面向高等院校新增新能源專業的工程熱力學教學設計

李瑞 吳玉龍

摘要：工程熱力學是研究熱能利用及轉化的一門工程專業基礎學科。對于目前國內很多院校新開設的新能源科學與工程方向而言，建立適合學生知識體系特點、符合專業領域發展方向并具有延展性的教學體系和方法，可以在有效提高教學效果的同時，也有利于后續相關專業課程學習。本文在分析專業特點及熱力學教程內容特點的基礎上，提出了以教學內容重構為核心、以拓展教材為介質、以專業服務為目標的專業導向模式的工程熱力學教學思路，通過突出專業實踐，綜合國內外典型熱力學教材優勢點，完成了前后知識結構聯系緊密、側重點更貼合新能源方向專業特點的教學設計。

關鍵詞：工程熱力學;新能源科學與工程;專業導向

隨著近年包括生物質資源利用的新能源需求的增加，很多高校建立了新能源專業方向以適應科技發展需要。工程熱力學是工科專業一門基礎學科，主要設置內容包括：熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學過程、過程工質熱力學參數變化和系統能量的轉移轉化，具有涉及內容多、抽象性強、公式推導復雜、應用難度大等特點[1] [2] [3]。而對于各院所新開設的新能源科學與工程方向屬于非熱能專業，前期相關課程只有大學物理和物理化學，學生對課程的接受程度受到熱力學基礎理論匱乏的限制。如何改善教學效果、提高理論消化程度、實現熱力學基礎理論為后續專業課程服務，是新專業熱力學課程面臨的挑戰。根據多年教學探索，本文提出了以教學內容重構為核心、以拓展教材為介質、以專業服務為目標的專業導向工程熱力學教學模式。

一、工程熱力學課程分析

以普通教育國家十二五規劃教材《工程熱力學》為研究課程教材對象[4]，目前被廣泛采用的教材內容主要包括：熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質的焓和熵，不同熱力學過程的公式推導及計算，并列出各部分內容與新能源專業學生培養的緊密程度，具體如表1所示。

根據后續專業課程及新能源方向培養目標要求，課程需要學生重點掌握新能源中的熱能、化學能等能量在轉化過程中基本原理及熱力學在工程方面實際應用方面的技能，如生物質熱轉化過程中能量的變化、流程設計中涉及的能量傳遞及優化原則、風能水力利用過程中能量轉化原理及設計原則、能源轉化過程中典型工質的計算，而在專業性很強燃氣輪機、噴氣（活塞）發動機、制冷機組、第二定律理論性推導方面，如果按照教程安排進行教授，不但需要消耗大量課時，也很容易造成學生在原本很復雜的熱力學面前，精力分散不清楚重點和脈絡，進入“聽起來枯燥無味”、“公式不好理解也不好背”始終處于被動受教的角色，只聽老師課前進行的專業課程聯系介紹而最終“不確切知道為什么去學”使得課程的掌握程度和運用大打折扣。

二、專業導向的教學模式

按照傳統的教學模式，概念的引出、公式的推導到重點的講解，幾乎都是由教師以先進的電化教學手段和盡可能深入淺出的的方法教授給學生。對于工程熱力學課程而言，一方面由于內容涉及面廣、理論抽象、研究對象繁多;另一方面，幾乎全國統一大綱式的傳授不但在一定程度上忽視了不同專業背景的學生對特定知識的接受程度，更沒有將這一重要的理論基礎課在專業知識體系中的核心作用發揮出來，這種忽視差異的課程模式最終造成“課程學的好很難，學好了似乎又沒多大用”的尷尬局面。因此，在新能源方向的工程熱力學課程教學設計中，我們提出了以專業導向教學模式為核心，簡化與相關專業課程重復部分并補充專業重點需求內容，按照專業培養人才目標進行課程內容的重構，使整個教學流暢明晰、難易適中、專業服務性強。

如前所述，設計思路為以教學內容重構為核心、以拓展教材為介質、以專業目標為標準，以下結合教學大綱的編寫進行詳述。

1.教學內容重構

由表1的從屬關系可以看出，教材主要內容為熱力學第一定律、第二定律理論推導及具體應用，對于非熱能反向的能源領域，熱力學第一定律、水蒸氣及空氣的幾種典型熱力過程、節能方法是關注重點，而對于熱力學第二定律的理論推導、復雜熱力學過程中不可逆性及熵的變化則只需總體掌握即可。因此根據從屬關系的加權值得到表1中專業相關度，小于10%的采用簡化講解，做到確保原理清楚，減少理論推導和理論論證的教學比例;大于12%的增加講解深度，達到熟練掌握原理解決實際問題的程度。

在能源領域的熱力學應用中，具體能量傳遞的技術及理論、典型的熱工設備也是必須要掌握的關鍵點，這部分知識是熱力學理論學習和實際應用之間必不可少的橋梁，目前工程熱力學教材中普遍缺乏這部分內容，因此結合筆者《熱工學》[5]的教學實踐，進行這部分內容的補充。

2.教材拓展

根據上述內容重構需求，課程采用了以十二五規劃工程熱力學教材為基礎，輔以熱工學教材為補充參考，在傳統熱力學教學中，加入了傳熱過程計算（課時比例5%），工業鍋爐（課時比例8%）。傳熱學置于課程最后部分作為各個熱力過程中傳熱過程的補充理解，工業鍋爐部分涉及燃料種類和分析方法、鍋爐汽水循環原理、鍋爐熱平衡，不但是很好的第一定律應用實例，也詳細和闡述燃料相關知識，對于新能源方向本科生知識體系是一個很好的補充，將其置于水蒸氣熱力過程部分講解。

3.實踐教學貼合專業培養目標

新能源涉及范圍比較廣泛，生物質能源是一個有很大發展空間的產業化方向，其中農林廢棄物通過熱解實現高附加值利用就是很好一例，該方法不但可以提升農林生產產業化水平、也可以有效降低環保壓力，負荷目前可持續性產業構架發展需求，具體過程如圖1所示：

這個過程的熱力學過程包括：燃料燃燒、不同等級能量的回收利用、能量傳遞、能量轉換、自熱鍋爐，都在課程知識體系范圍內，因此在本課程后期設置了生物質熱解過程的課題研究和研討，不但融會貫通了課程前面的知識，也增加了課程掌握程度和保留時間，為后續時段相關專業課程鋪墊理論基礎。

三、總結

教學模式的革新相對方法改革能從更高層面上滿足提升課程教學質量、培養適合專業性人才的需求，工程熱力學是新能源方向很重要的一門學科，而對于理論性和抽象性較強的熱力學教學，從專業知識背景出發、以專業人才培養目標為考核標準、結合應用有側重點去教授，可以更有利提高學生的主動性，引導學生增強分析、解決新能源領域工程實際問題能力，同時學生學習也更有主動性和目的性。

參考文獻：

[1]閆翻遼，李強，劉聰等.工程熱力學模塊化教學探索[J].化工教學， 2018.7（vol44）： 168-169

[2]申潔，唐海，陳小榆等. 研究型—啟發式聯合教學法的探索與實踐——以工程熱力學與傳熱學課程為例[J]. 西南石油大學學報（社會科學版）， 2018.9（vol20）， 76-81

[3]陳慶東，王俊平. 工程熱力學綜合設計性實驗項目改革[J]. 物理通報，2018.11：77-79

[4]嚴家，王永清. 《工程熱力學》（第三版）[M]， 北京：高等教育出版社 2014.9

[5]陳黟，吳味龍. 熱工學[M]，北京：高等教育出版社， 2004.1

作者簡介：

第一作者：李瑞（1975.1-），男，籍貫：黑龍江，單位：北京林業大學，職稱：副教授，從事化學工程及生物質能源教學、科研工作。

通訊（責任）作者：吳玉龍，男，1972年1月生，籍貫四川綿陽，單位：清華大學核能與新能源技術研究院研究員，博士生導師，從事化學工藝和新能源技術等方面的研究工作。