結(jié)合空天技術(shù)前沿的“高等工程熱力學”教學方法探索

柏立戰(zhàn)　龐麗萍

［摘 要］ “高等工程熱力學”是工程熱物理及熱能工程專業(yè)研究生的必修課之一。在航空航天類院校開展“高等工程熱力學”課程教學，對高等工程熱力學基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進行系統(tǒng)講授的同時，需要緊密結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿，培養(yǎng)學生的學習興趣，增強其學習動力和主動性。通過對“高等工程熱力學”課程教學現(xiàn)狀進行分析，指出了目前存在的“重知識，輕能力”的問題。針對上述問題，從教學方法、教學實踐方面給出了結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程教學改革實施方案，并對某教學實例進行細致分析，切實提升教學質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］ 高等工程熱力學；航空航天；發(fā)展前沿；課程教學

［基金項目］ 2020年度北京航空航天大學研究生精品課程建設(shè)項目“高等工程熱力學教學改革項目”（20200505）

［作者簡介］ 柏立戰(zhàn)（1983—），男，河北玉田人，工學博士，北京航空航天大學航空科學與工程學院副教授，主要從事航空航天熱管理、環(huán)路熱管兩相傳熱技術(shù)研究；龐麗萍（1973—），女，黑龍江海林人，工學博士，北京航空航天大學航空科學與工程學院教授（通信作者），主要從事飛行器熱管理與載人運載器人機功能智能分配研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0120-04［收稿日期］ 2022-05-13

高等工程熱力學是一門具有較強的工程實用性和多學科交叉性的科學，它以熱力學第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，主要研究能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律，特別是熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，對熱力過程的完善度進行科學評價與分析，對節(jié)約能源和合理用能具有重要的指導意義［1-2］。通過系統(tǒng)學習高等工程熱力學的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，對具體工程實例進行理論分析，學生能夠更加深入地理解高等工程熱力學的基礎(chǔ)思想、知識體系和應(yīng)用領(lǐng)域，并能增強理論聯(lián)系實際和知識運用的能力，對于提高學生的理論水平和解決實際問題的能力具有積極意義。

基于學以致用的理念，北京航空航天大學作為航空航天領(lǐng)域的普通高等學校，所講授的“高等工程熱力學”內(nèi)容應(yīng)主要服務(wù)于航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用場景。其中，飛行器能量與熱管理系統(tǒng)始終是高等工程熱力學重點研究的內(nèi)容。隨著世界范圍內(nèi)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天飛行任務(wù)的復(fù)雜性決定了飛行器所面臨的內(nèi)外部熱環(huán)境極其復(fù)雜。此外，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和對飛行器性能要求的不斷提高，大量先進機載系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器，尤其是大功率電子裝備以及定向能武器的搭載，使得飛行器內(nèi)部熱載荷劇烈增加，呈現(xiàn)熱流密度高、瞬間發(fā)熱功率大、發(fā)熱功率動態(tài)變化的特點。特別是對于近年來世界航空航天大國競相發(fā)展的高超聲速飛行器，包括高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機和航天飛機等，作為搶占空中和空間戰(zhàn)略優(yōu)勢的利器，成為目前航空航天領(lǐng)域的研究熱點和技術(shù)前沿。對于這類飛行器，由于飛行馬赫數(shù)達5以上，將產(chǎn)生很強的氣動熱效應(yīng)，熱障始終是亟待解決的核心問題，對熱管理提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，成為高超音速飛行器發(fā)展必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、課程現(xiàn)狀分析

（一）“高等工程熱力學”課程教學現(xiàn)狀

“高等工程熱力學”課程內(nèi)容涉及熱力學的基本概念和基礎(chǔ)理論，包括熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、平衡狀態(tài)、熱力過程、熱力循環(huán)、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熵和熵產(chǎn)、?和?損等基本概念。同時還介紹流體工質(zhì)的熱力性質(zhì)，包括熱力學函數(shù)的一般關(guān)系式、實際氣體狀態(tài)方程、工質(zhì)熱力性質(zhì)的計算等。除了純工質(zhì)外，還包括多組分系統(tǒng)的熱力學基礎(chǔ)，包括多組分單相混合物系統(tǒng)、多組分系統(tǒng)的相平衡等內(nèi)容。此外，還包括化學反應(yīng)和燃燒的熱力學、熱力循環(huán)、不可逆熱力學等內(nèi)容。“高等工程熱力學”內(nèi)容豐富、理論性強，部分內(nèi)容比較抽象，理解難度大。由于大部分內(nèi)容只是純理論講授，教師通常無法開展實驗教學的內(nèi)容。

目前在“高等工程熱力學”課程教學實踐中，主要存在的問題是缺乏有效培養(yǎng)研究生工程實踐能力的教學模式和考核機制［3］。首先，“高等工程熱力學”教材內(nèi)容主要偏重于基礎(chǔ)理論，關(guān)于前沿科研成果和最新技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容很少。同時，傳統(tǒng)教學模式過于強調(diào)理論知識的灌輸，忽視了對學生科學視野和工程能力的培養(yǎng)。在這種教學模式下，學生對熱力學的概念和理論的認知多數(shù)停留在背概念、解方程和做習題上，很難有效建立起書本知識與實際工程問題之間的聯(lián)系，學生的科學視野和創(chuàng)新思維也受到限制。其次，課程的考核方式和評價標準單一?，F(xiàn)階段高校專業(yè)基礎(chǔ)課程考核通常采用閉卷筆試的形式，以期末考試成績作為評價學生成績的主要標準。這種“重知識，輕能力”的考核方式只能考查學生的知識記憶和解題技巧，無法評價學生的實踐能力和創(chuàng)新能力［4］。為了應(yīng)對最終的考試，經(jīng)常出現(xiàn)部分學生圍繞所謂的考試重點“臨時抱佛腳”、死記硬背、做題刷分等不良現(xiàn)象。這些學生即使在考試中取得了不錯的分數(shù)，對知識的理解仍然比較膚淺，僅僅停留于紙上談兵，依然不具備靈活運用所學理論知識解決航空航天實際工程問題的能力。這些問題極有可能對研究生的培養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展造成不利影響。

（二）結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿展現(xiàn)“高等工程熱力學”教學的重要性

航空航天作為戰(zhàn)略高科技產(chǎn)業(yè)，一直以來受到世界各國的高度重視。在人類一次次突破航空器、航天器的極限性能時，通常面臨節(jié)約能源、提高能源綜合利用率及高效熱管理等熱力學相關(guān)問題［5-6］。北京航空航天大學作為航空航天領(lǐng)域的普通高等學校，開展“高等工程熱力學”課程教學應(yīng)以培養(yǎng)學生綜合運用理論知識創(chuàng)新解決航空航天前沿技術(shù)問題為任務(wù)，將課程內(nèi)容與航空航天技術(shù)發(fā)展前沿緊密結(jié)合，提高學生的學習興趣和積極性，激發(fā)學生的學習動力和主動性，有利于教學質(zhì)量的提升及教學目標的達成。

二、教學方法

（一）引導學生關(guān)注航空航天領(lǐng)域高等工程熱力學原理

在傳統(tǒng)的“高等工程熱力學”課程中引入航空航天領(lǐng)域研究熱點和前沿成果，著重講授高等工程熱力學理論在航空航天領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，以實現(xiàn)航空航天技術(shù)發(fā)展前沿與課程內(nèi)容的結(jié)合。在“高等工程熱力學”課程教學的全過程，引導學生關(guān)注航空航天領(lǐng)域中的高等工程熱力學原理，讓學生意識到無論是提高發(fā)動機動力、提高能源利用率、實現(xiàn)艙內(nèi)環(huán)境控制還是減少代償損失等航空航天領(lǐng)域各方面的問題，都離不開高等工程熱力學理論的指導［7-8］。這將有助于使學生認識到本課程在航空航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值，從而提高學生的學習興趣，增強學習動力和主動性。

（二）結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程培養(yǎng)方案

開展結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程教學，必須建立相應(yīng)的課程培養(yǎng)方案。因此，要結(jié)合“高等工程熱力學”課程的特點和這一課程在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用實例，建立結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程教學理論體系，包括課程教學大綱、教學內(nèi)容以及教學實踐操作準則，實現(xiàn)在課程教學中重點講解航空航天領(lǐng)域具體的應(yīng)用實例，進一步增強課程的工程實用性，突出課程的航空航天特色。

三、教學實踐

結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程教學，以航空航天領(lǐng)域研究熱點為切入點，以本課程理論知識在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用為突破口，有針對性地調(diào)整課程教學內(nèi)容。圍繞“高等工程熱力學”的課程理念，貫穿講授相關(guān)理論在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。建立結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的課程培養(yǎng)方案，并通過更多信息渠道幫助學生獲取航空航天技術(shù)發(fā)展的最新成果。表1列出了部分研討專題，可作為課程教學內(nèi)容。通過從理論到實踐的全方位改變，形成結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用技術(shù)的“高等工程熱力學”課程教學體系。

在具體教學實施過程中，將全班學生分成6～8個學習小組，每個小組指定一名理論基礎(chǔ)較好的學生作為組長，負責組織協(xié)調(diào)全組的調(diào)研與展示匯報工作。要求每個小組選定表1中的一個專題作為研究內(nèi)容，查找相關(guān)資料，并進行總結(jié)分析，結(jié)合高等工程熱力學的基礎(chǔ)理論對全班學生進行介紹和匯報交流。針對表1中的專題內(nèi)容，學生不僅要了解和掌握當前具體的系統(tǒng)設(shè)計，更要懂得為什么這樣設(shè)計，即要深刻領(lǐng)悟設(shè)計中所蘊含的高等工程熱力學原理。下面以F-35戰(zhàn)斗機綜合動力與熱管理系統(tǒng)為例，開展關(guān)于F-35戰(zhàn)斗機綜合動力與熱管理系統(tǒng)的文獻調(diào)研與專題討論，將查閱內(nèi)容制作成精簡的PPT在課堂上展示和交流。

F-35戰(zhàn)斗機是一款由美國洛克希德·馬丁公司設(shè)計及研制生產(chǎn)的單座單發(fā)三軍通用多用途戰(zhàn)斗機，是美國及其同盟國最主要的第五代戰(zhàn)斗機之一。F-35戰(zhàn)斗機的動力與熱管理系統(tǒng)（以下簡稱PTMS）是霍尼韋爾在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機/綜合子系統(tǒng)技術(shù)項目中研制的先進系統(tǒng)。PTMS經(jīng)歷了從概念提出、演示驗證到型號應(yīng)用的發(fā)展歷程，它將輔助動力裝置、應(yīng)急動力裝置、環(huán)境控制系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的功能集成為一個系統(tǒng)，同一渦輪機既可以提供動力，又可以提供冷卻。PTMS可以在減小體積、重量、成本的同時增加可靠性和能量利用率。美國空軍繼而提出了未來改進型PTMS，即自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)，可以進一步提高飛機能量綜合利用率和總體效能。

學習小組對上述內(nèi)容進行充分的文獻調(diào)研、總結(jié)歸納分析并制作PPT展示交流，與老師和同學展開討論。通過深入的研討交流，結(jié)合高等工程熱力學講授的基本理論，學生深刻理解了PTMS的先進性在于它將渦輪冷卻器、壓氣機、起動機/發(fā)電機和動力渦輪機安裝在同一轉(zhuǎn)軸上，組成渦輪機組，實現(xiàn)了從渦輪冷卻器中引出冷空氣，用于環(huán)境控制和發(fā)熱設(shè)備冷卻。熱空氣送入壓氣機中壓縮，然后通過熱交換器與風扇排風和沖壓空氣進行熱交換，將熱量排散。

在深入了解PTMS的基礎(chǔ)上，學習小組繼而對更加先進的自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)進行分析和講解。自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)的先進性主要表現(xiàn)為采用混合制冷、混合熱沉、混合動力。將空氣循環(huán)和蒸汽循環(huán)制冷相結(jié)合，根據(jù)不同的冷卻需求選用相應(yīng)的制冷方式，提高系統(tǒng)工作效率；采用多種熱沉，根據(jù)不同飛行狀態(tài)和飛行任務(wù)，選擇最合適的熱沉；利用閑置電功率作為補充動力源使用，減少燃油的消耗。

上述做法和實踐提高了學生科技文獻檢索和總結(jié)歸納分析能力，對高等工程熱力學的基本思想、基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識在航空航天技術(shù)發(fā)展前沿領(lǐng)域中的應(yīng)用有了更加深刻的認識和體會。同時，以上做法明顯提高了學生學習興趣和積極性，增強了學習動力和主動性，有效推動了研究生教育教學質(zhì)量的整體提升。

結(jié)語

航空航天技術(shù)是國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，代表著國家的綜合實力和科技水平，在國防和國民經(jīng)濟中占有特殊重要地位。航空航天技術(shù)也是當今世界發(fā)展最為迅猛的科學技術(shù)之一，是大國在科技領(lǐng)域競爭角逐的重點領(lǐng)域。航空航天類院校在“高等工程熱力學”課程教學中，在使學生掌握課程基本思想、基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的同時，應(yīng)多介紹該課程在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，能夠增加學生的知識儲備，完善學生的知識體系并提高其就業(yè)競爭力。在“高等工程熱力學”課程教學的全過程，合理融入本課程專業(yè)知識在航空航天技術(shù)發(fā)展前沿領(lǐng)域的應(yīng)用情況，引導學生關(guān)注航空航天領(lǐng)域中的高等工程熱力學原理，并建立結(jié)合航空航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學”課程培養(yǎng)方案。這樣有助于使學生認識到本課程在航空航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值，從而提高學生的學習興趣和積極性，增強學習動力和主動性。以上做法對學生的工程實踐能力和知識運用能力的培養(yǎng)具有重要作用，能夠促進研究生教育教學質(zhì)量的整體提升。

參考文獻

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Teaching Method Exploration of Advanced Engineering Thermodynamics Combined with Cutting-edge Technology Development in Aeronautics and Astronautics

BAI Li-zhan， PANG Li-ping

（School of Aeronautic Science and Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： Advanced engineering thermodynamics is one of the compulsory courses for postgraduates majoring in Engineering Thermophysics and Thermal Engineering. During the teaching of advanced engineering thermodynamics in colleges related to aeronautics and astronautics， besides the systematical teaching of the basic theory and professional knowledge of advanced engineering thermodynamics， it is required to combine the cutting-edge technology progress in aeronautics and astronautics to cultivate the students learning interest and enhance their learning motivation. In the current teaching practice， the existing problem of “emphasizing knowledge and neglecting ability” is pointed out. To address this issue， this paper presents the implementation scheme of advanced engineering thermodynamics teaching combined with the cutting-edge technology progress in aeronautics and astronautics from the aspects of curriculum status analysis， teaching methods and teaching practice. In addition， a detailed analysis of a teaching example is conducted to improve the teaching effect.

Key words： advanced engineering thermodynamics; aeronautics and astronautics; cutting-edge technology; course teaching