以目標為導引的“工程熱力學”教學思路分析

[摘 要] “工程熱力學”涉及熱功轉換的相關基礎理論、工質熱物性、熱機工作原理，以及提高熱工設備效率的理論途徑和方法，是一門能源動力、航空航天、機械相關專業的重要專業基礎課，主要是從理論層面抽象出熱機工作的循環方式，開展熱機循環參數優化研究，進而構建熱機設計分析方法。雖然涉及的理論知識和定理定律較多，但在開展“工程熱力學”教學的過程中，尤其是面對以各類熱機為專業目標的工科專業學生時，以熱機循環優化為目的，將相關基礎理論和儲備知識點有機結合，合理分配學時，組織教學內容，使學生不僅牢固掌握繁雜的知識點，更具備利用所學熱工理論知識解決實際熱機循環分析的能力，進而初步具備解決一般工程應用的能力，大幅提升教學效果。

[關鍵詞] 工程熱力學;熱力循環;循環優化;課程設計

[基金項目] 2019年度南京航空航天大學公共基礎精品課程建設專項“工程熱力學”（2019JG0234K）

[作者簡介] 張凈玉（1973—），女，貴州平壩人，博士，南京航空航天大學能源與動力學院副教授，主要從事航空發動機熱端部件冷卻技術研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）25-0112-04? ?[收稿日期] 2021-01-13

人類在生產和日常生活中需要各種形式的能量，自然能源的開發和利用是人類社會進步的起點，而能源開發和利用的程度又是社會生產發展的一個重要標志。人類目前從自然界獲得能量的主要形式是熱能，因此通常講的能源利用，主要指的就是熱能的利用，熱能的合理和有效利用是整個能源利用的核心與主體。熱能的轉換和利用離不開各種熱能轉換裝置，即通常所說的“熱機”，如蒸汽機、內燃機、燃氣輪機及制冷空調裝置等。可以說，熱機的熱效率很大程度上決定了熱能的有效利用程度。

1705年，蒸汽機的發明掀起了人類社會的第一次產業革命，是具有劃時代意義的革命，使得人類社會從手工業生產逐步發展成為大規模的機械化生產。但直到1770年，瓦特才發明了結構較完善的蒸汽機，而此時的熱機效率很低，經濟性很差。之后出現的熱力學，正是一門研究物質的能量、能量傳遞和轉換，以及能量與物質性質之間普遍關系的基礎學科，涵蓋知識范圍非常廣，研究方法也多樣化。工程熱力學是熱力學的工程分支，在闡述熱力學普遍原理的基礎上，是著重研究相關原理的技術應用的一門學科，其應用對象主要是各類“熱機”，根本目的是如何最大限度地利用能源，提高能源利用的經濟性。

隨著科學技術和現代工業的發展，在當前高等教育課程體系內，“工程熱力學”是能源動力類專業必修的重要基礎課，是“傳熱學”“流體力學”“空氣動力學”“燃燒原理”“航空航天發動機原理”“內燃機原理”“空氣調節”“制冷技術”“發電技術”等專業課的先修專業基礎課程。其涉及的熱能利用和熱機工作原理等科學已覆蓋熱能動力之外的機械、化工、環境、電子、航空航天等各個領域，是現代工程技術人才必備的技術基礎知識[1，2]。因此，工程熱力學的學習對于相關專業學生，尤其是以各類熱機為主要專業目標的工科專業（例如熱力發電、航空航天動力、內燃機、制冷、空氣調節等工程對象明確的專業）學生來說，是一門非常重要的專業基礎課，是專業領域的敲門磚。

一貫公認“工程熱力學”課程具有概念多、公式多、內容抽象等特點，以往的教學改革多集中在知識點的呈現方式上，如多用圖表可化抽象為形象、理論聯系實際、提高知識的趣味性等，這些改革措施的確有效降低了學生接受知識的難度，在一定程度上提高了教學效率[3]，但是隨著我國高等教育對能源動力類專業畢業要求的不斷提高，目前的教學方法仍有待進一步改進。

專業認證中對畢業要求明確提出要掌握力學、熱學、燃燒學等專業的基礎知識，能對能源與動力工程問題的解決方案進行分析，并能嘗試改進。目前以知識點為主的教學模式顯然難以勝任。

工程熱力學發展的起點是“省煤”，提高能源利用率，之后一直通過理論分析致力于各類熱機的熱力循環分析、性能參數優化分析研究[4]。因此，教學中以熱機循環優化為目的，以熱力循環建模和分析方法為主線，將相關基礎理論和儲備知識點有機結合，合理分配學時，組織教學內容，更易使學生掌握一般工程涉及應用的能力，有效提升教學成效，達成畢業培養目標。

一、明確課程目標，解決知識點繁雜的困擾

傳統“工程熱力學”課程涵蓋基本概念、基本定律、工質性質、工質的流動、熱機工作過程及其熱力循環五個部分。每個部分的內容又可以分列出很多內容和知識點。大部分學生在學習初期會感到內容多而繁，甚至雜亂無章。新手教師往往花了很多時間備課，但是教學效果欠佳。

如前所述，工程熱力學的產生和發展都有非常明確的研究目的和研究對象，涵蓋的每部分內容，除了基本的教學知識點外，還有其內在的重點和需要解決的問題。這些問題的解決最終歸集到工程熱力學的根本研究目的——提高熱機循環熱效率。因此，在整個課程的教學中引入“目標教學”法，明確每一部分知識要解決的問題、整個課程要解決的問題，以及它們之間內在的聯系，不斷幫學生梳理目標、工程方法及理論之間的關系，在這張清晰的網絡中學習，可以有效解決內容多而繁的難題。

二、工程熱力學研究系統網絡

工程熱力學作為一門基礎應用科學，究其起源最終目的就是建立各類熱機的熱力循環，探究提高循環熱力效率的途徑。為學生建立一張工程熱力學的學科體系網絡圖，對于初學者做到心中有數，遇到繁復的知識點，由于事先已經知道其用途，可以更有目的地掌握內容和應用方法的途徑。簡而言之，就是要在緒論課上給學生講一個主線清晰、人物鮮明的故事。

可將工程熱力學知識體系梳理成圖1，將工程熱力學涉及的知識點分為5個模塊。這5個模塊分別涉及工程應用、熱力循環分析、熱力系建模理論、熱功轉化原理、工質熱物性理論。