多元融合的工程熱力學課程教學模式研究

[摘要]文章以工程熱力學課程教學為實施對象，開展多元融合的教學模式研究與探索，從工程熱力學理論與行業需求、教學實踐、工程應用、實驗驗證、科技創新、科研訓練等多方面，結合教學改革研究與探索，實現教學方法的多元融合。多元融合的教學模式不僅使學生掌握了工程熱力學的基礎知識，而且培養了學生解決實際問題的能力與創新能力。

[關鍵詞]多元融合 工程熱力學 教學模式 教學改革

[作者簡介]宋福元（1967- ），男，山東費縣人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，副教授，博士，研究方向為傳熱傳質學；張國磊（1976- ），男，吉林農安人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，講師，博士，研究方向為熱能動力工程；孫寶芝（1971- ），女，內蒙古寧城人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，教授，博士，研究方向為傳熱傳質學。（黑龍江 哈爾濱 150001）

[中圖分類號]G642.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1004-3985（2015）07-0089-03

工程熱力學課程涉及能源工程、機械工程、航空航天工程、材料工程、化學工程、生物工程等諸多領域，是支撐熱能與動力工程、核科學與技術、輪機工程、船舶與海洋工程等專業的基礎理論，課程地位十分重要，教學內容具有概念繁多、容易混淆，公式眾多、難于記憶，內容抽象、難于理解的特點。學生普遍認為工程熱力學知識難于理解，很難學明白，授課教師也認為工程熱力學很難講透。本文從工程熱力學與行業需求、教學實踐、工程應用、試驗驗證、科技創新、科研訓練等方面進行教學改革研究與探索，實現教學方法的多元融合。

一、工程熱力學理論與行業需求相融合，激發學習興趣

教師在教授知識的同時，應該讓學生明白所學知識在今后工作中的作用和價值，學生對所學課程的積極性，不僅與教師的講授水平有直接關系，而且與學生的學習動機、興趣等因素有關。在教學過程中，要強調工程熱力學作為專業基礎知識在能源動力領域的重要地位，通過船舶、電力、航天、化工等傳統行業的宣傳錄像和專家講座的形式，讓學生充分了解我國傳統能源動力行業的發展歷程、業務范圍以及在國民經濟中的地位和發展前景。對于哈爾濱工程大學來說，依托哈軍工的傳統優勢和“三海一核”的辦學理念，圍繞海軍裝備與船舶工業建設發展的主線，已形成了自己鮮明的特色。我國船舶工業動力領域正處于由引進消化向自主研發的轉型時期，國家對動力與能源專業人才需求的緊迫性，決定了能源與動力工程專業具有廣闊的發展前景。同時，介紹自然界中原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能、太陽能、水力、風力、波浪能、潮汐能、地熱、生物質能和海洋溫差能等一次性能源，在國內外開發與利用以及對國民經濟、社會發展、環境保護的重要作用等，結合當今世界節能減排、低碳經濟宏觀的發展趨勢，使學生明白能源與動力行業是傳統行業，也是朝陽行業，大有可為。通過理論與行業需求相融合，使學生充分了解工程熱力學所服務的行業及行業發展前景，緊緊抓住學生的注意力，引起學生強烈的學習興趣。

二、工程熱力學理論與教學實踐相融合，改進教學方法

1.教學注重理解實際意義，實行“提問式教學”。在教學中，注重溫度、壓力、比容、熵、焓等熱力參數以及等溫、等熵等熱力過程實際物理意義的講解，交給學生具體熱力過程的焓變、熵變等狀態量，熱量、功等過程量計算公式的推導過程，強化理解式記憶和應用。在教學方式方面，可采用“提問式”教學法，一方面在講解過程中先提出問題引起學生思考，再由淺入深解決問題。如在講解熱力過程從一個平衡狀態變化到另一個平衡狀態，中間過程都不是平衡態，不能用具體的狀態參數來表示，那么采取什么樣的措施或假設才能用具體的參數來描述？這就要引入準靜態過程。當一個熱力過程平衡狀態被破壞時恢復到平衡態所用的時間遠遠小于破壞平衡所用的時間時，這個過程就叫準靜態過程，其所處的狀態為準靜態，從一個平衡狀態到另一個平衡狀態的過程，由無限個準靜態組成的，中間每一個準靜態即是平衡態也是變化，中間狀態可以用確切的狀態參數來表示。再接著提問，可逆過程與準靜態過程是什么關系？可逆過程就是沒有耗散效應的準靜態過程。耗散效應就是如摩擦生熱、有溫差傳熱、理想氣體自由膨脹等。另一方面可以提出一些問題讓學生回答，如說講到耗散效應時，舉例后可讓學生來回答生活中哪些現象屬于耗散效應等。通過提問式教學，層層深入，引導學生由已知感知未知，增加參與的機會，有利于提高學生的學習興趣，幫助消化理解。

2.教學注重有效利用多媒體資源。工程熱力學理論及熱力過程抽象，難以形象地描述，有效使用多媒體技術對于課程教學非常重要。但課程概念和公式繁多，在進行講解公式推導時，多媒體課件存在很大的不足，如多媒體課件每一頁停留時間太短，尤其是公式推導過程速度過快，縮短了學生對于概念和公式推導的理解、消化時間，印象不深，不能持續強化記憶，很容易使學生感到課程難于理解而逐漸失去了學習的興趣和動力。這就要求我們在利用現代教育技術進行教學時，要有效、有度地利用多媒體技術，多媒體與板書相結合。

三、工程熱力學理論與工程應用相融合，明確研究對象

工程熱力學按整體可分為兩部分：第一部分是熱功轉換的基本原理，第二部分是熱功轉換基本原理在工程的應用。工程熱力課程教學的內容主要針對工質在熱工設備中能量轉換關系。工程熱力學教學要教會學生一種方法，即如何將實際熱能動力裝置工作過程，去掉次要因素和干擾因素，抓住其共同的特點，如有吸熱過程、放熱過程、壓縮過程和膨脹過程，有高溫熱源、低溫熱源，對外膨脹做功，工質開式循環，將實際循環抽象為理想循環，即各個過程簡化為可逆過程，進行分析，然后考慮實際因素對理想循環修正后應用于實際循環，這是一個從繁到簡再到繁的過程，進而解決實際問題。課程工程應用的主要對象是內燃機、燃氣輪機、蒸汽動力裝置、制冷機等，這些都是熱能與機械能相互轉化的主要設備，工程熱力學理論就是用來研究這些設備熱功轉換的基本原理、循環過程以及能源利用效率，并在理論指導下優化動力循環，提高能源利用效率。教學中要利用課余時間，運用船舶動力技術實驗中心的資源，帶領學生到實驗室去參觀每個實驗臺，通過講解使學生初步了解實際設備的工程應用情況。通過實物教學，使學生對工程應用對象進行初步了解，對蒸汽動力、柴油機、燃氣輪機等有一個感性認識，真正將應用對象落到實處，為理論學習奠定基礎。

四、工程熱力學理論與實驗驗證相融合，夯實理論基礎

工程熱力學課程研究熱功轉換的基本概念、基本原理、基本理論與工程實際的密切聯系。學生由于剛剛開始學習專業基礎課，缺乏相應的工程實踐知識，對基本概念理解、實際問題分析存在很大困難。而實驗教學是以學生實驗設備操作為主要手段的教學活動，鍛煉學生實際動手能力，通過實驗揭示熱工現象，驗證熱功轉換的基本理論，加深對相關基本理論的理解。實驗教學是高等學校教學的重要環節，對人才培養過程的作用越來越重要。因此，在原有“空氣定壓比熱的測定”“二氧化碳P-V-T關系測定”“飽和蒸汽P-T關系”“噴管中空氣流動特性研究”四個實驗的基礎上，探索建立與理論課程密切相連、多層次的理論與實驗相融合的教學體系，真正做到理論指導實驗，實驗驗證理論，加深基本概念、基本理論理解。

在實際教學中將實驗分成兩個層次：基礎理論驗證實驗和結合工程應用的綜合性實驗。基礎理論驗證實驗是用抽象的概念、理論設置驗證實驗，促進學生對基本概念、基本理論的理解。比如，空氣定壓比熱容測定實驗就是利用熱力學第一定律來實現的，通過實驗可以測定定壓情況下空氣的定壓比熱容，同時可以用來驗證熱力學第一定律，即加熱器加入的熱量等于空氣吸收的熱量。該實驗又是一個典型的開口系統，可以加深對穩定流動開口系統能量方程的理解。工程應用實驗是綜合熱力學諸多基本理論的綜合性實驗，充分利用學院科研與教學實驗臺。對于實際操作有一定難度及風險的實驗，可采用虛擬和現實相結合的方式，加深學生對熱力學理論應用于工程實際的認識，做到學有所用。在學生參觀蒸汽動力實驗臺、了解蒸汽動力系統組成的基礎上，通過虛擬仿真的手段，進行蒸汽動力系統運行、調節等全過程的仿真實驗，并結合仿真實驗掌握實際過程與工程熱力學理論、熱力過程的結合點。比如，在鍋爐里進行的是水的定壓加熱過程，在鍋筒里是水的定壓汽化過程，在汽輪機內部是蒸汽絕熱膨脹過程，而蒸汽推動汽輪機是通過噴管的基本原理實現的；改變鍋爐出口蒸汽壓力，汽輪機輸出功率相應增加或減少等，實際現象可驗證蒸汽動力系統中蒸汽初參數對整個蒸汽動力循環影響的規律，使學生明確所學的知識怎樣體現在工程實際中，如何運用工程熱力學理論知識改進動力循環、優化運行參數，提高動力設備能源轉換效率。

五、工程熱力學理論與科技創新相融合，提升創新能力

工程熱力學基礎理論立足于熱功轉換規律，以提高能量轉換效率為研究目標，在當今節能減排宏觀趨勢下，理論研究及技術發展大有可為，面向能源的有效利用是傳統的研究領域，也是時下最熱門的研究領域。課程教學要以此為契機，借助學院學科發展規劃支持，依托船舶動力技術實驗中心創新實驗平臺，在優化熱力循環、綜合利用、回收低品位能量方面，引導并指導學生積極參加科技創新，將學到的工程熱力學理論應用到科技創新中。學生在科技創新過程中，鍛煉了實際動手能力，培養了獨立思考、綜合分析、解決實際問題的能力，進一步加深了對熱力學基礎理論的理解，理論與創新實踐相融合，形成了創新意識，提升了創新能力。科技創新蓬勃發展，學生紛紛加入各種科技創新小組，如大批學生加盟新能源與節能減排創新實驗室，近年來在全國節能減排大賽屢獲大獎，其中高效節能型一體化船舶污水處理裝置獲得節能減排大賽特等獎。

六、工程熱力學理論與科研訓練相融合，培養科研素質

科技創新使本科生整體綜合素質和能力都得到提高。本科生科研訓練計劃是針對本科生中優異學生提出的因材施教計劃，科技創新發揮學生想象空間，提升學生創新能力，而科研訓練則是規范科學研究方法，立足于培養科研素質。工程熱力學課程教學過程中，借助學校大學生科研訓練計劃平臺，結合科研課題衍生出有一定工程應用背景的小課題，創新實戰性更強；且多數課題有一定的研究基礎，題目難易適中，適合優異學生自身條件，既能使學生得到科研鍛煉，也有利于培養學生對于科研工作的興趣。優異學生在接受科研訓練后，能夠初步了解科研實施過程及科學研究方法，理順科研工作的思路，對以后的成才大有裨益。有的科研訓練課題甚至成為本科生繼續攻讀研究生學位的科研方向。

本文從工程熱力學理論與行業需求相融合、與教學實踐相融合、與應用對象相融合、與實驗驗證相融合、與科技創新相融合、與科研訓練相融合等方面，探討了踐行理論與實踐多元融合的教學模式，并在工程熱力學教學中取得了一定的教學效果，希望能夠對提高工程熱力學的課程教學質量有所幫助。

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