以目標(biāo)為導(dǎo)引的“工程熱力學(xué)”教學(xué)思路分析

[摘 要] “工程熱力學(xué)”涉及熱功轉(zhuǎn)換的相關(guān)基礎(chǔ)理論、工質(zhì)熱物性、熱機(jī)工作原理，以及提高熱工設(shè)備效率的理論途徑和方法，是一門能源動(dòng)力、航空航天、機(jī)械相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是從理論層面抽象出熱機(jī)工作的循環(huán)方式，開展熱機(jī)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化研究，進(jìn)而構(gòu)建熱機(jī)設(shè)計(jì)分析方法。雖然涉及的理論知識(shí)和定理定律較多，但在開展“工程熱力學(xué)”教學(xué)的過程中，尤其是面對(duì)以各類熱機(jī)為專業(yè)目標(biāo)的工科專業(yè)學(xué)生時(shí)，以熱機(jī)循環(huán)優(yōu)化為目的，將相關(guān)基礎(chǔ)理論和儲(chǔ)備知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，合理分配學(xué)時(shí)，組織教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生不僅牢固掌握繁雜的知識(shí)點(diǎn)，更具備利用所學(xué)熱工理論知識(shí)解決實(shí)際熱機(jī)循環(huán)分析的能力，進(jìn)而初步具備解決一般工程應(yīng)用的能力，大幅提升教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 工程熱力學(xué);熱力循環(huán);循環(huán)優(yōu)化;課程設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目] 2019年度南京航空航天大學(xué)公共基礎(chǔ)精品課程建設(shè)專項(xiàng)“工程熱力學(xué)”（2019JG0234K）

[作者簡(jiǎn)介] 張凈玉（1973—），女，貴州平壩人，博士，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院副教授，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）25-0112-04? ?[收稿日期] 2021-01-13

人類在生產(chǎn)和日常生活中需要各種形式的能量，自然能源的開發(fā)和利用是人類社會(huì)進(jìn)步的起點(diǎn)，而能源開發(fā)和利用的程度又是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。人類目前從自然界獲得能量的主要形式是熱能，因此通常講的能源利用，主要指的就是熱能的利用，熱能的合理和有效利用是整個(gè)能源利用的核心與主體。熱能的轉(zhuǎn)換和利用離不開各種熱能轉(zhuǎn)換裝置，即通常所說的“熱機(jī)”，如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及制冷空調(diào)裝置等?？梢哉f，熱機(jī)的熱效率很大程度上決定了熱能的有效利用程度。

1705年，蒸汽機(jī)的發(fā)明掀起了人類社會(huì)的第一次產(chǎn)業(yè)革命，是具有劃時(shí)代意義的革命，使得人類社會(huì)從手工業(yè)生產(chǎn)逐步發(fā)展成為大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)。但直到1770年，瓦特才發(fā)明了結(jié)構(gòu)較完善的蒸汽機(jī)，而此時(shí)的熱機(jī)效率很低，經(jīng)濟(jì)性很差。之后出現(xiàn)的熱力學(xué)，正是一門研究物質(zhì)的能量、能量傳遞和轉(zhuǎn)換，以及能量與物質(zhì)性質(zhì)之間普遍關(guān)系的基礎(chǔ)學(xué)科，涵蓋知識(shí)范圍非常廣，研究方法也多樣化。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)的工程分支，在闡述熱力學(xué)普遍原理的基礎(chǔ)上，是著重研究相關(guān)原理的技術(shù)應(yīng)用的一門學(xué)科，其應(yīng)用對(duì)象主要是各類“熱機(jī)”，根本目的是如何最大限度地利用能源，提高能源利用的經(jīng)濟(jì)性。

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在當(dāng)前高等教育課程體系內(nèi)，“工程熱力學(xué)”是能源動(dòng)力類專業(yè)必修的重要基礎(chǔ)課，是“傳熱學(xué)”“流體力學(xué)”“空氣動(dòng)力學(xué)”“燃燒原理”“航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)原理”“內(nèi)燃機(jī)原理”“空氣調(diào)節(jié)”“制冷技術(shù)”“發(fā)電技術(shù)”等專業(yè)課的先修專業(yè)基礎(chǔ)課程。其涉及的熱能利用和熱機(jī)工作原理等科學(xué)已覆蓋熱能動(dòng)力之外的機(jī)械、化工、環(huán)境、電子、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代工程技術(shù)人才必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)[1，2]。因此，工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)對(duì)于相關(guān)專業(yè)學(xué)生，尤其是以各類熱機(jī)為主要專業(yè)目標(biāo)的工科專業(yè)（例如熱力發(fā)電、航空航天動(dòng)力、內(nèi)燃機(jī)、制冷、空氣調(diào)節(jié)等工程對(duì)象明確的專業(yè)）學(xué)生來說，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是專業(yè)領(lǐng)域的敲門磚。

一貫公認(rèn)“工程熱力學(xué)”課程具有概念多、公式多、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，以往的教學(xué)改革多集中在知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)方式上，如多用圖表可化抽象為形象、理論聯(lián)系實(shí)際、提高知識(shí)的趣味性等，這些改革措施的確有效降低了學(xué)生接受知識(shí)的難度，在一定程度上提高了教學(xué)效率[3]，但是隨著我國(guó)高等教育對(duì)能源動(dòng)力類專業(yè)畢業(yè)要求的不斷提高，目前的教學(xué)方法仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

專業(yè)認(rèn)證中對(duì)畢業(yè)要求明確提出要掌握力學(xué)、熱學(xué)、燃燒學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，能對(duì)能源與動(dòng)力工程問題的解決方案進(jìn)行分析，并能嘗試改進(jìn)。目前以知識(shí)點(diǎn)為主的教學(xué)模式顯然難以勝任。

工程熱力學(xué)發(fā)展的起點(diǎn)是“省煤”，提高能源利用率，之后一直通過理論分析致力于各類熱機(jī)的熱力循環(huán)分析、性能參數(shù)優(yōu)化分析研究[4]。因此，教學(xué)中以熱機(jī)循環(huán)優(yōu)化為目的，以熱力循環(huán)建模和分析方法為主線，將相關(guān)基礎(chǔ)理論和儲(chǔ)備知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，合理分配學(xué)時(shí)，組織教學(xué)內(nèi)容，更易使學(xué)生掌握一般工程涉及應(yīng)用的能力，有效提升教學(xué)成效，達(dá)成畢業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

一、明確課程目標(biāo)，解決知識(shí)點(diǎn)繁雜的困擾

傳統(tǒng)“工程熱力學(xué)”課程涵蓋基本概念、基本定律、工質(zhì)性質(zhì)、工質(zhì)的流動(dòng)、熱機(jī)工作過程及其熱力循環(huán)五個(gè)部分。每個(gè)部分的內(nèi)容又可以分列出很多內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)。大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)初期會(huì)感到內(nèi)容多而繁，甚至雜亂無章。新手教師往往花了很多時(shí)間備課，但是教學(xué)效果欠佳。

如前所述，工程熱力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展都有非常明確的研究目的和研究對(duì)象，涵蓋的每部分內(nèi)容，除了基本的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)外，還有其內(nèi)在的重點(diǎn)和需要解決的問題。這些問題的解決最終歸集到工程熱力學(xué)的根本研究目的——提高熱機(jī)循環(huán)熱效率。因此，在整個(gè)課程的教學(xué)中引入“目標(biāo)教學(xué)”法，明確每一部分知識(shí)要解決的問題、整個(gè)課程要解決的問題，以及它們之間內(nèi)在的聯(lián)系，不斷幫學(xué)生梳理目標(biāo)、工程方法及理論之間的關(guān)系，在這張清晰的網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)，可以有效解決內(nèi)容多而繁的難題。

二、工程熱力學(xué)研究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

工程熱力學(xué)作為一門基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)，究其起源最終目的就是建立各類熱機(jī)的熱力循環(huán)，探究提高循環(huán)熱力效率的途徑。為學(xué)生建立一張工程熱力學(xué)的學(xué)科體系網(wǎng)絡(luò)圖，對(duì)于初學(xué)者做到心中有數(shù)，遇到繁復(fù)的知識(shí)點(diǎn)，由于事先已經(jīng)知道其用途，可以更有目的地掌握內(nèi)容和應(yīng)用方法的途徑。簡(jiǎn)而言之，就是要在緒論課上給學(xué)生講一個(gè)主線清晰、人物鮮明的故事。

可將工程熱力學(xué)知識(shí)體系梳理成圖1，將工程熱力學(xué)涉及的知識(shí)點(diǎn)分為5個(gè)模塊。這5個(gè)模塊分別涉及工程應(yīng)用、熱力循環(huán)分析、熱力系建模理論、熱功轉(zhuǎn)化原理、工質(zhì)熱物性理論。