“工程熱力學”課程教學改革的探索

黃勝

摘 要 華東理工大學多年來以“厚基礎、強實踐、高素質(zhì)、具有創(chuàng)新精神和國際視野的社會英才”為人才培養(yǎng)的目標定位，重視對學生全方位的培養(yǎng)。以夯實學生理論基礎、強化學生實踐能力為目的對“工程熱力學”課程的教學改革進行了探索。課程教學改革從優(yōu)化課程教學內(nèi)容，構(gòu)建課程知識結(jié)構(gòu)體系，加強理論結(jié)合實踐以及突出重點和難點等途徑展開。實踐證明課程教學改革提高了教學質(zhì)量，有效夯實了學生理論基礎、強化了學生實踐能力。

關(guān)鍵詞 工程熱力學 教學改革 厚基礎 強實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

工程熱力學是熱力學最先發(fā)展的一個分支，屬于應用科學（工程科學）的范疇，是工程科學的重要領域之一。工程熱力學是從工程的觀點出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及熱能直接利用等問題。它是設計計算和分析各種動力裝置、制冷機、熱泵空調(diào)機組、鍋爐及各種熱交換器的理論基礎。工程熱力學是工科專業(yè)中一門必不可少的技術(shù)基礎課程，在基礎課與專業(yè)課中起著承前啟后的作用?！肮こ虩崃W”是華東理工大學（以下簡稱“我校”）能源與動力工程專業(yè)本科生的工程基礎課程。

我校能源與動力工程專業(yè)成功入選2019年度國家級一流本科專業(yè)建設。因此，通過課程教學改革不斷將 “工程熱力學”課程打造成一門“金課”以支撐我校能源與動力工程國家級一流本科專業(yè)建設勢在必行。

1工程熱力學主要內(nèi)容

工程熱力學主要研究熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑和技術(shù)措施，樹立節(jié)約能源、合理用能的觀念。工程熱力學課程的知識容量大，不僅包括經(jīng)典熱力學的知識，還包括氣體動力學、動能設備、熱能工程和制冷工程等多學科領域。課程內(nèi)容主線明確，主要包括理論基礎和工程應用兩個部分，在學習基本理論的基礎上，再對實際的熱力過程或熱力系統(tǒng)的具體問題進行研究分析，獲取提高能量轉(zhuǎn)換效率的可行措施。我校采用譚羽非等編著的《工程熱力學》（第六版）作為授課教材，理論基礎部分主要包括：（1）熱力學基本概念：如熱力系統(tǒng)、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)，熱力過程及熱力循環(huán)等的基本定義及分類;（2）熱力學第一定律的實質(zhì)及應用于不同熱力系統(tǒng)的表達式;（3）實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的工質(zhì)—理想氣體與水蒸氣的熱力性質(zhì)及基本熱力過程;（4）熱力學第二定律的實質(zhì)及數(shù)學表達式，提出熱力過程及循環(huán)方向的判據(jù)。工程應用部分主要包括壓氣機的工作過程、氣體與蒸汽的流動、氣體動力循環(huán)和蒸汽動力循環(huán)等。在基礎理論學習的基礎上，對工程應用過程中的實際熱力過程和熱力循環(huán)進行研究，分析實際過程或循環(huán)的轉(zhuǎn)換效率，進而分析影響循環(huán)效率的因素并找到提高循環(huán)效率的途徑。

2工程熱力學課程的特點

工程熱力學是一門技術(shù)基礎課程，其中涉及大量的公式推導及定律或定理應用問題，具有內(nèi)容多且雜、公式多且應用條件復雜、概念多且抽象以及圖表多的顯著特點?；谏鲜鎏攸c，工程熱力學課程講授過程中更多地偏向于公式推導和原理介紹，是典型的“難教、難學、難考”的三難課程。因此，歷年來我校能源與動力工程專業(yè)的學生都感覺該課程內(nèi)容難度較大。從期末考試結(jié)果來看，部分學生出現(xiàn)了基本概念不清，公式適用條件不清等問題，這和課程內(nèi)容的邏輯嚴密性、結(jié)論抽象性有著密切的關(guān)系。鑒于課程以上特點，如果沒有合適的教學模式，學生學習起來難免感覺枯燥，從而影響學習效果。

3課程教學改革的具體舉措

3.1優(yōu)化課程教學內(nèi)容

工程熱力學課程是研究能量及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的基礎應用型學科，主要內(nèi)容包括熱力學基本定律、常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)以及熱力過程和熱力循環(huán)的分析計算等，涵蓋內(nèi)容廣泛，與工程實踐結(jié)合緊密。我校工程熱力學課程僅40學時，在有限的學時內(nèi)為保證教學質(zhì)量，教材上的內(nèi)容不可能全部涉及，應在保證課程基本理論體系完整的前提下，對教學內(nèi)容進行合理的調(diào)整優(yōu)化。例如，能源與動力工程專業(yè)重點關(guān)注熱能與機械能間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。因此，教材中關(guān)于化學熱力學基礎、溶液熱力學基礎和熱力狀態(tài)參數(shù)的微分關(guān)系式的內(nèi)容不詳細講述，學生可課后自學。因我校能源與動力工程專業(yè)設置有制冷技術(shù)課程，因此，制冷循環(huán)章節(jié)的內(nèi)容也不詳細講述。工程熱力學中與大學物理重復的理想氣體性質(zhì)及狀態(tài)方程部分不再詳細論述，直接利用其結(jié)論，重點講解其應用和熱力過程。同時，結(jié)合本專業(yè)學科特點和后續(xù)專業(yè)課程設置，除了必須掌握的基本理論內(nèi)容，適當強化與后續(xù)專業(yè)課程密不可分的內(nèi)容，如水蒸氣、濕空氣和蒸汽動力循環(huán)等相關(guān)內(nèi)容。

此外，應結(jié)合當前技術(shù)發(fā)展，及時更新教學內(nèi)容。如介紹氣體動力循環(huán)的燃氣輪機時，可介紹美國 GE 公司、德國西門子公司等企業(yè)的最新機型及其性能;講到蒸汽動力循環(huán)時，可介紹回熱循環(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)在實際過程中的應用情況及其對熱效率改善的效果，可耐700℃材料的研制等國際最新成果以及熱電廠節(jié)能減排技術(shù)進展等，這樣可以大大提高學生學習的興趣。

3.2構(gòu)建課程知識結(jié)構(gòu)體系

工程熱力學課程的知識點較多，同學們在學習過程中往往“只見樹木不見森林”。通過對工程熱力學知識體系的研究和分析，可以發(fā)現(xiàn)每個章節(jié)都有明確的脈絡和主線，在掌握課程脈絡和主線的基礎上開展學習有助于提高學生的學習效果。授課教師應在課程伊始就“高屋建瓴”地為學生構(gòu)建好課程知識結(jié)構(gòu)體系，便于學生從整體上把握課程內(nèi)容，明確各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，這樣在學習各個章節(jié)內(nèi)容時，目的性就會更加清晰，學習效果將大幅提升。

工程熱力學以研究熱功轉(zhuǎn)換的基本熱力學原理及其在工程中的應用為基本線索貫穿始終，整個教學內(nèi)容圍繞這一主線展開。先介紹基礎理論，如相關(guān)的概念、熱力學的基本定理與定律、工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)及熱力過程等，后介紹理論知識的工程應用。在對每個章節(jié)進行總結(jié)時，不僅讓學生掌握本章節(jié)知識結(jié)構(gòu)框架，更要了解其與前后章節(jié)的聯(lián)系。這樣，學生以基本線索串聯(lián)所學知識，內(nèi)容更具條理性，避免知識點凌亂。通過不斷學習、思考，學生對課程構(gòu)架有整體性的理解，同時也培養(yǎng)了科學的學習方法。