工程認(rèn)證背景下自動(dòng)化專業(yè)《熱工基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革與思考

萬(wàn)世斌 徐 鵬楊 佳王 堃

（[1]重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 重慶 400054；[2]重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 重慶 401331）

0 引言

黨的十九屆五中全會(huì)提出到二〇三五年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的遠(yuǎn)景目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化和信息化是實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的主要目標(biāo)。熱工過(guò)程是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要組成部分，因此要實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化和信息化就必須加強(qiáng)熱工自動(dòng)化本科人才培養(yǎng)。培養(yǎng)具有良好人文素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)，掌握自動(dòng)化領(lǐng)域的基本理論、基本方法和基本技能，能為國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)部門特別是能源、電力等行業(yè)服務(wù)的專門人才。

熱工自動(dòng)化專業(yè)最主要任務(wù)就是對(duì)熱工生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，包括熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、投運(yùn)和維護(hù)等。要實(shí)現(xiàn)熱工過(guò)程自動(dòng)化就必須對(duì)熱能的利用、轉(zhuǎn)化和傳遞的基礎(chǔ)理論進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。《熱工基礎(chǔ)》課程就是以研究熱能的利用、轉(zhuǎn)化及傳遞規(guī)律為基本內(nèi)容的課程。它是由工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分基本內(nèi)容組成的綜合性熱工技術(shù)理論基礎(chǔ)。

目前全國(guó)熱工課程的設(shè)置主要在能源動(dòng)力類、石油化工類、航天航空類、土建類、交通運(yùn)輸、輕紡食品等大類專業(yè)。部分其他有需求的專業(yè)則開設(shè)了少學(xué)時(shí)的熱工基礎(chǔ)課程。以重慶理工大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）為例，我校工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)作為能源與動(dòng)力類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，由車輛工程學(xué)院?jiǎn)为?dú)開設(shè)，課時(shí)較多；筆者所在的自動(dòng)化專業(yè)由于設(shè)置了熱工自動(dòng)化課組方向，因此開設(shè)了48學(xué)時(shí)的熱工基礎(chǔ)課程。此課程是自動(dòng)化專業(yè)熱工自動(dòng)化方向的基礎(chǔ)課程。涵蓋工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分內(nèi)容。工程熱力學(xué)部分主要講授工程熱力學(xué)的基本概念和基本定律、常用工質(zhì)的熱物理性質(zhì)、基本熱力過(guò)程與典型熱力循環(huán)分析以及提高循環(huán)效率的途徑；傳熱學(xué)部分主要講授導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱的基本規(guī)律、控制熱量傳遞過(guò)程的技術(shù)措施以及換熱器的熱計(jì)算方法。此課程的后續(xù)課程包括《熱力設(shè)備及運(yùn)行》、《過(guò)程控制》等。

《華盛頓協(xié)議》是一項(xiàng)工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的國(guó)際互認(rèn)協(xié)議。2016年6月，國(guó)際工程聯(lián)盟大會(huì)《華盛頓協(xié)議》全會(huì)全票通過(guò)了中國(guó)的“轉(zhuǎn)正”申請(qǐng)，我國(guó)正式成為國(guó)際本科工程學(xué)位權(quán)威互認(rèn)協(xié)議的成員，我國(guó)的工程教育質(zhì)量認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)國(guó)際實(shí)質(zhì)等效。當(dāng)前，各高校本科專業(yè)均在如火如荼地開展工程教育認(rèn)證工作。用產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念來(lái)指導(dǎo)學(xué)校的工程教育認(rèn)證工作。近年，我校也順應(yīng)教育改革的大潮，下大功夫開展工程教育認(rèn)證，自動(dòng)化專業(yè)多次申請(qǐng)工程教育認(rèn)證。參加工程認(rèn)證對(duì)專業(yè)教育提出了更高的要求，不僅需要針對(duì)專業(yè)認(rèn)證的要求，修訂培養(yǎng)方案，還需要進(jìn)一步完善課程的大綱，持續(xù)地對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行反饋、評(píng)估和改進(jìn)。

在工程教育認(rèn)證的背景下，我校自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)熱工基礎(chǔ)課程，存在教學(xué)學(xué)時(shí)少、經(jīng)費(fèi)不足導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏、學(xué)生基礎(chǔ)差以及學(xué)習(xí)興趣缺乏等問(wèn)題。鑒于此，筆者在專業(yè)申請(qǐng)工程教育認(rèn)證的背景下，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐和體會(huì)，在教學(xué)大綱設(shè)計(jì)、教學(xué)方法與手段等方面進(jìn)行了思考和改革，努力形成非熱工專業(yè)學(xué)生接受的授課模式，從而改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)樹立節(jié)能和環(huán)保意識(shí)，這也是工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)學(xué)生畢業(yè)的要求的條件之一。

1 適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)大綱

為了適應(yīng)基于產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念的教育改革要求以及工程認(rèn)證申報(bào)的需要，我校從2018年開始?xì)v時(shí)兩年完成了培養(yǎng)方案的修訂。與此同時(shí)，筆者以及筆者的同事參考其他高校的《熱工基礎(chǔ)》教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)新的自動(dòng)化培養(yǎng)方案，并結(jié)合我校自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)實(shí)際及畢業(yè)生就業(yè)情況，設(shè)計(jì)并制定了《熱工基礎(chǔ)》教學(xué)大綱。

1.1 課程目標(biāo)

根據(jù)我校自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求以及《熱工基礎(chǔ)》課程的特點(diǎn)，筆者擬定了四個(gè)由易到難的課程目標(biāo)。課程目標(biāo)1主要掌握熱工過(guò)程的基本概念、基本理論和基本方法；課程目標(biāo)2主要掌握熱工過(guò)程的理論建模方法及對(duì)象特性分析；課程目標(biāo)3主要訓(xùn)練學(xué)生對(duì)仿真工具（Matlab、Aspen、Comsol等）的使用；目標(biāo)4主要培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能減排的工程意識(shí)。課程目標(biāo)及其與畢業(yè)要求的支撐關(guān)系見表1所示。

表1：課程目標(biāo)及其與畢業(yè)要求的關(guān)系

1.2 課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容的支撐關(guān)系

本課程包含48學(xué)時(shí)，教學(xué)組織形式主要包括課堂講授、課外作業(yè)、數(shù)值模擬試驗(yàn)等環(huán)節(jié)。本課程的教材選用清華大學(xué)張學(xué)學(xué)主編的《熱工基礎(chǔ)》第三版。課程目標(biāo)1主要通過(guò)課堂講授和課后作業(yè)實(shí)現(xiàn)；課程目標(biāo)2主要講授連續(xù)方程、基于熱力學(xué)第一定律建立的能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，并訓(xùn)練學(xué)生利用前述三個(gè)守恒方程進(jìn)行集中參數(shù)和分布參數(shù)建模的能力，主要通過(guò)課堂講授和課后作業(yè)實(shí)現(xiàn)；課程目標(biāo)3主要通過(guò)撰寫小論文實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)仿真工具（Matlab、Aspen、Comsol等）的掌握。課程目標(biāo)4主要依靠課堂講授和課后作業(yè)實(shí)現(xiàn)。本課程具體的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)組織形式的支撐關(guān)系見表2。

表2：課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)組織形式的支撐關(guān)系

1.3 考核要求與成績(jī)?cè)u(píng)定

課程考核成績(jī)是考查學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成的主要指標(biāo)。《熱工基礎(chǔ)》課程成績(jī)的評(píng)定方式如表3所示。課程考核成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)和結(jié)業(yè)考核成績(jī)（或期末筆試成績(jī)）。平時(shí)成績(jī)包括課外作業(yè)、課程論文、課堂表現(xiàn)（課程論文匯報(bào)）成績(jī)?nèi)糠帧榱颂岣邔W(xué)生熟練運(yùn)用仿真工具和分析解決問(wèn)題的綜合能力，本課程設(shè)置了課程論文的撰寫和匯報(bào)演講的環(huán)節(jié)。課程論文的題目可以由教師給定，或根據(jù)授課內(nèi)容學(xué)生自己擬定題目。學(xué)生需分組選題并完成課題，每組學(xué)生需要針對(duì)某一特定的熱工課題，查閱文獻(xiàn)，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用仿真工具M(jìn)atlab、Aspen、Comsol等求解數(shù)學(xué)模型，分析所建立模型的合理性和可行性。并將上述過(guò)程總結(jié)為課程論文，并進(jìn)行匯報(bào)演講。通過(guò)上述環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生論文寫作和演講的能力，最終達(dá)到提升學(xué)生的綜合素質(zhì)的目的，為學(xué)生以后的學(xué)術(shù)深造或工作研究奠定良好的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。

表3：《熱工基礎(chǔ)》成績(jī)?cè)u(píng)定方式

2 熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)改革及思考

熱工理論基礎(chǔ)包括工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)兩部分，以研究熱能的利用、轉(zhuǎn)化及傳遞規(guī)律為基本內(nèi)容。是一門專業(yè)性應(yīng)用背景很強(qiáng)的專業(yè)方向課。教學(xué)中應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生自己分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、自主學(xué)習(xí)的能力，創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力以及節(jié)能減排的工程意識(shí)。下面結(jié)合教學(xué)實(shí)踐給出筆者對(duì)熱工理論基礎(chǔ)教學(xué)改革的四點(diǎn)思考及建議。

2.1 將熱工基礎(chǔ)的教學(xué)與生活、工程實(shí)踐相結(jié)合

任何理論均來(lái)源于生產(chǎn)生活，是自然現(xiàn)象和人類實(shí)踐活動(dòng)的高度概括和升華，熱工理論也是如此。教學(xué)中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的熱工知識(shí)用于解決周圍生活或者工程中的熱工問(wèn)題，例如可以分析夏天密閉汽車在陽(yáng)光下短時(shí)間停放，車內(nèi)溫度就遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度的原因；運(yùn)用熱力學(xué)第一定律說(shuō)明門窗緊閉房間用電冰箱和空調(diào)降溫的可行性，分析結(jié)霜、結(jié)露、下霧的原因，在相同溫度的水中和空氣中，人們感覺為什么不一樣，等等這些熱力現(xiàn)象。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生自己思考來(lái)鞏固所學(xué)的理論知識(shí)、提高學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 將熱工基礎(chǔ)的教學(xué)與仿真模擬相結(jié)合

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)4.0的推進(jìn)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算和設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)前熱設(shè)計(jì)和分析的最主要手段之一。因此，將熱工理論的教學(xué)與商業(yè)分析軟件的應(yīng)用相結(jié)合，有助于學(xué)生深入的理解抽象的理論知識(shí)，提高學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力。下面以運(yùn)用AspenPlus進(jìn)行熱力循環(huán)分析計(jì)算為例進(jìn)行說(shuō)明。

《熱工基礎(chǔ)》例題6-1：一蒸汽動(dòng)力裝置按朗肯循環(huán)工作，已知汽輪機(jī)入口蒸汽壓力p1=3.5 MPa、溫度t1=435℃，汽輪機(jī)排汽（乏汽）壓力p2=0.005MPa，求每千克蒸汽在此循環(huán)中所作出的凈功，循環(huán)熱效率及此動(dòng)力裝置的汽耗率。

在Aspen Plus中搭建的朗肯循環(huán)流程如圖1所以，其中BOIL表示鍋爐，TURBINE表示汽輪機(jī)，CONDENSE表示冷凝器，PUMP表示給水泵。設(shè)定組分為水，選擇狀態(tài)方程為STEAM-TA，建議不要選擇PENG-ROB，因?yàn)榇嬖谳^大誤差。輸入物流1的溫度為33℃，壓力為3.5MPa，水的流量為1 kg/h。鍋爐BOIL設(shè)定435℃；壓力為0MPa（壓力為0 MPa表示鍋爐沒有壓降，便于后續(xù)蒸汽初壓對(duì)循環(huán)效率影響的分析）。汽輪機(jī)TURBINE設(shè)定為等熵壓縮，等熵效率設(shè)置為1（默認(rèn)為0.75，不可逆過(guò)程），出口壓力設(shè)為0.005 Mpa，有效相態(tài)為氣液兩相。冷凝器CONDENSE壓力設(shè)定為0.005 Mpa，設(shè)定氣相分率為0，給水泵PUMP設(shè)定出口壓力為3.5 MPa。

圖1：朗肯循環(huán)的Aspen Plus流程圖

進(jìn)行分析計(jì)算可得：循環(huán)凈功wnet=1.182 MJ/kg；此朗肯循環(huán)的循環(huán)熱效率。教材的計(jì)算結(jié)果wnet=1.185 MJ/kg，t=37.4%，d=3.04kg/(kw h)，與教材的計(jì)算結(jié)果相比，AspenPlus的計(jì)算精度高，同時(shí)操作步驟簡(jiǎn)便。需要注意汽輪機(jī)內(nèi)部有摩擦，沿途管路有阻力，各處還有散熱損失，所以實(shí)際的熱效率應(yīng)該低于37.4%。

新蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)的熱效率有非常重要的影響，運(yùn)用AspenPlus可方便地研究討論新蒸汽的溫度和壓力對(duì)朗肯循環(huán)熱效率和汽耗率的影響。該分析過(guò)程可通過(guò)Aspen Plus的靈敏度計(jì)算完成分析。

定義靈敏度分析，分別定義采集變量為H1為流程中物流1的質(zhì)量焓值，H2為物流2的質(zhì)量焓值，H3為物流3的質(zhì)量焓值，H4為物流4的質(zhì)量焓值。定義控制變量為BOIL的溫度，范圍為400℃ ～800℃，21個(gè)分析點(diǎn)。定義制表變量循環(huán)效率和汽耗率。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。對(duì)初蒸汽壓力的靈敏度分析與初溫的靈敏度分析相同，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2：蒸汽的初溫對(duì)朗肯循環(huán)熱效率和汽耗率的影響

圖3：蒸汽的初壓對(duì)朗肯循環(huán)熱效率和汽耗率的影響

通過(guò)上述簡(jiǎn)便的搭積木式仿真模擬計(jì)算，學(xué)生可以直觀地理解蒸汽初溫和初壓對(duì)朗肯循環(huán)熱效率和汽耗率的影響。進(jìn)一步，學(xué)生還可以課程論文的形式研究再熱循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、熱電聯(lián)供循環(huán)以及其他先進(jìn)熱力循環(huán)，加深對(duì)熱力循環(huán)的理解。

2.3 將熱工基礎(chǔ)的教學(xué)與熱工自動(dòng)化專業(yè)相結(jié)合

由于教學(xué)對(duì)象為熱工自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，因此，需要讓學(xué)生深刻理解學(xué)習(xí)熱工基礎(chǔ)的作用和目的，同時(shí)將教學(xué)與熱工自動(dòng)化相結(jié)合。鍛煉學(xué)生能夠利用熱工基礎(chǔ)理論對(duì)簡(jiǎn)單熱工過(guò)程建模的能力，如在Matlab/Simulink平臺(tái)上利用集總參數(shù)法分別建立電站冷凝器、過(guò)熱器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行控制仿真等。將所學(xué)的控制方法（經(jīng)典的PID控制、現(xiàn)代控制理論、智能控制等）、優(yōu)化方法應(yīng)用于熱工過(guò)程對(duì)象的控制、優(yōu)化等，講授各種熱測(cè)試儀器基本原理（如干濕球濕度計(jì)，套管溫度計(jì)測(cè)溫誤差分析，熱線風(fēng)速儀，紅外熱像儀等）。

2.4 將熱學(xué)知識(shí)與電學(xué)知識(shí)相比擬

與能源動(dòng)力類專業(yè)的學(xué)生不同，自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)熱工基礎(chǔ)之前，已經(jīng)深入學(xué)習(xí)《電路原理》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》等電學(xué)課程。因此，將熱學(xué)的知識(shí)與電學(xué)的知識(shí)進(jìn)行比擬講解，有助于學(xué)生對(duì)電學(xué)或熱學(xué)中對(duì)應(yīng)抽象概念的理解，有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通、有利于教材動(dòng)量傳遞與熱量傳遞比擬部分的講授；有利于培養(yǎng)學(xué)生比擬這種有效的科學(xué)創(chuàng)新研究意識(shí)。主要涉及的熱電比擬教學(xué)內(nèi)容有穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱部分的熱阻與電阻比擬、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的集總參數(shù)法研究與RC串聯(lián)電路比擬、導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值解與電學(xué)定律比擬、輻射換熱的表面輻射熱阻和空間輻射熱阻與電學(xué)歐姆定律比擬等。

3 結(jié)語(yǔ)

熱工基礎(chǔ)作為自動(dòng)化專業(yè)熱工自動(dòng)化方向的基礎(chǔ)課程，涵蓋了工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)豐富。在工程教育認(rèn)證的背景下，自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)熱工基礎(chǔ)課程，存在教學(xué)學(xué)時(shí)少、經(jīng)費(fèi)不足導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏、學(xué)生基礎(chǔ)差以及學(xué)習(xí)興趣缺乏等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文給出了適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證和本校實(shí)際情況的教學(xué)大綱，提出將熱工基礎(chǔ)的教學(xué)與生活、工程實(shí)踐相結(jié)合、與仿真模擬相結(jié)合、與熱工自動(dòng)化專業(yè)相結(jié)合、與電學(xué)知識(shí)相比擬等四項(xiàng)改革建議措施。教學(xué)實(shí)踐表明這些改革舉措有效地提高了學(xué)生的整體水平，具有一定的改革意義和借鑒價(jià)值。基于持續(xù)改進(jìn)的工程教育理念，我們還將在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步根據(jù)學(xué)生的反饋持續(xù)改進(jìn)。