大工程觀下熱物理基礎課程體系改革研究

鄂加強　左紅艷　王曙輝　鄧元望　龔金科　蔡皓

摘 要：對工程專業學生進行熱物理基礎課程教學是培養具有熱物理工程技術的“大工程觀”要求的高等工程人才的唯一途徑。然而目前許多高校工程專業在熱物理基礎課程設置或者教學方面存在較多問題，為此，以“大工程觀”教育理念為指導，以理論教學與實踐教學結合為基礎，以熱物理與其他課程交叉滲透為依托，以熱物理工程的實踐性與培養學生的創新性為核心，以具備合理用能、節能和環保能力的培養為主線對工程專業的熱物理基礎課程進行適應性改革，探索大工程觀背景下工程專業熱物理基礎課程改革新途徑。

關鍵詞：大工程觀；熱物理基礎；教學內容；工程專業；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2012）36-0300-04

自20世紀70年代以來，世界性的新技術革命對工程活動產生了巨大影響，工程活動對知識技術、能力綜合的需要達到前所未有的程度。從動力生產、能源節約、環境保護以及工業生產過程本身特點來看，工程專業學生應該具備合理用能、節能和環保的意識并懂得其基本的技術，而熱物理基礎課程的內容是合理用能及節能理論中的最基礎與核心的部分。因此，作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉換、傳遞技術的熱物理基礎課程，不僅應是大工程觀下能源動力類專業高等工程教育中的重要理論基礎課[1～2]，而且也應是21世紀所有大工程觀下工程專業學生的公共理論基礎課。

高等工程教育 [3～4] 的熱物理基礎課程教學是培養具有熱物理工程技術的“大工程觀”要求的高等工程人才的唯一途徑。因此，熱物理基礎課程和教學的改革占據著“大工程”培養觀的重要地位，在大工程觀下高等工程技術人才的培養方案中，熱物理基礎課程體系是整個工程專業課程體系的基礎，應首先進行改革，為整個培養具有大工程理念的高級工程技術人才打好基礎。

一、熱物理基礎課程體系現狀分析

（一）熱物理基礎課程特征分析

在中國，熱物理基礎課程一般指《工程熱力學》與《傳熱學》兩門課程。同時，由《工程熱力學》與《傳熱學》組成的《熱工學》、《熱工基礎》或《熱物理學》也屬于熱物理基礎課程的范疇。高等數學與大學物理是熱物理基礎課程的前續課程。對于工程專業而言，高等數學與大學物理是基礎中的基礎，很多學不好熱物理基礎課程的學生，主要是因為高等數學基礎知識或者大學物理基礎不扎實所造成的[5-6]。《工程熱力學》是一門較完善的課程，已形成較完整的理論體系，并具有完整的理論結構和實際應用內容。《工程熱力學》課程中的基本概念和理論基礎是熱力學工程實際應用的基礎，若基本概念和理論基礎沒掌握好，必然導致不能熟練推導出數學公式，從而會致使熱力學工程實際應用學習的難度大大增大，甚至會使得學生產生厭學的情緒。與《工程熱力學》不同，《傳熱學》的公式很多是來自于實驗的歸納整理，需要記熟背熟。《傳熱學》主要是使用其原理或知識進行分析，而《工程熱力學》主要是推導計算。兩門課程的共同特點是必須大量做思考題和習題，才能真正掌握，熟練應用。

（二）熱物理基礎課程體系存在的問題

與大工程觀背景下工業先進國家的熱物理基礎課程教學相比較，還有較大的差距，主要表現為[7]：（1）輕視實際、脫離實際；（2）人才培養的熱物理知識結構體系不夠完善，面向實際的熱物理工程訓練不足，與企業聯系不夠緊密；（3）辦學方向面向熱物理工程不夠，教學模式和教學方法陳舊，文化陶冶過弱，專業教育過窄，功利導向過重，共性制約過強等。

二、大工程觀下熱物理基礎課程體系構建

針對目前中國高等工程教育中熱物理基礎課程教學存在的問題，其改革思路是：以“大工程觀”教育理念為指導，以理論教學與實踐教學結合為基礎，以熱物理與其他課程交叉滲透為依托，以熱物理工程的實踐性與培養學生的創新性為核心，以具備合理用能、節能和環保能力的培養為主線對工程專業的熱物理基礎課程進行適應性改革，探索大工程觀背景下工程專業熱物理基礎課程改革新途徑（如下頁圖1所示）。

（一）大工程觀下熱物理基礎理論課程體系構建

1.統籌規劃，合理安排工程專業熱物理基礎課程體系結構和內容。（1）研究適應各大類工程專業學生培養需要的熱物理基礎課程結構和內容。根據各大類工程專業學生培養所需要熱物理基礎知識的不同，各大類工程專業可分成三大類：1）熱物理基礎課程是該類型專業的重要技術基礎課；2）熱物理知識是某一大類中部份專業的技術基礎，而對另一些專業則關系則要遠一些（工業設計）或者熱物理知識是某類專業（如材料成型與控制工程）中的某一方向（如鑄造、焊接）的主要技術基礎課但與另一些方向（如真空技術及設備）關系較遠；3）熱物理知識與該大類專業的主干技術無直接的關系。因此，可針對此三大類工程專業開設不同結構和內容的熱物理基礎課課程，并可分為高學時（必修）的《工程熱力學》和《傳熱學》、中學時（必修與選修）的《工程熱力學》、《傳熱學》或者《熱物理學》和少學時（必修與選修）的《熱物理學》等三種。對于同一大類中的不同類型專業在教學內容上還可有所不同側重或以專題形式作適當補充。對于中學時（必修與選修）的《工程熱力學》、《傳熱學》或者《熱物理學》；和少學時（必修與選修）的《熱物理學》，應強調理解基本概念，掌握方法，而不深究公式的推導，通過典型問題的分析，達到舉一反三的目的。（2）熱物理基礎課程的相互滲透和相互融合。由于熱物理基礎課程的內容是相互滲透、密切聯系的，必然存在交叉、重復部分。經過綜合分析，可對那些有益的或是討論角度不同造成的重復內容進行謹慎處理（如有些內容壓縮，而有些內容則須加強）。其處理原則是：既要考慮課時的有效利用，又要保持熱物理基礎課程之間的銜接和層次。（3）拓寬熱物理基礎課程的工程應用，增強與工程專業的聯系。熱物理基礎課程在工程實際中有廣泛的應用，在教學過程中，應突出地反映這一特點。從兩個方面著手，首先把每個教學單元劃分為基礎篇和應用篇，基礎篇著重掌握基本概念、定律，應用篇則力求培養分析能力，采用點面結合的方法。所謂點，就是講清某單元基礎知識在工程實際或專業課某方面的應用，其中包括一定數量的例題或習題；所謂面，則是針對教師的科研、技術開發課題或科技論文做專題討論，綜合所學的知識。學生對這種教學方式反映熱烈，覺得學有所用。（4）更新熱物理基礎課程內容，適應現代發展要求。近代工程技術的發展給本科《傳熱學》教學帶來了巨大的變化，《工程熱力學》的教學內容也不同程度地存在類似的情況。例如，二十年前的本科生教材很少有關于火用 分析方面的內容，而現在這個狀態參數已經被廣泛接受并用來分析工程設備過程的能量利用情況。

相對于《傳熱學》，《工程熱力學》的國內外教材的內容顯得似乎過于穩定，近年來出版的教材中新技術的概念介紹極少。比如，當前中國的長期能源問題已經十分突出，為保護環境，執行可持續發展的方針，在“十二五”規劃教材上，《工程熱力學》應該對新的、先進的能源利用方式（聯合循環發電、氫能利用、燃料電池、分布式發電和熱電冷三聯供、新能源發電等等）有適當的反映。超臨界和超超臨界循環是傳統燃煤汽輪發電機組提高經濟性與環保性的有效途徑，也是近年來國外燃煤火電廠的重要發展方向及中國要積極研發的方向，在熱物理基礎課程新教材和今后的教學中也應有相應的地位。如在這方面予以充分重視，在熱物理基礎課程新教材和今后的教學中注意揚棄舊的思想、研究方法及其內容，利用一定學時介紹各學科的新方法、新內容，努力使教學內容適應現代科技的發展趨勢。

2.熱物理基礎課程與其他課程交叉滲透。（1）熱物理基礎課程與物理課程的交叉。熱物理基礎課程中的部分內容與大學物理中的熱學存在重復。大學物理中，熱學內容總學時數為12～14學時，且熱力學兩個定律只安排6學時。由于物理學主要解決“是什么”、“為什么”的問題，而熱物理基礎課程主要解決“做什么”、“怎么做”的問題，因此在熱物理基礎課程中，應著重討論熱力學系統與環境（外界）相互作用的形式；熱平衡態與準靜態過程的矛盾與統一；熱力學中如何延拓力學中的力、位移、功、熱力學能概念；為什么要討論可逆過程，如何由不可逆過程抽象出可逆過程概念，熵是如何引入的，為什么要定義一個熵函數等等。（2）熱物理基礎課程與流體力學課程的交叉。例如，《傳熱學》的對流換熱部分，有大量的邊界層和繞流理論，是重復流體力學的內容。又如，流體力學和熱力學中都有氣體在管道、噴管中流動的理論。經過綜合分析，可以對那些完全重復內容予以削減，或者進行謹慎處理，但要保持熱物理基礎課程與流體力學課程之間具有較好的銜接性。（3）整合出新型熱物理課程。為適應不同類型專業的需要，可以開設出一些綜合性的、新的熱工類課程。無論是能量轉換、熱量傳遞還是質量傳輸，都存在如何提高轉換效率、傳遞效率和節約能源的問題，其中的關鍵是要減少過程的熵產（或不可逆損失）以及強化傳遞過程。為此，可開設一門綜合《工程熱力學》、《傳熱學傳質學》和《流體力學》的新課——例如可稱之為《工程裝備熱流設計與優化》。如果關于“優化”的內容能具體結合一些工程專業過程中的具體問題，那么這樣的課程就會受到相關專業的歡迎。

（二）大工程觀下熱物理基礎實驗課程體系構建

從熱物理基礎課程發展歷史來看，實驗研究和數學物理方法是并行發展、相互補充、相互促進的；而從教學角度分析，實驗是鍛煉學生動手能力，培養學生理論聯系實際和解決問題能力的重要環節。如何完善和合理組織實驗內容將直接影響課堂教學的效果。為此，在熱物理基礎實驗教學中突破以往的傳統模式，以配合理論教學、鞏固課堂效果為目的，以培養應用型人才為目標，改革實驗教學方法，加強實驗室建設，有效地發揮了實驗室的功能。

1.科學設置熱物理基礎課程實驗項目。實驗室應成為理論聯系實際，培養學生動手操作能力的場所。為滿足這種功能，應增加熱物理基礎課程實驗學時，增設熱物理基礎課程實驗項目，并相應設置演示實驗（包括課堂演示）、驗證性實驗、應用性實驗以及設計性實驗。演示、驗證性實驗是不可缺少的內容，可幫助學生理解抽象概念，印證熱物理基本理論和基本定律，鞏固課堂學習內容，熟悉各種儀器設備及其操作規程，培養嚴謹的科學態度。應用性、設計性實驗則是一般實驗的一個飛躍，其作用更多的是為了培養鍛煉學生的綜合能力，引導他們的縱向和橫向思維以及創新思想。這樣，通過多方面、多層次循序漸進的實驗過程，以求達到掌握基本技能和提高應用能力的目的。

2.合理組織熱物理基礎課程實驗。以往的熱物理基礎課程實驗模式，大多是學生根據實驗指導書給出的原理和步驟等，機械地照搬硬套，做完實驗、寫出實驗報告。這樣既束縛了學生的積極性、創造性，也不能滿足能力訓練的要求。針對弊端，可對熱物理基礎課程實驗方式進行合理組織。根據不同實驗的性質，有的安排預習，在實驗開始前由指導教師提出問題，讓學生回答解決方法，以此評定預習成績；有的則讓學生分組，自己動手組裝實驗臺，做完實驗后集中評議，對比優劣，公開評定成績；設計性實驗則完全拋開指導書，代之以設備說明書、實驗任務和要求等，讓學生自己擬定實驗方案，發揮學生的創造力。

3.更新熱物理基礎課程實驗設備和內容。隨著科技的進步和學科的發展，熱物理基礎實驗的技術和手段也更加完善，內容不斷推陳出新。要適應這種發展，不能僅僅依靠學校的撥款。在有限的財力、物力條件下，調動教師積極性，自行研制、設計新實驗，改造原有設備，開發新項目。例如，可以自行設計改造對流傳熱過程阻力實驗的微機采集和處理系統、熱管換熱器試驗臺等項目，這樣既可節省大量的經費，鍛煉了教師隊伍，又可保證學生能夠在實驗中學習新知識、新技術，開拓視野。

4.制訂嚴格合理的考核制度。實驗成績的好壞，應有一個合理的考核方法。以往的考核大多以實驗報告為依據，而實驗報告中大部分內容是從實驗指導書上照抄的實驗目的、原理、步驟等，考核成績不能反映學生的實際水平和能力以及相互之間的差別，影響了學生學習的主動性和積極性。為此，可制訂一套考核方法，分為紀律情況和學習態度、預習程度、操作和解決問題能力、實驗結果、實驗報告等多項考核內容，貫穿了整個實驗過程，每項內容按10分制評定成績，在統一印制的學生實驗卡上反映出來，這樣能促使學生在實驗的各個環節都認真對待，可提高實驗效果。

三、結論

時代在前進、教育在發展、教學工作在改革，包括教學內容也應改革，與時俱進。作為熱物理基礎，一方面為大工程觀背景下各類工程專業學生學習后續專業課等提供預備知識；另一方面通過實驗、測試技能訓練，提高學生運用理論分析和解決工程實際問題的能力。

從教育改革的發展趨勢和培養本科層次的工程技術人才的角度來看，理論與實際相結合，強化技能訓練、培養學生的技術應用和開發能力應是技術基礎課的重要任務。在大工程觀下工程專業熱物理基礎課改革過程中，兼顧知識結構和能力培養兩個方面，使之成為由基礎到專業、從理論面向應用的橋梁，確保培養的工程人才具備工程知識能力、工程設計能力、工程實施能力、價值判斷能力、社會協調能力和終身學習能力。

參考文獻：

[1] 鄂加強，楊蹈宇，崔洪江，唐文武.工程熱力學[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 鄧元望，袁茂強，劉長青.傳熱學[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 李培根.工程教育需要大工程觀[J].高等工程教育研究，2011，（3）：1-2.

[4] 謝笑珍.“大工程觀”的涵義、本質特征探析[J].高等工程教育研究，2008，（3）：35-38.

[5] 黃凱旋，劉建華.熱工課程教與學改革探索[J].集美大學學報，2001，（3）：73-75.

[6] 王永川，王勝捷，寧占武，李建新，劉志璋.面向21世紀熱工課程教學體系及內容的改革[J].陰山學刊，2001，（4）：67-68.

[7] 李桂芬，朱亞珠.熱工基礎課程教學改革與建設的思考[J].廊坊師范學院學報：自然科學版，2008，（3）：94-98.

[責任編輯 魏 杰]