面向機(jī)械類專業(yè)的《工程熱力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法研究與應(yīng)用

張冬潔 饒國燃

面向機(jī)械類專業(yè)的《工程熱力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法研究與應(yīng)用

張冬潔 饒國燃

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 珠海 519088）

在全球面臨能源短缺和環(huán)境污染挑戰(zhàn)的時代，《工程熱力學(xué)》已經(jīng)成為工科學(xué)生基礎(chǔ)必修課程之一，以提高學(xué)生高效用能和節(jié)能減排意識，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下扎實(shí)基礎(chǔ)。結(jié)合時代要求和機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)，在課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容制定上做了一定改進(jìn)，并詳細(xì)探討了教學(xué)方法，以期提高教學(xué)質(zhì)量，取得較好的教學(xué)效果。

工程熱力學(xué)；節(jié)能意識；教學(xué)方法

0 前言

《工程熱力學(xué)》是一門研究能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科，研究各種能源利用的理論基礎(chǔ)，包括傳統(tǒng)的燃料化學(xué)能，太陽能、風(fēng)能等清潔能源和核能、磁力能等新型能源。人類利用能源，有85%以上是轉(zhuǎn)化成熱能后再利用，因此本門課程尤其側(cè)重研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)及熱能的利用。在全球面臨能源短缺和環(huán)境污染挑戰(zhàn)的時代，做好大學(xué)生的《工程熱力學(xué)》教學(xué)，普遍提高他們高效用能和節(jié)能減排意識，意義重大。

時至今日，《工程熱力學(xué)》不僅僅與能源和動力專業(yè)相關(guān)，在機(jī)械工程、材料工程、化學(xué)工程、生物工程等各領(lǐng)域的技術(shù)研究中，也都需要具備熱工的基本知識。早在20世紀(jì)80年代后，發(fā)達(dá)的歐美國家就已經(jīng)將《工程熱力學(xué)》與《傳熱學(xué)》作為機(jī)械類學(xué)生的必修課[1]。目前國際上推行的工程教育專業(yè)認(rèn)證制度，在課程體系設(shè)置中也要求將《工程熱力學(xué)》作為工科學(xué)生必修課程之一。為與國際接軌，近年來我國的一些工科類專業(yè)也開展了工程教育認(rèn)證工作[2]，北京理工大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)械制造及自動化專業(yè)也通過了IEET認(rèn)證，《工程熱力學(xué)》成為專業(yè)必修課之一，因此，做好面向機(jī)械類專業(yè)的《工程熱力學(xué)》教學(xué)研究，勢在必行。

1 教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容的確定

高等學(xué)校的教育是以培養(yǎng)滿足社會發(fā)展所需要的人才為目的，結(jié)合時代要求和專業(yè)特點(diǎn)，與時俱進(jìn)地確定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容是對課程教學(xué)的基本要求。

1.1 將節(jié)能意識的培養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)之一

目前能源短缺和環(huán)境污染是全球面臨的難題。我國人口眾多，是個能源消耗大國，各個領(lǐng)域的系統(tǒng)及設(shè)備節(jié)能改造空間巨大，在提高能源利用率，節(jié)能減排，保護(hù)人類生存環(huán)境方面任務(wù)艱巨。

《工程熱力學(xué)》作為研究能源利用的基本理論課程，在開篇應(yīng)展開介紹能源分類及全球用能現(xiàn)狀，尤其是中國的能源結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀。珠海處于粵港澳大灣區(qū)，是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)之一，與國際接軌緊密，新一代年輕人更是節(jié)能減排的排頭兵。因此，在課程學(xué)習(xí)過程中，詳細(xì)介紹區(qū)域性能源政策及用能導(dǎo)向，強(qiáng)化學(xué)生的節(jié)能意識，呼吁年輕一代低碳生活也尤為重要。這對實(shí)現(xiàn)我國新時代生態(tài)環(huán)境控制的發(fā)展愿景意義重大。到21世紀(jì)中葉我們期望生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全面改善，天藍(lán)水清，2050年污染物排放量回到20世紀(jì)80年代初水平。只有全民齊心協(xié)力，低碳生活，才能實(shí)現(xiàn)。

1.2 將提高機(jī)械設(shè)備中的能源利用率作為教學(xué)重點(diǎn)之一

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國科技迅猛發(fā)展，在一些領(lǐng)域已經(jīng)走在國際前列，能源是各個行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對于機(jī)械工程類學(xué)生而言，將來步入社會從事的工作，從機(jī)械設(shè)備加工到工程機(jī)械裝置的開發(fā)和利用，無不涉及到能量的轉(zhuǎn)換和利用問題，設(shè)備的運(yùn)行和控制管理體現(xiàn)出能量的高效利用更能凸顯技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性，設(shè)備的環(huán)保也成為基本性能要求，因此《工程熱力學(xué)》等熱工類課程已經(jīng)成為重要基礎(chǔ)課程，結(jié)合機(jī)械專業(yè)需求，加強(qiáng)熱工類課程的教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)，突出其專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)用性，對培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)工程及科技人才至關(guān)重要。

因此，教學(xué)過程中，相關(guān)機(jī)械的耗能和耗水熱力計(jì)算要作為教學(xué)重點(diǎn)，除進(jìn)行常規(guī)的熱工計(jì)算練習(xí)之外，還要增加課后思考題和簡單的研發(fā)小題目，引發(fā)學(xué)生思考，強(qiáng)化實(shí)際解題能力的訓(xùn)練。

1.3 相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）緒論是每門課程的開篇第一課，一般情況下，學(xué)生在第一節(jié)課均會飽含熱情，教師應(yīng)精心設(shè)計(jì)講義和課件，除清晰介紹本課程主要內(nèi)容外，重點(diǎn)介紹能源的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，灌輸節(jié)能及新能源開發(fā)意識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

本課程緒論部分利用1個學(xué)時講述，內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

①熱能及其利用：能源分類及利用情況簡介；中國能源現(xiàn)狀及能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；珠三角地區(qū)用能特點(diǎn)及相關(guān)政策。

進(jìn)行4K技術(shù)在電視實(shí)踐中的應(yīng)用特點(diǎn)研究，主要可以將研究內(nèi)容總結(jié)歸納為4k技術(shù)電視為人們帶來更加優(yōu)質(zhì)的視聽體驗(yàn)、清晰度大幅度增強(qiáng)以及技術(shù)指標(biāo)的提升三點(diǎn)，具體的研究內(nèi)容可以總結(jié)歸納如下。

②熱力學(xué)發(fā)展簡史。

③工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容和研究方法。

（2）熟練掌握一門學(xué)科的專用術(shù)語和概念對開展課程學(xué)習(xí)至關(guān)重要。課程第一章為基本概念及定義，利用3個學(xué)時講解。工科專用術(shù)語和基本概念相對枯燥，但如果不能清晰理解，后續(xù)的過程方程、能量方程等的推導(dǎo)將更難以掌握。因此，必須重視這部分的講解和學(xué)習(xí)，讓學(xué)生打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

為增強(qiáng)其易懂性，要將基本概念與我們的日常生活相聯(lián)系。比如“熱力循環(huán)”這一概念的講解，可以以家用電器的電冰箱或者空調(diào)機(jī)為例，因?yàn)閷W(xué)生熟知這些裝置要實(shí)現(xiàn)的功能，并對每個部件的運(yùn)行情況都有一定了解，借助他們的既有感受引出制冷四大件的概念，再去剖析工質(zhì)—制冷劑在其中的運(yùn)行狀態(tài)，只有不斷循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)制冷。這樣學(xué)生腦海很容易形成“熱力循環(huán)”的概念，對于循環(huán)中的能量守恒和熱功轉(zhuǎn)化等的定律會印象深刻。進(jìn)而我們講述國家對家用電器的“能效等級”的規(guī)定，把用能的多少量化到電費(fèi)的多少，突出節(jié)能的重要性。由于與自己的生活休戚相關(guān)，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣，聽起來不枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)效果就好。其他章節(jié)也采用這種結(jié)合實(shí)例易于理解的方式，避免強(qiáng)硬灌輸。

（3）在整門課程講解過程中，適時加入能源科技新動向，比如新能源應(yīng)用，溫室效應(yīng)的危害，技術(shù)革新帶來的經(jīng)濟(jì)性等。倡導(dǎo)在節(jié)能減排的全球行動中，工科學(xué)生要擔(dān)負(fù)起自身的責(zé)任。

2 教學(xué)方法研究與應(yīng)用

作為一門理工科專業(yè)基礎(chǔ)課，《工程熱力學(xué)》一直被學(xué)生定位為難學(xué)課程，理論性強(qiáng)，公式多，難理解，難記憶。多年來，眾多學(xué)者對課程的教學(xué)方法提出了自己的見解[3-5]。但隨著時代發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，社會對人才需求有了變化，另外隨著計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，新型教學(xué)手段不斷涌現(xiàn)，我們在教學(xué)方法方面仍要不斷摸索變革，以適應(yīng)新的變化，并力求取得更好的教學(xué)效果。

2.1 精心設(shè)計(jì)教學(xué)課件，形成環(huán)環(huán)相扣的知識鏈

《工程熱力學(xué)》是一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生從高中開始就接觸物理，了解熱學(xué)的基本知識，對熱與功的轉(zhuǎn)換有粗淺認(rèn)識，但都不足以支撐后續(xù)相關(guān)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)，它是在高等數(shù)學(xué)等工具學(xué)科的基礎(chǔ)上，對熱量傳遞和熱功轉(zhuǎn)化的基本理論進(jìn)行深入講解，為機(jī)械類學(xué)生在后續(xù)的各種動力機(jī)械學(xué)習(xí)過程中做好理論儲備，只有充分理解了基本原理后才能進(jìn)一步改造和提高設(shè)備性能，真正成為符合社會需要的工程技術(shù)人員或科研人員。

對于教師而言，能精心設(shè)計(jì)一份將各個知識點(diǎn)有機(jī)銜接、環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)課件，是講好課的基本要求。內(nèi)容上，根據(jù)國家級規(guī)劃經(jīng)典教材進(jìn)行節(jié)選[6]，利用24個學(xué)時講解緒論、基本概念及定義、熱力學(xué)第一定律、氣體和蒸汽的性質(zhì)及基本熱力過程和熱力學(xué)第二定律幾個部分，其后的章節(jié)可供學(xué)生在今后的工作和科研過程中自學(xué)，全篇要緊扣國家能源政策，突出培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約能源，提高能源利用率的意識。形式上，圖文并茂，與日常生活和生產(chǎn)緊密結(jié)合，通過宏觀現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生剖析問題的實(shí)質(zhì)，掌握其中的基本定理。在課間播放相關(guān)小視頻，激發(fā)學(xué)生興趣，提高對本課程的認(rèn)識，引發(fā)思考，提高個人技能。

2.2 采用靈活多樣化授課方式，因材施教

教師授課的目的是協(xié)助學(xué)生掌握課程主要知識點(diǎn)，答疑解惑。對于相對枯燥的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，授課要注重以引導(dǎo)和啟發(fā)為基本原則，如前所述的基本概念“熱力循環(huán)”的講解舉例，要結(jié)合日常實(shí)例形象講解，避免強(qiáng)硬灌輸。面對機(jī)械類設(shè)置的5個章節(jié)中，緒論、基本概念和定義以及熱力學(xué)第二定律這三個部分，教師授課為主，把晦澀難懂的部分講明白，打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)；熱力學(xué)第一定律、氣體和蒸汽的性質(zhì)及基本熱力過程這兩個部分，以學(xué)生主動學(xué)習(xí)為主，通過思考題、習(xí)題和作業(yè)，進(jìn)行大量的訓(xùn)練，可采用反轉(zhuǎn)課堂的形式，將學(xué)生分成組，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)授課和提問的角色互換，教師在過程中及時點(diǎn)評，糾正錯誤概念，解答學(xué)生疑問。通過教學(xué)實(shí)踐和問卷調(diào)查，這種方式課堂氣氛活躍，被學(xué)生普遍認(rèn)可，學(xué)習(xí)效果顯著。

2.3 建立完善的學(xué)習(xí)監(jiān)督機(jī)制，提高學(xué)習(xí)效果

學(xué)好工科課程，持續(xù)性很重要，在授課過程中，要有完善的監(jiān)督機(jī)制。首先，每天課前5分鐘回顧上節(jié)課內(nèi)容，下課前5分鐘總結(jié)重要知識點(diǎn)并提出預(yù)習(xí)作業(yè)，這個環(huán)節(jié)的考核作為學(xué)生平時成績的一部分。這種互動體現(xiàn)了不僅教師對課程的重視，也對學(xué)生學(xué)習(xí)提出具體的要求，督促他們養(yǎng)成好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。其次，對重要知識點(diǎn)設(shè)置課堂提問或小測驗(yàn)，可以及時檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，便于教師隨之調(diào)整授課的節(jié)奏和方法。另外，建立學(xué)習(xí)小組，以便開展反轉(zhuǎn)課堂、小組互相提問等活動，這種方式可以引導(dǎo)學(xué)生積極思考，發(fā)現(xiàn)學(xué)生需求，進(jìn)行針對性輔導(dǎo)，讓他們有更多的收獲。

2.4 學(xué)習(xí)效果體現(xiàn)

通過一個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，并與上屆教學(xué)情況進(jìn)行比較，證明這種教學(xué)方法效果顯著：

（1）班級人數(shù)108人，24個學(xué)時授課期間，累計(jì)答疑達(dá)到39人次，學(xué)生的答疑人數(shù)和頻率顯著提升，及格率達(dá)到94%，平均成績79.6分。

（2）反轉(zhuǎn)課堂的方式讓學(xué)生體驗(yàn)了備課和授課的過程，明顯激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)主動性，參加過授課的學(xué)生都贊成這種方式，他們認(rèn)為帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)，效率高，理解的更為深入，并且印象深刻，授課過程也鍛煉了口頭表達(dá)能力，有利于個人技能提升。

3 總結(jié)

《工程熱力學(xué)》已經(jīng)成為機(jī)械類學(xué)生必修課程之一，在全球面臨能源短缺和環(huán)境污染挑戰(zhàn)的時代，培養(yǎng)他們高效用能和節(jié)能減排意識應(yīng)作為教學(xué)目標(biāo)之一。在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上做了細(xì)致的研究，堅(jiān)持以啟發(fā)、引導(dǎo)為原則，精心設(shè)計(jì)課件，采用多種方式因材施教，并配合一套完善的監(jiān)督機(jī)制，通過教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

[1] 何雅玲,陶文銓.對我國熱工基礎(chǔ)課程發(fā)展的一些思考[J].中國大學(xué)教學(xué),2007,(3):12-15.

[2] 余壽文.工程教育評估與認(rèn)證及其思考[J].高等工程教育研究,2015,(3):1-7.

[3] 毛前軍.對《工程熱力學(xué)》課堂教學(xué)的幾點(diǎn)看法[J].制冷與空調(diào),2007,(2):124-125.

[4] 武和全,朱英杰.“工程熱力學(xué)”課程緒論部分教學(xué)方法探討[J].教育教學(xué)論壇,2015,(27):116-117.

[5] 馬海英,高峰,李東巖.工程熱力學(xué)課程教學(xué)模式的改革與探索[J].大學(xué)教育,2017,(11):63-65.

[6] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2016.

Study and Application of Teaching Contents and Methods of for Mechanical Speciality

Zhang Dongjie Rao Guoran

( Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, 519088 )

lobal energy shortage and environmental pollution have become serious challenges of human being. To improve students’ awareness of efficient using of energy, energy conservation and emission reduction is very essential. So becomes one of compulsory courses for engineering students, it is a foundation for the courses of mechanical speciality. Combined with the requirements of the Times and the characteristics of mechanical majors, some improvements in the formulation of teaching objectives and teaching contents are presented, and teaching methods are discussed in detail in this paper, in order to improve the teaching quality and achieve better teaching results.

Engineering thermodynamics; Awareness of saving energy; Teaching method

TK123

A

1671-6612（2020）03-379-03

張冬潔（1972-），女，博士，教授級高工，E-mail：121378950@qq.com

2019-07-27