系統(tǒng)節(jié)能原理課程改革與教學實踐

摘要：系統(tǒng)節(jié)能原理是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，為將其建設(shè)成優(yōu)質(zhì)課程，進行了課程建設(shè)與改革。編寫了針對性強、石化特色明顯的教學講義及典型習題庫，改革了教學方式及考核方式。經(jīng)過近4年的教學實踐，證明課程建設(shè)與改革是富有成效的。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)節(jié)能原理；課程改革；教學實踐；石化特色

作者簡介：馬利敏（1978-），女，遼寧西豐人，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，講師；姬忠禮（1963-），男，山東汶上人，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，教授。（北京 102249）

基金項目：本文系“2010年中國石油大學（北京）校級重點教學改革項目”及“2012年中國石油大學（北京）青年教師專項培養(yǎng)基金”（項目編號：KYJJ20120415）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0106-02

一、系統(tǒng)節(jié)能原理課程改革的背景

在強調(diào)節(jié)能、注重環(huán)保的今天，使從事與能源開發(fā)、利用與轉(zhuǎn)化緊密相關(guān)工作的學生掌握系統(tǒng)節(jié)能原理的精髓并能夠?qū)W以致用有著非常重要的社會意義。系統(tǒng)節(jié)能原理是中國石油大學（以下簡稱“我校”）能源與動力工程專業(yè)一門重要專業(yè)課，32學時。其基礎(chǔ)理論部分，以工程熱力學基本定律為基礎(chǔ)。工程熱力學重點講授熱力學第一定律和熱力學第二定律的熵分析法，引入分析法。在本課程中，上述內(nèi)容仍是重點，需重復介紹。基礎(chǔ)理論是晦澀與枯燥的，如只是重復介紹，不易激發(fā)學生學習興趣，難以獲得滿意的教學效果。因此，研究如何組織教學工作，使本課程與工程熱力學做好銜接，激發(fā)學生學習興趣，幫助其加深對基礎(chǔ)理論的理解，提高解決實際問題的能力，是十分必要的。同時，本課程還缺乏適合的教材，需要編寫課程講義。目前，缺乏能夠同時將經(jīng)典及新興能量分析法進行全面介紹的教材，而在能量分析法的應(yīng)用部分，也需要結(jié)合我校行業(yè)特點、畢業(yè)生就業(yè)去向，針對石油石化領(lǐng)域工程應(yīng)用背景設(shè)置教學案例。我校于2010年批準了該課程的教學改革計劃，經(jīng)過近幾年的努力，該教改計劃已經(jīng)初步完成。

二、課程教學內(nèi)容體系建設(shè)

教學內(nèi)容改革是教學改革最核心、最基本的問題。教學內(nèi)容主要由熱力學第一定律、熱力學第二定律熵分析法和分析、新的能量系統(tǒng)分析評價方法介紹組成。其中，根據(jù)教學目的與任務(wù)有效組織教學內(nèi)容，要與基礎(chǔ)課程工程熱力學第一定律、第二定律知識點的學習有機結(jié)合，既避免教學內(nèi)容的簡單重復，又要使學生通過本課程的學習對第一定律、第二定律有更為深刻的認知，并使學生能夠利用兩個熱力學基本定律熟練進行能量系統(tǒng)分析與評價、以及高效學習和應(yīng)用新的分析、評價與優(yōu)化方法。

1.熱力學第一定律

熱力學第一定律是工程熱力學教學內(nèi)容的重點，主要講授閉口系統(tǒng)與穩(wěn)流開口系的熱力學第一定律能量方程式的表達式及應(yīng)用。在本課程中，進一步強調(diào)熱力學第一定律的一般表達式即：“進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)總儲存能的變化”的正確靈活應(yīng)用，重點介紹如何分析、列出非穩(wěn)態(tài)充、放氣熱力過程的能量方程式，幫助學生進一步增強利用第一定律進行能量分析的能力。同時，通過對節(jié)流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等熱力過程分析來幫助同學們對第一定律的局限性有更為深入的理解。

2.熱力學第二定律熵分析法

熱力學第二定律是工程熱力學教學內(nèi)容的重點與難點，主要講授熱力學第二定律的數(shù)學表達式，具體包括：卡諾循環(huán)+卡諾定理、克勞修斯積分不等式、閉口系及開口系統(tǒng)熵方程、孤立系統(tǒng)熵增原理。在本課程中，考慮到判斷一個熱力循環(huán)是否可行、可逆的數(shù)學判據(jù)容易理解而且是熱力過程的特例，故重點講述閉口系及開口系熵方程、孤立系統(tǒng)熵增原理。

在該部分從以下四個方面進行介紹：對于狀態(tài)參數(shù)熵的辨析：辨析熵是狀態(tài)參數(shù)與過程無關(guān)，強調(diào)判斷一個熱力過程能否進行、可逆的參量不是過程熵變而是過程熵產(chǎn)，引出后面由熵方程及孤立系統(tǒng)熵增原理計算過程熵產(chǎn)的知識點；重點講授熵方程的一般表達式，即：“進入系統(tǒng)的熵-離開系統(tǒng)的熵+過程熵產(chǎn)=系統(tǒng)熵變化”，通過典型例題幫助同學能夠利用熵方程列出閉口及開口系熵方程，并求取過程熵產(chǎn)；重點解析孤立系統(tǒng)熵增原理的實質(zhì)及解題特點，并通過典型例題幫助學生認識到孤立系統(tǒng)熵增原理與熵方程的一致性：孤立系統(tǒng)熵增即熵方程中的熵產(chǎn)；作功能力損失方面除了介紹計算公式、通過計算熱力過程熵產(chǎn)及作功能力損失，還著重結(jié)合對節(jié)流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等具體熱力過程分析讓學生體會第一定律與第二定律之間的聯(lián)系及第二定律的獨有貢獻。

3.熱力學第二定律分析法

由于學時有限并且概念抽象難以理解，分析法在工程熱力學中屬于選講內(nèi)容，即便講授，也多是簡要介紹。本課程中，分析法是授課重點，從以下四個方面進行講授：第一，概念及計算公式，包括機械、熱量（冷量）、內(nèi)能、焓和化學。第二，重點講授方程的一般表達式“進入系統(tǒng)的-離開系統(tǒng)的-過程損=系統(tǒng)變化”，通過典型例題幫助同學能夠利用方程列出閉口及開口系方程，并求取過程損。同時，在分析典型例題時，引導學生同時用熵分析法來計算過程的作功能力損失，讓學生自覺地認識到分析法中所得到的損失即熵分析法中計算的作功能力損失、體會兩種分析法的一致性及分析法的優(yōu)勢。第三，效率、損系數(shù)的概念及公式，以及在典型熱力設(shè)備、過程及熱力循環(huán)中的計算。第四，針對本學科領(lǐng)域典型的火力發(fā)電裝置、燃氣輪機發(fā)電裝置和低溫制冷裝置、LNG液化裝置、天然氣凈化裝置、油田聯(lián)合站等，設(shè)置工程背景很強的案例，教師與同學們一起分析循環(huán)裝置及各組成設(shè)備的效率、損失及損系數(shù)等，讓同學們認識到分析法在進行系統(tǒng)能量分析時的重要性及提高利用該方法解決實際工程問題的能力。

4.新發(fā)展起來的能量系統(tǒng)分析與優(yōu)化方法

介紹能級分析法、經(jīng)濟學、夾點技術(shù)、全生命周期分析法、能值理論等新發(fā)展起來的能量系統(tǒng)分析與優(yōu)化方法的基本理論及應(yīng)用，鼓勵學生查閱相關(guān)文獻獲取更多知識。這部分內(nèi)容與留給學生的學習報告緊密相關(guān)，將在下文介紹。

目前還沒有適合于本專業(yè)本科教學的系統(tǒng)節(jié)能方面的教材，本課程教學內(nèi)容主要參考自沈維道等[1]主編《工程熱力學》、朱明善等[2]編著《工程熱力學》、傅秦生[3]編著《能量系統(tǒng)的熱力學分析方法》和馮霄[4]編著《化工節(jié)能原理與技術(shù)》、何雅玲[5]主編《工程熱力學精要分析典型題解》等教材及專著，結(jié)合教學團隊多年來收集整理的工程案例編寫成講義供教師及學生使用。

三、教學方式改革

教學中的主體是學生，調(diào)動學生學習主動性，提高其學習興趣和學習效果是教學方式改革的目的。學生們對于國際上最新的、與未來工作緊密相關(guān)及實用性強的知識以及確實能提高自身素質(zhì)與能力的教學環(huán)節(jié)更感興趣。

1.采用多媒體與板書有機結(jié)合的教學模式

充分利用多媒體教學信息量大，圖像、視頻生動形象的特點，同時結(jié)合傳統(tǒng)板書講解復雜推導更容易被學生掌握的優(yōu)點以提升教學效果。這種授課方式既可以增大授課信息量、有效吸引學生注意力，同時又能使學生通過與老師一起板書推導對所學重點、難點有更為深刻的認知。

2.提高課堂教學吸引力

通過針對每一個重要概念及知識點設(shè)計的系列典型例題、思考題吸引學生注意力，激發(fā)學生學習興趣，引導其積極參與到教學中來。而且教學團隊經(jīng)過多年的教學和科研積累，收集并提煉出與石化工程緊密關(guān)聯(lián)的工程案例，通過案例的討論和分析，增強學生學習理論知識的興趣，提升課堂教學的互動效果，增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力。

3.布置作業(yè)形式靈活多樣

對于重要的基本概念，以讀書筆記的作業(yè)形式激發(fā)學生學習興趣。本課程涉及眾多抽象概念和公式，追溯熱量、溫度、熵、熱力學第二定律、等重要基本概念的由來、發(fā)展歷程，可使學生在搜集資料的過程中對這些概念有一個直接的感性認知，同時也有助于學生認識到這些知識在本學科發(fā)展中的重要作用。

要求學生組成2～3人的學習小組，除常規(guī)課下作業(yè)外，課上作業(yè)以小組為單位完成。課上作業(yè)為教師針對每次課的重點和難點內(nèi)容設(shè)計的多為填空、選擇和問答形式的練習題，課前打印好分發(fā)給每個學習小組。在講課過程中，留出適合時間讓學生及時完成。教學實踐表明課上作業(yè)非常利于學生把握住和消化吸收重難點知識，且能提高學生學習的注意力，達到良好的教學效果。

四、課程考核方式的教學改革

本課程考試采用閉卷+學習報告的形式。在閉卷考試中，只有一種類型題，即計算題。本課程一個重要教學目的就是使學生能夠熟練、正確應(yīng)用第一、第二定律尤其是分析法分析實際裝置的用能情況，所以考查學生的學習效果應(yīng)用型計算題是較為合適的。

學習報告要求每個學習小組（2～3人組成）圍繞與本學科緊密相關(guān)的實際裝置進行國內(nèi)外能量分析與優(yōu)化方面的調(diào)研，提交1份不少于4000字、有5篇以上參考文獻的學習報告，并根據(jù)報告內(nèi)容制作ppt，每小組選派1名學生進行報告，匯報10分鐘，討論5分鐘。報告題目憑學生興趣自選。學習報告這種考核形式不僅促使學生自主學習，開闊視野，加深認知，而且可以鍛煉和提高學生多方面的能力。學生們自選的題目有：超臨界及超超臨界蒸汽動力裝置；燃氣輪機裝置；燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置；冷熱電三聯(lián)供裝置；地源熱泵裝置；低溫磁制冷裝置；煤制油裝置；燃料電池；低溫地熱發(fā)電裝置；天然氣壓氣站燃氣輪機余熱利用；天然氣凈化裝置；油田聯(lián)合站；LNG接收站冷能利用等等。

近4年的教學實踐也表明學生們非常接受和歡迎這種考核形式，并且每一年都會有讓教師感到驚喜的學習報告，這也說明要想學生切實提高學習能力、扎實掌握專業(yè)知識確實也需要教師有意識地去創(chuàng)造機會及科學引導。

五、教學效果

經(jīng)過近4年的教學實踐，團隊通過對歷年學生評教、學生考試成績分析以及學生在本科畢業(yè)設(shè)計及成為本校研究生后所選與系統(tǒng)節(jié)能原理相關(guān)方向課題的表現(xiàn)等進行了調(diào)研，證明該課程改革是卓有成效的。學生對工程熱力學及系統(tǒng)節(jié)能知識的接受能力增強，學習興趣明顯提高。靈活適宜的授課方式、作業(yè)形式以及考試方式受到學生的普遍歡迎。總之，通過課程建設(shè)與教學實踐，使學生在學習過程中發(fā)揮了主體作用，激發(fā)了學生學習興趣，提高了學生的綜合能力，教學效果良好，達到了既定教學目標。

參考文獻：

[1] 沈維道，童鈞耕. 工程熱力學[M]. 第四版.北京：高等教育出版社，2007.

[2] 朱明善，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學[M]. 第二版.北京：清華大學出版社，2011.

[3] 傅秦生. 能量系統(tǒng)的熱力學分析方法[M]. 西安：西安交通大學出版社，2005.

[4] 馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)（第三版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[5] 何雅玲. 工程熱力學精要分析典型題解[M]. 西安：西安交通大學出版社，2008.

（責任編輯：王意琴）