新能源專業“工程熱力學”教學方法探討

孫紅闖 侯 峰 吳曉亭

（鄭州輕工業大學<能源與動力工程學院>，河南 鄭州450001）

1 課程背景

隨著能源危機和環境問題日益突出，對能源領域的發展又提出了新的要求，需要在現有技術的基礎上不斷革新、不斷進步，提高能源的綜合利用率，開發利用新能源。為完成能源變革，需要源源不斷地供給人才，才能保證后續的發展，滿足時代需求。要實現這一目標，必須培養新能源領域的專業人才。因此，完善新能源領域的教學大綱，改進教學方法，改革教學理念，才能培養出符合時代需求的新能源領域人才[1]。

工程熱力學作為能源動力類的一大支柱，是能源科學領域的一門基礎理論課，涉及的專業包括熱能動力工程、制冷與低溫工程、飛行器動力工程以及新能源科學與工程等。工程熱力學主要研究熱能與機械能相互轉換的基本理論，以提高熱能利用完善程度，為學習有關專業課程和解決熱工領域的工程技術問題奠定基礎[2]。工程熱力學具有抽象概念多、專業術語多、基礎公式多、綜合計算多、工程應用廣泛、系統性強等特點。現實生活中有很多工程熱力學的應用，如溫度計測溫、水的沸騰過程、汽車發動機、熱力發電廠等，可以直觀能夠觀察到熱力學過程；但也有熵、火用、可逆過程、平衡狀態、孤立系等現實中無法直觀感受的抽象概念或理想模型。工程熱力學作為能源領域的基礎，也是新能源領域人才必須打好的專業基礎，需要有牢固的基礎知識，熟練的動手能力，以及敏銳的科學思維，充分培養學生的綜合素質。

2 教學內容及考核方式

鄭州輕工業大學新能源科學與工程系采用沈維道、童鈞耕編著的工程熱力學（第五版）為教材，除緒論外共有十三章的主要內容[3]，從熱力學基本概念和定義入手，按照點—線—面—體的關系逐步深入開展。熱力學狀態是以基本概念為基礎構成的點，工質從一個狀態點變化到另一個狀態點構成熱力過程線，這些熱力過程線遵循熱力學定律，具體變化過程由工質的熱力學性質和流動狀態決定；多個熱力過程線組合可構成熱力循環，從原理上實現熱功轉換；再與測控等輔助系統相結合得以工程應用。

工程熱力學安排在第3學期，共56個學時，包括52教學學時和4實驗學時。在教學實踐中發現，學生在實驗課上最為活躍，更容易接受所學的內容，記憶也更加深刻，這在二氧化碳p-v-T實驗和綜合制冷制熱實驗上都有體現，其原因在于學生親身參與到了教學內容當中；但當學習抽象的熱力學概念時，明顯感覺同學們很吃力，比如，熱力學第二定律中開爾文表述與克勞修斯表述等價性的證明。因此，筆者認為在熱力學的教學過程中應當增加實驗學時或實踐環節，完成熱動力循環、制冷循環、噴管流動等內容的學習，來提高教學效果。

工程熱力學目前的考核方式仍以考試為主，占總成績70%，考查學生對基本概念、基本原理的掌握情況，對基本熱力過程和重要循環的圖解能力，以及對實際問題的分解剖析能力。考試題目形式包括：名詞解釋、簡答題、作圖題及計算題。如噴管流動，需要學生掌握噴管的類型及選擇依據、設計步驟，且需要熟練掌握基本公式，以計算題形式方能全面考察。除此之外，還關注學生的平時表現，如出勤、上課表現、作業情況、實驗課表現、課外閱讀等。由于新能源的專業特征，實驗環節具有更好的教學效果[4]，故而筆者認為應提高平時成績的比例，以此來激發學生平時學習的熱情，參與到實驗當中，體會科研的樂趣。

3 產學研相結合教學方法探討

工程熱力學一直有學生難學、老師難教的特點，其主要原因是抽象的概念多[5]，單靠課堂講授難以滿足學生的需求，需要采用多元化教學方式，吸引學生興趣，提高課堂效率。首先，教學內容須有側重，重點知識需精講細講、重復講解；其次，要注意理論與實際案例相結合，充分利用實驗平臺、視頻資源、生活實例，引導學生多動手、多查閱、多思考；最后，引導學生自主學習，教師線上答疑，把問題解決在平時。

工程熱力學中的很多內容是在實際的基礎上加以理想化所建立，目前仍然有很多學者致力于工程熱力學的研究中，從理論上、方法上、工程技術上探索提高系統效率，提高能量利用率的途徑。在大力呼吁節能環保的當下，更多學者希望從熱力學基本原理這一根本上解決節能環保的問題。于是，開發利用新能源成為現如今熱門的研究課題。新能源的開發利用涉及能源、材料、機械、化工等多門學科的技術變革，需要多學科交叉培養。在熱力學課程上讓學生更好、更快得認識熱力學的基礎概念、基本原理、基本公式、基本過程，在此基礎上，加深實踐能力、提升創新能力，將產品革新與學習和研究融合到一起，提高學生的凝聚力和創造力。

新能源大力發展太陽能、生物質能、地熱能、以及工業余熱利用，屬于熱力學研究的范疇，這些熱能有一共同點，就是溫度偏低，屬于低品位熱能，從卡諾效率的角度來看，中低溫熱源用于發電效率不高，利用成本相對較高，因此，盡管中低溫熱源儲量很大，但研究很少，在近10年才成為熱門方向。從基本原理上講，中低溫余熱發電大多仍采于蒸汽動力循環，因此，在蒸汽動力循環的教學環節可增加這一內容，以有機物為工作流體，結合有機工質的特性和中低溫熱源的特性，基于熱力學第一、第二定律，研究有機朗肯循環的基本原理、循環構成、影響因素、性能指標等內容，掌握中低溫熱源朗肯循環性能提高的要點，提出可行的措施，并加以實驗驗證，為中低溫熱源發電技術的進步提供理論支持。實際上，中低溫熱源發電的研究目前已有很多，將產品研發與教學科研結合在一起是培養綜合型人才的一種有效途徑。

4 結語

為滿足新能源領域的發展，需要源源不斷培養新能源領域的綜合型人才，具有扎實的基礎知識，熟練的動手能力，以及敏銳的創新意識，為未來新能源的技術進步和產品研發奠定基礎。工程熱力學作為能源領域的基礎理論課，在新能源領域人才教育方面有著至關重要的作用，但與傳統能源又有顯著的差異，其教育方式也應當有顯著的區別，增加實驗學時，課堂教學與線上答疑同步進行，在保證基礎內容牢固的前提下，充分發揮學生的動手能力和想象力，在實踐中發現新問題，提出新思路，并通過科學實驗鞏固所學，為新能源技術的進步奠定基礎。