能源與動(dòng)力工程專業(yè)工程熱力學(xué)課程的教學(xué)改革

李愛(ài)琴 鄒玉 杜文海 俞接成

【摘要】能源與動(dòng)力工程專業(yè)方向調(diào)整后，增加了暖通專業(yè)的口徑和內(nèi)涵，這就要求工程熱力學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)應(yīng)用型人才相適應(yīng)。根據(jù)能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)特色和工程熱力學(xué)的特點(diǎn)，從提高課堂質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生興趣入手，結(jié)合作者教學(xué)實(shí)踐，對(duì)工程熱力學(xué)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)方式等多方面，進(jìn)行了一系列教學(xué)改革創(chuàng)新實(shí)踐，形成了一套行之有效的教學(xué)體系，在實(shí)踐運(yùn)用中取得了良好的教學(xué)效果。所取得的研究成果不僅對(duì)工程熱力學(xué)教學(xué)改革有積極作用，對(duì)其他能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課的改革也有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】工程熱力學(xué) ?教學(xué)改革 ?教學(xué)成果

【中圖分類號(hào)】TB131 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）29-0238-02

1.引言

工程熱力學(xué)是能源與動(dòng)力工程、過(guò)程裝備與控制工程、機(jī)械工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)熱能相關(guān)的各領(lǐng)域具有創(chuàng)新能力人才的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)21世紀(jì)工科學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的公共基礎(chǔ)課[1-2]。通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生能熟練掌握能量轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用過(guò)程的基本規(guī)律，學(xué)會(huì)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律與第二定律的理論體系分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本原理與方法，掌握相關(guān)的熱能轉(zhuǎn)換與利用設(shè)備的熱力計(jì)算理論，為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。因此學(xué)生掌握工程熱力學(xué)課程基本理論，直接影響其專業(yè)水平，對(duì)今后從事科學(xué)研究、工程應(yīng)用及管理工作都非常重要。

2.教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)方式等多方面的教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

工程熱力學(xué)的研究對(duì)象主要是能量轉(zhuǎn)換，特別是熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，以提高能源利用的經(jīng)濟(jì)性。[3]其課程特點(diǎn)可用“概念多、公式多、內(nèi)容多、抽象難懂”加以概括[4]。以目前應(yīng)用比較廣泛的高等教育出版社出版的沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)》第五版教材[3]為例，全部?jī)?nèi)容可分為三大部分（見(jiàn)圖1），①基礎(chǔ)概念和基本理論，②工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)，③基本理論的工程應(yīng)用。①基本概念和基本理論部分，包括工程熱力學(xué)相關(guān)概念（熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、平衡過(guò)程及可逆過(guò)程等等）、熱力學(xué)第一定律與第二定律，這是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。其中熱力學(xué)第一定律描述了熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系;熱力學(xué)第二定律解析了熱能和機(jī)械能之間品質(zhì)的區(qū)別，提出了能量轉(zhuǎn)換的方向、條件與限度。（對(duì)應(yīng)1、2、5章）。②研究工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)。（對(duì)應(yīng)3、4、6、12章）。主要講述工質(zhì)（理想氣體、水蒸氣和濕空氣）在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)變化的規(guī)律。③講述典型熱工設(shè)備（包括壓氣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、空調(diào)及噴管等）的工作過(guò)程。即應(yīng)用熱力學(xué)基本定律，分析并計(jì)算工質(zhì)在典型熱工設(shè)備中經(jīng)歷的循環(huán)及過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，探討和分析了影響能量轉(zhuǎn)換的因素，得到提高轉(zhuǎn)換效果的途徑。（對(duì)應(yīng)7、8、9、10、11章）。學(xué)生在學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律，掌握了理想氣體和實(shí)際氣體的熱力性質(zhì)和過(guò)程基本規(guī)律之后，可以應(yīng)用這些基本知識(shí)分析一些熱工設(shè)備的理想工作過(guò)程，完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的第一次初步理解和應(yīng)用。在達(dá)到熟練應(yīng)用理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，更深層次的應(yīng)用所學(xué)的工程熱力學(xué)知識(shí)，深入分析實(shí)際裝置中的熱力過(guò)程和多種循環(huán)，從而達(dá)到能在更高的認(rèn)知層面上進(jìn)一步綜合、靈活應(yīng)用工程熱力學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。在完成上述過(guò)程后，分發(fā)給不同專業(yè)的學(xué)生課外作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)的工程熱力學(xué)知識(shí)與本專業(yè)的研究?jī)?nèi)容結(jié)合起來(lái)，達(dá)到靈活應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)目的。

2.2 教學(xué)方法的改革

（1）針對(duì)重要內(nèi)容，將知識(shí)體系融會(huì)貫通

工程熱力學(xué)的課程體系復(fù)雜，公式較多且易混淆。[5]教學(xué)過(guò)程中注重基本概念和公式推導(dǎo)的講解，以使學(xué)生了解和掌握公式的來(lái)源及物理定義。將相關(guān)聯(lián)的課程體系建立聯(lián)系，利用知識(shí)鏈的牽引功能進(jìn)行教學(xué)。例如熵及其相關(guān)概念比較抽象并難于理解，在大多數(shù)現(xiàn)用教材的內(nèi)容編排上，熵方程及熱力學(xué)第二定律的各數(shù)學(xué)表達(dá)式的內(nèi)容是相互獨(dú)立的。在長(zhǎng)期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)感覺(jué)難度較大，在使用孤立系熵增原理表達(dá)式和克勞修斯積分等式和不等式時(shí)，不等式的方向經(jīng)常用反。筆者在上課過(guò)程中通過(guò)熵方程把熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式串聯(lián)起來(lái)，形成知識(shí)鏈[6];使看起來(lái)抽象的、孤立的知識(shí)簡(jiǎn)潔化、系統(tǒng)化，并將這種知識(shí)鏈應(yīng)用到工程熱力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中。從近年來(lái)的教學(xué)成效看，學(xué)生掌握這部分內(nèi)容的能力和靈活性大大增強(qiáng)。

（2）從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，開(kāi)展參與式[7]、啟發(fā)式教學(xué)

工程熱力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，最終目的還是要求回歸工程實(shí)踐，解決具體的工程問(wèn)題。從研究方法的角度，工程熱力學(xué)普遍采用抽象、概括、理想化和簡(jiǎn)化的方法。這種略去細(xì)節(jié)、抽出共性、抓住主要矛盾處理問(wèn)題的方法，不但不脫離實(shí)際，而且更深刻地反映了事物的本質(zhì)，是科學(xué)研究的重要方法。在教學(xué)中秉承培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維的初衷，教會(huì)他們將復(fù)雜的工程問(wèn)題簡(jiǎn)化為理想模型，得出基本規(guī)律后，用于指導(dǎo)實(shí)踐。開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)，科學(xué)源于生活，因此在授課過(guò)程中，結(jié)合具體專業(yè)，引出與理論相關(guān)的具體工程實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)分析、解決問(wèn)題的能力。例如在講解熱力循環(huán)經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)時(shí)，提出“用空調(diào)供熱還是用電暖氣供熱更經(jīng)濟(jì)”話題，引發(fā)學(xué)生思考。又如講解到濕空氣章節(jié)時(shí)，提出“冬天，戴眼鏡的同學(xué)如何在進(jìn)入室內(nèi)時(shí)避免眼鏡起霧？”的問(wèn)題，讓學(xué)生從基本原理中探尋答案。通過(guò)將基本概念和理論與熟悉的生活現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，啟發(fā)學(xué)生思考，提高他們學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的興趣和主觀能動(dòng)性。

（3）重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)工程觀念

工程熱力學(xué)作為基礎(chǔ)理論與應(yīng)用兼?zhèn)涞囊婚T課程，實(shí)驗(yàn)是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐觀念的重要途徑。目前，北京石油化工學(xué)院開(kāi)設(shè)的工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為8學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為：“氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)”、“二氧化碳P-V-T關(guān)系測(cè)定”、“飽和蒸汽P-T關(guān)系實(shí)驗(yàn)”和“噴管實(shí)驗(yàn)”。學(xué)生通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)、加深了熱力學(xué)基本定律、公式的理解，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。除此之外提出工程熱力學(xué)選做實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（綜合性或設(shè)計(jì)性）的方案。為學(xué)生開(kāi)設(shè)一些有工程背景的工程性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行綜合訓(xùn)練，將傳統(tǒng)的測(cè)量手段與現(xiàn)代測(cè)量手段相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生自覺(jué)的接觸實(shí)際問(wèn)題，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。已開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：“燃?xì)獠膳到y(tǒng)熱效率分析”、“多種溫度測(cè)試方法比較”、“空調(diào)制冷系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”、“新型工質(zhì)熱物理性質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)”。

2.3 教學(xué)方式的改革

改進(jìn)和完善了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和相關(guān)教學(xué)資源，充分利用信息技術(shù)，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)資料。將教學(xué)大綱、課程內(nèi)容、教學(xué)課件、習(xí)題等資源上網(wǎng)，建立師生互動(dòng)區(qū)，隨時(shí)了解和反饋教與學(xué)雙方的要求，提高了課程的教學(xué)效果。在教學(xué)手段方面，收集和開(kāi)發(fā)了課程電子教學(xué)資料，改進(jìn)和完善已有的多媒體課件。

3.教學(xué)成果

通過(guò)一系列的教學(xué)改革，工程熱力學(xué)課程獲得了一系列的教學(xué)成果：（1）學(xué)生上課興趣提高，對(duì)工程類題目的掌握有了更高的靈活度。（2）能動(dòng)專業(yè)學(xué)生在考研中將工程熱力學(xué)當(dāng)做選考科目且成績(jī)優(yōu)秀，考研率逐年增加，例如2017屆能動(dòng)132班考研率達(dá)到了19.23%，創(chuàng)歷史新高。（3）在進(jìn)行試題設(shè)計(jì)及篩選的教學(xué)實(shí)踐中，形成了工程熱力學(xué)試題庫(kù)，試題庫(kù)的應(yīng)用縮短了教師出試卷的時(shí)間，保證了考試的客觀性及試卷的覆蓋面。

4.結(jié)論

通過(guò)工程熱力學(xué)教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考試方法的改革和探索，教學(xué)效果大為改善，教學(xué)質(zhì)量大大提高，近三年來(lái)學(xué)生普遍認(rèn)為，本課程內(nèi)容符合教學(xué)大綱要求，信息量大，及時(shí)反映了國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的新動(dòng)態(tài)，注重基本理論，重點(diǎn)、難點(diǎn)突出，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，并積極采用了現(xiàn)代化教學(xué)手段，對(duì)該課程的教學(xué)改革是成功的。

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