應用技術大學工程熱力學教學改革探索與實踐

趙維 徐鑫

摘 ? 要：天津中德應用技術大學采用“重實踐、強基礎、校企化、國際化、復合化”的培養方法，瞄準人才需求定位，培養具有創新精神和職業精神的高素質復合型技術人才。基于這一人才培養定位，能源與動力工程專業工程熱力學課程，以培養學生工程實踐能力為目標，強化教學過程中的工程實踐環節，培養學生的安全生產意識、工程實踐意識、質量意識以及系統思維。通過開設專業認知課程、制定課程大綱、改革授課方式方法，引導學生積極參與科技創新項目及科研課題，以提高學生對專業知識的掌握程度。

關鍵詞：應用技術大學;能源與動力工程專業;工程熱力學;教學改革

應用技術型大學以科學知識和技術成果的應用為導向進行辦學，側重點在于技術知識和技術成果的應用，人才培養目標主要是高級技術型人才等特點，這與普通高等院校有本質區別，因而同樣的課程在兩類不同院校中也存在不同的教學目標和教學方式，傳統本科的教學方式不能很好地適應應用技術型大學對人才培養的要求。工程熱力學是能源與動力工程專業重要的專業基礎課程，與傳熱學和流體力學組成了能源與動力工程專業的三大專業基礎核心課程。一直以來，師生對工程熱力學都存在難懂、難學、難教的體會。如何強化學生對該課程的理解、如何提高學生的學習效果、如何提高教師的授課效率，尤其是針對應用技術大學的本科生，更是擺在主講教師面前的一個難題。本研究通過工程熱力學課程的特點、應用技術大學人才培養定位的學生特點，結合本人曾經在企業中的工作經歷和近年來的授課經驗，對工程熱力學教學過程中的改革實踐和探索提出個人觀點。

1 ? ?工程熱力學課程的特點及教學現狀

工程熱力學課程內容多、公式多、概念多、圖表多[1]。在理論的授課過程中，大量新概念的出現讓學生難以理解，如準靜態過程、可逆過程、不可逆過程的區別和聯系、平衡和穩定區別和聯系等。不同的公式具有不同的使用范圍，要把握熱力學第一定律的兩個表達式之間的聯系及應用;而且同一個公式在不同的條件下，還有不同的表達方式。一般地，這門課程更加偏向于理論講解和公式推導，這也讓部分學生因為數學的原因而對這門課程失去了信心。

同時，此門課程與工程實踐應用的聯系多。一般工程熱力學課本可以大致分成兩部分，第一部分為基礎理論部分，主要關注與熱力學第一定律和熱力學第二定律的應用，還有理想氣體的特性等內容。第二部分為實踐應用理論部分，即工程和生活中常見的設備應用過程的理論部分。對于沒有社會經驗和企業實踐經歷的學生來說，沒有見過汽輪機、壓氣機、內燃機以及蒸汽動力裝置、制冷循環設備，很難理解它們的工作過程和循環過程，這給學生的理解造成一定的困難。此外，從人的智力角度來講，學生思維方式可以分為邏輯思維和形象思維兩類，其中，形象思維的人占60%～70%[2]。應用技術大學的學生，大部分以形象思維見長，所以，這也是學生工程熱力學理論知識學習困難的一個原因。

2 ? ?教學改革實踐

鑒于教學過程中學生學習情況的現狀，要體現本門課程的邏輯嚴密性、循環過程系統性，在授課過程中系統地講授課程內容，提高學生學習興趣，使學生能夠從分析簡單問題進步到分析復雜系統的過程，在整個人才培養過程中做如下實踐。

2.1 ?設置專業認知課程

專業認知課程作為專業實踐課程體系中的一個必要環節，在新生入學第一學期開設，采用教室授課、模型展示、企業參觀等形式進行。在專業認知的授課過程中，可以設置三大核心課程模塊、火力發電系統機生產流程模塊、空調系統及設備模塊、內燃機模塊、傳感器在能動測量中的應用模塊等。通過專業模塊的學習，使學生了解本專業的學習內容、就業方向，了解本專業的各種相關信息，包括新技術、新設備、新思路，擴大學生專業知識面，幫助學生找到學習興趣點。同時，結合工程案例及工程設備，將工程熱力學、流體力學、傳熱學的知識點講授給學生，使學生對工程熱力學所研究的問題、研究內容、研究方法有初步了解，并對朗肯循環、空調系統工作原理、內燃機結構及工作過程、壓氣機工作過程有初步了解，為未來工程熱力學的學習打下基礎。對知識點和相關設備的初步了解，可以改善學生直接接觸工程熱力學時由于抽象而帶來的學習困難的問題。

2.2 ?設計教學大綱

課程的教學大綱是教師進行教學活動的主要依據，是檢查學生學習效果、評定學生學習質量的重要標準，同時，也是衡量教師教學質量的重要標準。應用型技術大學工程熱力學教學大綱的設計，要緊緊圍繞人才培養方案中的人才培養目標進行，教學內容必須能夠保證專業培養目標的實現。同時，教學大綱的設計又要以學科的科學體系為基礎，也必須保證學科體系的基本邏輯和完整性。

應用技術大學培養的是高素質的復合型人才，更傾向于服務于生產一線的工程師。區別于傳統的大學定位，對授課的要求也不盡相同。應用型本科人才培養規格的共性要求，就是應具備知識、能力與素質[3]。工程熱力學的課程目標一般包含3個方面：知識目標、能力目標、素質目標。設置目標時可以從項目或者工程實踐的角度出發。

知識目標：掌握工程熱力學的基本概念、基本原理和應用背景;掌握理想氣體的性質，掌握實際氣體的性質及熱力學的一般關系式;掌握水蒸汽的熱力學性質及熱力過程;掌握噴管的設計與計算（氣體與蒸汽流動）;掌握壓氣機的熱力過程;掌握內燃機及燃氣輪機的熱力過程（氣體動力循環）;掌握蒸汽動力循環裝置的熱力過程（蒸汽動力循環）;掌握壓縮制冷循環裝置的熱力過程（制冷循環）;掌握濕空氣的熱力學特性及相關概念。

2.3 ?教學方法和手段的改革

（1）培養學生的“工程熱力學思維”。學生初學工程熱力學，會感覺難度很大，其中一個原因是對工程熱力學的研究方法不清楚、不適應。在授課過程中注意培養學生的工程熱力學思維，逐漸培養工程熱力學習慣，學會“工程熱力學語言”，即p-v圖、T-s圖、h-s圖等。思維習慣形成以后，就能夠有效地提高學習效率和解決實際問題的能力。同時，為了解決概念多、圖表多、公式多而導致記憶困難的問題，在授課過程中，授課教師可以采用預讀-提問-閱讀-陳述-考查（Preview-Question-Read-State-Test，PQRST）方式進行知識的講授和鞏固，即通過學生預覽、教師提問、學生自主閱讀、學生講述閱讀的重點內容、然后進行測試的方式，對重要的知識點進行強化，并根據B.E.M學習原則的影響，在課堂中對中期的學習內容進行適當復習。

（2）教學過程突出重點和難點。工程熱力學就基礎理論而言，最重要的是熱力學第一定律和熱力學第二定律，這兩個定律貫穿了整個課程，這就是課堂的重點。即：對于可逆過程，熱力學第一定律的兩個基本解析式是：δq=du+pdv，δq=dh-vdp;熱力學第二定律的3個表達式是：。兩個定律不同的表達式之間的關系及應用是難點。就熱力學第一定律而言，兩個解析式可以相互推導出來，但是第一解析式反映了閉口系統能量的熱功轉換實質，同時，在用于物質的能量轉換過程時，也適用于開口系統，是熱功轉換的基本表達式。第二解析式只有在開系中的能量方程中才能夠使用。通過梳理重點和難點，帶領學生將看似散亂的知識點聯系起來形成知識網，并利用思維導圖的形式加以歸納總結。

（3）理論和實踐相結合。在工程熱力學授課內容中，另外一部分內容就是實際工程設備的相關應用，如汽輪機、汽油機、柴油機、壓縮機、燃氣輪機、空調系統等。在授課過程中，可以結合學校的教學資源進行現場授課，如在講朗肯循環時，可以結合太陽能光熱儲能發電系統進行講解;在講制冷循環的時候，可以結合中央空調系統進行講解。此外，在授課過程中還可以結合生活中常見的自然現象，如講熱功轉換的時候，可以聯系打氣筒在打氣過程中為何會發熱，并通過熱力學第一定律進行解釋。同時，可以進一步引導學生思考如何能夠輕松地用打氣筒為輪胎充氣;在講壓氣機的熱力過程的時候，告訴學生通過降低打氣筒溫度的方式，就可以輕松完成為輪胎充氣的任務，進而引入壓氣機多級壓縮、級間冷卻的概念。再如講濕空氣時，可以聯系空氣中水分的凝結、結冰等現象，說明露點的概念以及濕球溫度、干球溫度、飽和溫度之間的關系。

2.4 ?鼓勵和引導學生參與科研項目和競賽

國家教育部在早在2005年“關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見”的關于加強高等學校本科教學工作的主要任務和要求中，提出“著力提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力，全面推進素質教育。”同時，還提出“要積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力”[4]。

在學生參與科研項目的過程中，從多角度、多方面切入。如教師利用自己的科研課題，開展創新的綜合性實驗，學生全程參與教師的科研項目，并完成一定的任務，如實驗項目的進行、實驗數據的采集和整理、項目專利的書寫和申請等。同時，鼓勵學生參加各類專業競賽，例如大學生科研創新項目、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽和創業計劃大賽等項目。通過這些項目的實踐鍛煉，促進學生對專業知識的掌握，使學生能夠將所學的理論知識與實踐相結合，提高學生的思維能力、分析能力、理論指導實踐的能力。

3 ? ?結語

通過上述課程改革后的教學內容和方法，學生在正式學習工程熱力學課程之前就對該課程所學的基本概念和相關設備有了一定的了解，學習本課程時更加容易“入門”;通過不斷地強化課程重點和難點內容，在課堂中引入高效的記憶方法，并在課程中對中期學習內容進行適當復習，學生可以有效地將知識點融會貫通，并形成“工程熱力學思維”，掌握“工程熱力學語言”;通過理論與實踐相結合的教學方式，激發學生的學習興趣，提高了學生提出問題和解決問題的能力以及工程實踐能力;學生通過參與科研項目和相關競賽，既發揮了教師的主導作用，也體現了學生的主體作用;既培養了學生的學習興趣，促進學生對專業知識的掌握，又提高了學生的思維能力、分析能力、理論指導實踐的能力。

[參考文獻]

[1]方 嘉，楊 億，楊 言.“工程熱力學”教學改革探索[J].科教導刊，2019（7）：28-29.

[2]姜大源.論工作工程系統化的課程開發[J].新課程研究，2012（9）：5-7.

[3]潘懋元.應用型人才培養的理論與實踐[M].廈門：廈門大學出版社，2011.

[4]譚羽非，王雪梅.《工程熱力學》課程實施研究性教學的探索與實踐[J].黑龍江教育：理論與實踐，2016（12）：58-59.