基于教學(xué)軟件的“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐

陳曦 祁影霞

摘? 要：在“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)過(guò)程中，引入教學(xué)研究軟件，探索該軟件在例題講解以及習(xí)題分析中的應(yīng)用。通過(guò)教學(xué)軟件的教學(xué)示范，增強(qiáng)了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)分析解決專業(yè)問(wèn)題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：低溫技術(shù);教學(xué)方法;教學(xué)實(shí)踐;教學(xué)軟件

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）07-0096-03

Abstract： This article introduces the teaching research software in the teaching process of "Basic Principle of Cryogenic Technology" to explore the application of the software in the example explanation and exercise analysis. Through the teaching demonstration of teaching software， the abilities of using basic theoretical knowledge to analyze and solve professional problems are enhanced. Students' enthusiasm for learning has been improved. The good teaching effects are achieved.

Keywords： Cryogenic Technology; teaching method; teaching practice; teaching software

低溫技術(shù)是以熱力學(xué)和傳熱學(xué)為理論基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，而低溫技術(shù)的發(fā)展又開(kāi)拓了熱力學(xué)和傳熱學(xué)的低溫領(lǐng)域，不斷豐富了熱力學(xué)和傳熱學(xué)的內(nèi)涵[1]。低溫技術(shù)已在氣體液化和分離、低溫超導(dǎo)技術(shù)、特種材料處理及回收、航空航天技術(shù)、低溫醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，隨著低溫技術(shù)的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，低溫技術(shù)在不斷開(kāi)發(fā)的尖端技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。低溫技術(shù)在本世紀(jì)將有更大的發(fā)展，其前景十分廣闊[2]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種教學(xué)科研軟件逐漸增多。低溫技術(shù)中的設(shè)計(jì)計(jì)算也從原始的查圖手工計(jì)算，發(fā)展到與現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件模擬相結(jié)合。比如說(shuō)液化分離方面，可以結(jié)合專業(yè)的流程模擬軟件HYSIS，ASPENPLUS進(jìn)行介紹。工程求解器（EES）是一種簡(jiǎn)單易學(xué)的專業(yè)編程計(jì)算軟件，內(nèi)部集成了各種熱物性和數(shù)學(xué)函數(shù)，很方便教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)演示，使學(xué)生可以容易的學(xué)會(huì)，并利用該軟件完成習(xí)題的計(jì)算分析[3]。通過(guò)EES軟件，學(xué)生可以隨時(shí)獲得低溫工質(zhì)的熱物性參數(shù)，能夠根據(jù)“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”中的教學(xué)要求，在老師的指導(dǎo)下對(duì)各種低溫流程及熱力過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。

一、EES教學(xué)軟件介紹

當(dāng)前大學(xué)教育的發(fā)展方向是國(guó)際化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。其中國(guó)際化體現(xiàn)在采用國(guó)際英文教材，英文授課方面，也體現(xiàn)在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法上。網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)在建立精品課程教學(xué)網(wǎng)站，錄制教學(xué)視頻，建立試題庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)功能等。智能化需要采用先進(jìn)的教學(xué)軟件，讓學(xué)生能夠接觸最先進(jìn)的學(xué)習(xí)和研究工具，有利于學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)一步深造或者進(jìn)入企業(yè)容易成為研究骨干。根據(jù)“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”的課程特點(diǎn)，本文提出采用先進(jìn)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，而Engineering Equation Solver（EES）軟件是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。EES軟件主要由美國(guó)著名大學(xué)University of Wisconsin-Madison機(jī)械系Sanford A Klein教授開(kāi)發(fā)，S.A. Klein[4]在EES軟件編制中，嵌入了大量的熱物性參數(shù)，方便學(xué)生調(diào)用查詢各種熱物性數(shù)據(jù)，使學(xué)生從繁雜的計(jì)算和查表中解脫出來(lái)，大量的時(shí)間用于掌握概念和規(guī)律，可以方便的完成各種熱力循環(huán)計(jì)算和分析。美國(guó)凱特林大學(xué)（Kettering University）的A.Poumovhed等[5]在本科生課程中使用EES軟件求解工程熱力學(xué)問(wèn)題，取得了較好的教學(xué)效果。西班牙拉科魯納大學(xué)的J. A. Orosa等[6]在海洋工程專業(yè)的熱力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用了EES教學(xué)軟件，教學(xué)效果表明，通過(guò)新的EES軟件學(xué)習(xí)方法，僅用較短時(shí)間就達(dá)到了相同的教學(xué)目標(biāo)。國(guó)內(nèi)高校也逐漸引入EES軟件進(jìn)行教學(xué)科研工作，浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院[7]在制冷原理課程教學(xué)中引入EES教學(xué)軟件，對(duì)于制冷循環(huán)的教學(xué)可以達(dá)到事半功倍的效果。魯東大學(xué)王明濤等[8]采用EES軟件進(jìn)行本科生工程熱力學(xué)教學(xué)探索，發(fā)現(xiàn)可以明顯提高學(xué)生興趣和解決理論計(jì)算和工程復(fù)雜問(wèn)題計(jì)算的能力。

二、基于EES軟件的“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)方法及教學(xué)案例

在本課程教學(xué)中，在使用EES軟件之前，筆者對(duì)學(xué)生進(jìn)行EES軟件的基本操作、界面窗口、單位設(shè)置以及調(diào)用函數(shù)命令等方法進(jìn)行一節(jié)課的簡(jiǎn)單培訓(xùn)。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生都可以很好的掌握EES軟件的基本操作和使用技巧。根據(jù)“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”的課程教學(xué)內(nèi)容，考慮到教學(xué)內(nèi)容的特色，EES軟件教學(xué)可以應(yīng)用的章節(jié)包括工程材料的低溫性能、獲得低溫的方法、氣體液化及分離系統(tǒng)、小型低溫制冷機(jī)等課堂教學(xué)。以下我們就結(jié)合幾個(gè)典型的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

（一）基于EES軟件的絕熱放氣制冷過(guò)程分析

絕熱放氣制冷是獲得低溫的一種典型方法，已用于小型氦制冷低溫制冷機(jī)中，絕熱放氣制冷過(guò)程如下圖1所示，實(shí)際過(guò)程介于左側(cè)活塞以P1和P2壓力分別推動(dòng)活塞對(duì)外做功之間。我們以P1和P2壓力對(duì)活塞做功為模型，可以分別推導(dǎo)出兩個(gè)降溫公式，如下公式（1）和（2）所示。

圖1 絕熱放氣原理圖

=

（1）

=·+? ? （2）

根據(jù)理論分析，基于公式（1）和公式（2），可以采用EES軟件編程分析在兩種情況下壓比對(duì)溫度比的影響，編制程序如下所示：

由EES軟件的表格和制圖功能，可以分析變壓比下，溫度比在兩種工況下的變化情況，獲得如下圖2所示的計(jì)算表格及曲線圖。

（二）基于EES軟件的低溫液化循環(huán)分析

在此節(jié)中，以一道低溫液化流程的習(xí)題為例，講解EES軟件在分析低溫液化流程上的應(yīng)用。

習(xí)題：在使用氮?dú)鉃楣べ|(zhì)的理想克勞特液化系統(tǒng)中，可逆等溫壓縮機(jī)進(jìn)口參數(shù)為101.3kPa，300K，氣體被壓縮至4.05MPa。如果氣體進(jìn)入可逆絕熱膨脹機(jī)的參數(shù)（3點(diǎn)）為4.05MPa，240K，確定產(chǎn)生80kJ/kg的總制冷量時(shí)， 膨脹機(jī)所需的單位膨脹量。

求解：克勞特制冷系統(tǒng)中的制冷量包括等溫壓縮制冷效應(yīng)和膨脹機(jī)制冷效應(yīng)。根據(jù)克勞特循環(huán)單位制冷量計(jì)算公式：

q0，pr=Zpr（h1' -h0）=-ΔhT2+Ve（h3-h4）-Σq

不考慮傳熱溫差損失和絕熱損失，故有：

q0，pr=（h1-h2）+Ve（h3-h4）

對(duì)該系統(tǒng)采用EES軟件編程求解有以下結(jié)果：

$UnitSystem SI kPa K kJ {單位說(shuō)明}

$REFERENCE Nitrogen DFT {物性基準(zhǔn)}

P1=101.3;T1=300 {1點(diǎn)參數(shù)}

P2=4050;T2=300 {2點(diǎn)參數(shù)}

P3=P2;P4=P1;T3=240 {3點(diǎn)和4點(diǎn)參數(shù)}

h1=Enthalpy（Nitrogen，T=T1，P=P1）{求h1}

h2=Enthalpy（Nitrogen，T=T2，P=P2）{求h2}

h3=Enthalpy（Nitrogen，T=T3，P=P3）{求h3}

s3=Entropy（Nitrogen，T=T3，P=P3）{求s3}

h4=Enthalpy（Nitrogen，s=s3，P=P4）{求h4}

q0pr=80;? ? ? ? ?{已知的總制冷量}

Ve=（q0pr-（h1-h2））/（h3-h4） {求解的膨脹量}

以上教學(xué)案例可以看出，在“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中，涉及有熱物性參數(shù)參與計(jì)算的系統(tǒng)分析，循環(huán)計(jì)算都可以采用EES軟件進(jìn)行編程求解，求解和編程相對(duì)簡(jiǎn)單，可以讓學(xué)生把主要精力放在熱力學(xué)分析和低溫原理理解上。在課程講解、習(xí)題分析以及例題求解等方面具有重要優(yōu)勢(shì)。

三、教學(xué)效果及評(píng)價(jià)

鑒于EES軟件的諸多優(yōu)勢(shì)，筆者在上海理工大學(xué)的“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)上進(jìn)行了一個(gè)學(xué)期的教學(xué)試點(diǎn)，總體教學(xué)效果良好，獲得了大多數(shù)學(xué)生的理解和支持。在課程結(jié)束以后，對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查和分析。表1為教學(xué)班級(jí)的課程結(jié)束后的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果。從表1可以看出，基于EES軟件的“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生的專業(yè)軟件使用能力，大多數(shù)學(xué)生利用EES軟件求解和分析實(shí)際低溫系統(tǒng)的水平也得到了極大的提高。

四、結(jié)束語(yǔ)

“低溫技術(shù)基礎(chǔ)”是一門傳統(tǒng)的課程，但是隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的提高，教學(xué)方法和手段必須與時(shí)俱進(jìn)，不斷改革，通過(guò)現(xiàn)代教學(xué)軟件和傳統(tǒng)教學(xué)方法的結(jié)合來(lái)提高課程的教學(xué)質(zhì)量。本文通過(guò)在課程教學(xué)中使用EES軟件對(duì)課程教學(xué)中的例題講解，習(xí)題求解等知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，取得了很好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，對(duì)于學(xué)生將來(lái)在企業(yè)的專業(yè)工作以及進(jìn)一步深造都具有重要意義。

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