新能源科學與工程專業《工程熱力學》課程的教學思考與創新

葛立超　許昌

摘要：《工程熱力學》為新能源科學與工程專業的專業必修課，該課程具有歷史悠久、知識點多、專業性強、覆蓋面廣等特點。本文探討了在時代特征明顯、學科交叉性強和創新能力要求高的新能源專業教學特色下如何更加高效、科學和合理地教授《工程熱力學》的思考和認識，并對本課程與新能源專業的結合和創新教學進行了研究，以期為“新工科”背景下新能源專業人才的培養和相應課程的教學提供參考。

關鍵詞：工程熱力學；新能源；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0103-02

2011年教育部正式批準設置新能源科學與工程本科專業，隸屬能源動力類專業目錄，分屬一級學科動力工程及工程熱物理。本專業為面向新能源產業，培養在風能、太陽能、生物質能等新能源領域從事相關工程技術開發研究、工程設計、優化運行及生產管理工作的跨學科復合型高級人才，及具有較強工程實踐和創新能力的專門人才，適應了當下“新工科”的發展趨勢[1]。

《工程熱力學》作為能源動力類專業基礎課，講述能量的轉換原理和過程。新能源科學與工程專業在傳統能動專業基礎上發展起來，又適應時代特征，交叉了材料、電氣、控制、信息等眾多學科，所學內容紛繁復雜，縮減了傳統專業課程的比重，增加了許多交叉學科及新興領域課程。在這樣的教學背景和特色下，教學內容的優化和精選是教學創新和改革的關鍵。作為專業必修課，在學時有限的情況下，如何最大限度地講授最有價值的知識點和內容架構成為教學的關鍵[2]。

一、課程特點

《工程熱力學》是一門邏輯性強，理論和概念多，內容交叉滲透的課程，由于概念理論深奧、公式繁多導致學生難學教師難教的普遍現象[3，4]。

《工程熱力學》主要按照基本概念理論和基本熱力動力過程等內容劃分為若干章節[5]。針對較為龐大的知識架構和體系，如何在短學時下更有效地進行講授并讓新能源專業的學生們樂于學習能夠聽懂是一個需要認真思考并及時實踐的重要課題。

二、教學方法與思考

1.注重科學素養的培訓，謹記創新理念的培養。高等教育的理念在于大學生科學素養的培訓與創新能力的培養，探索表面現象背后的科學本質，尤其是作為“新工科”的畢業生，更應具備與時俱進、不斷革新的創造性思維意識。在講述新能源專業工熱基礎課《工程熱力學》能源轉換原理知識點時，不局限于書本上所介紹的單純依靠介質動力循環來實現一次能源向二次能源的轉換，應啟發同學們去積極思考能量新的轉換途徑。目前熱力學講述的一次能源向二次能源的轉換主要依靠氣體和水蒸氣等工質在高低溫熱源之間的動力循環來實現化學能向電能、動能等能量形式的轉換，這將受限于所采用工質的性質及循環最高效率兩方面因素而導致現有效率普遍不高、能源的大量浪費和溫室效應，并且需要大型的機械系統和旋轉設備來實現。可以啟發同學們思考是否可以不走這樣的傳統思維，尋求新的能量轉換的方式，如燃料電池（直接實現化學能向電能的轉換）、熱光伏發電（熱量和光直接轉換為電）等等。目前由于研究所限，新的方式通常效率較低，也難以實現規模化，但這種新思路、新方法要體現在日常的教學過程中，啟迪發散思維，并付諸今后的實踐當中，培養創新型的“新工科”人才。

2.明確概念和理論的理解，淡化公式的推導和演變。新能源專業是應時代需要國家著力發展的新興交叉學科，涉及的知識繁雜眾多，在兼顧傳統核心課程的基礎上引入了很多跨學科專業課，因此帶來眾多課程學時縮減的普遍現象，造成教學過程和學習過程都相對困難的情況，如何更高效、更好地講授課程核心內容成為關鍵難點。尤其《工程熱力學》，本身內容繁雜，難度較大，概念和公式特別多，初學者極易迷糊和混淆，短學時下給新能源專業的授課教師造成較大的困擾。對于“新工科”專業的學生，需要接受的新知識較多，傳統知識的比重應當有所縮減，在平時的教學過程中，有所側重，將教學和自學相結合，在課堂有限的時間內將背景知識、專業理論、基本概念和重要公式講清楚，注重知識架構和學習思路的形成，公式的推導和演變可以放到課下，有興趣的學生自己去探索。如在講氣體和水蒸氣的各種熱力過程和動力循環時，可以只把結論性的過程及效率公式講一講，推導過程簡單帶過，放到課下研究。這樣可以做到重點清晰、條理分明，有助于學生們把握書本和課程的脈絡。

3.營造活躍的課堂氛圍，尋找與實際生活的聯系。大學教育較大地依靠于學生的積極性和主動性，因此必須要在課堂有限時間內調動同學們的興趣和熱情，從而使其更好地去消化理解所學內容。《工程熱力學》是能動類專業基礎課，學習起來相對枯燥乏味，課堂活躍氛圍的營造尤為關鍵。首先，應注重思路的講授，拎清楚主要知識點，把學習這門課的目的及整本書的架構灌輸給大家，在以后每一章節學習中，同樣注重目的性和思路的培養，引導同學們積極主動地進入到課程中。在教學過程中知識點的講授秉持從自然現象到物理模型再到抽象數學公式最后再回歸自然工程應用中。加大背景知識的介紹及與實際生活的結合，如在講授燃氣輪機動力循環時，結合2017年上半年國產大飛機C919的成功試飛，成就我國的航空夢想，激發同學們的航空人熱情。教學中注重將課本枯燥的理論知識多與生活中的現象相結合。

4.與“新工科”和新能源的專業特色相結合。新能源科學與工程專業屬于新興產業專業，學科領域廣泛，涉及能源類（如生物質能、太陽能、風能）、化工類（如基礎化學、物理化學、新能源材料）、力學類（如工程力學、流體力學）等多門課程和領域。在實際的教學過程中，應充分結合專業特色和特點，多講授與本專業相結合相關的知識。《工程熱力學》是與能動類專業緊密結合的專業基礎課，其中包含許多本專業所涉及的基本過程、理論和知識，有很多與目前的新能源都相關，在上課講授過程中要緊緊圍繞新能源專業的特點和培養目標，注重傳統核心知識體系與當前能源發展趨勢的結合。水蒸氣的性質及以其為工質的朗肯循環是傳統熱力發電的核心理論，而在新能源光熱發電中，無論前期聚光采用何種形式，后端的發電過程都是基于水蒸氣工質的朗肯循環，只是溫度區間不同。生物質發電、垃圾電廠等新能源中凡是涉及熱電轉換的部分都是基于上述循環理論展開的。因此在講述朗肯循環知識點時可以結合當前世界及我國新能源發電的現狀和形式來給新能源專業的同學們做一個較深入的普及和學習。

三、結語

根據新能源科學與工程專業特點，教師還應在日常教學過程中，不斷優化課程內容，探索教學方法，踐行教學改革，提升教學質量，使本專業課程體系更加科學合理，更好地適應社會發展和全球能源變革大局，不斷培養滿足時代發展需要的合格新能源科學與工程專業人才。

參考文獻：

[1]周開發，曾玉珍.新工科的核心能力與教學模式探索[J].重慶高教研究，2017，5（3）：22-35.

[2]陳登宇.新能源科學與工程專業熱工類課程的教學模式研究[J].教育教學論壇，2016，（52）：176-177.

[3]陳國杰.《工程熱力學》教學改革探討[J].教育教學論壇，2014，（31）：73-74.

[4]劉青榮，裘薇，段芮，張濤，朱群志.行業類高校“工程熱力學”教學質量提高方法探討[J].教育教學論壇，2016，（42）：182-183.

[5]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].第4版.北京：高等教育出版社，2007.