能源與動力工程專業工程熱力學課程的教學改革

李愛琴 鄒玉 杜文海 俞接成

【摘要】能源與動力工程專業方向調整后，增加了暖通專業的口徑和內涵，這就要求工程熱力學課程體系、教學內容、教學方式與培養寬口徑、厚基礎、強能力、高素質應用型人才相適應。根據能源與動力工程專業的專業特色和工程熱力學的特點，從提高課堂質量和激發學生興趣入手，結合作者教學實踐，對工程熱力學從教學內容、教學方法、教學方式等多方面，進行了一系列教學改革創新實踐，形成了一套行之有效的教學體系，在實踐運用中取得了良好的教學效果。所取得的研究成果不僅對工程熱力學教學改革有積極作用，對其他能源與動力工程專業基礎課的改革也有借鑒意義。

【關鍵詞】工程熱力學 ?教學改革 ?教學成果

【中圖分類號】TB131 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）29-0238-02

1.引言

工程熱力學是能源與動力工程、過程裝備與控制工程、機械工程、油氣儲運工程等專業重要的基礎課，是培養熱能相關的各領域具有創新能力人才的基礎，也是培養21世紀工科學生科學素質的公共基礎課[1-2]。通過本課程的教學，使學生能熟練掌握能量轉換及其應用過程的基本規律，學會應用熱力學第一定律與第二定律的理論體系分析解決工程實際問題的基本原理與方法，掌握相關的熱能轉換與利用設備的熱力計算理論，為后續專業基礎課及專業課奠定基礎。因此學生掌握工程熱力學課程基本理論，直接影響其專業水平，對今后從事科學研究、工程應用及管理工作都非常重要。

2.教學內容、教學方法、教學方式等多方面的教學改革

2.1 教學內容的改革

工程熱力學的研究對象主要是能量轉換，特別是熱能轉化成機械能的規律和方法，以及提高轉化效率的途徑，以提高能源利用的經濟性。[3]其課程特點可用“概念多、公式多、內容多、抽象難懂”加以概括[4]。以目前應用比較廣泛的高等教育出版社出版的沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學》第五版教材[3]為例，全部內容可分為三大部分（見圖1），①基礎概念和基本理論，②工質的基本熱力性質，③基本理論的工程應用。①基本概念和基本理論部分，包括工程熱力學相關概念（熱力系統、狀態參數、平衡過程及可逆過程等等）、熱力學第一定律與第二定律，這是工程熱力學的理論基礎。其中熱力學第一定律描述了熱能和機械能相互轉換的數量關系;熱力學第二定律解析了熱能和機械能之間品質的區別，提出了能量轉換的方向、條件與限度。（對應1、2、5章）。②研究工質的基本熱力性質。（對應3、4、6、12章）。主要講述工質（理想氣體、水蒸氣和濕空氣）在能量轉換過程中狀態參數變化的規律。③講述典型熱工設備（包括壓氣機、內燃機、空調及噴管等）的工作過程。即應用熱力學基本定律，分析并計算工質在典型熱工設備中經歷的循環及過程，在此基礎上，探討和分析了影響能量轉換的因素，得到提高轉換效果的途徑。（對應7、8、9、10、11章）。學生在學習了熱力學第一定律與熱力學第二定律，掌握了理想氣體和實際氣體的熱力性質和過程基本規律之后，可以應用這些基本知識分析一些熱工設備的理想工作過程，完成對所學知識的第一次初步理解和應用。在達到熟練應用理論知識的基礎上，更深層次的應用所學的工程熱力學知識，深入分析實際裝置中的熱力過程和多種循環，從而達到能在更高的認知層面上進一步綜合、靈活應用工程熱力學的知識去解決實際問題。在完成上述過程后，分發給不同專業的學生課外作業，鼓勵學生將所學的工程熱力學知識與本專業的研究內容結合起來，達到靈活應用理論知識解決實際問題的教學目的。

2.2 教學方法的改革

（1）針對重要內容，將知識體系融會貫通

工程熱力學的課程體系復雜，公式較多且易混淆。[5]教學過程中注重基本概念和公式推導的講解，以使學生了解和掌握公式的來源及物理定義。將相關聯的課程體系建立聯系，利用知識鏈的牽引功能進行教學。例如熵及其相關概念比較抽象并難于理解，在大多數現用教材的內容編排上，熵方程及熱力學第二定律的各數學表達式的內容是相互獨立的。在長期教學中發現：學生學習這部分內容時感覺難度較大，在使用孤立系熵增原理表達式和克勞修斯積分等式和不等式時，不等式的方向經常用反。筆者在上課過程中通過熵方程把熱力學第二定律的數學表達式串聯起來，形成知識鏈[6];使看起來抽象的、孤立的知識簡潔化、系統化，并將這種知識鏈應用到工程熱力學的教學實踐中。從近年來的教學成效看，學生掌握這部分內容的能力和靈活性大大增強。

（2）從實際問題出發，開展參與式[7]、啟發式教學

工程熱力學作為專業基礎課，最終目的還是要求回歸工程實踐，解決具體的工程問題。從研究方法的角度，工程熱力學普遍采用抽象、概括、理想化和簡化的方法。這種略去細節、抽出共性、抓住主要矛盾處理問題的方法，不但不脫離實際，而且更深刻地反映了事物的本質，是科學研究的重要方法。在教學中秉承培養學生的科學研究思維的初衷，教會他們將復雜的工程問題簡化為理想模型，得出基本規律后，用于指導實踐。開展啟發式教學，科學源于生活，因此在授課過程中，結合具體專業，引出與理論相關的具體工程實例，培養學生利用所學的理論知識分析、解決問題的能力。例如在講解熱力循環經濟型評價時，提出“用空調供熱還是用電暖氣供熱更經濟”話題，引發學生思考。又如講解到濕空氣章節時，提出“冬天，戴眼鏡的同學如何在進入室內時避免眼鏡起霧？”的問題，讓學生從基本原理中探尋答案。通過將基本概念和理論與熟悉的生活現象聯系起來，啟發學生思考，提高他們學習工程熱力學的興趣和主觀能動性。

（3）重視實驗教學，培養工程觀念

工程熱力學作為基礎理論與應用兼備的一門課程，實驗是必不可少的教學環節，也是幫助學生理解理論知識，培養學生工程實踐觀念的重要途徑。目前，北京石油化工學院開設的工程熱力學實驗課時數為8學時，實驗項目為：“氣體定壓比熱測定實驗”、“二氧化碳P-V-T關系測定”、“飽和蒸汽P-T關系實驗”和“噴管實驗”。學生通過參與實驗課程的學習、加深了熱力學基本定律、公式的理解，增強了學生實驗技能的訓練。除此之外提出工程熱力學選做實驗教學內容（綜合性或設計性）的方案。為學生開設一些有工程背景的工程性實驗，對實驗技能進行綜合訓練，將傳統的測量手段與現代測量手段相結合，啟發學生自覺的接觸實際問題，以提高學生的創新能力和動手能力。已開設實驗項目有：“燃氣采暖系統熱效率分析”、“多種溫度測試方法比較”、“空調制冷系統綜合實驗”、“新型工質熱物理性質測定實驗”。

2.3 教學方式的改革

改進和完善了網絡系統和相關教學資源，充分利用信息技術，方便學生學習和查閱相關資料。將教學大綱、課程內容、教學課件、習題等資源上網，建立師生互動區，隨時了解和反饋教與學雙方的要求，提高了課程的教學效果。在教學手段方面，收集和開發了課程電子教學資料，改進和完善已有的多媒體課件。

3.教學成果

通過一系列的教學改革，工程熱力學課程獲得了一系列的教學成果：（1）學生上課興趣提高，對工程類題目的掌握有了更高的靈活度。（2）能動專業學生在考研中將工程熱力學當做選考科目且成績優秀，考研率逐年增加，例如2017屆能動132班考研率達到了19.23%，創歷史新高。（3）在進行試題設計及篩選的教學實踐中，形成了工程熱力學試題庫，試題庫的應用縮短了教師出試卷的時間，保證了考試的客觀性及試卷的覆蓋面。

4.結論

通過工程熱力學教學體系、教學方法、教學手段和考試方法的改革和探索，教學效果大為改善，教學質量大大提高，近三年來學生普遍認為，本課程內容符合教學大綱要求，信息量大，及時反映了國內外科技發展的新動態，注重基本理論，重點、難點突出，能夠理論聯系實際，并積極采用了現代化教學手段，對該課程的教學改革是成功的。

參考文獻：

[1]中國21世紀議程編制領導小組. 中國21世紀議程——中國21世紀人口、環境與發展白皮書[M].中國環境科學出版社， 1994.

[2]張麗娜， 蔡偉， 鞏學梅， 等. 《工程熱力學》課程教學改革的探索與實踐[J]. 寧波工程學院學報， 2010， （2）： 100-102.

[3]沈維道， 童鈞耕. 工程熱力學[M]. 第五版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[4]姚江， 何曉崐， 方海峰， 等. 節能減排形勢下工程熱力學教學改革的探討[J]. 中國現代教育裝備， 2017， （3）： 47-49.

[5]何宏舟， 鄒崢， 丁小映. 提高“工程熱力學”課程教學質量的方法研究[J]. 集美大學學報， 2002， （3）： 88-92.

[6]李愛琴. 熵方程在熱力學第二定律教學中的應用[J]. 城市學院學報， 2010， （1）： 74-76.

[7]李愛琴.參與式教學法在實踐教學環節中的探索與實踐[C]. 2011年教育科學與管理工程國際學術會議論文集， 2011.