“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革探索

李文濤 馬永財 付曉明

摘? ? 要：文章以黑龍江八一農墾大學農機專業為例，從“工程熱力學與傳熱學”課時不足、部分先修課程知識缺失、學習主動性不足、教學手段單一及實踐教學薄弱等問題出發，結合工程教育專業認證的理念，提出“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革的策略。

關鍵詞：工程熱力學與傳熱學;教學改革;農機

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）09-0021-02

“工程熱力學與傳熱學”的主要內容是研究熱能利用的基本規律，提高熱能利用率的方法及熱能利用過程與其他熱現象中的熱量傳遞的基本規律[1]。掌握和了解能量轉換的基本知識、工程傳熱問題計算的基本方法是農業機械化及其自動化專業學生從事本專業工作所必備的基本技能。由于其具有內容抽象、理論性強、公式繁多且復雜、涉及知識面大等特點，造成學生學習積極性不高、教師授課壓力較大[2]。本文總結了教學過程中存在的主要問題，并從教學內容建設、教學方法和考評機制改革方面進行了探討。

一、“工程熱力學與傳熱學”教學現狀

（一）課時不足

農機專業現行培養方案中，“工程熱力學與傳熱學”總學時數為30，其中實驗學時為6，課堂教學學時數較少，增加了學習和教學的難度。所用教材為張學學主編的《熱工基礎》，共十二章內容，筆者根據近幾年的教學經驗，用30學時講授全部內容且保證教學質量難以實現，加之在理論分析時如開口系統的穩定流動能量方程、卡諾定理的證明熵的導出、導熱微分方程等需要占用大量的學時，如何取舍講授內容成為重中之重。

（二）先修課程知識缺失

“工程熱力學與傳熱學”與許多課程都有密切聯系，涉及知識面大，在開設本課程之前，應已修并掌握高等數學、流體力學、大學物理等課程。農機專業的培養方案中并沒有設置流體力學課程，學生在學習基本概念、理想氣體的性質與熱力過程等內容時沒有困難，但在重點介紹對流換熱的數學描述過程中的連續性微分方程、動量微分方程、能量微分方程和管內強迫對流換熱的影響因素時，由于流體力學相關知識的缺失，導致學生難以完全理解。且該課程第五學期開設，此時學生在第一、二學期學習的高等數學知識逐漸模糊，加之掌握水平不一，導致學生對導熱微分方程式的推導如其中泰勒級數展開不能很好地理解，涉及可逆過程的體積功、技術功對積分偏微分感到恐懼，甚至產生排斥心理，大大降低了學習“工程熱力學與傳熱學”的信心。

（三）學習主動性不足

首先，教學內容中理論分析涉及許多數學理論，經驗公式繁多，難于理解和記憶，系統性較差，重點分散，同時課程學分少[3]。上述諸多問題造成學生主動學習的興趣和積極性大大降低，上課前完成課程預習的學生很少，由于大三學生學習任務重，能夠課后復習的學生更是微乎其微。其次，學生在本科學習階段對所學該門課程內容在今后的實際工作過程中不確定是否能用到，造成主動學習的動力缺失。

（四）教學手段單一

授課是教學的中心環節，常規的授課方式多為教師授課為主，通過幻燈片和板書相結合的形式進行講解，按照教學的內容分別介紹章節的基本概念、定律和復雜的計算公式，內容抽象晦澀，學生只能被動接受，與學生互動效果不理想，教學過程中缺少有效反饋，難以激發學生學習的興趣。

（五）實踐環節薄弱

理論學習最終要以實踐應用為落腳點，實踐中發現的科學問題進而促進理論的提升，但在“工程熱力學與傳熱學”課程的學習過程中實踐環節比較薄弱，所開展的實驗受多因素的限制，多為認知性、驗證性實驗，如本課程開設的二氧化碳臨界狀態觀測及p-v-T關系測定實驗、氣體定壓比熱測定實驗和自由對流橫管管外放熱系數測定實驗，缺少綜合設計性實驗。限制了學生創新能力的發展，加之學生缺少相應的工程實踐經驗，更難以達到培養學生創新思維、發現問題、分析解決實際工程問題的目標。

二、“工程熱力學與傳熱學”教學改革策略

（一）整合教學內容

堅持以產出為導向、以學生為中心和持續改進為基本理念，根據學時調整課程的內容，修訂教學大綱[4]。在教學中用精細的教學大綱控制教學開展，突出課程的系統性和邏輯性，注重講解定理、基本假設和應用范圍，簡化或省略與今后工作聯系不大的理論和公式的推導過程，重點培養學生解決實際工程問題的能力[5]。

教學內容調整如下：第一篇工程熱力學部分，重點介紹基本概念，主要包括熱力系統及其分類，平衡狀態及狀態參數、準平衡過程、可逆過程、熱量和功量的計算;熱力學第一定律的實質，閉口系統第一定律表達式、開口系統穩定流動能量方程式的推導;正向卡諾循環和卡諾定理、克勞修斯積分不等式、孤立熵增原理;理想氣體的性質、理想氣體的狀態方程;水蒸氣的產生過程和濕空氣的性質、濕空氣的焓—濕圖。簡單介紹理想氣體的熱力過程、逆向卡諾循環和水蒸氣的基本熱力過程。自學動力裝置循環、制冷裝置循環。第二篇傳熱學，重點介紹熱量傳遞的基本方式，導熱穩態導熱計算、單向流體強迫對流換熱特征數關聯式、輻射換熱的基本概念基本定律，傳熱的過程及換熱器。簡化對流換熱的數學描述，輻射換熱的計算方法，自學非穩態導熱有關內容和對流換熱的實驗研究方法。同時合理優化實驗教學，引導學生根據所學原理，分組自行設計實驗方案及步驟，如開展翅片管束管外放熱傳熱實驗，培養學生利用所學理論知識開展創新活動，激發學生創新意識。

（二）創新教學方法

針對部分學生先修課程知識缺失的問題，改變傳統“工程熱力學與傳熱學”的教學模式，課前利用MOOC、微信群等平臺，將該次課程所涉及的相關數學公式如微分、偏微分、定積分、泰勒級數，流體力學的重要內容發布給學生，鼓勵學生提前復習和補充所欠缺的知識點，以便提高課堂的學習效率同時也緩解課時不足的矛盾。

以學生為中心，突出學生的主體地位，引導學生利用所學理論知識討論、分析和解釋日常生活中的問題和現象，增加互動環節，提高學生的學習興趣[6]。在課程教學過程中應用問題討論法、類比對比法、案例分析法，培養學生獲得信息的能力[7]。如在介紹熱力學第二定律的表述時設定熱機在某一特定條件下工作，引導學生分析該過程能否實現，又如在學習穩態導熱時，以教室為例如何布置暖氣，如何確定傳熱面積等實際應用問題，激發學生的學習熱情和主動性，逐步培養學生發現并解決實際工程傳熱等問題的能力。對于教學內容中的閉口系統的熱力學第一定律表達式和開口系統穩定流動能量方程、熱量傳遞的三種基本方式、平壁傳熱和圓筒壁傳熱等內容，采用對比法教學，強化學生的記憶和理解，清晰之間的聯系與區別，在教學的過程中，結合學生的實際情況適時引入案例進行分析，拉近理論與實際應用的距離，注重難點疑點的解答。同時鼓勵學生分組討論匯報，加強課程的隨堂測驗，鍛煉了學生自主學習能力，培養團隊協作精神，鞏固學習成果[8]。

為開拓學生的國際視野并培養學生獲取專業前沿信息的能力，對教學的部分內容逐步開展雙語教學。雙語教學有助于學生熟悉專業術語的英文表述，為學生未來查閱英文科技資料、閱讀英文科技文獻和進行國際交流打下良好的基礎[9-10]。鑒于學生英語水平參差不齊的情況，實時調整英語授課的比例，以此激發學生進行國際學術交流的興趣和積極性。

（三）改革考評機制

課程考評是對教師教學理念、教學內容和教學方式的直接反饋，也是對學生掌握該課程的檢驗[11]。以往的課程考核效果很不理想，尤其是綜合類型的計算，學生普遍反映計算公式忘記或混淆導致空白或錯答。而課程學習的最終目的是運用所學知識、原理解決實際的工程應用問題，并非考察學生的記憶力，僅依據閉卷考核和平時成績不能反映教學的真實性和客觀性。針對上述問題，課程考核方式已采用過程考核與考試考核相結合的方式。過程考核包括課堂出勤、課堂討論及互動、課堂測驗、課程實驗，考試考核仍采用閉卷考試形式，對基本概念、基本原理的考核，無相關資料參考，對于綜合類試題，考試時提供相關的資料參考，要求學生選用正確的理論和公式來分析解決問題，實現考查學生基本理論知識的掌握和解決工程問題的能力。

三、結論

“工程熱力學與傳熱學”是農機專業學生進一步學習“谷物干燥原理及設備”和“農副產品加工設備”等課程的基礎，結合工程教育專業認證的背景，改變傳統的教學模式，通過總結現有問題、調整教學內容、改革教學方法及建立多元化考評機制，充分調動學生的學習積極性、主動性，逐步培養學生發現并解決實際工程傳熱等問題的能力，進而增強創新意識、提高創新能力。

參考文獻：

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[10]史波，單勇，張勃，等. 《傳熱學》雙語教學的實踐與思考[J]. 教育教學論壇，2018，（30）.

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[責任編輯? 包玉紅]