“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革的探索

黃勝

摘 要 華東理工大學(xué)多年來以“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、高素質(zhì)、具有創(chuàng)新精神和國際視野的社會(huì)英才”為人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位，重視對(duì)學(xué)生全方位的培養(yǎng)。以夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力為目的對(duì)“工程熱力學(xué)”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索。課程教學(xué)改革從優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，加強(qiáng)理論結(jié)合實(shí)踐以及突出重點(diǎn)和難點(diǎn)等途徑展開。實(shí)踐證明課程教學(xué)改革提高了教學(xué)質(zhì)量，有效夯實(shí)了學(xué)生理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 工程熱力學(xué) 教學(xué)改革 厚基礎(chǔ) 強(qiáng)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個(gè)分支，屬于應(yīng)用科學(xué)（工程科學(xué)）的范疇，是工程科學(xué)的重要領(lǐng)域之一。工程熱力學(xué)是從工程的觀點(diǎn)出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及熱能直接利用等問題。它是設(shè)計(jì)計(jì)算和分析各種動(dòng)力裝置、制冷機(jī)、熱泵空調(diào)機(jī)組、鍋爐及各種熱交換器的理論基礎(chǔ)。工程熱力學(xué)是工科專業(yè)中一門必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課中起著承前啟后的作用。“工程熱力學(xué)”是華東理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）能源與動(dòng)力工程專業(yè)本科生的工程基礎(chǔ)課程。

我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)成功入選2019年度國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)。因此，通過課程教學(xué)改革不斷將 “工程熱力學(xué)”課程打造成一門“金課”以支撐我校能源與動(dòng)力工程國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)勢在必行。

1工程熱力學(xué)主要內(nèi)容

工程熱力學(xué)主要研究熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑和技術(shù)措施，樹立節(jié)約能源、合理用能的觀念。工程熱力學(xué)課程的知識(shí)容量大，不僅包括經(jīng)典熱力學(xué)的知識(shí)，還包括氣體動(dòng)力學(xué)、動(dòng)能設(shè)備、熱能工程和制冷工程等多學(xué)科領(lǐng)域。課程內(nèi)容主線明確，主要包括理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用兩個(gè)部分，在學(xué)習(xí)基本理論的基礎(chǔ)上，再對(duì)實(shí)際的熱力過程或熱力系統(tǒng)的具體問題進(jìn)行研究分析，獲取提高能量轉(zhuǎn)換效率的可行措施。我校采用譚羽非等編著的《工程熱力學(xué)》（第六版）作為授課教材，理論基礎(chǔ)部分主要包括：（1）熱力學(xué)基本概念：如熱力系統(tǒng)、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)，熱力過程及熱力循環(huán)等的基本定義及分類;（2）熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)及應(yīng)用于不同熱力系統(tǒng)的表達(dá)式;（3）實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的工質(zhì)—理想氣體與水蒸氣的熱力性質(zhì)及基本熱力過程;（4）熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)及數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出熱力過程及循環(huán)方向的判據(jù)。工程應(yīng)用部分主要包括壓氣機(jī)的工作過程、氣體與蒸汽的流動(dòng)、氣體動(dòng)力循環(huán)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)等。在基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對(duì)工程應(yīng)用過程中的實(shí)際熱力過程和熱力循環(huán)進(jìn)行研究，分析實(shí)際過程或循環(huán)的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而分析影響循環(huán)效率的因素并找到提高循環(huán)效率的途徑。

2工程熱力學(xué)課程的特點(diǎn)

工程熱力學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，其中涉及大量的公式推導(dǎo)及定律或定理應(yīng)用問題，具有內(nèi)容多且雜、公式多且應(yīng)用條件復(fù)雜、概念多且抽象以及圖表多的顯著特點(diǎn)。基于上述特點(diǎn)，工程熱力學(xué)課程講授過程中更多地偏向于公式推導(dǎo)和原理介紹，是典型的“難教、難學(xué)、難考”的三難課程。因此，歷年來我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)的學(xué)生都感覺該課程內(nèi)容難度較大。從期末考試結(jié)果來看，部分學(xué)生出現(xiàn)了基本概念不清，公式適用條件不清等問題，這和課程內(nèi)容的邏輯嚴(yán)密性、結(jié)論抽象性有著密切的關(guān)系。鑒于課程以上特點(diǎn)，如果沒有合適的教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難免感覺枯燥，從而影響學(xué)習(xí)效果。

3課程教學(xué)改革的具體舉措

3.1優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

工程熱力學(xué)課程是研究能量及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的基礎(chǔ)應(yīng)用型學(xué)科，主要內(nèi)容包括熱力學(xué)基本定律、常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)以及熱力過程和熱力循環(huán)的分析計(jì)算等，涵蓋內(nèi)容廣泛，與工程實(shí)踐結(jié)合緊密。我校工程熱力學(xué)課程僅40學(xué)時(shí)，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)為保證教學(xué)質(zhì)量，教材上的內(nèi)容不可能全部涉及，應(yīng)在保證課程基本理論體系完整的前提下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的調(diào)整優(yōu)化。例如，能源與動(dòng)力工程專業(yè)重點(diǎn)關(guān)注熱能與機(jī)械能間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。因此，教材中關(guān)于化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)、溶液熱力學(xué)基礎(chǔ)和熱力狀態(tài)參數(shù)的微分關(guān)系式的內(nèi)容不詳細(xì)講述，學(xué)生可課后自學(xué)。因我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)設(shè)置有制冷技術(shù)課程，因此，制冷循環(huán)章節(jié)的內(nèi)容也不詳細(xì)講述。工程熱力學(xué)中與大學(xué)物理重復(fù)的理想氣體性質(zhì)及狀態(tài)方程部分不再詳細(xì)論述，直接利用其結(jié)論，重點(diǎn)講解其應(yīng)用和熱力過程。同時(shí)，結(jié)合本專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)和后續(xù)專業(yè)課程設(shè)置，除了必須掌握的基本理論內(nèi)容，適當(dāng)強(qiáng)化與后續(xù)專業(yè)課程密不可分的內(nèi)容，如水蒸氣、濕空氣和蒸汽動(dòng)力循環(huán)等相關(guān)內(nèi)容。

此外，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。如介紹氣體動(dòng)力循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，可介紹美國 GE 公司、德國西門子公司等企業(yè)的最新機(jī)型及其性能;講到蒸汽動(dòng)力循環(huán)時(shí)，可介紹回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)在實(shí)際過程中的應(yīng)用情況及其對(duì)熱效率改善的效果，可耐700℃材料的研制等國際最新成果以及熱電廠節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)展等，這樣可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3.2構(gòu)建課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系

工程熱力學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)較多，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中往往“只見樹木不見森林”。通過對(duì)工程熱力學(xué)知識(shí)體系的研究和分析，可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)章節(jié)都有明確的脈絡(luò)和主線，在掌握課程脈絡(luò)和主線的基礎(chǔ)上開展學(xué)習(xí)有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。授課教師應(yīng)在課程伊始就“高屋建瓴”地為學(xué)生構(gòu)建好課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，便于學(xué)生從整體上把握課程內(nèi)容，明確各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，這樣在學(xué)習(xí)各個(gè)章節(jié)內(nèi)容時(shí)，目的性就會(huì)更加清晰，學(xué)習(xí)效果將大幅提升。

工程熱力學(xué)以研究熱功轉(zhuǎn)換的基本熱力學(xué)原理及其在工程中的應(yīng)用為基本線索貫穿始終，整個(gè)教學(xué)內(nèi)容圍繞這一主線展開。先介紹基礎(chǔ)理論，如相關(guān)的概念、熱力學(xué)的基本定理與定律、工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)及熱力過程等，后介紹理論知識(shí)的工程應(yīng)用。在對(duì)每個(gè)章節(jié)進(jìn)行總結(jié)時(shí)，不僅讓學(xué)生掌握本章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架，更要了解其與前后章節(jié)的聯(lián)系。這樣，學(xué)生以基本線索串聯(lián)所學(xué)知識(shí)，內(nèi)容更具條理性，避免知識(shí)點(diǎn)凌亂。通過不斷學(xué)習(xí)、思考，學(xué)生對(duì)課程構(gòu)架有整體性的理解，同時(shí)也培養(yǎng)了科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。