木材科學與工程專業能源類課程的教學探討

徐德良 賈翀 王志強 劉翔 鄒玲 孫軍 潘彪

摘要 針對木材加工行業的轉型升級及當前高等教育課程設置改革的不斷推進，明確能源類課程在木材科學與工程專業教育中設置的必要性，探索新形勢下能源類課程設置的教學內容，分析能源類課程在木材科學與工程專業教育教學過程中的重點與方法，以期推進木材科學與工程專業課程體系的建設，完善木材科學與工程專業畢業生的知識體系。

關鍵詞 木材科學與工程；能源類課程；教學探討

中圖分類號 S-9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-381-03

基于當前本科教學課程設置重基礎、重實踐的指導原則，許多專業基礎課、專業選修課的設置受到了沖擊。前期以熱工理論基礎、工業企業供熱等為代表的能源類課程在我國主要的林業類院校的木材科學與工程專業本科課程體系中開設較為廣泛。熱工理論基礎課程在很多高校中都被認定為夯實學生專業知識基礎的重要課程[1]。以南京林業大學為例，該校在木材科學與工程專業的教學工作中，一直設有熱工教研組，長期以來教研組的師資主要以東南大學等傳統的熱工專業畢業生構成。適當的學時數、專業的師資保證了較好的教學成果。能源類課程在我國各林業高校的木材科學與工程專業并不是都有設置，而且在專業課程調整時，該類課程的保留以及相應學時數的設置經常會受到質疑。例如在南京林業大學新一輪的本科課程設置教學大綱的修訂工作中，工業企業供熱課程就由專業基礎課調整為通識教育選修課，學時也從32學時調整為24學時。基于當前木材科學與工程專業的教學體系及木材加工行業的能源利用狀況，該文探討了在木材科學與工程專業開設能源類課程的必要性，分析了能源類課程在木材科學與工程專業教學中的教學內容及教學重點。

1 能源類課程在木材科學與工程專業開設的必要性

在工科類專業課程開設中，課程開設的必要性主要體現在課程知識在工作實踐中的實用性、課程在專業課程體系的聯系性等方面。能源類課程在木材科學與工程專業開設的必要性主要體現在如下方面。

1.1 木材科學與工程相關行業的能源利用對從業人員專業知識的要求

傳統的木材加工行業主要包括制材、干燥、木制品處理等環節。木材干燥環節對能源利用的依賴性最強，涉及到干燥熱介質的生產、輸送；干燥窯內部流場、溫度場的優化設置；木質品干燥過程中的傳熱、傳質特性；干燥窯的保溫，能源的高效利用，新能源、可再生能源在木材干燥方面的開發應用等相關的問題。然而當前我國的木材干燥特別是實木干燥產業規模較小，能源利用總量不大。在整個木材加工產業中，人造板加工行業是全行業的重點產業。我國人造板產量早已躍居世界第一，其中膠合板產量約為13 725萬m3/年，纖維板產量約為6 400萬m3/年，刨花板產量約為1 885萬m3/年[2]。在三板生產過程中，膠合板能耗的優秀標準為≤200 kg標準煤/m3[3]，纖維板能耗的優秀標準為≤320 kg標準煤/m3[4]，刨花板能耗的優秀標準為≤120 kg標準煤/m3[5]。從以上數據可以看出能源利用在人造板產業中的重要性，特別是隨著能源利用成本的提高以及我國當前大氣污染問題的日益嚴重，整個行業在探尋人造板加工工藝過程中能源優化利用途徑的工作中做出了大量努力，同時也取得了比較好的成果。代表性的技術如“熱能中心”在人造板熱能供應中的應用，熱能中心以生產過程中產生的木質剩余物為能源，為適應燃料特性，鍋爐燃燒設備以往復爐排搭配噴燃裝置為主要模式，塊狀剩余物在爐排上進行燃燒，粉狀剩余物通過燃燒器噴入燃燒室進行燃燒。鍋爐生產蒸汽、導熱油供應熱磨、熱壓工藝，由于采用木質剩余物為燃料，因此鍋爐尾氣中灰分和SO2含量低，可直接混合冷風，作為纖維、刨花的干燥熱介質。熱能中心生產的熱能最后由旋風分離器排入環境中，出口處尾氣溫度僅有60 ℃左右，進而整套熱能中心供熱系統對能源實現了清潔、高效的利用。在各行業的能源利用中，林產行業的“熱能中心”能源利用模式是非常成功的案例。當前我國規模較大的人造板生產線熱能供應都以熱能中心供應模式為主。調查發現，熱能工程專業背景的畢業生很少選擇在木材加工行業就業，例如熱能中心等先進的能源生產與利用系統的運行管理人員多以木材科學與工程專業木工設備等方向的畢業生為主。先進的能源利用理念及集成的能源利用系統對該方面從業人員的專業素養提出了一定要求，只有掌握一定的能源利用相關知識，才能有效理解“熱能中心”等先進能源利用理念，才能對能源利用、設備運行進行專業化的管理。因此具備一定的能源利用相關知識，對木材科學與工程專業的畢業生在林產加工行業的從業中會起到非常有益的作用，特別是對工廠中能源生產、輸送、使用崗位上的從業人員而言，具備能源利用的相關基礎知識更應是必備的要求。同時，從業人員具備能源利用的基礎知識，對優化林產加工行業的能源利用，推進產業的升級具有重要作用。

1.2 木材科學與工程課程體系對能源課程設置的要求

當前全國開設木材科學與工程專業的院校有17所，不同學校的專業設置略有差別，但主要包括木材加工工藝、木材加工機械裝備、家具設計與制造、膠黏劑與涂料、木結構建筑等幾個方向。以南京林業大學為例，在該專業的兩個主要培養方向：木材加工工藝、木材加工裝備與自動化培養方案的設置中，將能源動力類的基礎課程熱工理論基礎（32學時，2學時實驗）一直定為專業基礎必修課，該課程開課時間在二年級第二學期。之所以將熱工理論基礎一直放在相對重要的位置，主要體現在課程體系中的后續課程特別是專業課木材干燥、人造板生產工藝學的教學必須有熱工理論基礎的學習基礎。沒有熱工理論基礎的學習，學生對后續專業課相關內容的理解將非常吃力。該校在木材科學與技術的研究生培養方案中同樣設置了傳熱傳質學等熱工類的拓展課程，部分來自在本科培養方案中沒有開設熱工理論基礎院校的學生反映相關的教學內容對其專業課的理解非常有幫助。熱工理論基礎包括的工程熱力學與傳熱學的發展過程是從純物理學中的一部分逐漸發展到與工程緊密結合的[6]，該課程具有很強的理論性，同時很多知識在工程應用中又有著很好地體現。因此，該類課程在木材科學與工程專業的培養體系中起到了很好的過渡作用，即將學生的學習從純理論的高等數學、大學物理過渡到與工程結合緊密的木材干燥等專業課，可以很好地增強整個培養方案的連貫性與系統性[7]。除了相關課程的教學對熱工知識提出要求外，在木材科學與工程學生的實踐教學環節特別是本科畢業設計的過程中，熱工基礎相關知識同樣是學生必需的理論知識基礎。該校木材科學與工程的木結構建筑方向的培養方案中沒有開設熱工基礎類課程，教學中發現后續與建筑材料、建筑節能、建筑環境相關的課程對熱工基礎的理論知識都有要求，特別是在畢業設計中，很多選題都涉及到了材料的保溫、建筑的節能，熱工基礎知識的缺乏使很多學生在進行此類選題時，基礎性概念理解不清楚，從而造成課題方案、相關的實驗設計缺乏合理性，理論依據不足。由此可見，大部分工科專業都作為專業基礎課開設的熱工理論基礎在木材科學與工程專業的培養體系中同樣占有重要的地位，該類課程的開設在木材科學與工程專業的教學體系中具有很強的必要性，在培養方案的設置與修訂中該課程不應被忽視，同樣沒有開設該類課程的木材科學與工程專業應創造條件，對學生進行熱工基礎類知識的教學。

2 能源類課程在木材科學與工程專業的開設內容

與能源動力專業相關的專業課主要包括傳熱傳質學、工程熱力學、工程流體力學、熱工測量、泵與風機、鍋爐與鍋爐房設備、工業供熱等。雖然很多內容在各工科專業的教學及工作實踐中都有涉及，但木材科學與工程等專業在進行相關知識的教學時不需要面面俱到，特別是在當前本科教學壓縮課堂學時數的大背景下。該類課程的設置應考慮在有限的學時內使學生能系統掌握熱工知識的基礎理論，能最大限度地結合專業課及學生工作實踐的具體工程問題進行教學課程與內容的安排。以南京林業大學為例，在木材科學與工程新版的培養方案中，熱工教研組為該專業開設了兩門能源類課程。以介紹基礎理論為主：熱工理論基礎（32學時），該課程涵蓋工程熱力學（16學時）和傳熱學（16學時）兩部分；工業企業供熱（24學時），該課程貼近生產，重點介紹企業供熱設備、系統相關的內容。隨著幾輪培養方案的修訂，兩門課程學時數不斷被壓縮。因此在有限的學時數內，兩門課程的教學內容設置特別注意緊貼專業特點，注重與工程應用相結合。

2.1 熱工理論基礎

熱工理論基礎的教學內容包括工程熱力學和傳熱學兩部分。工程熱力學主要通過研究工質狀態的轉變來分析能量的轉換與傳遞的特征，教學的內容主要包括：熱力學相關的基本概念（狀態參數，平衡狀態等），熱力學第一、第二定律，熱力過程及熱力過程中的能量轉變，常見工質（水蒸氣、濕空氣等）的基本熱力性質，常規熱工設備汽輪機、發動機等）的熱力循環過程[8]。木材科學與工程專業熱工理論基礎設置的工程熱力學部分教學內容主要包括：熱力學基本概念與基本定律，穩定流動能量方程，水蒸氣，濕空氣。在上述內容的教學中，要通過基本概念及熱力學第一定律的學習使學生能掌握熱力狀態與熱力過程的分析方法，能對熱工設備進行最基本的熱力設計與選型。通過第二定律的學習，使學生掌握能級的概念，樹立節能意識，明確在工程實踐中提高能效、節約能源的熱力學基本原理。通過對在木材加工過程中最常見的兩種熱力工質水蒸氣和濕空氣的學習，掌握兩種工質的熱力狀態分析，熟悉兩種工質的熱力過程計算，使學生在后續課程如木材干燥等的學習過程中能熟練進行熱力過程分析與計算。傳熱學的研究是建立在工程熱力學第一、二定律的基礎上的，區別在于傳熱學在研究熱量傳遞時考慮時間的物理量，體現在工程技術領域主要是如何進行強化換熱，如何削弱換熱，如何在熱能應用過程中進行溫度控制[9]。三種基本傳熱方式導熱、對流、熱輻射是傳熱學的知識框架，32學時熱工理論基礎中的傳熱學教學仍以學習此三種基本傳熱方式的基礎知識為教學主體，教學內容注重與工程技術的結合，弱化理論分析部分。通過該部分知識的學習，使學生掌握材料特別是木質材料傳熱特性的基本知識，了解增強或削弱換熱的技術途徑，結合工程熱力學知識能明白木材加工過程中如噴蒸熱壓等工藝過程的熱工原理。在課堂教學的基礎上，32學時熱工理論基礎設置2學時的實驗課時，筆者選擇材料的導熱系數測定作為實驗課時的教學內容，通過該實驗使學生了解傳熱學理論計算方法的應用實例，實驗過程可以選用木質材料作為實驗試樣，進一步加深學生對木質材料傳熱物性的理解。綜上所述，熱工理論基礎課程作為專業基礎課，在教學內容設置時不應面面俱到，一定要考慮與后續課程教學內容的銜接，教學時注重學生對基本概念、基礎知識的理解和掌握，該課程的很多知識在生產、生活中的很多場合都有體現，因此課程教學與課程習題的布置應盡量貼近生產實際，提高學生學習的興趣。

2.2 工業企業供熱

工業企業供熱課程教學內容主要涵蓋熱能的生產、輸送及使用三個方面。為體現當前各行業對節能、減排技術的迫切需求，在南京林業大學木材科學與工程專業新版的教學大綱修訂中該課程更名為工業企業供熱與節能，教學內容適當增加工業節能方面的知識。通過該課程的學習能使學生比較全面地了解工業企業供熱系統的基本組成、系統型式和主要特點，了解供熱系統主要設備的工作原理，尤其是對熱油供熱技術、木廢料能源利用技術、木材工業企業“熱能中心”技術等有比較深入的了解。教學的重點內容主要包括：林產工業企業能源選擇的基本原則；各種燃料的基本燃燒特性，燃料燃燒過程，燃燒設備的基本結構、工作過程和工作特點；工業鍋爐節能的途徑，煙塵的危害與消煙除塵原理、SO2的危害及其減排措施；蒸汽供熱系統；熱

油供熱系統；熱能中心。通過上述知識的學習，為學生以后在相關崗位的工作儲備最基本的專業知識。

3 結語

通過熱工理論基礎、工業企業供熱與節能兩門課程的教學可以為學生構建能源利用相關的從基礎理論到工程應用的知識體系。當前，各個行業都將能源節約與環境保護作為產業升級關注的重點方面。能源特別是熱能的利用在木材加工產業中是生產的重要環節，同時林產行業又因其主要以木質類生物質原料為加工與生產對象，因此在其能源利用環節存在優化利用的潛力。通過從業人員能源利用專業知識的培養，可以為行業的生產工藝優化升級儲備智力基礎。

參考文獻

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[9] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：2-3.