應(yīng)用技術(shù)大學(xué)工程熱力學(xué)教學(xué)改革探索與實踐

趙維 徐鑫

摘 ? 要：天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)采用“重實踐、強基礎(chǔ)、校企化、國際化、復(fù)合化”的培養(yǎng)方法，瞄準(zhǔn)人才需求定位，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和職業(yè)精神的高素質(zhì)復(fù)合型技術(shù)人才。基于這一人才培養(yǎng)定位，能源與動力工程專業(yè)工程熱力學(xué)課程，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力為目標(biāo)，強化教學(xué)過程中的工程實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的安全生產(chǎn)意識、工程實踐意識、質(zhì)量意識以及系統(tǒng)思維。通過開設(shè)專業(yè)認(rèn)知課程、制定課程大綱、改革授課方式方法，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科技創(chuàng)新項目及科研課題，以提高學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用技術(shù)大學(xué);能源與動力工程專業(yè);工程熱力學(xué);教學(xué)改革

應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)以科學(xué)知識和技術(shù)成果的應(yīng)用為導(dǎo)向進行辦學(xué)，側(cè)重點在于技術(shù)知識和技術(shù)成果的應(yīng)用，人才培養(yǎng)目標(biāo)主要是高級技術(shù)型人才等特點，這與普通高等院校有本質(zhì)區(qū)別，因而同樣的課程在兩類不同院校中也存在不同的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方式，傳統(tǒng)本科的教學(xué)方式不能很好地適應(yīng)應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)對人才培養(yǎng)的要求。工程熱力學(xué)是能源與動力工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，與傳熱學(xué)和流體力學(xué)組成了能源與動力工程專業(yè)的三大專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。一直以來，師生對工程熱力學(xué)都存在難懂、難學(xué)、難教的體會。如何強化學(xué)生對該課程的理解、如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、如何提高教師的授課效率，尤其是針對應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的本科生，更是擺在主講教師面前的一個難題。本研究通過工程熱力學(xué)課程的特點、應(yīng)用技術(shù)大學(xué)人才培養(yǎng)定位的學(xué)生特點，結(jié)合本人曾經(jīng)在企業(yè)中的工作經(jīng)歷和近年來的授課經(jīng)驗，對工程熱力學(xué)教學(xué)過程中的改革實踐和探索提出個人觀點。

1 ? ?工程熱力學(xué)課程的特點及教學(xué)現(xiàn)狀

工程熱力學(xué)課程內(nèi)容多、公式多、概念多、圖表多[1]。在理論的授課過程中，大量新概念的出現(xiàn)讓學(xué)生難以理解，如準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程、不可逆過程的區(qū)別和聯(lián)系、平衡和穩(wěn)定區(qū)別和聯(lián)系等。不同的公式具有不同的使用范圍，要把握熱力學(xué)第一定律的兩個表達(dá)式之間的聯(lián)系及應(yīng)用;而且同一個公式在不同的條件下，還有不同的表達(dá)方式。一般地，這門課程更加偏向于理論講解和公式推導(dǎo)，這也讓部分學(xué)生因為數(shù)學(xué)的原因而對這門課程失去了信心。

同時，此門課程與工程實踐應(yīng)用的聯(lián)系多。一般工程熱力學(xué)課本可以大致分成兩部分，第一部分為基礎(chǔ)理論部分，主要關(guān)注與熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用，還有理想氣體的特性等內(nèi)容。第二部分為實踐應(yīng)用理論部分，即工程和生活中常見的設(shè)備應(yīng)用過程的理論部分。對于沒有社會經(jīng)驗和企業(yè)實踐經(jīng)歷的學(xué)生來說，沒有見過汽輪機、壓氣機、內(nèi)燃機以及蒸汽動力裝置、制冷循環(huán)設(shè)備，很難理解它們的工作過程和循環(huán)過程，這給學(xué)生的理解造成一定的困難。此外，從人的智力角度來講，學(xué)生思維方式可以分為邏輯思維和形象思維兩類，其中，形象思維的人占60%～70%[2]。應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的學(xué)生，大部分以形象思維見長，所以，這也是學(xué)生工程熱力學(xué)理論知識學(xué)習(xí)困難的一個原因。

2 ? ?教學(xué)改革實踐

鑒于教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)情況的現(xiàn)狀，要體現(xiàn)本門課程的邏輯嚴(yán)密性、循環(huán)過程系統(tǒng)性，在授課過程中系統(tǒng)地講授課程內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠從分析簡單問題進步到分析復(fù)雜系統(tǒng)的過程，在整個人才培養(yǎng)過程中做如下實踐。

2.1 ?設(shè)置專業(yè)認(rèn)知課程

專業(yè)認(rèn)知課程作為專業(yè)實踐課程體系中的一個必要環(huán)節(jié)，在新生入學(xué)第一學(xué)期開設(shè)，采用教室授課、模型展示、企業(yè)參觀等形式進行。在專業(yè)認(rèn)知的授課過程中，可以設(shè)置三大核心課程模塊、火力發(fā)電系統(tǒng)機生產(chǎn)流程模塊、空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備模塊、內(nèi)燃機模塊、傳感器在能動測量中的應(yīng)用模塊等。通過專業(yè)模塊的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解本專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容、就業(yè)方向，了解本專業(yè)的各種相關(guān)信息，包括新技術(shù)、新設(shè)備、新思路，擴大學(xué)生專業(yè)知識面，幫助學(xué)生找到學(xué)習(xí)興趣點。同時，結(jié)合工程案例及工程設(shè)備，將工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)的知識點講授給學(xué)生，使學(xué)生對工程熱力學(xué)所研究的問題、研究內(nèi)容、研究方法有初步了解，并對朗肯循環(huán)、空調(diào)系統(tǒng)工作原理、內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)及工作過程、壓氣機工作過程有初步了解，為未來工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。對知識點和相關(guān)設(shè)備的初步了解，可以改善學(xué)生直接接觸工程熱力學(xué)時由于抽象而帶來的學(xué)習(xí)困難的問題。

2.2 ?設(shè)計教學(xué)大綱

課程的教學(xué)大綱是教師進行教學(xué)活動的主要依據(jù)，是檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果、評定學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時，也是衡量教師教學(xué)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)工程熱力學(xué)教學(xué)大綱的設(shè)計，要緊緊圍繞人才培養(yǎng)方案中的人才培養(yǎng)目標(biāo)進行，教學(xué)內(nèi)容必須能夠保證專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。同時，教學(xué)大綱的設(shè)計又要以學(xué)科的科學(xué)體系為基礎(chǔ)，也必須保證學(xué)科體系的基本邏輯和完整性。

應(yīng)用技術(shù)大學(xué)培養(yǎng)的是高素質(zhì)的復(fù)合型人才，更傾向于服務(wù)于生產(chǎn)一線的工程師。區(qū)別于傳統(tǒng)的大學(xué)定位，對授課的要求也不盡相同。應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)規(guī)格的共性要求，就是應(yīng)具備知識、能力與素質(zhì)[3]。工程熱力學(xué)的課程目標(biāo)一般包含3個方面：知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)。設(shè)置目標(biāo)時可以從項目或者工程實踐的角度出發(fā)。

知識目標(biāo)：掌握工程熱力學(xué)的基本概念、基本原理和應(yīng)用背景;掌握理想氣體的性質(zhì)，掌握實際氣體的性質(zhì)及熱力學(xué)的一般關(guān)系式;掌握水蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)及熱力過程;掌握噴管的設(shè)計與計算（氣體與蒸汽流動）;掌握壓氣機的熱力過程;掌握內(nèi)燃機及燃?xì)廨啓C的熱力過程（氣體動力循環(huán)）;掌握蒸汽動力循環(huán)裝置的熱力過程（蒸汽動力循環(huán)）;掌握壓縮制冷循環(huán)裝置的熱力過程（制冷循環(huán)）;掌握濕空氣的熱力學(xué)特性及相關(guān)概念。

2.3 ?教學(xué)方法和手段的改革

（1）培養(yǎng)學(xué)生的“工程熱力學(xué)思維”。學(xué)生初學(xué)工程熱力學(xué)，會感覺難度很大，其中一個原因是對工程熱力學(xué)的研究方法不清楚、不適應(yīng)。在授課過程中注意培養(yǎng)學(xué)生的工程熱力學(xué)思維，逐漸培養(yǎng)工程熱力學(xué)習(xí)慣，學(xué)會“工程熱力學(xué)語言”，即p-v圖、T-s圖、h-s圖等。思維習(xí)慣形成以后，就能夠有效地提高學(xué)習(xí)效率和解決實際問題的能力。同時，為了解決概念多、圖表多、公式多而導(dǎo)致記憶困難的問題，在授課過程中，授課教師可以采用預(yù)讀-提問-閱讀-陳述-考查（Preview-Question-Read-State-Test，PQRST）方式進行知識的講授和鞏固，即通過學(xué)生預(yù)覽、教師提問、學(xué)生自主閱讀、學(xué)生講述閱讀的重點內(nèi)容、然后進行測試的方式，對重要的知識點進行強化，并根據(jù)B.E.M學(xué)習(xí)原則的影響，在課堂中對中期的學(xué)習(xí)內(nèi)容進行適當(dāng)復(fù)習(xí)。

（2）教學(xué)過程突出重點和難點。工程熱力學(xué)就基礎(chǔ)理論而言，最重要的是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，這兩個定律貫穿了整個課程，這就是課堂的重點。即：對于可逆過程，熱力學(xué)第一定律的兩個基本解析式是：δq=du+pdv，δq=dh-vdp;熱力學(xué)第二定律的3個表達(dá)式是：。兩個定律不同的表達(dá)式之間的關(guān)系及應(yīng)用是難點。就熱力學(xué)第一定律而言，兩個解析式可以相互推導(dǎo)出來，但是第一解析式反映了閉口系統(tǒng)能量的熱功轉(zhuǎn)換實質(zhì)，同時，在用于物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換過程時，也適用于開口系統(tǒng)，是熱功轉(zhuǎn)換的基本表達(dá)式。第二解析式只有在開系中的能量方程中才能夠使用。通過梳理重點和難點，帶領(lǐng)學(xué)生將看似散亂的知識點聯(lián)系起來形成知識網(wǎng)，并利用思維導(dǎo)圖的形式加以歸納總結(jié)。

（3）理論和實踐相結(jié)合。在工程熱力學(xué)授課內(nèi)容中，另外一部分內(nèi)容就是實際工程設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用，如汽輪機、汽油機、柴油機、壓縮機、燃?xì)廨啓C、空調(diào)系統(tǒng)等。在授課過程中，可以結(jié)合學(xué)校的教學(xué)資源進行現(xiàn)場授課，如在講朗肯循環(huán)時，可以結(jié)合太陽能光熱儲能發(fā)電系統(tǒng)進行講解;在講制冷循環(huán)的時候，可以結(jié)合中央空調(diào)系統(tǒng)進行講解。此外，在授課過程中還可以結(jié)合生活中常見的自然現(xiàn)象，如講熱功轉(zhuǎn)換的時候，可以聯(lián)系打氣筒在打氣過程中為何會發(fā)熱，并通過熱力學(xué)第一定律進行解釋。同時，可以進一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何能夠輕松地用打氣筒為輪胎充氣;在講壓氣機的熱力過程的時候，告訴學(xué)生通過降低打氣筒溫度的方式，就可以輕松完成為輪胎充氣的任務(wù)，進而引入壓氣機多級壓縮、級間冷卻的概念。再如講濕空氣時，可以聯(lián)系空氣中水分的凝結(jié)、結(jié)冰等現(xiàn)象，說明露點的概念以及濕球溫度、干球溫度、飽和溫度之間的關(guān)系。

2.4 ?鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生參與科研項目和競賽

國家教育部在早在2005年“關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見”的關(guān)于加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的主要任務(wù)和要求中，提出“著力提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，全面推進素質(zhì)教育。”同時，還提出“要積極推動研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”[4]。

在學(xué)生參與科研項目的過程中，從多角度、多方面切入。如教師利用自己的科研課題，開展創(chuàng)新的綜合性實驗，學(xué)生全程參與教師的科研項目，并完成一定的任務(wù)，如實驗項目的進行、實驗數(shù)據(jù)的采集和整理、項目專利的書寫和申請等。同時，鼓勵學(xué)生參加各類專業(yè)競賽，例如大學(xué)生科研創(chuàng)新項目、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽和創(chuàng)業(yè)計劃大賽等項目。通過這些項目的實踐鍛煉，促進學(xué)生對專業(yè)知識的掌握，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生的思維能力、分析能力、理論指導(dǎo)實踐的能力。

3 ? ?結(jié)語

通過上述課程改革后的教學(xué)內(nèi)容和方法，學(xué)生在正式學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)課程之前就對該課程所學(xué)的基本概念和相關(guān)設(shè)備有了一定的了解，學(xué)習(xí)本課程時更加容易“入門”;通過不斷地強化課程重點和難點內(nèi)容，在課堂中引入高效的記憶方法，并在課程中對中期學(xué)習(xí)內(nèi)容進行適當(dāng)復(fù)習(xí)，學(xué)生可以有效地將知識點融會貫通，并形成“工程熱力學(xué)思維”，掌握“工程熱力學(xué)語言”;通過理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生提出問題和解決問題的能力以及工程實踐能力;學(xué)生通過參與科研項目和相關(guān)競賽，既發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，也體現(xiàn)了學(xué)生的主體作用;既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生對專業(yè)知識的掌握，又提高了學(xué)生的思維能力、分析能力、理論指導(dǎo)實踐的能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]方 嘉，楊 億，楊 言.“工程熱力學(xué)”教學(xué)改革探索[J].科教導(dǎo)刊，2019（7）：28-29.

[2]姜大源.論工作工程系統(tǒng)化的課程開發(fā)[J].新課程研究，2012（9）：5-7.

[3]潘懋元.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的理論與實踐[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2011.

[4]譚羽非，王雪梅.《工程熱力學(xué)》課程實施研究性教學(xué)的探索與實踐[J].黑龍江教育：理論與實踐，2016（12）：58-59.