工程熱力學形象化教學方法探討與實踐

許偉偉, 黃善波, 張克舫(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

工程熱力學是從工程角度總結和研究熱能與機械能轉換能力及轉換效率的課程[1-3]。是動力工程、機械工程、能源工程等專業的一門傳統的技術基礎課程，當今能源、環境、航空航天、信息工程、生物工程等領域內的許多進展都是直接或者間接建立在熱工研究進展的基礎之上。面對未來生產發展對能源動力需求迅速增長的趨勢，許多相關聯的熱力工程技術需要工程熱力學作為其研究的理論基礎。同時，工程熱力學概念多且抽象、公式多且應用條件復雜，工程熱力學是典型的“難教、難學、難考”的三難課程[4-6]。因此，擴寬工程熱力學的教學思路，整合工程案例資源，提高教學質量，是教學中急需解決的問題。

國外教學采用大量精美插圖來直觀展示基本概念[7]，方便不同資質的學生學習；國外教學引用大量工程實例來解釋熱力學基本定律和基本過程，既包含傳統熱力學工程案例，又包含現代能源與環境、氣候變化、可再生能源開發與利用等非傳統經典熱力學案例，方便學生將所學理論與實際工程結合。而這些恰恰是國內熱力學教學的短板。鑒于此，開展工程熱力學形象化教學方法探討與實踐[8-9]，通過靈活多樣的教學手段，向學生展示豐富多彩的工程案例，讓學生深刻切實感受到熱力學的工程應用魅力。

1 工程熱力學知識結構

工程熱力學知識框架(見圖1)有基礎理論知識和工程應用組成，基礎理論包含基本概念、工質熱力性質、熱力過程、基本定理等部分，工程應用在基礎理論基礎上展開，主要包括氣體與蒸汽的流動、壓氣機的熱力過程、蒸汽與動力循環以及制冷循環等。當然針對不同專業工程應用側重點不同，例如石油工程專業的工程應用側重氣體與蒸汽的流動、壓氣機的熱力過程。基礎理論與工程應用聯系密切，互不可分。

圖1 工程熱力學知識結構

2 授課案例資源整合

以工程熱力學知識結構為載體，增加與熱力學密切相關的工程實踐與日常生活實例。每個實例遵循問題提出——理論講解——結果分析——問題解釋。這樣的布局既可以為學生提供廣闊的知識和應用背景，又可以通過大量案例讓學生掌握理論知識，同時又培養學生解決問題的科學素養。

(1) 緒論部分。緒論部分案例如圖2所示。利用靈活的圖像、文字、動畫向同學展示各類實例，例如溫室效應、冰箱空調及發動機工作原理、熱力采油過程、CO2捕集過程、噴氣式制冷過程、新能源開發與利用等案例。引出工程熱力學主要圍繞熱能與機械能轉化這一主線進行，強調學習與發展熱力學是服務于人類能夠持久和諧使用能源。此外，通過豐富案例講解，啟發學生學習興趣，引導學生不僅要有考高分的小愿望，還應該培養學有所成服務人類的大情操。

圖2 緒論案例列舉

(2) 熱力學概念。熱力學概念(案例見圖3)抽象晦澀，而深刻理解熱力學基本概念又是學好熱力學的基礎。課堂實踐發現，通過形象講解各類工程實例的工作過程，引導學生自主歸納總結共性規律，將工程問題轉化為科學問題，能更加有效地幫助學生掌握熱力學各種抽象的概念。例如，以動畫形式向大家展示核電站工作過程、汽車發動機等的工作過程，引導學生觀察設備中水或水蒸氣的狀態變化，與外界交換能量的方式及能量類別。學生表現出極大的興趣，老師順勢引入熱源、熱機、工質、平衡過程、可逆過程、熱力系統等概念。隨后，以動畫的形式向同學展示燃氣機和內燃機的工作過程，老師提出不同研究目的，請學生自主分析各工程案例的系統劃分，簡易畫出各個過程并標注相關概念，探討能量轉移與轉化。隨后，再引入一批新的工程案例，比如冰箱和空調的工作過程，與學生互動分析之前案例與本次案例的相同點與不同點，順勢引出正向循環、逆向循環及循環效率的概念。最后，設置課上工程實踐，請學生計算某個熱力過程的效率。

圖3 基本概念案例列舉

(3) 能量守恒。能量守恒案例列舉如圖4所示。學生前期通過大學物理已經學習了熱力學能和總能，所以理解不難；閉口系統能量方程式較好理解，但應用較難；開口系統的能量方程式是難點，主要體現在推動功、焓等概念的引入、以及開口系統能量方程式的推導及應用等。本章形象化教學思路如下，首先用簡易的實例(靜止的飛機有無能量？)引出熱力學能和總能，順勢給學生提供一個閉口系統，依據能量守恒原理，與學生共同分析閉口系統能量守恒并推導各類表達式；隨后給學生提供實際案例(密閉房間開冰箱門可以降溫嗎？熱河分析熱力采油的能量守恒？)，量化分析能量守恒，并給出結論。其次，再以動畫形式展示開口系統、焓、推動功等概念，分析清楚閉口系統與開口系統的能量傳遞差別，嚴謹推導開口系統能量方程表達式。最后，以動力機、壓氣機、換熱器、節流閥、火箭尾部噴管為例，應用開口系統能量返程式進行能量分析。當然，這其中還有許多難點，可以以啟發式教學進行，例如，提問學生“推導可逆技術功的表述式，為什么熱力學第一定律的兩個表達式可以等價應用？”“焓是工質流入開口系統時傳遞給系統的總能量，閉口系統內工質有沒有焓值？”，先對學生進行啟發式提問，再對其進行講解，效果會更好。

圖4 能量守恒案例列舉

(4) 基本熱力過程。基本熱力過程(案例見圖5)是在基本概念、熱力學第一定律和工質的熱力性質基礎上展開的。本章大部分內容易學易解，少部分難點在于理想氣體綜合過程的熱力分析。教學思路為：首先，引入各種工程實例，劃分基本熱力過程(定壓、定容、定溫、定熵)，以定容、定溫過程為例，講解能量轉移轉化的研究方法和內容，并做實例計算，隨后，讓學生根據分析步驟，并采用翻轉課堂形式，以學生為主老師為輔的授課形式學習定壓過程和定熵過程。其次，將各過程表示在p-v，T-s圖上，引出多變過程，綜合分析熱力過程。

(5) 氣體與蒸汽的流動。氣體與蒸汽的流動案例列舉如圖6所示。首先，列舉噴氣式潛艇、噴氣式發動機、超音速天然氣分離等案例，引入本章節研究對象為變截面管路內流體流動參數變化規律以及流體流動能量轉移與轉化；然后，簡化工程案例，將工程問題轉化為科學問題，簡化本章研究對象為一維穩定絕熱流動問題，進而講解氣體對應的基本控制方程，該過程穿插講解案例包括家居水管、滅火器出口溫度偏低、高速飛機外側溫度測量等問題；最后，對比其他案例，引出噴管內流速改變的內因及外因，講解噴管的設計及計算。

圖5 基本熱力過程案例列舉

圖6 氣體與蒸汽流動案例列舉

3 考核模式

3.1 考試方案設計

如圖7所示為考試方案，以考察專業知識為主、專業技能為理念進行考試改革，增加學生表達機會，加強過程考核和能力考核，激發學生學習的主動性和創造性。考試方案設計分三部分。①保證全過程階段性考核。通過課堂實現測試、課上師生互動及課后作業分析，既全程掌握學生吸收課程知識狀態，又確保學生功夫用在平時，護航學生期末考試優良表現。②設計Mini課程實踐考核。首先，老師針對課程知識點，引導介紹先進工業技術；其次，學生根據相應的要求完成8課下Mini實踐。③建立個性素質拓展考核機制，該過程要求學生選擇相應題目、查閱相關技術文獻、并主動講授，既體現了學生的個性化，又鍛煉了學生綜合素質。

圖7 考試方案設計

3.2 考試實施

考試方向主要為專業知識與專業能力的考核,具體實施如圖8所示。

圖8 考試實施說明

3.2.1專業知識考核

課堂考核主要體現在階段測試和期末考試精煉明確每章的知識點特別是重點難點，設置階段測試考點，如：熱力學基本概念理解、熱力學表述對錯分析、熱力學第一、第二定律應用、熱力工質性質、熱力過程、氣體流動與噴管、壓縮機、濕蒸汽等。通過階段考試及時查缺補漏，并通過這種方式督促學生注意平時學習，而不是考前突擊，該部分成績將是最終成績的一部分。期末考試采用閉卷形式考察知識點。

3.2.2專業能力考核

專業能力考核體現在工程實踐考核和文獻查閱考核。工程實踐考核主要以課下Mini實踐小作業來完成。老師提供多個工程應用實例，學生至少自主選擇兩個案例。這種方式主要是引導學生運用所學知識，把本課程教學內容與工程實際結合起來。

依據課程內容，設計相關題目。引導學生查閱相關文獻，了解相關技術發展前沿、歸納現有技術存在問題、找出相關問題的原因、解決問題的可行辦法(或可能的辦法)，打破教材章節界限。撰寫論文報告，并要求學生小組討論后課堂匯報。鍛煉學生表達能力、語言組織能力等。

4 結 語

實踐表明，開展形象化教學，有助于學生加深工程熱力學的抽象概念，提高學生學習興趣，培養學生自主學習的積極性；開展多方位考核方式，有助于跟蹤測試學生學習效果，提高學習效率；開展相關案例交流，有助于學生開展自主創新問題探討，培養學生獨立思考、勇于創新的精神，具有較強的實用價值。

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