“工程熱力學”教學方法的研究與實踐

摘 要 工程熱力學是培養21世紀工科學生科學素質的公共基礎課，也是熱能與動力工程及相關專業的重要技術基礎課。文章以“厚基礎、寬口徑”為教學改革思想，經教學實踐，從課程體系、教學內容、教學方法和手段、成績評定等方面，提出了若干改革的思路和方法。教學中應明確學習目的，整合知識結構，更新教學內容，突出和把握學科研究動態，注重理論聯系實際，加強實踐教學，以綜合考評促進教學質量的提高。

關鍵詞 工程熱力學 教學方法 教學質量 實踐

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Research and Practice of Teaching Method on \"Engineering Thermodynamics\"

ZHANG Yong， LIU Yiwen， FU Lijuan

(Chongqing Automobile Institute， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054)

Abstract Engineering thermodynamics the basic course is to train engineering students' scientific quality in the 21st century， but also important technology-based course of heat and power engineering and related fields. Articles with \"thick foundation， wide caliber\" of education reform ideas， the teaching practice， from the curriculum， teaching content， teaching methods and means of performance evaluation， etc.， made a number of reform ideas and methods. Teaching should be a clear learning objective， integration of knowledge structure， and update course content to highlight and to grasp the dynamic interdisciplinary research， focusing on integrating theory with practice， to strengthen the practice of teaching， in order to facilitate a comprehensive evaluation of teaching quality.

Key words engineering thermodynamics; teaching methods; teaching quality; practice

工程熱力學是一門以熱力學普遍原理為基礎，講述熱能與其他形式能量（主要是機械能）之間的轉換規律及其工程應用的基礎學科，是動力、能源、機械、材料、航空航天、生物（醫學）、化學以及環境工程等專業的重要技術基礎課，也是培養21世紀工科學生科學素質的公共基礎課。

然而長期以來，由于工程熱力學的概念抽象、理論深奧，對知識的理解和掌握有一定的難度，造成教師不易教，學生也不易學。學生對很多概念似懂非懂，缺乏學習興趣，教學效果欠佳。顯然，如何教好“工程熱力學”，使學生掌握熱力學基本原理及其工程應用，已成為該課程教學的關鍵。

1 課程特點及學習中存在的問題

工程熱力學是以熱力學普遍原理為基礎，針對具體問題采用抽象、概括、簡化和理想化的方法，建立分析模型，推導出一系列有用的公式，得到若干重要結論，并用這些公式和結論指導和解決工程實際問題。其顯著特點如下：

1.1 概念多且抽象難懂

工程熱力學不但概念多，并且概念的物理意義在不同使用條件下又有不同的引申，學習中很容易混淆。例如，功的概念，有體積變化功、有用功、排斥大氣功、推動功、流動功和技術功等等。熱容的概念，既可從定義出發分為質量熱容、摩爾熱容、體積熱容；又可按熱力過程的不同分為比定壓熱容和比定容熱容；還可以根據熱量計算方法的不同分為真實比熱容、平均比熱容和定值比熱容等。熱力系統的概念、熱力過程的概念和循環的概念等也是如此。

工程熱力學的概念、定律和分析過程較為抽象，都不涉及物質的具體結構，初學者很難深入領會。而且工程熱力學的很多概念和結論都是用數學公式來表達的，且推導過程并沒有結合具體的物理過程，而僅僅是通過數學關系式間的變換得出其物理結論。例如，從熵的定義式來看，熵應該與換熱量和系統溫度有關，但定義式又是怎樣反映熱過程進行的方向、限度和條件呢？由于學生以前很少接觸用數學語言描述物理概念的方法，普遍感覺熱力學的概念抽象難懂。

1.2 內容相互交叉且難理解

工程熱力學的研究內容也很多，主要包括熱力系統、狀態參數等基本概念，熱力學第一、第二定律等基本定律，常用工質的性質，過程和循環的分析及計算方法，化學熱力學等等。有些章節的內容還可以單獨成為一門學科方向，如研究燃氣動力循環的內燃機學，研究氣體流動的空氣動力學等。

可見，這些具體的研究內容，即與熱力學的基本原理相關聯，又引伸出許多復雜的公式和結論，還有自己相對獨立的結構體系。在學習過程中，學生普遍感覺課程的內容繁多，應付不暇，難于理解，顧此失彼。

1.3 公式應用條件復雜且難記憶

工程熱力學與工程實際問題聯系密切，涉及面廣，公式很多。即使同一個公式，在不同的應用條件下，也有很多不同的表達形式。例如，熱力學第一定律對于閉口系和開口系有兩種不同的表達式；對于可逆過程也有不同的表達形式；對于理想氣體的可逆過程還有不同的表達形式。這么多不同形式的公式，許多學生很難吃透公式的物理意義和具體的應用條件，在遇到熱工實際問題時，往往無法確定選用哪一個公式，靈活應用就更不用說了。

2 明確學習目的，激發學習興趣

興趣是學習的動力源泉之一，教學成功的關鍵是培養學生的學習興趣。教師可以從多個方面激發學生學習的興趣，但最重要的就是在第一堂課上讓學生明確學習的目的。教師除了要對工程熱力學的發展歷史，主要研究對象、內容和方法作一個常規的介紹外，還應對課程的開設情況、課程的實用價值和重要作用進行深入細致的闡述。首先，熱現象幾乎是每一個工程領域中都會碰到的物理現象，能量的有效與合理的利用幾乎是每一個工程師都需要解決的問題。在一些領域中，熱現象的規律還是制約技術發展的瓶頸問題。所以，在境內外的高等工程教育中，傳熱學、熱力學與流體力學課程的開設相當普遍。其次，無論從工業生產過程來看，還是從節約能源消耗來看，理工科學生都應該具備合理節能、用能的意識，并懂得其基本的應用技術。而熱工類課程的內容就是合理用能及節能理論中的最基礎與最核心的部分。最后，還應結合生產和生活中的實例，讓學生明白學到的熱力學知識可以解決和解釋很多實際問題，特別要強調專業與課程的聯系，和實際問題在課程中的理論基礎。這樣，才能使學生明確學習《工程熱力學》的專業目的性，對學習該門課程充滿期待。

3 教學方法的改革與實踐

實踐證明，提高課程教學質量的關鍵是改進教學方法。針對工程熱力學課程的特點，經過探索發現，實行啟發式教育，在課堂上加強互動，就一兩個中心問題展開討論，讓學生在思考中吸收新知識。先進的教學方法既可活躍學生的學術思想，激發學生的創新精神，又可顯著提高本課程的教學質量。

3.1 整合知識結構，優化課程體系

調整后的新專業所牽涉的知識結構比以前廣泛的多，要求學生掌握的知識面也比以前更寬。從培養復合型人才考慮，在不增加學時數的基礎上，應對課程體系進行優化和整合。

教學內容應提高起點、后移重點，簡化大學物理熱學中已涉及的部分內容，并略去繁瑣的公式推導。強調課程體系中理論與應用的有機結合和相互滲透，注意培養學生工程應用的觀念。同時，適當地介紹新型制冷循環、新型節能材料的工質熱物性等，本學科的最新研究成果及其應用，以擴大學生的知識面，啟發學生的創造性思維。另外，注意與其它課程之間的協調，上掛高等數學、理論和材料力學等基礎課程，下掛內燃機原理、鍋爐原理、供熱工程、制冷工程等專業課程，保證其作為技術基礎課程能為后續課程的學習、今后的工作和進一步的研究奠定扎實的理論基礎。

3.2 突出重點，精講多練

在課堂教學中，根據工程熱力學的特點和教學改革的要求，應采用精講多練的教學方法。這是因為，課程的內容多而課時少，教學中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后續專業課程的學習中還會應用，授課時應有所側重，實行“精講”；課程有諸多應用條件復雜的公式，只有通過多做練習，才能深入理解公式的物理意義、變換規律及具體應用條件，做到融會貫通，靈活的應用它們來分析解決工程實際問題。

3.3 正確應用圖表，化抽象為形象

圖表具有直觀、形象、方便的特點，在工程熱力學中有其特殊的作用，應用也是經常性的。因為有些熱力過程或循環十分復雜，一般的分析計算根本不可能，只能憑借各類繪制的圖表進行計算；借助圖表還可利用計算機進行數值計算和模擬。所以，引導學生正確使用圖表是工程熱力學教學中應該特別重視的。

在剛開始接觸簡單的P-V圖、T-S圖時，為了給理解水蒸氣和濕空氣的圖表奠定基礎，就應提醒學生注意圖表的作用和細節，如怎樣在圖上區分吸熱、放熱，對內、對外作功；怎樣在圖上表示熱過程的方向等等。在介紹水蒸氣的h-s圖和濕空氣的h-d圖時，應重點說明它們的構圖原理，并通過各種等值線簇的繪制，講解各參數的變化規律。另外，為了讓學生掌握各種圖表的使用方法，還應安排一定數量的、通過圖表進行熱力計算的習題。

3.4 利用計算機輔助教學，促進師生互動

工程熱力學課程內容含有許多抽象的工作原理圖、系統循環圖。常規的板書教學浪費時間效果也不太理想。如果把這部分內容制作成集聲、光、色、圖、文于一體的多媒體課件，既直觀形象，又新穎生動。不但可加強授課的生動性，激發學生的學習興趣，還可加大教學信息量，增加單位時間內授課內容的深度和廣度，有利于學生理解和記憶課程內容。例如，我們可以用多媒體課件演示各種熱過程曲線的生成，還可以利用計算機繪制水蒸氣的各種圖線，免除查圖、查表的麻煩。

總之，在課堂上進行形象直觀的教學，充分利用計算機輔助教學，發揮多媒體的作用，可以幫助教師有效地提高教學效果和教學效率，也可以改變學生死記硬背和被動接受知識的學習方式。

3.5 加強實踐教學，理論聯系實際

工程熱力學有較強的工程應用背景，在加強基礎理論教學時，還要注意緊密聯系工程實際，吸收當今熱工科技的新成果，培養學生的創新能力。

實驗教學具有直觀性強的特點，可以很好地配合課堂教學。除了開設“空氣絕熱指數的測定”、“飽和蒸汽P-T曲線關系的測定”等驗證性試驗外，還開設了綜合設計性試驗，要求學生根據試驗目的，自己設計試驗方案，寫出詳細的試驗，并選擇試驗設備和用具，經教師審查合格后，方可開始試驗，最后還要進行實驗誤差分析。通過試驗，一方面加深了學生對熱力學基本原理的理解和認識，另一方面也鍛煉了學生的動手能力和獨立分析問題、解決問題的能力。

在課堂教學中，還應注重理論聯系實際，把抽象的理論知識與生動的工程實際問題相結合，用熱力學理論剖析自然現象，做到學以致用。一方面，可以采用案例教學法。例如，用相對濕度的概念來解釋為什么陰雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用熱效率的概念來解釋為什么用電爐取暖比用電驅動熱泵取暖浪費等等。另一方面，結合具體教學內容適時地向學生介紹學科的最新研究成果及其應用。例如，在講解動力循環時，可以選擇介紹目前內燃機利用蘭金循環回收廢熱能量，提高整機效率的方法。實踐證明，把教學內容與工程實際問題密切聯系的教學方法，可以加強課堂教學的前瞻性和趣味性，能有效調動學生的求知欲，使其由“被動接受學習”轉變為“主動研究學習”，對提高教學效果大有幫助。

4 強化考試對教學的推動作用

考試作為檢驗學生對課程內容掌握程度的標尺，關系到教學質量和效果。為了使考試成績能科學、客觀、公平地反映學生對工程熱力學知識的掌握和應用能力，同時調動學生學習的主動性和積極性，可采用學生普遍認可的綜合評定成績的方式，即平時成績占10%、考勤占10%、實驗占10%、期末考試占70%。

為了有效避免學生死記硬背概念、定律和公式，教師應綜合運用選擇題、判斷改錯題、計算題和綜合分析題編制試卷，靈活考察熱力學的基本原理及應用。這是因為實際問題往往非常復雜，需要學生靈活應用多方面的理論知識才能做出正確解答。對于那些基礎知識不扎實的學生，只是簡單記住了書本上概念、定律和公式，面對各種似是而非的敘述也會舉棋不定，做出錯誤判斷也不足為奇。

5 結束語

工程熱力學是一門充滿生機的經典學科，大量的經典內容仍是現代學子為培養創新能力必須掌握的重要基礎。由于課程具有概念多且抽象、知識點多且相互交叉、公式多且應用條件復雜的特點，教師要把這門課講得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程熱力學”的教學質量、解決學生難學、教師難講的問題，是值得長期研究的課題。

針對我校熱能與動力工程專業課程體系的教學改革，并結合自己的教學實踐，通過以上的嘗試，有重點、有目的的講解，取得了一定的效果，希望能對提高本課程的教學質量有所貢獻。

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