研究生示范課程《高等工程熱力學》建設與實踐

盧春萍 牛建會

摘?要：《高等工程熱力學》作為省級研究生示范課程，課程組結(jié)合課程目標定位、培養(yǎng)定位及課程設計理念，從教學方法、教學手段及教學模式入手進行教學改革與創(chuàng)新，利用課程教學的網(wǎng)絡資源進行混合式教學，同時利用建設良好的研究生實踐基地進行實踐性教學，使課程建設具有特色性及創(chuàng)新性，力求將其建成省內(nèi)一流的教學示范課程。

關鍵詞：建設與實踐；方法與手段；總結(jié)與改進

1?概述

《高等工程熱力學》是“供熱、供燃氣、通風及空調(diào)工程專業(yè)”研究生所設的一門重要專業(yè)理論基礎課；該課程為“高效利用能源、節(jié)約能源以及開發(fā)新能源”等相關技術領域提供理論知識，為從事工程設計、施工和管理的應用型人才提供理論基礎。課程組對課程體系深入研究、教學模塊調(diào)整改進，使學生基礎扎實，又提高了學生解決工程問題能力，同時采用了將課程教學與科研項目、實踐基地利用相結(jié)合，多渠道來加強學生創(chuàng)新能力與實踐能力培養(yǎng)。課程組對教學內(nèi)容與教學方法進行改革，采用優(yōu)化教學方法，教學效果良好；對教學模式和教學手段進行創(chuàng)新性研究，并予以實踐?？傊?，取得了一些示范課程的建設成果與收獲。

2?課程目標定位及培養(yǎng)定位、課程設計理念

2.1?課程目標定位及培養(yǎng)定位

基于我?！叭瞬排囵B(yǎng)定位”“建筑與土木工程專業(yè)碩士培養(yǎng)定位”的雙重目標，制訂了“課程目標定位及課程培養(yǎng)定位”?！案叩裙こ虩崃W”是一門專業(yè)理論基礎課，在本科課程“熱功轉(zhuǎn)換”理論基礎上，進一步講授“熱功轉(zhuǎn)換”過程中的熱力學完善程度、工質(zhì)熱力性質(zhì)、新工質(zhì)、熱力系統(tǒng)評價和化學熱力學等相關內(nèi)容，使學生掌握認識和理解熱物理過程發(fā)生規(guī)律的基本方法，為從事相關科學研究打下良好基礎。該課程對能源高效利用、節(jié)能和新能源開發(fā)都具有重要的理論價值和指導意義，對培養(yǎng)基礎理論扎實、專業(yè)知識面廣的技術研發(fā)、工程設計等人才，具有“重要理論基礎”的意義。作為供熱、供燃氣、通風及空調(diào)工程專業(yè)的核心課程，旨在培養(yǎng)學生扎實熱工理論基礎、專業(yè)能力提高和實踐能力的提升。

2.2?課程設計理念

我們從培養(yǎng)“從事土木工程學科各領域設計、教學、施工、管理的高層次技術人才”和培養(yǎng)“具有獨立擔負相應領域技術研發(fā)、工程設計、施工和管理能力，具備國家注冊執(zhí)業(yè)資格相關能力的高層次應用型人才”目標出發(fā)，提出“以學生為主體，夯實熱工基礎理論，重點培養(yǎng)專業(yè)應用能力”的課程設計理念。

（1）從知識、能力與素質(zhì)三個維度設計教學目標。基礎理論知識扎實、學以致用，將知識內(nèi)化成能力是重點，素質(zhì)培養(yǎng)貫穿教學的各個方面。

（2）以學生為主體，構(gòu)架基于研究性教學的“三段式”教學模式。以研究性學習為理念，構(gòu)建課前自主學習、課堂研討、課后拓展和創(chuàng)新的“三段式”教學模式。

（3）結(jié)合課程內(nèi)容，抓重點難點，夯實熱工基礎。梳理課程教學內(nèi)容，匹配以適合的教學方法及考核方法，提高本課程的教學質(zhì)量，達到研究生培養(yǎng)目標。

（4）教學內(nèi)容突出前沿性和應用性。關注熱工學科新理論、最新動態(tài)與最新成果，密切聯(lián)系工程實踐，重點培養(yǎng)專業(yè)應用能力。

3?課程講授模塊及主要內(nèi)容，布置的課程論文

3.1?課程講授模塊及主要內(nèi)容

3.2?布置的課程論文

（1）結(jié)合自己的研究方向或研究內(nèi)容，針對某一熱力循環(huán)實例，選取熱力循環(huán)運行參數(shù)，對循環(huán)過程進行熱力分析及有效能“”分析，指出熱力循環(huán)改進途徑及措施。

（2）利用虛擬火電機組仿真系統(tǒng)，對300MW火力發(fā)電機組進行虛擬仿真及運行調(diào)節(jié)，結(jié)合多種汽輪機運行蒸汽參數(shù)及熱力循環(huán)的運行數(shù)據(jù)，對熱力系統(tǒng)的運行特性進行分析，為優(yōu)化運行提供技術指導。

（3）模擬某一單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，對熱力系統(tǒng)進行熱力計算及性能分析，包括如下內(nèi)容：自學“二元溶液特性”“溴化鋰溶液特性”；利用具有工程背景的模擬參數(shù)，對熱力系統(tǒng)“整體”“各部件”進行能量平衡、質(zhì)量平衡分析等熱力計算；改變某些參數(shù)，如“熱源溫度”“冷卻水溫度”等，試分析對系統(tǒng)性能的影響。

學生完成課程論文情況較好，對所學理論難點“分析”有了深入理解；對“溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)”工程問題予以解決，既學習“二元溶液性質(zhì)”，又對復雜熱力設備進行熱力分析，教學效果良好。但也有些問題反映出來，特別是“虛擬火電機組仿真系統(tǒng)運行特性分析”，需要學生花些時間學習“虛擬火電機組仿真系統(tǒng)”，結(jié)果是“課程學時緊，教學任務繁重”。

4?采用的主要教學方法；信息化教學手段的運用；體現(xiàn)課程特點與教學風格的教學方法創(chuàng)新與探索

4.1?主要教學方法

為了增強教學效果，充分調(diào)動學生積極性，提高課堂效率，增大教學信息，探索與教學內(nèi)容相適宜的教學方法，教學實踐如下：

（1）改變“專業(yè)基礎課采用板書”傳統(tǒng)教學模式，采用“PPT課件+板書”授課，制作中采用“超鏈接”等彌補基礎課“公式推導”等特殊性。

（2）采用翻轉(zhuǎn)課堂式教學模式，對課程教學內(nèi)容及組織實施做一些變革，采用課下預習自修、課上深入討論等教學模式。

4.2?信息化教學手段的運用

（1）借助現(xiàn)有學校教學網(wǎng)絡平臺，如雨課堂，將制作多媒體課件、教學講義等教學資料上傳網(wǎng)絡；對精品課程網(wǎng)站的教學資源，課程組分類匯總后上傳于網(wǎng)絡。

（2）利用網(wǎng)絡教學平臺，可以進行在線答疑、網(wǎng)上討論，促進師生間的教學交流，有利于教學效果提高。

（3）本課程理論性強、概念多而抽象，按講授模塊作為節(jié)點，對重點難點知識制作成微課等視頻，發(fā)布于網(wǎng)絡平臺，作為課堂教學的補充。

4.3?課程特點與教學風格的教學方法創(chuàng)新與探索

（1）針對理論性強、學時少的特點，探究“高效”的教學方法。該課程理論性強，學時較少，如何高效教學，總思路：“重點難點詳細講解”+“理論應用部分指導性學習”+“課堂討論、學生匯報”。

（2）借助計算機編程，提高學習動力，增強學習效果。對于“流體工質(zhì)熱力性質(zhì)計算”授課模塊，編程求解實際氣體狀態(tài)方程，將程序運行結(jié)果與實測比對，加強理論基礎的掌握。

教學中做法：描述實際氣體p、V、T關系的狀態(tài)方程式很多，比較常用有范德華方程、維里方程、RK方程等，已知T、p，求解實際氣體的Vm，最終都歸結(jié)為求解三次方程的根；求解三次方程的根，一般采用牛頓迭代法。利用計算機編程可以在極短的時間內(nèi)完成不同物質(zhì)在不同T、p條件下的精確計算，從編寫程序的實際運行結(jié)果看，計算結(jié)果與實測值吻合度較好，計算精度較高。

（3）將動態(tài)仿真實驗教學引入課程，為課程教學及科研工作奠定基礎。發(fā)揮虛擬火電機組仿真系統(tǒng)的優(yōu)點，對多種典型發(fā)電機組的參數(shù)優(yōu)化設計，掌握蒸汽初參數(shù)、終參數(shù)等參量對發(fā)電廠發(fā)電效率具有相關性進行研究。

（4）積極探索“理論教學與科研相結(jié)合”教學模式。結(jié)合課程組省級課題《分析方法研究填埋氣供暖技術應用》，將分析方法的理論教學應用于科研；結(jié)合建設部項目《太陽能—空氣源熱泵的系統(tǒng)研究及應用》中，將“熱力循環(huán)”理論授課內(nèi)容應用于科研項目。

（5）積極探索“理論教學與實踐教學結(jié)合”教學模式。“河北建筑工程學院可再生能源中心”是省級教學實踐研究示范中心，特別是“空氣源熱泵機組”等實驗教學平臺的搭建，為該課程“理論教學與實踐教學”相結(jié)合提供了很好的基礎。

5?研究生實踐基地的建設與利用

5.1?實踐基地的建設情況

目前，能源工程系研究生實踐基地有三個：張家口市市政公用熱力公司、河北建筑工程學院可再生能源示范中心、張家口市可再生能源儲熱裝備與利用重點實驗室。下面分別對后兩個實踐基地建設做一說明：

（1）河北建筑工程學院可再生能源示范中心：屬于能源應用技術、熱力與建筑節(jié)能行業(yè)。中心研發(fā)人員34人，目前中心面積4540平方米，設備總價值1200萬元。目前圍繞風光儲能供熱相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中基礎性、關鍵性和共同性技術問題開展攻關，進行系統(tǒng)化、配套化和工程化研究，提供可規(guī)?；a(chǎn)的成套技術、標準、工藝、裝備。

（2）張家口市可再生能源儲熱裝備與利用重點實驗室：實驗室主要針對各種可再生能源儲熱技術涉及的關鍵技術問題進行系統(tǒng)研究。主要研究方向設為：水蓄熱設備及儲放熱性能研究、固體蓄熱設備及儲放熱性能研究，可再生能源儲能設備控制系統(tǒng)研究。

5.2?研究生實踐基地的利用

借助于研究生實踐基地的平臺，課程組從以下三個方面展開工作：

（1）“課程理論基礎+科研+實踐基地”的教學模式。將“理論教學、科研、實踐基地”三位融合、教學相長、相互促進。課程組教學實踐如下：“河北建筑工程學院可再生能源示范中心”包括“空氣源熱泵機組”實驗教學平臺的搭建，建立“空氣源熱泵的理論熱力模型”，對“空氣源熱泵機組”進行運行特性分析，為科研項目提供數(shù)據(jù)支持等。

（2）“深入實踐基地”為理論教學提供“實踐應用”支持。組織學生深入實踐基地，對工程的熱力設備，如電蓄熱鍋爐、運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集等，為“理論教學中熱力設備的有效能分析”等理論教學提供支持。

（3）邀請企業(yè)專家培訓指導，提高學生專業(yè)實踐背景和素養(yǎng)。在課程教學過程中，企業(yè)導師做專題講座、技術交流，多提教學中的寶貴意見，特別是“如何滿足企業(yè)人才需求的教學環(huán)節(jié)”“如何成為業(yè)務骨干等思政元素”“理論教學如何加強實踐”等給予指導。

6?課程建設主要特色及創(chuàng)新點；課程教學的網(wǎng)絡資源；運用國內(nèi)相關教材情況；自編講義情況

6.1?主要特色及創(chuàng)新點

（1）利用網(wǎng)絡教學平臺，將教學資料上傳于網(wǎng)絡，采用在線答疑、網(wǎng)上討論等，作為課堂教學的補充，有利于教學效果的提高。

（2）課堂教學環(huán)節(jié)，采用“重點難點詳細講解+理論應用部分指導性學習”+課堂討論、學生匯報”的教學方法，探索適合于研究生“高效”的教學方法及手段。

（3）對某些授課模塊，借助計算機編程，更好掌握理論基礎，獲得掌握計算機編程等技能。

（4）將動態(tài)仿真實驗教學引入課程，為課程教學及科研工作奠定基礎。

（5）積極探索“理論教學+科研+實踐教學”相結(jié)合教學模式，將理論教學應用于教學團隊的科研項目，深入研究生實踐基地，采集實驗參數(shù)等作為理論研究數(shù)據(jù)支持，使教學內(nèi)容、教學方法達到多樣性及先進性。

6.2?課程教學的網(wǎng)絡資源

河北建筑工程學院網(wǎng)絡教學（如雨課堂）平臺建立，為推動混合式教學提供了教學條件。教學平臺功能模塊包括：個人信息及班級管理；公告、討論、歸檔等功能；課件制作及推送等；教師可以發(fā)布PPT課件、習題、重點難點等教學視頻。對于網(wǎng)絡平臺功能，如課件制作或推送、在線考試、討論答疑等，已應用到教學實踐中，教學效果良好。

6.3?運用國內(nèi)相關教材情況

（1）課程教學所用教材：《高等工程熱力學》第2版，陳則韶編著，中國科學技術大學出版社；該教材為高等教育“十一五”國家規(guī)劃教材；該教材特點：基本理論在深度、廣度上高于和寬于本科工程熱力學，適度體現(xiàn)“高等”的含義，內(nèi)容上體現(xiàn)工程特點，與實際相結(jié)合，與成熟的最新技術相結(jié)合。該教材已用了3屆，總體教學評價良好。

（2）教學參考教材：《高等工程熱力學》，童鈞耕等編著，科學出版社；該教材特點：考慮技術基礎類的課程，在內(nèi)容取舍、編排上以工程實用理論為主，同時兼顧熱工科技的新成果。該參考教材已用了3屆，總體教學評價良好。

6.4?自編講義情況

按講授模塊做節(jié)點，依據(jù)課程設置目標“知識及應用能力培養(yǎng)”等，編制教學講授講義。編寫講義著力點特別強調(diào)“結(jié)合工程案例、結(jié)合熱工新的科技成果”等。

7?總結(jié)與改進

通過“高等工程熱力學”示范課程建設與實踐，取得成果匯總?cè)缦拢海?）課程組深入教學內(nèi)容和方法的改革及研究，進一步完善現(xiàn)有的教學內(nèi)容及教學方法體系，不斷提高教學質(zhì)量和水平；（2）課程組對教學模式、教學手段進行創(chuàng)新，制作與使用多媒體課件，課件制作精良，對重點章節(jié)制作微課等，進一步完善網(wǎng)絡在線教學等，都取得了一定教學成效；（3）課程組加強課教學團隊建設，提高教學師資水平，培養(yǎng)較高水平的教學團隊，加強省內(nèi)外教學經(jīng)驗的交流與合作；（4）加強理論教學、科學研究與實踐環(huán)節(jié)的緊密結(jié)合，跟蹤科技前沿，將最新的科技成果融入課程教學。

本課程建設存在問題與改進：（1）教學資源雖豐富，但網(wǎng)絡化工作開展較晚，需要進一步加強、完善；（2）用于促進研究性主動學習的擴充性資料等需要進一步豐富；（3）“理論教學+科研+實踐教學”相結(jié)合教學模式還有待于進一步研究探討，使其愈加完善成熟。

參考文獻：

［1］陳則韶.高等工程熱力學［M］.第2版.中國科學技術出版社，2014.

［2］彥啟森，等.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術［M］.第四版.中國建筑出版社，2010.

［3］童鈞耕，等.高等工程熱力學［M］.科學出版社，2006.

［4］廉樂明，等.工程熱力學［M］.第五版.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

項目：河北省教育廳2022年省級研究生示范課程；課程名稱：高等工程熱力學（項目編號：KCJSX2022102）；2021年度中國建設教育協(xié)會教育教學科研課題“面向建設行業(yè)人才培養(yǎng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建研究與實踐”（項目編號：2021084）；2022年度河北建筑工程學院教育教學改革研究與實踐項目“新工科人才培養(yǎng)背景下創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革探索與實踐”（項目編號：2022JY001）

作者簡介：盧春萍（1966—?），女，漢族，河北懷來人，本科，教授，研究方向：供熱、節(jié)能技術。

*通訊作者：牛建會（1981—?），女，漢族，河北保定人，研究生，副教授，從事制冷空調(diào)熱泵技術研究。