工程熱力學教學方法改革的幾點意見

沈陽航空航天大學航空航天工程學部 毛曉東 曾 文 趙國昌

工程熱力學，是工程熱物理及能源動力類專業非常重要的專業基礎課，其教學的主要對象是熱能與其它形式能量之間的轉換關系，尤其是熱能與機械能之間的轉換規律及相關工程應用。在專業知識體系中，工程熱力學具有十分重要的地位和作用，同是也是后續課程的基礎。通過教研室長期積累的教學經驗，以及學生課堂學習狀況的反饋，普遍認為工程熱力學具有概念多且抽象、內容多且分散、公式多且應用條件復雜等特點。如果不能在教學實踐環節中解決以上問題，那么學生很難達到很好的學習效果，對知識的理解及掌握也會非常困難。教學方法改革是提高教學質量的有效措施，也是培養優秀人才的必要手段。本文針對工程熱力學課程特點和能源動力類專業背景，對課程教學方法改革提出了幾點意見。

一、重視基本概念和理論

工程熱力學主要研究熱能與機械能相互轉換的客觀規律，其內容可劃分為基礎理論與工程應用兩大部分。基礎理論部分主要包括熱力學相關基本概念、熱力學基本定律、工質的熱力學性質以及基本的熱力過程和熱力循環，以上各部分內容不是相互獨立，而是有機地結合在一起。熱力學第一定律和第二定律是貫穿整個課程的精髓和紐帶。熱力學第一定律是工程熱力學的基礎，主要揭示不同形式的能量在傳遞和轉化過程中必須遵循的數量守恒關系，從理論上說明了第一類永動機不可能實現的原因。熱力學第一定律是引導學生邁入熱力學知識體系的前提和基礎，大部分熱力學基本概念均由此導出。熱力學第二定律主要解決熱力過程的方向、條件和限度，特別是熵概念的引入，對熱力過程的分析具有不可替代的作用。

根據課題組多年的教學經驗，以及對期末試卷的分析表明，學生之所以學不好、學不懂工程熱力學這門課程，其根本原因在于基本概念和基本理論。學生對于基本概念掌握不牢固，往往認為其不重要、不關鍵、無所謂。對于基本理論，則理解的不透徹，較片面。遇到實際問題，無法全面準確的利用相關理論知識分析問題。為了解決這一問題，必需在教學環節中，重視基本概念和基本理論的講授，并且要追根溯源，使學生能夠全面、透徹的理解相關知識。只有扎實的掌握了理論基礎，才能更好的掌握實際動力機械的工作原理，并能夠針對具體工程問題進行準確的分析和計算。因此，在課堂教學過程當中，應特別注重對基本概念和理論的講解。

1.概念的引入

任何概念的引入，都有其明確的目的性。而概念存在本身，也必然對應具體的物理含義。在授課過程中，必需要對概念的來龍去脈解釋清楚，例如，為什么要引出這個概念？概念本身對應什么物理含義或現象？引出這個概念的作用和目的又是什么？又如在講解熱力系統熱力學狀態的時候，引入了“平衡狀態”的概念，平衡狀態是描述熱力系統的一種物理狀態，其根本目的在于能夠用一組“確定的”狀態參數來表征系統的狀態，即對熱力系統的具體狀態進行量化。如果熱力系統處于非平衡狀態，不論是外部不平衡，或是內部不平衡，則系統的狀態參數都不是固定不變，而是在不斷的變化，因此就不能夠使用“確定的”參數來描述系統所處的熱力學狀態。再如“焓”概念的引入，它是表征流動工質所具有能量的狀態參數。對于開口系統，焓具有明確的物理含義。但是對于閉口系統而言，焓就僅僅是一個數值，而不代表任何物理特征。工程熱力學中大部分概念的定義，都存在其明確的目的和物理含義。因此在教學中注意從目的或物理現象入手，而不是直接拿出概念本身，可以使學生更簡單，更透徹的進行理解和掌握。

2.概念間的關系

概念多是工程熱力學的特點之一，但是概念之間并不是相互獨立的。首先，很多概念間存在著各種類型的聯系。如“準靜態過程”是“平衡狀態”的延續，它解決了熱力系統“狀態”和“過程”間的矛盾關系，使工質既能夠完成熱量和機械功之間的轉換過程，又確保熱力過程中的每一個時間狀態都具有確定的狀態參數。例如“焓”的概念，它是工質在“熱力學能”概念的基礎上，附加了另一部分保證工質流動所具有的能量。其次，要注意概念間的區別，防止學生混淆。又如“狀態參數”和“過程參數”的概念，很多學生區分不清。狀態參數只與工質所處狀態相關，而過程參數則取決于具體的熱力過程。再如“絕熱系統”和“孤立系統”的區別，前者只需沒有熱量傳遞，而后者在前者的基礎上，還需要一個質量傳遞為零的附加條件。因此，當教學過程中引入一個新概念的時候，要幫助學生建立新知識和已有知識的聯系，從而形成完整的知識體系。

3.公式推導

工程熱力學課程中公式多且雜，大部分學生通過死記硬背的方法去拼湊，甚至搞不清楚公式的具體使用條件。此外，很多繁雜難記的公式，例如具體熱力過程中功和熱量的計算，都是通過一些簡單的基礎公式推導而來。因此在授課時要注重對這類公式推導的講解。一方面可以方便學生記憶，另一方面通過追根溯源，也可以加深學生對基本概念和相關熱力過程本質的理解，逐漸培養學生根據實際工程問題，建立數學模型并進行推導求解的能力。

二、重視實際案例，開展啟發式教學

高等教育心理學的相關研究結果表明，當學生的學習內容與已有的相關知識及生活經驗相關時，能夠激發學生的學習興趣和解決實際問題的關注度。

1.從身邊現象入手。在教學過程中，應緊密聯系生活實例，以生活實例引出具體問題，最終歸結到理論概念。例如講解到氣體和蒸汽的性質章節中有關 “水蒸氣性質”時，可引出為什么利用高壓鍋可以使食物更容易煮熟，而高原氣象條件下，食物卻很難煮熟。又如講解到濕空氣章節中 “濕空氣性質”時，可引入結霜、結霧、結露等自然現象，分析三者的聯系及區別。在氣溫很低的冬天，當我們進入溫暖的室內時，眼鏡上為什么會結霧。講到“熱力學第一定律”時，舉例在封閉的室內，打開冰箱門能否降低室內溫度。通過將基本概念和理論與熟悉的生活現象聯系起來，可以提高學生興趣，促使學生思考。

2.以工程案例結尾。一方面，工程熱力學作為一門工程基礎課，其最終目的要求回歸工程實踐，解決具體的工程問題。因此在授課過程中，必需結合學生的具體專業，引出與理論相關的具體工程問題，培養學生利用所學知識分析、解決具體問題的思路和能力。例如針對飛行器動力工程專業的學生，提出“為什么航空發動機渦輪進口前溫度越高越好”這一問題，使學生能夠利用氣體動力循環相關知識進行分析。以“某型飛機尾噴管設計”作為工程案例，提前使學生了解具體工程設計的流程和計算分析方法。而針對熱能與動力工程專業的學生，可以提出“為什么要使用熱電合供”，“為什么要使用蒸汽——燃氣聯合循環”幫助學生理解氣體動力循環和蒸汽動力循環的特點，以及能源合理利用的基本思想。在講完“水蒸氣性質”的相關知識后，可布置“水蒸氣熱力性質查詢軟件”大作業，使學生在徹底掌握水蒸氣相關知識的基礎上，培養其利用技術手段，如編程語言解決工程問題的能力。

為了能夠引出貼近真實生活經驗、具有一定吸引力的相關情景，又或者是結合相關專業的具體情況，提出具有實際意義和價值的具體工程問題，都要求教師要具有更全面、更深刻、更獨到的眼光和見解，要了解并掌握學生已經具備的知識基礎，并掌握專業發展的最新動態和其中的熱點問題。

三、重視實驗教學，深化實驗教學改革

實驗教學，是工程熱力學必不可少的教學環節和重要的組成部分，是培養學生實踐能力、理論指導實踐的重要步驟和方法。出于客觀條件的限制，大部分學校開設的工程熱力學實驗均較少。例如筆者所在學校，只開設了“噴管中氣體流動特性實驗”以及“二氧化碳臨界狀態觀測”兩個實驗內容，共計4學時。實驗課時占總課時的比重過少，所涉及的內容和相關知識少，遠遠不能涵蓋熱力學知識體系的重點內容。就因為實驗教學環節不受重視，且存在各種各樣的問題，使得大部分畢業生動手能力差、眼高手低，不滿足用人單位的用人需求。若想改變此現狀，必需改變思想，把實驗教學放在與理論教學相同的重視程度上。同時深化實驗教學改革，在實驗內容、實驗形式、實驗管理以及課程考核等方面展開相關研究。

1.重視實驗教學。中國的應試教育特點，使學生自小便形成了重理論輕實踐的思維定式。進入大學后，應從學校、教師、學生三方面對實驗教學給予充分的重視。學校方面，應提供充足的專項資金支持，用于購入實驗設備、改善實驗條件、增加實驗項目等；教師方面，應提高對實驗教學重要性的認識，適當改進教學邏輯，將實驗現象、實驗目的、實驗驗證等內容穿插進整個教學過程當中；學生方面，應從思想教育、成績考核等方面，迫使學生將更多的學習精力投入到實驗環節中去，并且學會利用所學理論指導實踐。

2.改進實驗形式。根據具體特點，實驗項目可劃分為驗證類實驗和綜合設計類實驗。對于驗證性實驗，由于試驗結果明確，做不做以及如何做對學生掌握知識幫助不大，不利于學生實踐能力的培養。因此可改為觀摩性實驗，只需讓學生有視覺上的感性認識即可，由此可節約大量的試驗設備成本。

反之，應著力增加綜合設計類實驗的對應學時和實驗項目。只提供學生必備的實驗設備，在已知實驗目的的前提下，幫助學生自行設計實驗方案、完成實驗步驟、處理實驗結果給出分析結果。比如針對氣體的基本熱力過程，為了使學生掌握基本熱力過程的特點和相關參數的變化規律，提供相關實驗設備，讓學習自主設計相關實驗，對閉口系統定容、定壓、定溫以及定熵過程進行測量。通過這一類型的實驗學習，可以促使學生利用所學習的理論知識，指導實踐活動，同時培養了實驗技能、掌握了實驗方法、并鍛煉了實際動手能力，具有非常好的教學效果。

此外，在實驗過程中，應合理劃分實驗團隊，并選定組長。通過團隊內部討論，確定小組成員的分工合作情況。通過團隊實驗形式的不斷推進，可以培養學生的團隊協作意識，以及團隊組長的領導協調能力。

3.完善考核體系。實驗成績作為工程熱力學課程總成績的一部分，所占比重通常較小。以筆者所在學校為例，實驗成績僅占總成績的5%，直接導致學生不重視，甚至無所謂的情況。因此必需重視實驗考核，建立更科學的考核體系。可以參考大學物理實驗的作法，即采用獨立考核制度對實驗部分進行單獨考核，只要一項實驗內容未做，或整體考核不合格，直接重修。

四、結束語

工程熱力學作為一門非常重要的專業基礎課，如何深化教學改革、提高教學質量和效果，很多同行和前輩都作出了有益的探索和研究，并給出了許多有價值的建議和研究成果。筆者結合前人的研究成果，結合課題組多年的教學經驗，給出了教學改革中的幾點意見，希望與同行們交流和分享。

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