工程熱力學課程與創(chuàng)新方法融合的教學模式探索

王有鏜 何芳 鄭斌 李成宇 孫鵬

[摘 要] 工程熱力學是能源與動力學科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，合理利用能源以及創(chuàng)新能力是未來能動領(lǐng)域從業(yè)人員應具備的重要素質(zhì)。本文首先總結(jié)了技術(shù)領(lǐng)域常用的創(chuàng)新理論，而后將相關(guān)方法具體化融合到教學團隊建設、教學內(nèi)容強化、教學條件優(yōu)化和教學方法改進過程中，以此探索建立一種提高大學生創(chuàng)新能力的教學模式。

[關(guān)鍵詞] 工程熱力學;創(chuàng)新方法;教學模式;創(chuàng)新項目

工程熱力學是能源與動力工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學與研究的主要對象是熱能與其他形式能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、轉(zhuǎn)換規(guī)律及應用。近年來，為提高教學質(zhì)量并緊跟理論、方法和裝備更新的步伐，一線教師已經(jīng)針對該課程進行了大量的改革實踐，已經(jīng)在教學方法[1]、內(nèi)容[2]、手段[3]以及課程體系[4]方面取得了明顯的成效。

一、創(chuàng)新理論

1.發(fā)明問題解決理論（TRIZ）。該方法于1946年由蘇聯(lián)專家阿奇舒勒提出，該方法表明技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的。TRIZ基于物理矛盾和四大分離原理，采用物—場模型分析方法，提供了具有普遍意義的40條發(fā)明原理，給出了發(fā)明問題的76種標準解法。近年來，TRIZ理論被各國所接受，基于該理論的創(chuàng)新系統(tǒng)方法不斷被推廣[5]。

2.形態(tài)分析法。這是一種系統(tǒng)搜索和程式化求解的創(chuàng)新方法，該方法以建立形態(tài)學矩陣為基礎(chǔ)，通過對創(chuàng)造對象進行因素分解，找出因素可能的全部技術(shù)手段，再通過形態(tài)學矩陣進行方案設計，得到多種可行方案，從中選擇最佳方案。

3.奧斯本檢核表法。根據(jù)研究對象特點提出問題，形成檢核表，逐一討論。檢核表涉及9個方面，能否改變、能否借用、能否他用、能否擴大、能否縮小、能否替代、能否調(diào)整、能否顛倒和能否組合。該方法以直觀方法激發(fā)思維，在產(chǎn)品開發(fā)方面比較適用，被譽為“創(chuàng)造技法之母”。

4.和田十二法。這是在認識一個系統(tǒng)時可以考慮能否從12個方面提出改進并加以解決的思維方法，由我國學者許立言和張福奎提出。十二法為加、減、擴、縮、變、改、聯(lián)、學、代、搬、反和定，按順序?qū)ρ芯繉ο筮M行思考，就能從中得到啟發(fā)，產(chǎn)生創(chuàng)造性設想。

以上創(chuàng)新方法對于本課程、對于培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維而言，具有一定的操作性，可在具體教學環(huán)節(jié)靈活應用。

二、創(chuàng)新方法在教學環(huán)節(jié)的應用

（一）教學團隊建設

1.團隊成員定期進行創(chuàng)新方法理論學習，共同探討理論與創(chuàng)新實踐結(jié)合的方法，分析授課對象知識體系，結(jié)合已有教學經(jīng)驗，開發(fā)新型教學模式。

2.增強團隊協(xié)作意識，共享教學成果。團隊成員相互交流在課程改革項目中取得的成果，對于成熟的虛擬實驗平臺、信息化的教學活動、典型的創(chuàng)新案例以及科學的考核評價體系，可進行應用推廣。

3.積極聯(lián)系校外相關(guān)企業(yè)的工程師或管理人員，主動聘請其作為創(chuàng)新導師，每年至少邀請一位企業(yè)創(chuàng)新導師進行專題講座，形成創(chuàng)新型教學團隊。

（二）教學內(nèi)容強化

1.創(chuàng)新意識的滲透。創(chuàng)新意識是創(chuàng)新能力的前提和必要條件，只有具有強烈的創(chuàng)新意識，才能產(chǎn)生創(chuàng)新動機，從而達到培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。工程熱力學教學主要是使學生掌握并運用工程熱力學理論知識解決工程實際問題，如在講授制冷循環(huán)知識點時，向?qū)W生講解壓縮空氣制冷循環(huán)的基本原理和四大基本部件，引導學生思考將工質(zhì)空氣換成低沸點制冷劑，將降壓設備膨脹機換成節(jié)流閥，則得到壓縮蒸汽制冷循環(huán);在壓縮蒸汽制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，引導學生進一步思考將增壓設備壓縮機換成高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器和節(jié)流閥，引入吸收式制冷循環(huán)。這樣，可在教學過程中激發(fā)學生創(chuàng)新意識，提高學生的學習興趣。

2.創(chuàng)新案例庫的建設。與課程知識點相結(jié)合的創(chuàng)新應用案例，對于增強學生的理論認知程度和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有重要意義。案例庫建設主要包括知識點篩選、案例選取、案例呈現(xiàn)、案例分析等四個環(huán)節(jié)。首先，知識點篩選主要針對可在實踐中直接應用的定律、公式、理論，如熱力學第一定律、第二定律、理想氣體狀態(tài)方程、卡諾定理、朗肯循環(huán)、帕爾帖效應等，以此為基礎(chǔ)選取創(chuàng)新應用的案例。

（三）教學條件優(yōu)化

1.教學實驗環(huán)節(jié)的優(yōu)化。實驗教學是發(fā)現(xiàn)和驗證知識的教學方法，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要陣地，目前我校工程熱力學實驗教學主要為驗證性和綜合設計性兩種類型，整合重復性實驗，適當降低驗證性實驗的數(shù)量，增加綜合設計性實驗，鼓勵學生利用實驗室已有設備，通過查閱相關(guān)資料，自行設計實驗方案。

2.網(wǎng)絡教學平臺的應用。網(wǎng)絡教學平臺中新設兩個創(chuàng)新模塊，其一為作品展示，專門展示國家級大學生創(chuàng)新競賽中的獲獎作品;其二為創(chuàng)新訓練，教師通過定期介紹能量轉(zhuǎn)換與開發(fā)理論，讓學生提出創(chuàng)新應用方法，將理論應用于日常生活或工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并將其思路以圖和文字的形式在該模塊中展示。

（四）教學方法改進

1.直觀教學方法的嘗試。目前的“傳遞—接受”教學模式擔負不了高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重擔，項目擬在課堂授課過程中加入實體模型展示環(huán)節(jié)。展示模型的來源主要包括前期創(chuàng)新項目的作品以及購置原材料進行自制。如在講授制冷原理知識點時，可利用前期項目組所指導的大學生創(chuàng)新作品“新型半導體制冷車載冰箱”展示熱電制冷原理;在講授氣體動力循環(huán)時，可利用創(chuàng)新訓練作品“小型斯特林發(fā)動機太陽能發(fā)電充電裝置”，展示外燃機的工作循環(huán)過程;在講授濕空氣性質(zhì)時，可通過自制干濕球溫度計讓學生觀察干濕球溫度的差異;在講授水蒸氣的定壓汽化過程時，可通過自制蒸汽定壓發(fā)生器讓學生直觀理解狀態(tài)參數(shù)的變化。以此來提高學生的學習興趣，并激發(fā)其創(chuàng)新的熱情。

2.創(chuàng)新項目驅(qū)動式教學方法的探索。通過網(wǎng)絡教學平臺中創(chuàng)新訓練模塊的引導，讓學生成立創(chuàng)新小組，集思廣益地將能源利用方法、節(jié)能原理應用到實踐中去，同時鍛煉學生的團隊協(xié)作和圖文表達能力，指導學生修改完善創(chuàng)新方案，最終可將創(chuàng)新立意較好的作品申報“國家級大學生創(chuàng)新計劃項目”。

3.考核方案中體現(xiàn)創(chuàng)新能力的評價。改革現(xiàn)有考核模式，將創(chuàng)新方法的訓練納入最終評價體系。原有課程評價體系為期末成績70%，實驗成績15%，平時表現(xiàn)15%;在進行創(chuàng)新化課程改革后可改為期末成績60%，實驗成績（包含虛擬設計）15%，創(chuàng)新訓練15%，平時表現(xiàn)10%，體現(xiàn)出對學生創(chuàng)新能力的考察。

三、結(jié)語

工程熱力學涉及能源、化工和冶金等學科，是在能源轉(zhuǎn)換與利用領(lǐng)域中進一步創(chuàng)新的基礎(chǔ)課程。將創(chuàng)新方法引入各個教學環(huán)節(jié)，不僅讓抽象、枯燥的原理知識變得更加具體、生動，還讓學生潛移默化地學習技術(shù)創(chuàng)新規(guī)律，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。

參考文獻

[1]許偉偉，黃善波，張克舫.工程熱力學形象化教學方法探討與實踐[J].實驗室研究與探索，2018（5）：191-194.

[2]常金秋.工程熱力學課程教學探討[J].高等建筑教育，2018（2）：61-63.

[3]尤彥彥，劉永啟.“工程熱力學”課程改革的探索與實踐[J].中國電力教育，2014（3）：80-82.

[4]陳貴堂，張忠進.外界分析法的理論意義及實用價值[J]吉林工業(yè)大學學報，1993（70）：37-43.

[5]李梅芳，趙永翔.TRIZ創(chuàng)新思維與方法：理論及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.