淺談本科院校《熱工基礎》課程的改革

王崧全　李達漢

摘要：《熱工基礎》是江蘇師范大學機電工程學院面向機械設計專業及車輛工程專業本科生開設的一門專業基礎課，旨在拓展機械專業學生在能源動力方面的知識貯備，并使其掌握傳熱學與熱力學兩大基本理論在機械工程領域中的實際應用方法。本文基于本科院校人才培養的基本目標，結合筆者的從教經驗，從教學內容與教學方法兩大方面對《熱工基礎》課程的改革進行了初步的探索。

關鍵詞：《熱工基礎》;教學質量;課程改革

中圖分類號：G640???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0103-02

一、引言

縱觀人類發展歷程，每一次科技的進步總離不開人類對能源的探索與開發，能源的合理開發與利用已經成為評價一個社會是否進步的重要標準，而掌握能源相關的基本知識也已成為21世紀理工科大學生不可或缺的基本素養。在工程熱力學的范疇內，所謂能源又包括自然界中可以直接利用的一級能源和需要經過加工轉化的二級能源，而在能量轉換的過程中，熱能是最常見且具有特殊作用的一種能源。我們都知道，大多一次能源需要轉換為二次能源后才能利用，像風能、太陽能、水力能和核能等，通常它們會首先被轉換成熱能，熱能的開發與利用對人類社會的發展起到了至關重要的作用。

二、教學內容

《熱工基礎》是面向機械設計專業及車輛工程專業高年級本科生開設的一門專業基礎課，涵蓋了工程熱力學與傳熱學兩大基礎理論[1]，總課時為36學時。在開展的教學過程中，主要將《熱工基礎》分為五章進行講解，包括能源概述、熱能轉換的基本概念和基本定律、熱能轉換物質的熱力性質和熱力過程、熱量傳遞的基本理論及熱工基礎的應用。在講授的過程中主要發現了兩個難點：一是總學時少，課程量大，需要在36個學時內掌握大量的理論知識及公式推導過程;二是涵蓋知識面廣，要求學生們有一定的高等數學、流體力學、電工學及光學等知識功底。針對上述兩個難點，考慮對現有的教學內容進行改革，針對機電設計專業及車輛工程專業高年級學生的知識儲備，結合課程本身的知識體系及相互聯系等方面，更加合理地分配36學時的課程，期望讓學生們在更短的時間內掌握《熱工基礎》的相關知識。

第一章為能源概述，之前授課為2學時，在過去的授課過程中，發現學生們對理論課程的學習興趣欠缺，為了更大地調動學生們的學習積極性，擬將此部分課時時間延長至4學時，希望通過自己的科研經歷，更多地結合世界能源研究前沿知識，使學生們喜歡并深層次地了解這門課程。第二章為熱能轉換的基本概念和基本規律，此部分主要為學生們講解熱能轉換的基本概念、熱力學第一定律和熱力學第二定律三大基本內容，之前授課時長為8學時，其中基本概念授課2學時，熱一律與熱二律授課分別為3學時。其中熱力系、狀態參數及熱力過程等基本概念極為重要，是學習此門課程的基礎，之前授課用時較少，也發現學生們在后來的學習過程中基本概念極易混淆，因此擬提高熱能轉換的基本概念這一部分的授課時長至3學時。熱力學第一定律中涉及的開口系能量方程是后面推導一維穩態熱傳導過程的基礎，而熱力學第二定律中涉及的卡諾循環是對比其他熱機循環過程的根本。另外，閉口系能量方程、孤立系熵增原理等都是《熱工基礎》教學大綱中的重點內容，熱一律與熱二律兩者的地位同等重要，授課學時分別增加至4學時，第二章總授課時長增加至11學時。第三章原授課時長為10學時，其中理想氣體的熱力性質和熱力過程為6學時，蒸氣及濕空氣的熱力性質與熱力過程為4學時。此部分內容涉及大量的公式推導及理論計算，在以往的對此章節的授課過程中，跟學生們的課堂互動很少，學生們也不太理解相關知識，因此考慮將某些特定熱力過程的綜合分析一節進行刪減，但也為一些感興趣且計算功底較強的學生推薦相應的參考文獻，方便他們在課后學習。因此，擬將此章節授課時長縮減至6學時，其中理想氣體占4學時，蒸氣與濕空氣占2學時。第四章為熱量傳遞的基本理論，此章節屬于傳熱學的范疇，主要講解熱量傳遞的三種基本方式及各傳熱方式的基本原理，之前授課時長為10學時。與第三章內容性質一致，第四章除了對學生的計算能力提出較高要求以外，還要求他們有良好的流體力學、電工學及光學基礎，這對一些基礎知識薄弱的學生來說難度較大。因此，考慮將非穩態導熱傳熱方程的推導、導熱問題的數值求解基礎、強制與自然對流換熱實驗關聯式、灰體表面間輻射換熱計算等內容進行一定的刪減，同樣為基礎較好且興趣強烈的學生推薦1—2本參考文獻加以自學，此章節擬將授課時長縮短至6學時。第五章為熱工基礎的應用，由于前面章節課時占用太多，此章節授課時長僅為6學時。對于工科大類本科生而言，在應用方面僅授課6個學時是遠遠不夠的，因此擬將此章節授課時長增加到9學時，重點為大家介紹壓氣機、內燃機、燃氣輪機以及蒸汽動力裝置（包括制冷機）的循環機理，同時為大家介紹一些其他應用，例如核能發電、太陽能熱利用、半導體制冷等[2]。

三、教學方法

1.提高上課的積極性。作為一門專業基礎課，《熱工基礎》首要的特點就是概念晦澀、理論性強，特別是在講解傳熱方程的推導過程中，更是發現學生的興趣欠缺，且接受能力較差，同時也發現一些基礎薄弱的學生在遇到困難時很容易選擇放棄，上課效率欠佳。如何使教學方法更加生動、更加形象，并能夠提高學生們的上課積極性，是成功講授《熱工基礎》的關鍵。為此，考慮開展以下改革：在講解新章節之前，考慮通過自己的科研經歷并結合國內外相關研究現狀，緊密聯系實際應用背景，為學生們普及熱工方面的相關知識，大幅度地調動學生們的上課熱情，讓學生們“愛上”這門課。

2.提高作業質量。作業是對知識的鞏固，其對學生接受一門新課程的作用不言而喻。同樣，對于教師而言，作業的作用同樣重要，它能讓教師了解學生對相關知識的掌握程度，更能基于作業的質量開展下一步的教學工作[3]。但在講授《熱工基礎》的過程中發現，很多情況下作業流于形式，由于熱力學基本概念混淆、傳熱過程公式推導混亂、熱機工作原理不清等原因，學生們的作業質量參次不齊，更有甚者選擇抄襲，完全不能體現學生對新課程的掌握程度，也使教學工作偏離了正確的軌道。