中外高?！豆こ虩崃W(xué)》教材和教學(xué)對比分析

梁鳳麗 張凈玉 楊理理

[摘 要] 《工程熱力學(xué)》教材的編寫與使用一直是國內(nèi)外各高校非常關(guān)注的問題。中外高校所使用的教材有著明顯的區(qū)別，教學(xué)方法和教學(xué)大綱也相差較大。通過對中美使用的《工程熱力學(xué)》主流教材和教學(xué)大綱的總結(jié)，對比分析了教學(xué)形式、講解順序、例題搭配和緊跟科技前沿等方面的差異。國內(nèi)外工程熱力學(xué)的教學(xué)理念和體系，除了有明顯差異外，也有共同點(diǎn)，如均注重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和分析解決問題的能力。秉承求同存異的原則，提出了一些看法和觀點(diǎn)，希望能夠?qū)鴥?nèi)《工程熱力學(xué)》教材的編寫和教學(xué)提供一定的幫助與借鑒。

[關(guān)鍵詞] 《工程熱力學(xué)》;中外教材;中外教學(xué)大綱;教學(xué)資源;自主學(xué)習(xí)

[基金項目] 2021年度軍委科技委173計劃基金重點(diǎn)項目“一體化氨燃料微管式SOFC-GT混合動力航空發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù)”（2021-JCJQ-JJ-0339）

[作者簡介] 梁鳳麗（1982—），女，山東鄆城人，博士，南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院副教授，主要從事燃料電池關(guān)鍵技術(shù)、電解制氫技術(shù)、混合動力系統(tǒng)集成研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）17-0029-04 [收稿日期] 2021-12-01

引言

熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個分支，它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，是機(jī)械工程的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。工程熱力學(xué)的基本任務(wù)是通過對熱力系統(tǒng)、熱力平衡、熱力狀態(tài)、熱力過程、熱力循環(huán)和工質(zhì)的分析研究，改進(jìn)和完善熱力發(fā)動機(jī)、制冷機(jī)和熱泵的工作循環(huán)，提高熱能利用率和熱功轉(zhuǎn)換效率。伴隨能源結(jié)構(gòu)和體系的變革，熱力學(xué)教學(xué)方式也在不斷探索創(chuàng)新[1]。而教材作為課程的核心教學(xué)資源，其重要性不言而喻。所以，國內(nèi)外各高校都對“工程熱力學(xué)”課程十分重視，對《工程熱力學(xué)》教材的編寫和使用也非常關(guān)注。

市面上中外著名大學(xué)的《工程熱力學(xué)》主流教材有上百種，本文從中選取了使用比較廣泛的中美高校主流教材各一本進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合使用不同教材的國內(nèi)外大學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)方法進(jìn)行對比，筆者總結(jié)出一些觀點(diǎn)，以期能夠?qū)滩牡木帉懠敖虒W(xué)研究提供一定的借鑒。

國內(nèi)選用的教材是沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)》第四版，全書共13章，以能量傳遞、轉(zhuǎn)移過程中數(shù)量守恒和質(zhì)量蛻變?yōu)橹骶€，講述了工程熱力學(xué)的基本概念、基本定律、氣體及蒸汽的熱力性質(zhì)、各種熱力過程和循環(huán)的分析計算，以及熱力學(xué)在化學(xué)過程中的應(yīng)用等內(nèi)容。

Thermodynamics： An Engineering Approach（9th ed.）是國外“工程熱力學(xué)”課程一系列教材中最常用的版本，是全球200余所大學(xué)的通用工程熱力學(xué)領(lǐng)域的教材。全書900余頁，是美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Yunus A. Cengel教授和北卡羅萊納州立大學(xué)的Michael Boles教授合著的。該系列的教材一直在革新，迄今為止已更新至第十版。

以下就本文選擇的兩本中外教材的內(nèi)容特色、難度差異和教學(xué)方法三個方面進(jìn)行對比分析。

一、中外教材內(nèi)容對比

（一）中國教材

沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)》是教育部“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計劃”中“熱工課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究與實踐”項目的研究成果，是教育部熱工課程的重點(diǎn)教材[2]。該書第四版有430余頁，是國內(nèi)普通高?！笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材、國家級精品教材。目前已出版到第五版，它是在第四版的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年來的教學(xué)研究和教學(xué)改革成果，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的意見進(jìn)行修訂，兩個版本差異不大，因此本文選用第四版。該教材滿足了工程熱力學(xué)的教學(xué)要求，講述了關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，研究方法是宏觀的，它以歸納無數(shù)事實所得到的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律為推理的基礎(chǔ)，通過物質(zhì)的壓力、溫度、比容等宏觀參數(shù)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對宏觀現(xiàn)象和熱力過程進(jìn)行了研究。把與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的具體性質(zhì)當(dāng)作宏觀真實存在的物性數(shù)據(jù)予以肯定，不需要對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)做任何假設(shè)，所以分析推理的結(jié)果具有高度的可靠性，而且條理清楚。

該書的主要章節(jié)有十三章，加上“緒論”一共十四章，每章都有分節(jié)內(nèi)容講解、本章小結(jié)、思考題和習(xí)題幾個部分。前五章基本包含了熱力學(xué)的全部基礎(chǔ)概念和定律知識，包括熱力學(xué)定律、物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、相變、多元系的平衡及不可逆轉(zhuǎn)換過程。從第六章開始講述了實際氣體、濕空氣等，講解了理想工質(zhì)到實際工質(zhì)的熱力過程，以及壓氣機(jī)的熱力過程、氣體動力循環(huán)、蒸汽動力裝置循環(huán)等實際應(yīng)用。該書章節(jié)安排合理，內(nèi)容從理想定律到實際熱力過程，從易到難，邏輯層次清晰。

可以看出，國內(nèi)熱力學(xué)教材的結(jié)構(gòu)合理有序、內(nèi)容充實新穎，突出了我國精品教材鮮明的特色，而且對于該書所要用到的一些數(shù)學(xué)知識，在對應(yīng)的習(xí)題冊中都給出了詳細(xì)的解答。與國外教材不同，國內(nèi)教材的習(xí)題都在章節(jié)結(jié)束后，考查學(xué)生對所學(xué)理論知識的綜合理解應(yīng)用，且習(xí)題的選取緊扣對應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容，難度適宜，有利于學(xué)生對章節(jié)知識的理解和前后知識的貫穿。在內(nèi)容編排方面，每章節(jié)內(nèi)容的結(jié)尾處列出了本章的小結(jié)內(nèi)容，有利于學(xué)生對本章內(nèi)容的重點(diǎn)進(jìn)行回顧并加深理解。參考文獻(xiàn)列于相關(guān)章節(jié)的最后，方便學(xué)生對相關(guān)文獻(xiàn)的檢索。

與外國教材相比，我國教材內(nèi)容側(cè)重經(jīng)典理論的深入學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)教學(xué)中思維的深刻性，要求學(xué)生必須在教師的引導(dǎo)下主動學(xué)習(xí)。學(xué)生在閱讀教材的同時，如果沒有主動而積極的思考，很難將內(nèi)容理解透徹。同時，我國教材注重引入最新的學(xué)科發(fā)展成果，秉承了我國高等教育注重專才培養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的特點(diǎn)。需要指出的是，我國教材特別注重對基礎(chǔ)性概念與定義的正確理解和運(yùn)用，完整地將每個概念詞條的物理背景、應(yīng)用和實例整合起來，增進(jìn)了學(xué)生對細(xì)節(jié)問題的深入認(rèn)識。

（二）外國教材

外國教材Thermodynamics： An Engineering Approach出版較早，出版后經(jīng)過多次重版，被國外高校作為主流教材，并得到廣泛好評。該系列書的第九版承接了熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識，又聯(lián)系了當(dāng)時的最新發(fā)展，深入淺出地講解了熱力學(xué)的各知識點(diǎn)。該教材將近1000頁，所以教材的內(nèi)容非常豐富，取材也很廣泛。全書圖文并茂，并配有大量的工程和生活實例，比較容易吸引讀者。另外，教材插圖簡潔、直觀，各種線形分明，書中公式的表達(dá)也很簡潔，參數(shù)說明非常準(zhǔn)確。該書最大的特色之一在于理論講解結(jié)合工程實際應(yīng)用，鮮明地介紹了熱力學(xué)的基本概念，以及循序漸進(jìn)的內(nèi)容層次，讓廣大讀者可以更好地學(xué)習(xí)熱力學(xué)，理解熱力學(xué)的基本概念。該書的主要核心內(nèi)容有十八章，涵蓋了熱力學(xué)的全部基礎(chǔ)概念、開閉口系統(tǒng)基本定律，包括物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、相變、多元系的平衡及不可逆轉(zhuǎn)換過程。從第十三章開始，講述了混合氣體熱力過程、化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、化學(xué)過程與相平衡熱力學(xué)，以及各類太陽能、風(fēng)能等可再生能源的熱力學(xué)等內(nèi)容。由此可見，該書內(nèi)容緊湊、充實、新穎，結(jié)構(gòu)安排合理，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的鍛煉和科學(xué)素養(yǎng)的提高有很大的作用。該書給出了社會生活中出現(xiàn)的熱力學(xué)部分，還給出了大量的習(xí)題和解答。例如第二章有147道習(xí)題，其他章節(jié)每章也都提供了120～180道習(xí)題，來用幫助學(xué)生加深理論知識的理解，并檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。另外，該書給出了許多用熱力學(xué)處理問題的經(jīng)典例子，配以大量的例題來輔助詳細(xì)的推導(dǎo)過程，這有助于學(xué)生更好地理解相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容和貫穿前后的知識體系。例如第四章熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)用了10個公式、10個圖和4個示例及詳細(xì)解答進(jìn)行闡述。該書的另一大特色是所有章節(jié)都配有大量、生動、形象的圖形去解釋或說明相應(yīng)的知識內(nèi)容，全書有圖片3000余張，這對于學(xué)生理解相應(yīng)內(nèi)容是非常有幫助的，這也能間接激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及對所學(xué)知識的深入理解。

二、中外教材難度差異

（一）中國教材

我國的《工程熱力學(xué)》教材按照從易到難的編排思路，理論知識深刻，對一些基本概念講述得非常清楚，讓人一目了然。該書例題、習(xí)題都給出了詳細(xì)的解答，這讓學(xué)生能夠更加明白作者的解題思路。附錄索引中給出了目錄中沒有的術(shù)語和概念，方便學(xué)生去查詢。該書是第四版，根據(jù)學(xué)科的發(fā)展及當(dāng)前的教學(xué)實際，修訂時保持了之前版本簡明、流暢和便于教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，增刪了部分內(nèi)容，并對個別不足、不妥之處進(jìn)行了補(bǔ)充和修改，使教材的科學(xué)性、教學(xué)適用性和先進(jìn)性有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，教材的整體質(zhì)量有了新的提高。該書作者具有足夠的執(zhí)教經(jīng)驗，這使得該書相對容易閱讀。每一章節(jié)后面都附有習(xí)題，可以很好地引導(dǎo)讀者深入思考，或者做進(jìn)一步閱讀和自學(xué)研究。從語言上來看，本教材簡單易懂、表達(dá)準(zhǔn)確，在注重通俗易懂的同時關(guān)注內(nèi)在的邏輯性。從實例和圖表的運(yùn)用來看，該教材對實例和圖表的運(yùn)用靈活自如;從原理和計算公式來看，該教材給出了簡潔明了的原理解釋。該書由于面向多學(xué)科的研究者，所以在數(shù)學(xué)背景、化學(xué)背景等方面要求較低，有利于初學(xué)者的掌握。該書的數(shù)學(xué)公式簡潔，公式中涉及的各種物理參數(shù)說明詳細(xì)準(zhǔn)確。

（二）外國教材

國外的教材非常豐富，系統(tǒng)性也很強(qiáng)，使用的方法或者觀點(diǎn)非常新穎，也更加簡潔易懂，所以國外的教材具有非常強(qiáng)的耐讀性，更能激發(fā)讀者的興趣與求知欲。另外，國外的很多教材更多地傾向于實際應(yīng)用，讀者能夠在其中找到很多書本理論應(yīng)用于實際生活的范例，這就使得抽象的物理更加貼近實際，貼近讀者。對于適用教材者需要具備的知識基礎(chǔ)，以及教材所適合的專業(yè)方向都有比較明確的說明，所以國外教材一般在內(nèi)容上都會為更深層次的知識做一定的鋪墊。

國外教材為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，在每章結(jié)尾都會給出推薦的閱讀資料和文獻(xiàn)，鼓勵學(xué)生自己動手查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)。同時，教材中有大量的習(xí)題，包含了超過3000道按內(nèi)容分層次排列的練習(xí)題，以及一些開放式習(xí)題。這些習(xí)題大部分有著實際的工程應(yīng)用背景，涉及與工程熱力學(xué)相關(guān)的能源利用、經(jīng)濟(jì)和國家安全等多個學(xué)科和領(lǐng)域。同時，這些習(xí)題涵蓋了概念辨析、文獻(xiàn)綜述、計算機(jī)求解、工程設(shè)計和論文撰寫等多種形式，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。從語言上來看，該教材簡單易懂、表達(dá)準(zhǔn)確，在注重通俗易懂的同時關(guān)注內(nèi)在的邏輯性。從實例和圖表的運(yùn)用來看，對實例和圖表的運(yùn)用靈活自如;從原理和計算公式來看，本教材給出了簡潔明了的原理解釋。另外，由于該教材是面向多學(xué)科的研究者，所以在數(shù)學(xué)背景、化學(xué)背景方面要求較低，有利于初學(xué)者的掌握。

三、中外教學(xué)方法和教學(xué)大綱對比

（一）中國教學(xué)

與外國教學(xué)相比，我國的教學(xué)形式主要是靠教師講，是個體到系統(tǒng)的過程，很少有教學(xué)側(cè)重于個別方面，這就使得我國的工程熱力學(xué)教學(xué)都很全面。由于國內(nèi)的熱力學(xué)課程講解詳細(xì)，內(nèi)容要求比較多，以復(fù)習(xí)為主，綜合而言，我國的教材更加適合于國內(nèi)的教學(xué)模式與課程設(shè)置。國內(nèi)教材的講授方法雖然非常實用，但是比較傳統(tǒng)，很少有新穎、獨(dú)特的教材沖擊學(xué)生的興趣與求知欲。雖然國內(nèi)教材不能做到像國外教材多樣、詳細(xì)、特點(diǎn)突出，但是可以多編寫出版一些具有特色、偏重某方面的參考書籍，豐富學(xué)生的課后閱讀。從教學(xué)方法來看，注意引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，真正達(dá)到從學(xué)會到會學(xué);注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)造能力，較快進(jìn)入科學(xué)發(fā)展的前沿，養(yǎng)成辯證唯物主義的世界觀和方法論。

（二）外國教學(xué)

國外教材特別注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，特別強(qiáng)調(diào)以教學(xué)過程為載體，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決實際問題的能力。教材主編Yunus A. Cengel教授提出[3]了學(xué)習(xí)任何一門科學(xué)都要做到以下幾步：第一步是學(xué)習(xí)最基本的理論，掌握基礎(chǔ)知識;第二步是讓學(xué)生通過各種測試來掌握基礎(chǔ)知識，并在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生與生活實踐相結(jié)合，動手解決實際問題。由于該教材內(nèi)容非常豐富，系統(tǒng)性很強(qiáng)，涉及面非常廣泛，而不僅僅是偏重某些方面;所以，該教材個性很強(qiáng)，使用的方法或者觀點(diǎn)非常新穎，也簡潔易懂，具有非常強(qiáng)的耐讀性，能激發(fā)讀者的興趣與求知欲。國外教材一般都比較適合自學(xué)，教材很厚，內(nèi)容很詳細(xì)，從而有助于學(xué)生自學(xué)。以昆士蘭大學(xué)化工學(xué)院的教學(xué)大綱為例，48學(xué)時的課程歷經(jīng)12周，每周兩次課，課前任課教師會將下周上課的PPT課件和知識要點(diǎn)下發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，準(zhǔn)備幾個知識點(diǎn)對應(yīng)的問題。在每周的4個學(xué)時課程中，1個學(xué)時是主講教師講授，1個學(xué)時是助教對知識點(diǎn)講解，另外2個學(xué)時是助教習(xí)題解答，基本是以問和答的形式自主學(xué)習(xí)。

結(jié)語

國外教材具有如下特點(diǎn)：一是采用大量且精美的插圖來直觀展示基本概念和基本過程，使所有學(xué)生都能很舒服地閱讀教材;二是教材中所涉及的內(nèi)容非常廣泛，包含了大量的與熱力學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，結(jié)合了大量的實際工程應(yīng)用面臨的問題，既有基礎(chǔ)理論，也有實驗數(shù)據(jù)，為學(xué)生配有內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)光盤和教學(xué)網(wǎng)站，為教師配備手冊和習(xí)題解析，代表了國際工程熱力學(xué)領(lǐng)域的最高水準(zhǔn);三是關(guān)于能源與環(huán)境、氣候變化、可再生能源開發(fā)與利用等非傳統(tǒng)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容在教材中所占的比重越來越大;四是每次版本的更新都伴隨著內(nèi)容組織、習(xí)題、編排體系和教學(xué)工具的顯著變化，表明編書的人能將科學(xué)研究與教學(xué)的最新進(jìn)展及時反饋在教材中，彰顯了教材直接與未來的工程師們以一種簡單而精確的方式對話，遵循了讓學(xué)生讀起來感興趣并有熱情的編著宗旨。

可見，中外《工程熱力學(xué)》教材各有各的特點(diǎn)與適用情況，這也表現(xiàn)在不同的教學(xué)方法和教學(xué)模式上。作為國內(nèi)工程熱力學(xué)的教育工作者，我們可以從外國著名高校教材中汲取值得借鑒的優(yōu)點(diǎn)，不斷修改、完善、豐富國內(nèi)的教材，為培養(yǎng)更具創(chuàng)新能力的新世紀(jì)工程人才打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊玉順.在“工程熱力學(xué)”課堂教學(xué)中實施素質(zhì)教育的思考與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2007（7）：46-48.

[2]BERGMAN T L， FAGHRI A， VISKANTA R.Frontiers in Transport Phenomena Research and Education： Energy Systems， Biological Systems， Security， Information Technology and Nanotechnology[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（19-20）：4599-4613.

[3]MORAN M J， SHAPIRO H N， BOETTNER D D， et al.Fundamentals of Engineering Thermodynamics[M].9th ed. Australia & New Zealand Edition，2018：20-21.

Abstract： The use of Engineering Thermodynamics textbooks has always been a matter of great concern in colleges and universities. There are obvious differences in the textbooks used in China and foreign countries， including teaching methods and syllabus. This paper compares the mainstream teaching materials and syllabus， such as teaching concept and system， teaching forms， explanation sequence， example matching and high-level trend. Also， there are something in common， such as cultivating students practical ability to analyze and solve problems. Adhering to the principle of seeking common ground while reserving differences， this paper puts forward some views， and hopes to provide some guidance for the compilation and teaching of Engineering Thermodynamics textbooks.

Key words： Engineering Thermodynamics; Chinese and foreign textbooks; Chinese and foreign syllabus; teaching resources; autonomous learning