《工程熱力學(xué)》教學(xué)實(shí)踐初探

王 崗，余 萬，胡 濤，蘇華山

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

《工程熱力學(xué)》是能源動(dòng)力類專業(yè)核心課程，其理論滲透到了熱電、新能源發(fā)電、航天航空、機(jī)器人、電子芯片等領(lǐng)域，同時(shí)在建筑節(jié)能、環(huán)保與節(jié)能改造等領(lǐng)域也深入交叉，各行各業(yè)中均體現(xiàn)了此門課程的實(shí)際應(yīng)用。此外，《工程熱力學(xué)》與機(jī)械類交叉較多，幾乎所有機(jī)械類設(shè)備在運(yùn)行過程中不可避免的涉及“局部熱堆積”和能源問題，因此本門課程也是機(jī)械類所修專業(yè)課。對于《工程熱力學(xué)》課程的教學(xué)改革，國內(nèi)許多高校已進(jìn)行了相應(yīng)的試點(diǎn)教學(xué)。華中科技大學(xué)對于《工程熱力學(xué)》課程教學(xué)改革如何適應(yīng)“新工科”建設(shè)進(jìn)行了詳細(xì)探究與分析，提出了新的教學(xué)方法及教學(xué)手段，綜合全面多方位評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[1]。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)分析了《工程熱力學(xué)》適應(yīng)“新工科”背景下教學(xué)改革，探索了如何高效、科學(xué)、合理的講授《工程熱力學(xué)》課程的教學(xué)思路，更好地激發(fā)學(xué)生開創(chuàng)性思維[2]。此外，揚(yáng)州大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)等多所高校也對《工程熱力學(xué)》的教學(xué)方法和課程建設(shè)進(jìn)行了初步設(shè)想，并將其應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，取得了一定的教學(xué)成果[3-4]。如何更高效、科學(xué)、合理地講授本門課程以最大程度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)不同領(lǐng)域的專業(yè)人才是《工程熱力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)目前所面臨的一大難題。

1 機(jī)械類專業(yè)開設(shè)《工程熱力學(xué)》課程

1.1 課程開設(shè)

三峽大學(xué)結(jié)合自身特色于2019年對機(jī)械類專業(yè)開設(shè)《工程熱力學(xué)》課程，結(jié)合專業(yè)實(shí)際制定了適用于機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)大綱，希望培養(yǎng)學(xué)生能將相應(yīng)專業(yè)知識用于機(jī)械領(lǐng)域復(fù)雜工程問題數(shù)學(xué)模型的求解，且能利用相關(guān)科學(xué)原理識別、判斷及解決機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的工程問題。為更好地評判學(xué)生對本門課程的掌握程度，制定了相應(yīng)的課程目標(biāo)：（1）培養(yǎng)學(xué)生逐步掌握工程熱力學(xué)的基本概念、基本定律、基本原理以及氣體和蒸汽的熱力性質(zhì)，學(xué)會(huì)應(yīng)用這些基本概念、基本定律等基礎(chǔ)知識進(jìn)行熱力過程和熱力循環(huán)的分析計(jì)算；（2）培養(yǎng)學(xué)生能夠利用本課程的基本理論解決機(jī)械領(lǐng)域?qū)嶋H工程應(yīng)用問題。

1.2 現(xiàn)階段存在的問題

通過近三年對機(jī)械類專業(yè)學(xué)生講授工程熱力學(xué)課程，梳理整個(gè)講授環(huán)節(jié)及學(xué)生對該門課程的最終掌握程度，仍存在下述問題：

（1）工程熱力學(xué)課程是一門理論與實(shí)踐結(jié)合比較緊密的課程，其涉及的公式多、概念多、計(jì)算多及內(nèi)容廣，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的難度，尤其是對于非能動(dòng)類專業(yè)學(xué)生，其理論基礎(chǔ)儲備相對較為薄弱，對于各知識點(diǎn)的理解及邏輯性的把握仍有所欠缺。

（2）機(jī)械類專業(yè)開設(shè)工程熱力學(xué)的目的是希望學(xué)生最終能夠運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問題，然而學(xué)生在基本公式的求解與推導(dǎo)過程中容易混淆，往往分不清各公式的適用條件，且由于公式的繁多加大了學(xué)生對實(shí)際工程問題求解的難度，一定程度上降低了學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生無法學(xué)以致用且加大學(xué)生對基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的抵制情緒。

（3）工程熱力學(xué)的性質(zhì)決定了本門課程主要以理論教學(xué)為主，現(xiàn)階段根據(jù)學(xué)院的實(shí)際情況，缺乏實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生無法將所學(xué)的理論真正用于實(shí)踐，造成了部分學(xué)生感覺本門課程學(xué)習(xí)較為枯燥，也使得本門課程重理論而輕實(shí)踐，使學(xué)生最終所收獲的知識并不理想，影響教學(xué)效果。

（4）學(xué)生的自律性相對較差，尤其是對自己不熟悉的領(lǐng)域，課堂意識及表現(xiàn)不佳，課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)等仍未得到重視；在接受新概念、新理論及新公式時(shí)常常因無法與之前的知識融會(huì)貫通導(dǎo)致對課堂知識理解不足，逐漸喪失了本門課程的學(xué)習(xí)激情，從而使教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”所產(chǎn)生的效果并不理想。

2 教學(xué)模式探索

2.1 教學(xué)融入課程思政

課程思政是指以構(gòu)建全員、全程、全課育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育根本任務(wù)的一種綜合教育理念。如何更好地將課程思政融入工程熱力學(xué)各章節(jié)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，潛移默化地影響學(xué)生的思想意識和行為舉止是我們要做的重點(diǎn)同時(shí)也是難點(diǎn)。以工程熱力學(xué)為例，講述其發(fā)展史時(shí)，應(yīng)適當(dāng)穿插各領(lǐng)域的開拓者如何通過專業(yè)知識探索未知的真理，以此奠定工程熱力學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)。如卡諾通過對火的動(dòng)力研究，構(gòu)建了理想熱機(jī)并得出著名的卡諾定理；邁耶分析病人血液顏色在熱帶和歐洲的差異提出了熱與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間相互轉(zhuǎn)化的思想；焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)奠定了熱力學(xué)第一定理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；克勞修斯通過研究熱力學(xué)第一定律和卡諾原理，提出熱力學(xué)第二定律等。

工程熱力學(xué)課程講授能源章節(jié)時(shí)，應(yīng)列舉我國及世界能源研究現(xiàn)狀，分析當(dāng)下各國能源緊缺情況，尤其是傳統(tǒng)化石能源的短缺，嚴(yán)格限制了各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)觀看相關(guān)能源類短片，激發(fā)學(xué)生能源節(jié)約解決現(xiàn)有能源問題的創(chuàng)新意識。講解基礎(chǔ)理論部分時(shí)，以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，說明目前實(shí)際應(yīng)用案例，尤其是有關(guān)解決國家關(guān)鍵技術(shù)卡脖子問題的案例，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)等，使學(xué)生充分認(rèn)識到本門課程的學(xué)習(xí)對國家發(fā)展的重要性，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)激情，培養(yǎng)學(xué)生參與專業(yè)技術(shù)前沿的積極探索性，樹立愛國主義情懷。

2.2 實(shí)踐教學(xué)

工程熱力學(xué)所涉及的內(nèi)容相對較多，尤其是基礎(chǔ)理論部分知識常常使學(xué)生感覺泛然無味，且由于三峽大學(xué)機(jī)械類專業(yè)所開設(shè)的工程熱力學(xué)課程由于課時(shí)的限制并未有開設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了部分學(xué)生缺乏對本門課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，因此實(shí)踐教學(xué)的開設(shè)對于學(xué)生理解和鞏固專業(yè)知識具有積極的意義。實(shí)踐教學(xué)方面所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要有噴管中氣體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、空氣比定壓熱容測定實(shí)驗(yàn)和真空條件下水蒸汽飽和蒸汽壓及汽化潛熱的測定實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將所學(xué)書本專業(yè)知識與實(shí)踐相結(jié)合，加深對基礎(chǔ)理論的理解，同時(shí)也使學(xué)生對于實(shí)操過程所引起的誤差進(jìn)行分析，探索實(shí)驗(yàn)與理論之間誤差產(chǎn)生的原因，便于培養(yǎng)學(xué)生的求知欲。此外，也應(yīng)加強(qiáng)科研實(shí)踐平臺的建設(shè)，使學(xué)生更好地理解與專業(yè)內(nèi)容相關(guān)的科研項(xiàng)目，提升學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，從而培養(yǎng)本專業(yè)領(lǐng)域富有創(chuàng)造力的科研人才。

2.3 課程評價(jià)體系

完整的課程評價(jià)體系更利于對教學(xué)方式的改進(jìn)，使授課教師及時(shí)掌握學(xué)生對專業(yè)內(nèi)容的理解和掌握程度，對薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最大化。針對機(jī)械類工程熱力學(xué)的教學(xué)評價(jià)體系主要從試卷分析、平時(shí)考核情況、目標(biāo)達(dá)成度主觀評價(jià)問卷及分析、目標(biāo)達(dá)成度客觀評價(jià)及分析、課程目標(biāo)達(dá)成度調(diào)查報(bào)告等幾方面對本門課程教學(xué)效果進(jìn)行綜合評價(jià)。其中目標(biāo)達(dá)成度主觀問卷調(diào)查主要針對學(xué)生自身對書本內(nèi)容理解程度及分析出現(xiàn)低值時(shí)自我偏差原因，而客觀目標(biāo)達(dá)成度主要是反應(yīng)教學(xué)效果的評價(jià)，是對教師在教授本專業(yè)課程的教學(xué)效果的反饋。因此綜合主觀、客觀目標(biāo)達(dá)成度分析更利于從學(xué)生及教師的角度完善和改進(jìn)教學(xué)方式，最終使學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用、學(xué)以致新、學(xué)以致深和學(xué)以致行的目的。

3 結(jié)語

習(xí)近平總書記在七十五屆聯(lián)合國氣候峰會(huì)上提出“我國截止至2030年，碳排放量達(dá)到峰值；截止至2060年，實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，為適應(yīng)可再生能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，培養(yǎng)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的復(fù)合型人才，三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院根據(jù)自身特色，結(jié)合三峽水電站、葛洲壩水電站為研究基礎(chǔ)，充分發(fā)揮水能高效清潔利用特點(diǎn)，深入貫徹“低碳、清潔、高效”的理念，發(fā)展多種可再生能源利用方面特色教學(xué)改革，作為可再生能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科—工程熱力學(xué)，在可再生能源領(lǐng)域培養(yǎng)專業(yè)人才方面至關(guān)重要，符合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，在“雙碳”目標(biāo)大背景下培養(yǎng)該領(lǐng)域內(nèi)富有創(chuàng)造力的科研人員及具有相應(yīng)專業(yè)知識的高級工程技術(shù)人員，更好地服務(wù)于國家能源建設(shè)。