機械類熱工基礎課程教改探討

姚志敏

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

0 引言

目前，熱能利用和熱機工作原理等科學已覆蓋到熱能動力之外的機械、化工、環境、電子、航天航空、信息工程及生物醫學工程等各個領域[1]。作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉換、傳遞技術的熱工課程，應是21 世紀所有工科類專業學生的一門公共技術基礎課[2]。目前已經有很多高校將熱工基礎課程作為機械類專業的一門必修課，課程包括熱力學和傳熱學兩部分內容。熱工基礎課程的教學目的是掌握遵循能量傳遞和轉換技術的客觀規律，并能正確運用所學內容理論聯系實際地對相關工程應用問題進行分析和計算，具備解決在設備與系統的研究、設計、開發、生產、工程管控等領域中相關問題的能力，是培養復合型、創新型工程技術人才素質的必備環節。

但是，該門課程知識面較廣、內容晦澀、理論性強、概念抽象、公式較多，諸多問題導致學生學習效果不佳。筆者在教學現狀的基礎上，對該課程的教學內容、教學方法及實驗平臺建設等方面進行思考，并對課程教改與創新建設提出一些建議。

1 課程教學現狀

熱工基礎課程的概念多、公式多，且公式表達形式及使用條件多變，學生在學習本門課程時有一定難度[3]。筆者所教熱工基礎為機械類本科專業核心基礎，開設在第5 學期，課程大綱設置總學時32 個，其中26個理論課時，6 個實驗課時。教學任務多而課時安排過少的矛盾非常突出。在較為繁重的教學任務之下，當前課堂教學節奏較為倉促，和學生互動時間短，幾乎“滿堂灌”的教學方式造成學生課堂學習效果不佳。

與機械專業其他專業課相比，熱工課程內容較為抽象，結論性公式需要使用微積分公式進行推導，學生理解記憶難度大。該課程需要學生利用所學知識來設計開發實際工程問題解決方案，并具備科學抽象和邏輯思維能力，要求理論聯系實際。經調查了解，絕大多數學生認為該門課程學習難度大，要求高。

筆者所教熱工課程在本校開設年限為2年，為一門“新課”，目前課程與本學科相關的其他課程關聯性環節設置不多，學生學習存在畏難情緒，有部分學生對該課程在專業中的地位理解不足，造成學習積極性不高，學習效果不佳的狀況。要改善目前所面臨的教學問題，筆者在教學經驗的基礎上，學習借鑒他人經驗，從優化教學內容、利用網絡改善教學方法、互動教學法和搭建綜合實驗平臺方面進行相應的教學改革和實踐探索，來提升教學效果。

2 教學改革措施

按照教學大綱開展的教學內容是課程的重點把握內容，利用網絡和多媒體恰當使用教學方法、提高師生互動性可以進行更有效的教學，并通過綜合實驗平臺，提高學生綜合運用所學知識的能力。

2.1 優化課程教學內容，重視緒論課教學效果

熱工基礎課程教學中應側重對知識點背景和應用的介紹，降低對于部分不常用概念和公式推導的要求[4]。比如，在介紹典型理想氣體動力循環時，將奧托循環、狄塞爾循環和沙巴澤循環與實際應用案例相結合，進行具象化講解。可結合日常生活中常見的小轎車（汽油機）、大貨車（柴油機），來理解各種循環過程的特點，并分析內燃機不同循環方式的優缺點。在多種機械設備的運行中，熱力學理論的應用比傳熱學理論的應用更多，因此在課程中熱力學部分較傳熱學部分的知識點多，這與機械專業學生的畢業目標有關。所以，該課程的教學大綱中應有明確的熱力學與傳熱學兩部分不同的課時分配，熱力學課時更多，以筆者所教熱工課程為例，理論為26 課時，其中設置熱力學16 課時，傳熱學10 課時，其余為實驗課時。傳熱學的教學內容為熱傳導、對流換熱、輻射換熱三種不同傳熱方式的傳熱規律，其中有較為復雜的章節，比如非穩態導熱和對流換熱的理論，實際工程問題解法復雜，詳細講解均會占用4 課時以上，可以舍棄這些理論復雜但應用極少的章節，僅為學生展示結論性內容，細節則由學生根據興趣和需要自學。

緒論課是正式開始教學的前沿課。緒論課可使學生快速、全面地了解本門課程的知識體系，并可誘發學生的學習興趣，緒論課的教學效果將直接影響學生今后的學習[5]。熱工課程包括熱力學和傳熱學兩部分，二者起源一致，均為熱量的使用，但是熱力學研究熱量的轉換，傳熱學研究熱量的傳遞。首次緒論課可將兩部分內容結合，從學科起源，到實際應用案例，使學生認識到該學科的發展是與人類的進步息息相關的，所學的知識滲透于生活，各種機械運行過程均涉及該課程內容。整個緒論課，采用由淺入深、理論聯系實際的方式，將晦澀難懂、生疏的課程內容，通過輕松活潑的課堂氛圍，用生活中常見的現象及設備來進行講解，充分調動學生對該課程的學習興趣。

2.2 利用網絡及多媒體改善教學方法

熱工基礎在國內外很多工科類高校已普遍開設，網絡上可以查閱很多優秀的課件、機械設備運行時熱力學視角的動畫演示等資源，因此，應該廣泛學習和借鑒眾家之長，充分并有效利用網絡資源，如國家級精品課網絡共享課、相關課程多媒體課件及演示動畫、演示視頻等。借此整合教學資源，以提高教學水平，改善教學效果。

目前筆者教學使用講授法、案例教學法，輔以問題式教學、動畫演示法、討論法進行授課，借助現代多媒體工具進行課程內容展示及動畫演示，可以直觀方便地向學生展示課堂內容。但是動畫演示資源較少，熱力循環過程的授課基本上均是依靠理論講解，缺乏生動性，這就增加了學生理解的難度。如果將網絡資源加入授課內容中，可以起到豐富教學資源的作用，也使教師有更多的時間進行重點、難點知識的講解和與學生交流互動，并可以通過對比來選取有趣的案例，以此提升學生課堂學習效果。另一方面，學生可以利用網絡平臺上的資源來進行課前預習和課后重難點復習，滿足現在年輕人碎片化閱讀和學習的需求。

目前，諸多網絡實驗平臺的推行也大大方便了教學，在具有網絡的教室即可在短時間內向學生展示相關理論實驗。比如國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺，其中有與熱工課程相關的實驗項目，比如熱力學與氣體動理論虛擬仿真實驗平臺，可以展示平衡態統計、準靜態壓縮、絕熱膨脹過程的微觀變化。可以通過使用虛擬仿真實驗平臺，更生動地展示基本理論，使學生更為清晰地觀測實際過程，也更為直觀地理解相關理論。可以利用有效的網絡實驗平臺，來加強學生對難點和重點知識的學習理解。

2.3 采用互動教學方法，調動學生參與度

熱工基礎課程學時少，授課時間較為緊張。課程中公式多，為了提高學生理解記憶程度，多個重要知識點涉及的公式均會進行推導，如熱力學第一定律對應的能量平衡方程式的不同形式轉換、理想氣體各種典型熱力過程狀態參數的計算，推導過程占用較多時間。因此，在課堂上以教師講授為主，很少與學生互動。筆者為提高學生的參與度，設置課堂檢測環節，但在檢測環節過后，學生積極性明顯降低，該方法仍然很難與學生進行充分有效的互動。

課堂上，通過精心設計提問，增強教學中教與學雙方交流、溝通，激發學生學習興趣、啟迪學生思維、鍛煉學生表達能力，最終提高教學效果[6]。因此，應該轉換教學中心，以學生為中心，多使用啟發式教學，使學生在課堂中把自己當成課堂的一部分，融入課堂中。比如對循環過程能量利用的經濟性指標，僅告知“為循環所取得的收益與付出的代價之比”，利用熱力循環示意圖，引導學生自己得出熱機循環、制冷循環、熱泵循環的評價指標應如何計算；在介紹穩態傳熱過程的傳熱速率時，與電路中電流進行類比，讓學生自己來討論計算式中類比電壓的“熱勢差”是什么，怎么理解類比電阻的“熱阻”。弄清楚原理之后，學生更容易理解記憶計算式。

課后通過公共平臺，增強師生間交流互動。筆者所教班級均建立了單獨的釘釘群，平時作業的布置等均在釘釘班級群中通知，但是學生很少在班級群中詢問問題。后續可以增加一些和日常生活結合比較緊密的知識點來引導學生進行討論，如為什么在開空調的室內，在夏天和冬天同樣是20℃，人體感受溫度卻有差別。引導學生形成積極思考相關知識，主動探討相關理論的習慣，提高學生課前預習和課后復習的積極性。

2.4 建設綜合實驗教學平臺

機械專業開設的熱工基礎課程，是熱力學和傳熱學基礎理論與專業實際緊密結合的，學生應掌握遵循能量傳遞和轉換技術的客觀規律來合理組織和優化各種熱力系統的工程方法。因此，該門專業基礎課教學應該立足于工程實際，培養面向工程、面向生產的科技人才。高等教育中，實驗教學是創造性應用和發展理論的過程，是綜合能力形成的過程，在培養工科學生的工程能力和創新能力等方面發揮著十分重要的作用[7]。實驗教學是將課本的理論知識與實際工程問題相結合的一種有效方式，可以提高學生熟練運用熱工基本知識的能力，鞏固并加深有關理論知識理解程度。目前，學校已有的可供熱工課程使用的實驗平臺，如空氣定壓比熱測定、固定導熱系數測定，與機械專業其他學科知識關聯較少，缺少綜合機械專業課程的實驗平臺。

建設綜合實驗教學平臺，對于學生所學知識的綜合運用與實踐應用能力具有重要作用。例如，可以搭建蒸汽朗肯循環實驗臺，利用該試驗臺可以進行蒸汽朗肯循環整個熱力過程的能量計算，其中涉及的四個重要設備：蒸汽發生器（如鍋爐）、汽輪機、冷凝器、水泵，在機械設備相關課程中也有章節講解。通過蒸汽朗肯循環實驗臺，在實驗臺運行過程中，學生可以在學習熱工課程中的熱力學相關知識外，還可以對其中的設備進行了解學習，這可以促進學生增強學科知識綜合理解與應用。

同時，在搭建綜合實驗教學平臺后，可以引導學生利用綜合實驗平臺進行創新性設計，利用其中的部分設備或整體設備進行創新想法的驗證，參加各類大學生科技創新競賽。在創新設計中，學生不僅僅停留在基礎理論理解階段，而是有學科的交叉融合，這又為學生提高專業知識綜合運用能力提供了途徑。

3 結語

課程教改是促進課程建設的重要部分，筆者所在高校機械本科類熱工基礎課程開課時間較短，進行課程教改是提升本課程教學水平的必備環節，根據教學現狀，提出以下教改措施：

（1）重視緒論課授課，開課伊始引起學生濃厚的學習興趣；優化教學內容，側重知識背景及工程案例的講解，以減少對不常用概念講解和公式推導。

（2）利用網絡優秀課程資源，使用多媒體來豐富教學方式的多樣性，增加動畫演示、網絡實驗等可以提高學生興趣且容易理解的環節。

（3）多使用啟發式教學方法，來提高師生互動性，并通過網絡公共交流平臺來促進學生形成積極思考相關理論知識的習慣。

（4）搭建綜合實驗平臺，提高學生理論聯系實際的能力，并引導學生利用綜合實驗平臺進行創新性設計，促進學科交叉融合綜合運用。