工程熱力學(xué)課程研究型教學(xué)實踐探索

李育隆，韓 燦，董苯思

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 北京 102206；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)研究院 北京 102206）

工程熱力學(xué)是北京航空航天大學(xué)航空宇航科學(xué)與技術(shù)和動力工程及工程熱物理學(xué)科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在幫助學(xué)生了解掌握熱力學(xué)的普遍原理、各類熱機(jī)工作過程及循環(huán)特性，是后續(xù)航空發(fā)動機(jī)原理等專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)。工程熱力學(xué)概念多、公式多，內(nèi)容抽象且難理解，對學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)和思維能力要求較高。歷年來，教師教授工程熱力學(xué)時，都將大部分課時投入概念、公式等理論部分的講解，而缺少與實際工程問題和物理問題的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生對該學(xué)科的工程實踐缺乏認(rèn)識[1-3]，在后期實踐應(yīng)用中無法運用工程熱力學(xué)的知識解決實際問題。因此，工程熱力學(xué)課程教學(xué)改革已刻不容緩。

研究型教學(xué)已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，該方法將教學(xué)和科研實踐緊密結(jié)合，是課程教學(xué)方式的一項重要改進(jìn)措施。19 世紀(jì)初，洪堡提出了“教學(xué)與科研統(tǒng)一”理念，這一理念在柏林大學(xué)的辦學(xué)中實踐，實現(xiàn)了大學(xué)教學(xué)與科研的促進(jìn)和統(tǒng)一[4]。研究型教學(xué)將科學(xué)研究和課堂教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到增強(qiáng)，解決問題的能力和對所學(xué)知識的實際應(yīng)用能力得到提高[5-6]。近年來，研究型教學(xué)也在我國高等教育中獲得了重視及發(fā)展。2005 年，教育部提出要“積極推進(jìn)研究型教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”[7]。2015年4 月，教育部提出了“強(qiáng)化‘科教融合’辦學(xué)的新形勢與新任務(wù)”[8]，各高校在新的政策下開始尋求新的辦學(xué)模式。

本文在工程熱力學(xué)課程教學(xué)中引入研究型教學(xué)模式，探索教學(xué)實踐，將教學(xué)、科研與工程實踐緊密結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維能力與工程實踐能力，以實現(xiàn)培養(yǎng)服務(wù)國家需求、引領(lǐng)時代發(fā)展的未來領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才的目標(biāo)。

1 課程研究型教學(xué)模式實踐探索方案

1.1 對現(xiàn)有課程內(nèi)容的優(yōu)化、擴(kuò)充、更新

工程熱力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容概念多、公式多、內(nèi)容抽象，基礎(chǔ)理論占有很大比重，需重新梳理教學(xué)方法、整理教學(xué)邏輯，保證學(xué)生掌握基本理論知識和技能，建立牢固的專業(yè)基礎(chǔ)。同時，加入與實際工程實踐以及航空航天相關(guān)專業(yè)知識應(yīng)用的內(nèi)容，使學(xué)生能將理論與工程實際相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的目的。具體教改措施包括以下兩方面。

1.1.1 梳理教學(xué)方法、整理教學(xué)邏輯

重新梳理教學(xué)方法，注重授課邏輯，方便學(xué)生了解和掌握熱力學(xué)知識，從由簡到繁的邏輯順序出發(fā)教授課堂內(nèi)容。如在教授各種功的概念和聯(lián)系時，因概念眾多且關(guān)系復(fù)雜，學(xué)生理解較為困難，需基于如下流程重新梳理授課邏輯：①通過簡單的閉口系能量方程引出容積變化功或膨脹功的概念和物理意義；②從較復(fù)雜的開口系能量方程引出推動功、流動功的概念和物理意義；③從工程實際問題的需要出發(fā)，引出技術(shù)功、軸功的概念和物理意義；④通過穩(wěn)定流動能量方程下閉口系和開口系的等價性，揭示開口系工質(zhì)流動中隱藏的控制質(zhì)量的本質(zhì)屬性，從而進(jìn)一步導(dǎo)出閉口系中膨脹功與開口系中技術(shù)功的關(guān)系；⑤采用方程的形式描述各種功之間的關(guān)系、各個功的物理意義以及能量的變化形式。經(jīng)過以上過程，將由淺入深地使學(xué)生掌握各種功的概念和物理意義。

1.1.2 增加工程實踐及專業(yè)知識的教學(xué)

目前，工程熱力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容以理論知識為主，教學(xué)過程中與工程實踐的聯(lián)系較為匱乏，亟待在授課內(nèi)容中增加理論知識應(yīng)用實例，增強(qiáng)理論與工程實踐的聯(lián)系。如在學(xué)習(xí)氣體動力循環(huán)基礎(chǔ)理論知識時，對目前使用的航空發(fā)動機(jī)、車輛發(fā)動機(jī)、輪船發(fā)動機(jī)、火力發(fā)電廠、制冷空調(diào)等的能量循環(huán)利用原理進(jìn)行講解；學(xué)習(xí)能源分類的基礎(chǔ)內(nèi)容時，對新能源汽車中應(yīng)用的技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。這些工程實踐的教學(xué)內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生討論和思考、培養(yǎng)將理論知識轉(zhuǎn)化為專業(yè)技術(shù)的能力。

增加專業(yè)相關(guān)及學(xué)科前沿內(nèi)容，在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加航空發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)的應(yīng)用實例，以及航空電推進(jìn)等前沿技術(shù)中的熱力學(xué)應(yīng)用，向?qū)W生展示本專業(yè)最前沿的科學(xué)技術(shù)與成果，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣及學(xué)習(xí)積極性。

1.2 設(shè)置研究型專題實踐

在對授課的主要內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時更好地掌握相關(guān)知識點，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，特設(shè)置研究型專題實踐。熱力循環(huán)分析是工程熱力學(xué)知識體系集成的能力體現(xiàn)，根據(jù)航空航天專業(yè)對工程熱力學(xué)的理論需求，選擇燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱實際循環(huán)作為專題進(jìn)行探究討論，對循環(huán)熱效率及功率隨循環(huán)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，提出并分析提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的措施。

研究型專題實踐流程為：①課前，教師介紹專題的背景，引入專題問題，布置專題任務(wù)；②學(xué)生通過獨立研究、小組合作研究或獨立研究與集體討論相結(jié)合的方式對專題問題進(jìn)行分析解答；③在學(xué)生對問題進(jìn)行分析和解答的過程中，教師和助教對學(xué)生的研究情況進(jìn)行全程跟蹤和指導(dǎo)，從而了解學(xué)生專題研究的進(jìn)展與問題，以便及時提供指導(dǎo)和幫助，確保研究型專題實踐順利進(jìn)行；④學(xué)生完成專題內(nèi)容，將結(jié)果寫成報告或論文，在上課時進(jìn)行小組匯報和答辯。

2 研究型專題具體案例

本節(jié)將介紹研究型專題案例的主要內(nèi)容、實施方法和意義。案例的主要內(nèi)容包括：①不同工質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功隨循環(huán)參數(shù)的變化分析；②采用回?zé)釙r循環(huán)的熱效率變化分析。

燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣和燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動力設(shè)備，根據(jù)循環(huán)過程中各熱力參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系以及循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功的定義，可得到燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率和循環(huán)功隨熱力循環(huán)參數(shù)變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，并做出關(guān)系圖，如圖1 所示。

圖1 不同增溫比下循環(huán)熱效率隨循環(huán)增壓比的變化

學(xué)生進(jìn)行該部分專題案例研究的過程為：①編程得到燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率和循環(huán)功隨熱力循環(huán)參數(shù)變化的情況；②分析當(dāng)循環(huán)增壓比一定時，循環(huán)增溫比對循環(huán)熱效率及循環(huán)功的影響規(guī)律，探究循環(huán)最高溫度的選取標(biāo)準(zhǔn)和選取范圍，并結(jié)合航空發(fā)動機(jī)實際參數(shù)進(jìn)行討論分析；③分析當(dāng)循環(huán)增溫比一定時，循環(huán)增壓比對循環(huán)熱效率和循環(huán)功的影響，探究循環(huán)增壓比極值規(guī)律及其極值與循環(huán)增溫比的關(guān)系，并調(diào)研實際航空發(fā)動機(jī)中使用的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的循環(huán)增壓比范圍；④研究壓氣機(jī)的絕熱效率對燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的影響規(guī)律，調(diào)研實際航空發(fā)動機(jī)中壓氣機(jī)絕熱效率大致范圍及提高措施。

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)裝置所使用的工質(zhì)不同時，其絕熱比也隨之變化。專題將在已有熱力循環(huán)分析的基礎(chǔ)上探究不同工質(zhì)絕熱比對循環(huán)熱效率和循環(huán)功的影響規(guī)律，學(xué)生進(jìn)行該部分內(nèi)容研究的具體過程為：做出燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率和循環(huán)功隨不同工質(zhì)絕熱比的變化關(guān)系圖，分析不同工質(zhì)做功時，循環(huán)熱效率和循環(huán)功的變化情況，得到相應(yīng)的變化規(guī)律，并針對航空發(fā)動機(jī)中常用的工質(zhì)進(jìn)行具體分析。

以上從熱力循環(huán)分析角度研究了定壓加熱實際循環(huán)的熱效率以及循環(huán)功的影響因素，探究了提高循環(huán)熱效率及循環(huán)功的方法。除改變循環(huán)特性參數(shù)、改變循環(huán)工質(zhì)的方法外，還可以從改進(jìn)循環(huán)著手，例如采用回?zé)岬姆绞教岣哐h(huán)熱效率。圖2 為采用回?zé)岷笙到y(tǒng)循環(huán)熱效率隨回?zé)岫茸兓年P(guān)系圖。

圖2 增加回?zé)岽胧┑娜細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率

學(xué)生進(jìn)行該部分內(nèi)容研究的具體過程為：①做出采用回?zé)岽胧┖笙到y(tǒng)熱效率隨回?zé)岫茸兓年P(guān)系圖，分析熱效率變化的規(guī)律；②調(diào)研分析回?zé)崞餮b置的尺寸、重量、費用等與回?zé)岫鹊年P(guān)系，對兼顧高循環(huán)熱效率及低附加尺寸、附加重量的回?zé)嵫h(huán)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探究；③調(diào)研使用回?zé)嵫b置的典型系統(tǒng)，并探究討論其系統(tǒng)中合適的回?zé)岫燃笆褂没責(zé)崞骱鬅嵝实脑龃笾?；④調(diào)研航空發(fā)動機(jī)提高裝置系統(tǒng)循環(huán)熱效率的其他可行方法，對典型方法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析比較。

待學(xué)生完成上述所有分析后，調(diào)研總結(jié)民用航空發(fā)動機(jī)、軍用航空發(fā)動機(jī)及微型燃?xì)廨啓C(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等燃機(jī)實際循環(huán)性能參數(shù)。根據(jù)上述專題的學(xué)習(xí)和探索，分析各參數(shù)的變化規(guī)律和原因，探究進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)循環(huán)熱效率、挖掘能源利用潛力的方法。

本研究型專題通過建立循環(huán)熱效率和循環(huán)功的數(shù)學(xué)模型，可加深學(xué)生對燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)的理解。通過編程的方法得到循環(huán)熱效率和循環(huán)功的變化關(guān)系圖，可鍛煉學(xué)生的理論推導(dǎo)能力、編程能力以及圖形表達(dá)能力。學(xué)生對計算結(jié)果進(jìn)行比較分析，同時聯(lián)系專業(yè)內(nèi)容，對航空發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)以及熱效率提高方法進(jìn)行調(diào)研探討，可提高科技寫作能力、文獻(xiàn)查閱能力以及自主思考能力，更加凸顯專業(yè)和學(xué)科結(jié)合的特色。

3 結(jié)語

本文使用研究型教學(xué)的模式對工程熱力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行改革，主要包括對現(xiàn)有課程內(nèi)容的優(yōu)化擴(kuò)充更新以及設(shè)置研究型專題實踐兩方面的內(nèi)容。本文的教學(xué)探索有助于培養(yǎng)“強(qiáng)情懷、強(qiáng)基礎(chǔ)、強(qiáng)實踐、強(qiáng)融通”的“四強(qiáng)”人才，為工程熱力學(xué)課程教育的科學(xué)化、現(xiàn)代化和高效化改革實踐積累了經(jīng)驗。