“工程熱力學”課程改革的探索與實踐

摘要：作為工科學生素質和能力培養的一門課程，熱工課程的改革是一個長期的系統工程。就“工程熱力學”課程教學從課程定位、教學理念、團隊建設、教學方法、實踐教學以及課程評價等方面進行了深入的探索與實踐。

關鍵詞：工程熱力學；課程改革；探索與實踐

作者簡介：尤彥彥（1976-），女，河北石家莊人，山東理工大學交通與車輛工程學院，講師；劉永啟（1963-），男，山東棗莊人，山東理工大學交通與車輛工程學院，教授。（山東 淄博 255049）

基金項目：本文系山東理工大學專業核心課程建設項目（項目編號：4003-111087）、2013年“課堂教學卓越計劃”項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0080-03

隨著我國經濟和科學技術的不斷發展，熱工課程的教學正從單純地為專業課服務轉變為工科學生素質、能力培養的一個重要組成部分。[1，2]“工程熱力學”是山東理工大學（以下簡稱“我校”）能源與動力工程專業、機械類創新實驗班、機制自動化卓越班、農機能源方向的一門專業基礎課，同時也是學生最早接觸的一門專業基礎課，在整個的知識獲取中起著承前啟后的作用。由于其理論性強，內容抽象，又具有很強的工程應用背景，恰好該時期學生既缺少專業基礎又缺乏工程實踐，學習難度大大增加。[3]于是筆者就“工程熱力學”教學從教學定位、教學理念、團隊建設、教學方法、實踐教學以及課程評價體系等方面進行了深入而有益的探索，依托課程教學全方位培養學生的素質和能力。

一、先進的教學理念、優秀的教學團隊

“工程熱力學”課程教學以培養學生的科學素養和科學思維方式，提高分析和解決問題的能力為理念，以課堂教學為主陣地，穩抓課堂，秉承“學生主體、教師主導”的原則，突出學生在教學中的重要地位，重視與學生的交流與互動，充分發揮學生的主觀能動性和創造性，[4，5]通過“工程熱力學”教學努力將學生培養成為素質高、能力強的符合社會發展的優秀人才。

先進理念的貫徹離不開優秀的教學團隊，團隊同時又是課程建設持續發展和課程不斷向工科各專業擴大的保證和基礎。[6]我校“工程熱力學”教學團隊是一支學歷層次高、教學水平良好、責任心強和年齡結構合理的團隊。團隊注重學習，重視青年教師的培養，堅持教研相長，有計劃地派青年教師到國內外進修，下企業鍛煉，嚴格執行青年教師導師制和團隊定期研討制。另外教改以來，團隊成員承擔了大量的縱、橫向課題和教研課題，并能做到將鮮活的科研實例恰當引入到課堂教學中，為課程體系建設提供了“源頭活水”，大大提高了學生的學習興趣，且每年都有不少優秀的本科生加入到團隊中來。短短六年間，我校的“工程熱力學”課程已由原來的能源與動力工程一個專業擴大到如今的四個專業。今年又正式列為了全校大機類平臺課，涉及的專業必將越來越多，團隊傳承教改經驗，深化教學改革的作用也就越顯重要。

二、多元化的教學方式，開放的實踐環節

為了實現課程的教學目的，培養有素質、能力強的能源動力人才，“工程熱力學”采用多元化的教學方式，主要體現在以下幾個方面：

1.主線式教學[7]

針對課程概念多且活，內容多，公式多，既重理論又具有較強實踐性的特點，“工程熱力學”采用主線式教學。整個教學內容圍繞熱能和機械能相互轉換規律以及如何提高轉化效率這一主線展開，先介紹相關的概念，介紹能量轉換所必須遵循的兩大定律，再介紹能量轉換所依靠的媒介物質，也就是工質的性質及狀態變化過程。因為工質的性質及其狀態變化過程會直接影響到能量轉換效果，最后介紹能夠將熱能和機械能持續不斷轉換的幾種熱力循環，即熱力學應用部分，這樣一來內容更具條理性。另外學生也只有把握好學科主線才能夠站在學科高度上看待具體問題，從整體上把握課程內容，有利于培養科學的學習方法。

2.突出學科發展的教學內容，不可忽視的課程參考書

“工程熱力學”同時也是一門不斷發展的理論科學，是節能的理論基礎。所涉及的前沿領域廣闊，目前應用范圍越來越廣泛，也越來越普遍，為了突出學科發展，課程將EX（可用能）的相關內容，像熱量EX、冷量EX、系統EX、EX平衡和EX效率等補充進來，將合理用能和能量綜合利用的理念及實例補充進來，像燃氣-蒸汽聯合循環、熱電冷三聯產、余熱利用、新能源發電技術、新型環保制冷劑、新型熱泵技術等節能項目。力爭通過課程的學習使學生理解節能的實質是節約可用能的問題，將能量有數量和品質之分的性質作為學生應具備的科學素質去要求。

另外“工程熱力學”作為工科各專業尤其是能源動力類專業的一門重要的技術基礎課，教材以外的幾本參考書是必不可少的，包括教師在內對于教材也不能太過迷信。參考書各有特點，有的分析問題的方法獨特，對定理定律的把握更精準，批判性的邏輯思維更突出；有的對典型問題的闡述更系統，有的則關于能源與環境、氣候變化及能源有效利用的非傳統經典內容闡述比較多，有助于創新性思維和學習興趣的培養。比如清華朱明善老師編著的熱力學中運用構建大系統（孤立系）的方法分析EX，U和EX，H，就“熱寂說”推出熱力學第二定律的應用范疇；[8]哈工大嚴家祿老師編著的熱力學中較系統地闡述像充放氣問題、定容混合和流動混合等典型問題；美國Yunus A.Cengel教授和Michael Boles教授合著的《Thermodynamics：An Engineering Approach）一書則關于能源與環境、氣候變化及能源有效利用內容闡述較多。[9]因此鼓勵大家至少要看兩本參考書，當然也可通過眾多精品課程的網站去學習，學習知識、學習方法、形成素質，更好地把握課程的同時能夠把方法用于實踐及其他課程中去，提高獲取知識的效率。

3.重視知識的發現，強調思路與方法

無論什么學科，學生對知識發現過程的了解更有利于培養他們的科學素養，為此把熱力學史的部分內容融入到了課程教學中。特別是針對一些重要定理定律的形成，有哪些人分別在什么時間做了哪些重要的貢獻，思想的靈感淵源何在，同時又存在哪些局限性。一方面使學生認識到熱力學一個定理定律的產生或整個學科的形成，不僅僅是哪個科學家的貢獻，而是由許多國家的一些科學家各自從不同的方面做出了貢獻，而最終完成了一項國際性的成果。比如熱力學第一定律，是由邁爾、焦耳、赫爾姆霍茲、朗肯、開爾文等多人共同努力的結果。他們有的側重理論，有的側重實驗，有的則在概念概括和表達方面做出了相應貢獻。另一方面使學生認識到科學的頭腦非常重要，比如卡諾循環提出的背景、卡諾定理的錯誤證明，以及整個熱機發展過程等等，這些都會激發學生很大的學習興趣，同時使學生從根本上弄清學科發展的科學背景。

另外課程的講授還特別重視思路和方法的培養。課堂教學中有意識地引導學生關注研究人員是如何處理和解決問題的。例如：講解對比態原理時，啟發學生在研究中可以采用無量綱的研究方法避開一些復雜因素；講解動力循環各因素對熱效率影響規律時提醒學生，此方法也是科研人員常用到的一種研究方法等。這樣，學生不僅學到了內容，還學會了科學的研究方法，為以后從事相關工作打下良好的基礎。

4.合理的教學手段

隨著信息技術的飛速發展，多媒體在課堂教學中的應用越來越普遍。但是無論如何，它也與粉筆、黑板一樣只是一種教學輔助工具。教學中教師的主導地位永遠不可變更，況且傳統的黑板、粉筆始終使人處于一種積極和放松的狀態，有利于思考和聯想。同時通過傳統的教學還可將教師與學生情感的交流發揮到極致，教師榜樣的力量得到很好的傳承。故尤其是要從思想上鼓勵青年老師千萬克服對多媒體的依賴，充分吸收各種教學媒體的優點，努力做到揚長避短，多方面照顧學生這個主體的情緒。既要充分發揮多媒體直觀形象的特點，又要避免節奏太快致使學生被動接受，還要用好板書在歸納整理、理清思路和提問討論方面的妙處。另外，還要根據課程特點針對不同教學內容恰當選擇教學手段，像緒論、熱力學應用中各種循環的講解、專題拓展內容等尤其需要用到多媒體進行形象演示，而基本熱力過程的講解，采用板書則更合理一些。因各過程研究步驟完全一致，板書方便對比，且板書可做到各過程并行展開，這樣盡管公式多，學生反而感覺思路清晰，基本沒什么難度，而如果用多媒體，但就分屏顯示這一點也常會把內容搞得極凌亂，更別說翻頁不留痕了。另外對于此類內容，還可以采取部分講解部分自學的方式，留下部分問題學生自己去解決，既參與了教學又鍛煉了自學能力。

5.網絡教學平臺的應用

歷經幾年建設，“工程熱力學”網絡教學平臺也日趨完善，資源齊備且更新及時。通過網絡教學平臺學生可以事先了解課程的教學大綱、實驗大綱、授課計劃、課程描述、使用教材以及對這門課程的教學要求、考核方式、成績評定等。教學過程中還可以通過網絡教學平臺反饋教學有關的信息，同時又是一個很好的互動平臺。平臺齊備的教學資源像教學課件、實驗指導書、虛擬實驗、重點難點解析、考研題庫等方便學生下載自學、預習、復習和隨堂做筆記等。網絡教學平臺的運用使學生在教學過程中掌握了很大的主動權，上課自然也是有備而來，學生的主體地位得到了很好的體現，提高了主動性，同時也創造了較好的自學環境。

6.鍛煉能力的小論文

為了使學生真正掌握熱力學的分析方法，培養解決實際問題的能力，“工程熱力學”課程增加了小論文環節，要求學生結合給定的題目或自行選定的主題，從調研查資料入手，利用所學知識綜合考慮實際問題，進行可行性分析、設計計算、結果討論等，最終形成小論文。比如針對太陽能發電、地熱利用、地源水源熱泵的熱力學分析、沼氣增壓發動機的熱力學分析、中低溫熱源的熱電冷三聯供分析、可再生能源利用現狀調研、日常生活節能方案等等，內容豐富多樣。另外，小論文完成之后還設計了答辯環節，學生自愿參加，主要運用ppt進行論文匯報。從開始查閱文獻到最后答辯結束，整個過程都大大調動了學生學習的主動性和學習熱情，在鞏固所學知識的基礎上，充分發揮了學生的創新能力。記得09級有名同學，由于自家小區正好用的是水源熱泵，因此特別感興趣，論文和答辯都完成得相當出色。如此小論文環節實施三年來教學效果明顯，大大調動了學生的積極性。然而針對個別少學時的專業，課程小論文的要求會靈活一些，比如對于32學時的“工程熱力學”，要求學生至少弄明白一篇熱力學分析的相關文獻，或者寫綜述性的能源利用形勢、日常生活節能方案小報告等，效果也非常好。

7.開放的實踐環節及有效的考評機制

實踐教學在加強學生對理論知識理解，提高學生實踐能力的作用方面越來越受到重視。隨著教改的進行“工程熱力學”的實驗學時也在不斷加大，實驗項目相應增加，我校“工程熱力學”一共可開出6個實驗項目，其中2個綜合性實驗項目，4個驗證性實驗項目。3個必做，3個選做，累計8學時。為了彌補實驗場地和人均實驗資源的不足，努力創建開放性的實踐教學環境，團隊教師利用大學生研究與創新（SRIT）計劃組織本專業高年級創新實驗小組歷經兩年時間開發了與實際實驗項目相匹配的6個“工程熱力學”虛擬實驗臺。每個虛擬實驗臺都包含完整的實驗原理、實驗儀器設備、實驗步驟、實時數據采集、數據處理等。虛擬實驗均放在網絡教學平臺上，學生可以隨時下載進行實驗，大大彌補了傳統實驗學生對實驗室場地的依賴和由于人均資源相對缺乏一些學生沒有動手機會的弊端，同時也避免了學生實驗時的盲目性。有了虛擬實驗臺學生可以提前預習，真正做到現場實驗時有的放矢，虛擬實驗的引入極大增強了學生的實驗熱情，效果非常明顯，這一舉措尤其適合在互聯網高度發達、高校人均資源相對緊張的教育環境中推行。

針對實驗的考評筆者也進行了大膽的嘗試，要求學生能夠在規定的時間內結合已做過的實驗項目，運用已學知識自行設計相關實驗，包括闡明原理、繪制簡圖、寫具體步驟和數據處理方法等。這一創新大大刺激了學生對實驗的重視程度，同時也避免了教師面對千篇一律的實驗報告難以定成績的尷尬，切實提高了學生的動手、實踐和對知識的應用能力。該環節放在了期末考試時實施，效果非常理想。

三、科學的評價體系，寬松的考試環境

為了引導學生真正掌握課程的基本理論和分析方法，重視能力的培養，考核方式一改過去只通過期末卷面、實驗報告定成績的方法，采用平時成績（出勤+習題作業+課堂表現）+小論文+期末考試（包括實驗考核）的形式，具體可根據各專業特點適當調整各部分的比例。以能動專業為例，平時成績15%+小論文15%+期末考試70%。當然期末考試包含上面提到的實驗項目設計題目，大約占到總成績的10%。

另外期末考試采用半開卷考試，允許學生帶一張A4紙進入考場，記錄內容不限，可以是重要的知識點，可以是公式或其他內容。這樣在很大程度上避免了學生臨近考試在記憶公式和內容上花大量時間與精力，相反學生會將精力集中在梳理內容、整理思路和搞清解題方法上，鍛煉學生自學能力的同時又大大減輕了學生的考試心理負擔，實施幾屆以來效果較好。

四、結束語

實踐證明，“工程熱力學”的課程改革是有益的，學生的學習興趣提高了，主動性增強了，實踐動手和創新能力也有了較大的提升，并能夠將已學的知識運用到實際中，具備了一定的科學素質。然而，課程建設尤其是熱工課程的建設是一個需要長期探索的系統工程，筆者將在今后的教學過程中不斷探索新的思路和方法，為人才的培養做出積極的貢獻。

參考文獻：

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[8]朱明善等.工程熱力學[M].第2版.北京：清華大學出版社，2011.

[9]張昊春，王洪杰.“工程熱力學”教學中經典內容與新興低碳技術的整合[J].中國電力教育，2012，（5）：52-83.

（責任編輯：王意琴）