機械類熱工基礎(chǔ)課程教改探討

姚志敏

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

0 引言

目前，熱能利用和熱機工作原理等科學已覆蓋到熱能動力之外的機械、化工、環(huán)境、電子、航天航空、信息工程及生物醫(yī)學工程等各個領(lǐng)域[1]。作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉(zhuǎn)換、傳遞技術(shù)的熱工課程，應(yīng)是21 世紀所有工科類專業(yè)學生的一門公共技術(shù)基礎(chǔ)課[2]。目前已經(jīng)有很多高校將熱工基礎(chǔ)課程作為機械類專業(yè)的一門必修課，課程包括熱力學和傳熱學兩部分內(nèi)容。熱工基礎(chǔ)課程的教學目的是掌握遵循能量傳遞和轉(zhuǎn)換技術(shù)的客觀規(guī)律，并能正確運用所學內(nèi)容理論聯(lián)系實際地對相關(guān)工程應(yīng)用問題進行分析和計算，具備解決在設(shè)備與系統(tǒng)的研究、設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、工程管控等領(lǐng)域中相關(guān)問題的能力，是培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型工程技術(shù)人才素質(zhì)的必備環(huán)節(jié)。

但是，該門課程知識面較廣、內(nèi)容晦澀、理論性強、概念抽象、公式較多，諸多問題導(dǎo)致學生學習效果不佳。筆者在教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法及實驗平臺建設(shè)等方面進行思考，并對課程教改與創(chuàng)新建設(shè)提出一些建議。

1 課程教學現(xiàn)狀

熱工基礎(chǔ)課程的概念多、公式多，且公式表達形式及使用條件多變，學生在學習本門課程時有一定難度[3]。筆者所教熱工基礎(chǔ)為機械類本科專業(yè)核心基礎(chǔ)，開設(shè)在第5 學期，課程大綱設(shè)置總學時32 個，其中26個理論課時，6 個實驗課時。教學任務(wù)多而課時安排過少的矛盾非常突出。在較為繁重的教學任務(wù)之下，當前課堂教學節(jié)奏較為倉促，和學生互動時間短，幾乎“滿堂灌”的教學方式造成學生課堂學習效果不佳。

與機械專業(yè)其他專業(yè)課相比，熱工課程內(nèi)容較為抽象，結(jié)論性公式需要使用微積分公式進行推導(dǎo)，學生理解記憶難度大。該課程需要學生利用所學知識來設(shè)計開發(fā)實際工程問題解決方案，并具備科學抽象和邏輯思維能力，要求理論聯(lián)系實際。經(jīng)調(diào)查了解，絕大多數(shù)學生認為該門課程學習難度大，要求高。

筆者所教熱工課程在本校開設(shè)年限為2年，為一門“新課”，目前課程與本學科相關(guān)的其他課程關(guān)聯(lián)性環(huán)節(jié)設(shè)置不多，學生學習存在畏難情緒，有部分學生對該課程在專業(yè)中的地位理解不足，造成學習積極性不高，學習效果不佳的狀況。要改善目前所面臨的教學問題，筆者在教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，學習借鑒他人經(jīng)驗，從優(yōu)化教學內(nèi)容、利用網(wǎng)絡(luò)改善教學方法、互動教學法和搭建綜合實驗平臺方面進行相應(yīng)的教學改革和實踐探索，來提升教學效果。

2 教學改革措施

按照教學大綱開展的教學內(nèi)容是課程的重點把握內(nèi)容，利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體恰當使用教學方法、提高師生互動性可以進行更有效的教學，并通過綜合實驗平臺，提高學生綜合運用所學知識的能力。

2.1 優(yōu)化課程教學內(nèi)容，重視緒論課教學效果

熱工基礎(chǔ)課程教學中應(yīng)側(cè)重對知識點背景和應(yīng)用的介紹，降低對于部分不常用概念和公式推導(dǎo)的要求[4]。比如，在介紹典型理想氣體動力循環(huán)時，將奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)和沙巴澤循環(huán)與實際應(yīng)用案例相結(jié)合，進行具象化講解。可結(jié)合日常生活中常見的小轎車（汽油機）、大貨車（柴油機），來理解各種循環(huán)過程的特點，并分析內(nèi)燃機不同循環(huán)方式的優(yōu)缺點。在多種機械設(shè)備的運行中，熱力學理論的應(yīng)用比傳熱學理論的應(yīng)用更多，因此在課程中熱力學部分較傳熱學部分的知識點多，這與機械專業(yè)學生的畢業(yè)目標有關(guān)。所以，該課程的教學大綱中應(yīng)有明確的熱力學與傳熱學兩部分不同的課時分配，熱力學課時更多，以筆者所教熱工課程為例，理論為26 課時，其中設(shè)置熱力學16 課時，傳熱學10 課時，其余為實驗課時。傳熱學的教學內(nèi)容為熱傳導(dǎo)、對流換熱、輻射換熱三種不同傳熱方式的傳熱規(guī)律，其中有較為復(fù)雜的章節(jié)，比如非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和對流換熱的理論，實際工程問題解法復(fù)雜，詳細講解均會占用4 課時以上，可以舍棄這些理論復(fù)雜但應(yīng)用極少的章節(jié)，僅為學生展示結(jié)論性內(nèi)容，細節(jié)則由學生根據(jù)興趣和需要自學。

緒論課是正式開始教學的前沿課。緒論課可使學生快速、全面地了解本門課程的知識體系，并可誘發(fā)學生的學習興趣，緒論課的教學效果將直接影響學生今后的學習[5]。熱工課程包括熱力學和傳熱學兩部分，二者起源一致，均為熱量的使用，但是熱力學研究熱量的轉(zhuǎn)換，傳熱學研究熱量的傳遞。首次緒論課可將兩部分內(nèi)容結(jié)合，從學科起源，到實際應(yīng)用案例，使學生認識到該學科的發(fā)展是與人類的進步息息相關(guān)的，所學的知識滲透于生活，各種機械運行過程均涉及該課程內(nèi)容。整個緒論課，采用由淺入深、理論聯(lián)系實際的方式，將晦澀難懂、生疏的課程內(nèi)容，通過輕松活潑的課堂氛圍，用生活中常見的現(xiàn)象及設(shè)備來進行講解，充分調(diào)動學生對該課程的學習興趣。

2.2 利用網(wǎng)絡(luò)及多媒體改善教學方法

熱工基礎(chǔ)在國內(nèi)外很多工科類高校已普遍開設(shè)，網(wǎng)絡(luò)上可以查閱很多優(yōu)秀的課件、機械設(shè)備運行時熱力學視角的動畫演示等資源，因此，應(yīng)該廣泛學習和借鑒眾家之長，充分并有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，如國家級精品課網(wǎng)絡(luò)共享課、相關(guān)課程多媒體課件及演示動畫、演示視頻等。借此整合教學資源，以提高教學水平，改善教學效果。

目前筆者教學使用講授法、案例教學法，輔以問題式教學、動畫演示法、討論法進行授課，借助現(xiàn)代多媒體工具進行課程內(nèi)容展示及動畫演示，可以直觀方便地向?qū)W生展示課堂內(nèi)容。但是動畫演示資源較少，熱力循環(huán)過程的授課基本上均是依靠理論講解，缺乏生動性，這就增加了學生理解的難度。如果將網(wǎng)絡(luò)資源加入授課內(nèi)容中，可以起到豐富教學資源的作用，也使教師有更多的時間進行重點、難點知識的講解和與學生交流互動，并可以通過對比來選取有趣的案例，以此提升學生課堂學習效果。另一方面，學生可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺上的資源來進行課前預(yù)習和課后重難點復(fù)習，滿足現(xiàn)在年輕人碎片化閱讀和學習的需求。

目前，諸多網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的推行也大大方便了教學，在具有網(wǎng)絡(luò)的教室即可在短時間內(nèi)向?qū)W生展示相關(guān)理論實驗。比如國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務(wù)平臺，其中有與熱工課程相關(guān)的實驗項目，比如熱力學與氣體動理論虛擬仿真實驗平臺，可以展示平衡態(tài)統(tǒng)計、準靜態(tài)壓縮、絕熱膨脹過程的微觀變化?？梢酝ㄟ^使用虛擬仿真實驗平臺，更生動地展示基本理論，使學生更為清晰地觀測實際過程，也更為直觀地理解相關(guān)理論。可以利用有效的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，來加強學生對難點和重點知識的學習理解。

2.3 采用互動教學方法，調(diào)動學生參與度

熱工基礎(chǔ)課程學時少，授課時間較為緊張。課程中公式多，為了提高學生理解記憶程度，多個重要知識點涉及的公式均會進行推導(dǎo)，如熱力學第一定律對應(yīng)的能量平衡方程式的不同形式轉(zhuǎn)換、理想氣體各種典型熱力過程狀態(tài)參數(shù)的計算，推導(dǎo)過程占用較多時間。因此，在課堂上以教師講授為主，很少與學生互動。筆者為提高學生的參與度，設(shè)置課堂檢測環(huán)節(jié)，但在檢測環(huán)節(jié)過后，學生積極性明顯降低，該方法仍然很難與學生進行充分有效的互動。

課堂上，通過精心設(shè)計提問，增強教學中教與學雙方交流、溝通，激發(fā)學生學習興趣、啟迪學生思維、鍛煉學生表達能力，最終提高教學效果[6]。因此，應(yīng)該轉(zhuǎn)換教學中心，以學生為中心，多使用啟發(fā)式教學，使學生在課堂中把自己當成課堂的一部分，融入課堂中。比如對循環(huán)過程能量利用的經(jīng)濟性指標，僅告知“為循環(huán)所取得的收益與付出的代價之比”，利用熱力循環(huán)示意圖，引導(dǎo)學生自己得出熱機循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)的評價指標應(yīng)如何計算；在介紹穩(wěn)態(tài)傳熱過程的傳熱速率時，與電路中電流進行類比，讓學生自己來討論計算式中類比電壓的“熱勢差”是什么，怎么理解類比電阻的“熱阻”。弄清楚原理之后，學生更容易理解記憶計算式。

課后通過公共平臺，增強師生間交流互動。筆者所教班級均建立了單獨的釘釘群，平時作業(yè)的布置等均在釘釘班級群中通知，但是學生很少在班級群中詢問問題。后續(xù)可以增加一些和日常生活結(jié)合比較緊密的知識點來引導(dǎo)學生進行討論，如為什么在開空調(diào)的室內(nèi)，在夏天和冬天同樣是20℃，人體感受溫度卻有差別。引導(dǎo)學生形成積極思考相關(guān)知識，主動探討相關(guān)理論的習慣，提高學生課前預(yù)習和課后復(fù)習的積極性。

2.4 建設(shè)綜合實驗教學平臺

機械專業(yè)開設(shè)的熱工基礎(chǔ)課程，是熱力學和傳熱學基礎(chǔ)理論與專業(yè)實際緊密結(jié)合的，學生應(yīng)掌握遵循能量傳遞和轉(zhuǎn)換技術(shù)的客觀規(guī)律來合理組織和優(yōu)化各種熱力系統(tǒng)的工程方法。因此，該門專業(yè)基礎(chǔ)課教學應(yīng)該立足于工程實際，培養(yǎng)面向工程、面向生產(chǎn)的科技人才。高等教育中，實驗教學是創(chuàng)造性應(yīng)用和發(fā)展理論的過程，是綜合能力形成的過程，在培養(yǎng)工科學生的工程能力和創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮著十分重要的作用[7]。實驗教學是將課本的理論知識與實際工程問題相結(jié)合的一種有效方式，可以提高學生熟練運用熱工基本知識的能力，鞏固并加深有關(guān)理論知識理解程度。目前，學校已有的可供熱工課程使用的實驗平臺，如空氣定壓比熱測定、固定導(dǎo)熱系數(shù)測定，與機械專業(yè)其他學科知識關(guān)聯(lián)較少，缺少綜合機械專業(yè)課程的實驗平臺。

建設(shè)綜合實驗教學平臺，對于學生所學知識的綜合運用與實踐應(yīng)用能力具有重要作用。例如，可以搭建蒸汽朗肯循環(huán)實驗臺，利用該試驗臺可以進行蒸汽朗肯循環(huán)整個熱力過程的能量計算，其中涉及的四個重要設(shè)備：蒸汽發(fā)生器（如鍋爐）、汽輪機、冷凝器、水泵，在機械設(shè)備相關(guān)課程中也有章節(jié)講解。通過蒸汽朗肯循環(huán)實驗臺，在實驗臺運行過程中，學生可以在學習熱工課程中的熱力學相關(guān)知識外，還可以對其中的設(shè)備進行了解學習，這可以促進學生增強學科知識綜合理解與應(yīng)用。

同時，在搭建綜合實驗教學平臺后，可以引導(dǎo)學生利用綜合實驗平臺進行創(chuàng)新性設(shè)計，利用其中的部分設(shè)備或整體設(shè)備進行創(chuàng)新想法的驗證，參加各類大學生科技創(chuàng)新競賽。在創(chuàng)新設(shè)計中，學生不僅僅停留在基礎(chǔ)理論理解階段，而是有學科的交叉融合，這又為學生提高專業(yè)知識綜合運用能力提供了途徑。

3 結(jié)語

課程教改是促進課程建設(shè)的重要部分，筆者所在高校機械本科類熱工基礎(chǔ)課程開課時間較短，進行課程教改是提升本課程教學水平的必備環(huán)節(jié)，根據(jù)教學現(xiàn)狀，提出以下教改措施：

（1）重視緒論課授課，開課伊始引起學生濃厚的學習興趣；優(yōu)化教學內(nèi)容，側(cè)重知識背景及工程案例的講解，以減少對不常用概念講解和公式推導(dǎo)。

（2）利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀課程資源，使用多媒體來豐富教學方式的多樣性，增加動畫演示、網(wǎng)絡(luò)實驗等可以提高學生興趣且容易理解的環(huán)節(jié)。

（3）多使用啟發(fā)式教學方法，來提高師生互動性，并通過網(wǎng)絡(luò)公共交流平臺來促進學生形成積極思考相關(guān)理論知識的習慣。

（4）搭建綜合實驗平臺，提高學生理論聯(lián)系實際的能力，并引導(dǎo)學生利用綜合實驗平臺進行創(chuàng)新性設(shè)計，促進學科交叉融合綜合運用。