大工程觀下熱物理基礎(chǔ)課程體系改革研究

鄂加強(qiáng)　左紅艷　王曙輝　鄧元望　龔金科　蔡皓

摘 要：對工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行熱物理基礎(chǔ)課程教學(xué)是培養(yǎng)具有熱物理工程技術(shù)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(yè)在熱物理基礎(chǔ)課程設(shè)置或者教學(xué)方面存在較多問題，為此，以“大工程觀”教育理念為指導(dǎo)，以理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合為基礎(chǔ)，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(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性為核心，以具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保能力的培養(yǎng)為主線對工程專業(yè)的熱物理基礎(chǔ)課程進(jìn)行適應(yīng)性改革，探索大工程觀背景下工程專業(yè)熱物理基礎(chǔ)課程改革新途徑。

關(guān)鍵詞：大工程觀；熱物理基礎(chǔ)；教學(xué)內(nèi)容；工程專業(yè)；教學(xué)改革

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

自20世紀(jì)70年代以來，世界性的新技術(shù)革命對工程活動產(chǎn)生了巨大影響，工程活動對知識技術(shù)、能力綜合的需要達(dá)到前所未有的程度。從動力生產(chǎn)、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及工業(yè)生產(chǎn)過程本身特點來看，工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保的意識并懂得其基本的技術(shù)，而熱物理基礎(chǔ)課程的內(nèi)容是合理用能及節(jié)能理論中的最基礎(chǔ)與核心的部分。因此，作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉(zhuǎn)換、傳遞技術(shù)的熱物理基礎(chǔ)課程，不僅應(yīng)是大工程觀下能源動力類專業(yè)高等工程教育中的重要理論基礎(chǔ)課[1～2]，而且也應(yīng)是21世紀(jì)所有大工程觀下工程專業(yè)學(xué)生的公共理論基礎(chǔ)課。

高等工程教育 [3～4] 的熱物理基礎(chǔ)課程教學(xué)是培養(yǎng)具有熱物理工程技術(shù)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(chǔ)課程和教學(xué)的改革占據(jù)著“大工程”培養(yǎng)觀的重要地位，在大工程觀下高等工程技術(shù)人才的培養(yǎng)方案中，熱物理基礎(chǔ)課程體系是整個工程專業(yè)課程體系的基礎(chǔ)，應(yīng)首先進(jìn)行改革，為整個培養(yǎng)具有大工程理念的高級工程技術(shù)人才打好基礎(chǔ)。

一、熱物理基礎(chǔ)課程體系現(xiàn)狀分析

（一）熱物理基礎(chǔ)課程特征分析

在中國，熱物理基礎(chǔ)課程一般指《工程熱力學(xué)》與《傳熱學(xué)》兩門課程。同時，由《工程熱力學(xué)》與《傳熱學(xué)》組成的《熱工學(xué)》、《熱工基礎(chǔ)》或《熱物理學(xué)》也屬于熱物理基礎(chǔ)課程的范疇。高等數(shù)學(xué)與大學(xué)物理是熱物理基礎(chǔ)課程的前續(xù)課程。對于工程專業(yè)而言，高等數(shù)學(xué)與大學(xué)物理是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，很多學(xué)不好熱物理基礎(chǔ)課程的學(xué)生，主要是因為高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識或者大學(xué)物理基礎(chǔ)不扎實所造成的[5-6]。《工程熱力學(xué)》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(jié)構(gòu)和實際應(yīng)用內(nèi)容。《工程熱力學(xué)》課程中的基本概念和理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)工程實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，若基本概念和理論基礎(chǔ)沒掌握好，必然導(dǎo)致不能熟練推導(dǎo)出數(shù)學(xué)公式，從而會致使熱力學(xué)工程實際應(yīng)用學(xué)習(xí)的難度大大增大，甚至?xí)沟脤W(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。與《工程熱力學(xué)》不同，《傳熱學(xué)》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(xué)》主要是使用其原理或知識進(jìn)行分析，而《工程熱力學(xué)》主要是推導(dǎo)計算。兩門課程的共同特點是必須大量做思考題和習(xí)題，才能真正掌握，熟練應(yīng)用。

（二）熱物理基礎(chǔ)課程體系存在的問題

與大工程觀背景下工業(yè)先進(jìn)國家的熱物理基礎(chǔ)課程教學(xué)相比較，還有較大的差距，主要表現(xiàn)為[7]：（1）輕視實際、脫離實際；（2）人才培養(yǎng)的熱物理知識結(jié)構(gòu)體系不夠完善，面向?qū)嶋H的熱物理工程訓(xùn)練不足，與企業(yè)聯(lián)系不夠緊密；（3）辦學(xué)方向面向熱物理工程不夠，教學(xué)模式和教學(xué)方法陳舊，文化陶冶過弱，專業(yè)教育過窄，功利導(dǎo)向過重，共性制約過強(qiáng)等。

二、大工程觀下熱物理基礎(chǔ)課程體系構(gòu)建

針對目前中國高等工程教育中熱物理基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題，其改革思路是：以“大工程觀”教育理念為指導(dǎo)，以理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合為基礎(chǔ)，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(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性為核心，以具備合理用能、節(jié)能和環(huán)保能力的培養(yǎng)為主線對工程專業(yè)的熱物理基礎(chǔ)課程進(jìn)行適應(yīng)性改革，探索大工程觀背景下工程專業(yè)熱物理基礎(chǔ)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(chǔ)理論課程體系構(gòu)建

1.統(tǒng)籌規(guī)劃，合理安排工程專業(yè)熱物理基礎(chǔ)課程體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。（1）研究適應(yīng)各大類工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)需要的熱物理基礎(chǔ)課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。根據(jù)各大類工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)所需要熱物理基礎(chǔ)知識的不同，各大類工程專業(yè)可分成三大類：1）熱物理基礎(chǔ)課程是該類型專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課；2）熱物理知識是某一大類中部份專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，而對另一些專業(yè)則關(guān)系則要遠(yuǎn)一些（工業(yè)設(shè)計）或者熱物理知識是某類專業(yè)（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(shù)基礎(chǔ)課但與另一些方向（如真空技術(shù)及設(shè)備）關(guān)系較遠(yuǎn)；3）熱物理知識與該大類專業(yè)的主干技術(shù)無直接的關(guān)系。因此，可針對此三大類工程專業(yè)開設(shè)不同結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的熱物理基礎(chǔ)課課程，并可分為高學(xué)時（必修）的《工程熱力學(xué)》和《傳熱學(xué)》、中學(xué)時（必修與選修）的《工程熱力學(xué)》、《傳熱學(xué)》或者《熱物理學(xué)》和少學(xué)時（必修與選修）的《熱物理學(xué)》等三種。對于同一大類中的不同類型專業(yè)在教學(xué)內(nèi)容上還可有所不同側(cè)重或以專題形式作適當(dāng)補(bǔ)充。對于中學(xué)時（必修與選修）的《工程熱力學(xué)》、《傳熱學(xué)》或者《熱物理學(xué)》；和少學(xué)時（必修與選修）的《熱物理學(xué)》，應(yīng)強(qiáng)調(diào)理解基本概念，掌握方法，而不深究公式的推導(dǎo)，通過典型問題的分析，達(dá)到舉一反三的目的。（2）熱物理基礎(chǔ)課程的相互滲透和相互融合。由于熱物理基礎(chǔ)課程的內(nèi)容是相互滲透、密切聯(lián)系的，必然存在交叉、重復(fù)部分。經(jīng)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(fù)內(nèi)容進(jìn)行謹(jǐn)慎處理（如有些內(nèi)容壓縮，而有些內(nèi)容則須加強(qiáng)）。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(chǔ)課程之間的銜接和層次。（3）拓寬熱物理基礎(chǔ)課程的工程應(yīng)用，增強(qiáng)與工程專業(yè)的聯(lián)系。熱物理基礎(chǔ)課程在工程實際中有廣泛的應(yīng)用，在教學(xué)過程中，應(yīng)突出地反映這一特點。從兩個方面著手，首先把每個教學(xué)單元劃分為基礎(chǔ)篇和應(yīng)用篇，基礎(chǔ)篇著重掌握基本概念、定律，應(yīng)用篇則力求培養(yǎng)分析能力，采用點面結(jié)合的方法。所謂點，就是講清某單元基礎(chǔ)知識在工程實際或?qū)I(yè)課某方面的應(yīng)用，其中包括一定數(shù)量的例題或習(xí)題；所謂面，則是針對教師的科研、技術(shù)開發(fā)課題或科技論文做專題討論，綜合所學(xué)的知識。學(xué)生對這種教學(xué)方式反映熱烈，覺得學(xué)有所用。（4）更新熱物理基礎(chǔ)課程內(nèi)容，適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展要求。近代工程技術(shù)的發(fā)展給本科《傳熱學(xué)》教學(xué)帶來了巨大的變化，《工程熱力學(xué)》的教學(xué)內(nèi)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(guān)于火用 分析方面的內(nèi)容，而現(xiàn)在這個狀態(tài)參數(shù)已經(jīng)被廣泛接受并用來分析工程設(shè)備過程的能量利用情況。

相對于《傳熱學(xué)》，《工程熱力學(xué)》的國內(nèi)外教材的內(nèi)容顯得似乎過于穩(wěn)定，近年來出版的教材中新技術(shù)的概念介紹極少。比如，當(dāng)前中國的長期能源問題已經(jīng)十分突出，為保護(hù)環(huán)境，執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展的方針，在“十二五”規(guī)劃教材上，《工程熱力學(xué)》應(yīng)該對新的、先進(jìn)的能源利用方式（聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、氫能利用、燃料電池、分布式發(fā)電和熱電冷三聯(lián)供、新能源發(fā)電等等）有適當(dāng)?shù)姆从场３R界和超超臨界循環(huán)是傳統(tǒng)燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組提高經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的有效途徑，也是近年來國外燃煤火電廠的重要發(fā)展方向及中國要積極研發(fā)的方向，在熱物理基礎(chǔ)課程新教材和今后的教學(xué)中也應(yīng)有相應(yīng)的地位。如在這方面予以充分重視，在熱物理基礎(chǔ)課程新教材和今后的教學(xué)中注意揚(yáng)棄舊的思想、研究方法及其內(nèi)容，利用一定學(xué)時介紹各學(xué)科的新方法、新內(nèi)容，努力使教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展趨勢。

2.熱物理基礎(chǔ)課程與其他課程交叉滲透。（1）熱物理基礎(chǔ)課程與物理課程的交叉。熱物理基礎(chǔ)課程中的部分內(nèi)容與大學(xué)物理中的熱學(xué)存在重復(fù)。大學(xué)物理中，熱學(xué)內(nèi)容總學(xué)時數(shù)為12～14學(xué)時，且熱力學(xué)兩個定律只安排6學(xué)時。由于物理學(xué)主要解決“是什么”、“為什么”的問題，而熱物理基礎(chǔ)課程主要解決“做什么”、“怎么做”的問題，因此在熱物理基礎(chǔ)課程中，應(yīng)著重討論熱力學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境（外界）相互作用的形式；熱平衡態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)過程的矛盾與統(tǒng)一；熱力學(xué)中如何延拓力學(xué)中的力、位移、功、熱力學(xué)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(shù)等等。（2）熱物理基礎(chǔ)課程與流體力學(xué)課程的交叉。例如，《傳熱學(xué)》的對流換熱部分，有大量的邊界層和繞流理論，是重復(fù)流體力學(xué)的內(nèi)容。又如，流體力學(xué)和熱力學(xué)中都有氣體在管道、噴管中流動的理論。經(jīng)過綜合分析，可以對那些完全重復(fù)內(nèi)容予以削減，或者進(jìn)行謹(jǐn)慎處理，但要保持熱物理基礎(chǔ)課程與流體力學(xué)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(yīng)不同類型專業(yè)的需要，可以開設(shè)出一些綜合性的、新的熱工類課程。無論是能量轉(zhuǎn)換、熱量傳遞還是質(zhì)量傳輸，都存在如何提高轉(zhuǎn)換效率、傳遞效率和節(jié)約能源的問題，其中的關(guān)鍵是要減少過程的熵產(chǎn)（或不可逆損失）以及強(qiáng)化傳遞過程。為此，可開設(shè)一門綜合《工程熱力學(xué)》、《傳熱學(xué)傳質(zhì)學(xué)》和《流體力學(xué)》的新課——例如可稱之為《工程裝備熱流設(shè)計與優(yōu)化》。如果關(guān)于“優(yōu)化”的內(nèi)容能具體結(jié)合一些工程專業(yè)過程中的具體問題，那么這樣的課程就會受到相關(guān)專業(yè)的歡迎。

（二）大工程觀下熱物理基礎(chǔ)實驗課程體系構(gòu)建

從熱物理基礎(chǔ)課程發(fā)展歷史來看，實驗研究和數(shù)學(xué)物理方法是并行發(fā)展、相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的；而從教學(xué)角度分析，實驗是鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際和解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。如何完善和合理組織實驗內(nèi)容將直接影響課堂教學(xué)的效果。為此，在熱物理基礎(chǔ)實驗教學(xué)中突破以往的傳統(tǒng)模式，以配合理論教學(xué)、鞏固課堂效果為目的，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，改革實驗教學(xué)方法，加強(qiáng)實驗室建設(shè)，有效地發(fā)揮了實驗室的功能。

1.科學(xué)設(shè)置熱物理基礎(chǔ)課程實驗項目。實驗室應(yīng)成為理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力的場所。為滿足這種功能，應(yīng)增加熱物理基礎(chǔ)課程實驗學(xué)時，增設(shè)熱物理基礎(chǔ)課程實驗項目，并相應(yīng)設(shè)置演示實驗（包括課堂演示）、驗證性實驗、應(yīng)用性實驗以及設(shè)計性實驗。演示、驗證性實驗是不可缺少的內(nèi)容，可幫助學(xué)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(xué)習(xí)內(nèi)容，熟悉各種儀器設(shè)備及其操作規(guī)程，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。應(yīng)用性、設(shè)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(yǎng)鍛煉學(xué)生的綜合能力，引導(dǎo)他們的縱向和橫向思維以及創(chuàng)新思想。這樣，通過多方面、多層次循序漸進(jìn)的實驗過程，以求達(dá)到掌握基本技能和提高應(yīng)用能力的目的。

2.合理組織熱物理基礎(chǔ)課程實驗。以往的熱物理基礎(chǔ)課程實驗?zāi)Ｊ剑蠖嗍菍W(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書給出的原理和步驟等，機(jī)械地照搬硬套，做完實驗、寫出實驗報告。這樣既束縛了學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，也不能滿足能力訓(xùn)練的要求。針對弊端，可對熱物理基礎(chǔ)課程實驗方式進(jìn)行合理組織。根據(jù)不同實驗的性質(zhì)，有的安排預(yù)習(xí)，在實驗開始前由指導(dǎo)教師提出問題，讓學(xué)生回答解決方法，以此評定預(yù)習(xí)成績；有的則讓學(xué)生分組，自己動手組裝實驗臺，做完實驗后集中評議，對比優(yōu)劣，公開評定成績；設(shè)計性實驗則完全拋開指導(dǎo)書，代之以設(shè)備說明書、實驗任務(wù)和要求等，讓學(xué)生自己擬定實驗方案，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。

3.更新熱物理基礎(chǔ)課程實驗設(shè)備和內(nèi)容。隨著科技的進(jìn)步和學(xué)科的發(fā)展，熱物理基礎(chǔ)實驗的技術(shù)和手段也更加完善，內(nèi)容不斷推陳出新。要適應(yīng)這種發(fā)展，不能僅僅依靠學(xué)校的撥款。在有限的財力、物力條件下，調(diào)動教師積極性，自行研制、設(shè)計新實驗，改造原有設(shè)備，開發(fā)新項目。例如，可以自行設(shè)計改造對流傳熱過程阻力實驗的微機(jī)采集和處理系統(tǒng)、熱管換熱器試驗臺等項目，這樣既可節(jié)省大量的經(jīng)費，鍛煉了教師隊伍，又可保證學(xué)生能夠在實驗中學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)，開拓視野。

4.制訂嚴(yán)格合理的考核制度。實驗成績的好壞，應(yīng)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(jù)，而實驗報告中大部分內(nèi)容是從實驗指導(dǎo)書上照抄的實驗?zāi)康摹⒃怼⒉襟E等，考核成績不能反映學(xué)生的實際水平和能力以及相互之間的差別，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。為此，可制訂一套考核方法，分為紀(jì)律情況和學(xué)習(xí)態(tài)度、預(yù)習(xí)程度、操作和解決問題能力、實驗結(jié)果、實驗報告等多項考核內(nèi)容，貫穿了整個實驗過程，每項內(nèi)容按10分制評定成績，在統(tǒng)一印制的學(xué)生實驗卡上反映出來，這樣能促使學(xué)生在實驗的各個環(huán)節(jié)都認(rèn)真對待，可提高實驗效果。

三、結(jié)論

時代在前進(jìn)、教育在發(fā)展、教學(xué)工作在改革，包括教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)改革，與時俱進(jìn)。作為熱物理基礎(chǔ)，一方面為大工程觀背景下各類工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課等提供預(yù)備知識；另一方面通過實驗、測試技能訓(xùn)練，提高學(xué)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(fā)展趨勢和培養(yǎng)本科層次的工程技術(shù)人才的角度來看，理論與實際相結(jié)合，強(qiáng)化技能訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用和開發(fā)能力應(yīng)是技術(shù)基礎(chǔ)課的重要任務(wù)。在大工程觀下工程專業(yè)熱物理基礎(chǔ)課改革過程中，兼顧知識結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)兩個方面，使之成為由基礎(chǔ)到專業(yè)、從理論面向應(yīng)用的橋梁，確保培養(yǎng)的工程人才具備工程知識能力、工程設(shè)計能力、工程實施能力、價值判斷能力、社會協(xié)調(diào)能力和終身學(xué)習(xí)能力。

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[責(zé)任編輯 魏 杰]