積極主動地全心投入。課堂教學(xué)忌諱唱獨(dú)角戲，避免滿堂灌，宜結(jié)合課后思考題給學(xué)生留有一定的消化時間，通過講解、討論、答疑，讓學(xué)生理解并掌握所學(xué)理論知識。在例題講解時，注意解題思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，并對計(jì)算結(jié)果加以分析討論，加深對理論知識的理解。另外，學(xué)生完成課程作業(yè)的情況直接反映學(xué)習(xí)效果，要求學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)，并對每章作業(yè)完成情況進(jìn)行講評，根據(jù)作業(yè)反饋情況查缺補(bǔ)漏，避免問題累積，保證教學(xué)效果。

（四）充分運(yùn)用p-v和T-s圖

在分析熱力學(xué)問題時，p-v圖和T-s 圖是非常方便實(shí)用的工具，可幫助學(xué)生理解相關(guān)概念。在參數(shù)坐標(biāo)圖上繪制過程曲線，將過程表示在p-v圖和T-s圖上，可定性分析過程特性和能量轉(zhuǎn)換情況，幫助學(xué)生理解功量和熱量都是過程量而非狀態(tài)參數(shù)。

p-v圖也稱為示功圖，可直觀顯示可逆過程功量的多少，明顯體現(xiàn)功是過程量。p-v圖還可直觀反映膨脹功、技術(shù)功、流動功之間的關(guān)系。 T-s圖也稱為示熱圖，可直觀顯示可逆過程功熱量的多少，明顯體現(xiàn)熱量為過程量。單級活塞式壓氣機(jī)在耗功分析及熱力性能分析時，對于理想氣體的不同壓縮過程，即絕熱過程、多變過程、等溫過程，通過其p-v圖和T-s 圖就能明顯看出，等溫過程耗功最少，終溫最低，是最有利的過程。進(jìn)而得出實(shí)際工程中設(shè)法降低多變指數(shù)，使其接近等溫壓縮過程即可省功節(jié)能。

（五）合理的教學(xué)手段

現(xiàn)在教師授課通常采用直觀形象的多媒體，板書被弱化，板書在邏輯推理、歸納總結(jié)、思路引導(dǎo)等方面的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮。教學(xué)授課時應(yīng)針對不同教學(xué)的內(nèi)容特點(diǎn)恰當(dāng)選擇教學(xué)手段，將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相結(jié)合，使各種教學(xué)手段優(yōu)勢互補(bǔ)，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。如基本熱力過程公式的講解，采用板書則更合理一些。學(xué)生的思路隨著板書的展開緊跟教師思路，教學(xué)內(nèi)容也更容易理解。為方便對比，加深對公式的理解，各熱力過程可同時展現(xiàn)在黑板上。這樣，可使學(xué)生思路清晰，避免了因多媒體分屏顯示而打亂公式整體性的問題。需要用圖形、動畫表達(dá)的地方則可借助多媒體課件來演示，生動形象，節(jié)省時間[4]。

四、結(jié)語

根據(jù)課程特點(diǎn)和專業(yè)需要，進(jìn)行課程教學(xué)改革實(shí)踐，使教學(xué)內(nèi)容更符合專業(yè)實(shí)際情況，用靈活的教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，確保在有限的學(xué)時內(nèi)實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)實(shí)踐是一個系統(tǒng)工程，也沒有固定模式，需要不斷改革探索，與時俱進(jìn)，使教學(xué)質(zhì)量逐步提升。參考文獻(xiàn)：

[1]顧娟，孫鷹.簡述非力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)技巧[J].高等建筑教育，2014（Sup）：33.

[2]武淑萍.工程熱力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[3]馬富芹，郭淑青.案例法教學(xué)提高《工程熱力學(xué)》課程教學(xué)效果[J].科技信息，2012（27）：180.

[4]劉燕妮，王云鶴，王歡，等.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)工程熱力學(xué)課程教學(xué)探討[J].化工高等教育，2015，32（3）：48-51.

Abstract：

Engineering mechanics is an important technical basic course in engineering profession and is a course in project utility strongly. It has strong theoretical logic， strong engineering applicability and conceptual abstraction， students are often considered to be a difficult subject. Combining with the professional characteristics， through the teaching reform practice， to explore a more effective teaching method， stimulate students interest in learning， and improve the quality of teaching.

Keywords： building environment and energy engineering； engineering thermodynamics； teaching reform and practice

（編輯周沫）