高等工程熱力學近代進展的教學實踐與探索

李期斌 李逍霄 吳闖

［摘 要］ “工程熱力學”課程體系主要涉及熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其應用，是能源動力類專業重要基礎課程。隨著人才培養和教學改革的不斷深入，慕課、翻轉課堂等創新教學模式的引入，重慶大學“工程熱力學”教研組針對本課程體系存在教學形式單一這一主要問題，提出了系列解決方法，以研究生課程“高等工程熱力學近代進展”為代表進行教學改革，對研究生翻轉課堂的教學模式開展了實踐與探索，在教學體系、教學模式等方面取得了一定成果，促進了學生學習主動性，拓展了學生的綜合能力，受到國內外熱力學相關教研組及國內企業的一致好評。

［關鍵詞］ 工程熱力學；翻轉課堂；新工科；課程思政

［基金項目］ 2020年度重慶市研究生教育教學改革研究項目“能動類研究生翻轉課堂理論教學體系的研究與實踐”（yjg203019）；2021年度重慶大學課程教學改革研究思政專項項目“3060雙碳目標下的工程熱力學與思政教育協同探索”（2021SZ08）

［作者簡介］ 李期斌（1987—），男，江西贛州人，博士，重慶大學能源與動力工程學院教授，主要從事工程熱物理研究；李逍霄（1988—），男，四川樂山人，博士，重慶大學能源與動力工程學院講師，主要從事工程熱力學研究；吳 闖（1990—），男，重慶人，工學博士，重慶大學能源與動力工程學院講師，主要從事工程熱力學研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0097-04［收稿日期］ 2022-09-17

一、教學現狀

能源是人類文明進步和社會技術發展的重要物質基礎，是推進全球和諧發展的重要動力。工業革命以來，現代社會對能源的需求日益增長，考慮能源接替和環境保護的綜合問題在全世界范圍內受到廣泛關注。中國作為快速發展的國家，現已成為世界上最大的能源消費國，也是今后若干年內能源需求增長速度最快的國家之一。根據近年來BP世界能源統計年鑒如圖1和圖2所示顯示，化石能源消費占比仍然超過全球一次性能源總消費的四分之三，化石能源仍是世界主要能源。然而，對化石能源的巨量耗用及其帶來的氣候變暖、水土環境污染、霧霾等問題，對我國乃至全球經濟社會的可持續發展與人民生產生活帶來了重大影響。我國年能源消耗總量的42%～46%轉化為中低品位余熱，僅工業煙氣余熱就相當于3.4億噸標煤的能量。而我國工業余熱回收率僅為29%，比國外平均水平低10%以上。同發達國家相比，我國仍是一個能源利用效率較低、節能潛力較大的國家。2020年底，我國正式提出了到2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，將降低碳排放、使用清潔能源、提升能源利用效率寫入國家戰略。因此，進一步提高能源利用效率，實現能源的高效清潔利用，是我國經濟、能源、環境持續協調發展的重要保證，也為我國能源動力類高等教育工作者提出了新的要求。

“工程熱力學”課程體系主要涉及熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其應用，是能源動力類專業重要基礎課程［1］。從1952年重慶大學院系調整，建立了熱能動力裝置專業以后，直到今天，學院的專業設置雖不斷擴大、調整，但“工程熱力學”課程體系仍作為各專業的主干課程列于教學計劃中。我校“工程熱力學”課程體系雖然在教學改革、課程建設、教學實驗等方面都有較深厚的功底與多方面的建樹，但仍局限于“教—學”傳統模式，使學生學習局限于書本和課堂。因此，仍然需在教學內容組織、教學方法運用、教學手段等方面進行大的改進，提高課程的高階性、創新性和挑戰度。

隨著人才培養和教學改革的不斷深入，慕課、翻轉課堂等創新教學模式的引入，使得“工程熱力學”專業課程體系［2］如何適應這一新的形勢，成了亟須探討的新課題，也成了該課程體系教學建設和改革的難點。另外一個突出的難點的是，如何在原有課程建設基礎上保持優勢的同時，進一步提升教學質量，更好地滿足社會對大量熱能與動力工程人才的需求，培養具有創新能力的高水平人才。

二、教改策略

“高等工程熱力學”是“工程熱力學”專業課程體系在研究生教育階段的代表課程，由于其是本科“工程熱力學”的延續，課程相關概念多且抽象，在實際教學中已形成我校特色，且是較為固定的教學模式和方法。因此，我校“工程熱力學”教研組同人基于OBE-CDIO理念和原有課程體系建設優勢的保持，梳理凝練“工程熱力學”課程體系教學基本內容，提煉研究教學拓展內容，新開設“高等工程熱力學近代進展”研究生課程。以我國近年來的能源工程實例，結合國內外近幾十年來能量轉換、能量與物質關系的研究成果，從熱力學理論、工質熱物性、熱力循環、熱力設備等多個方面闡述高等熱力學的研究進展。進一步加深和擴大工程熱力學理論基礎，掌握認識、理解和分析熱物理過程發生規律的方法，打好從事相關科學研究的基礎，提升采用熱力學分析方法剖析熱點問題的能力和水平。

教學上通過改變舊的教學模式，結合學生自身的研究課題，提前預告下節課探討的前沿進展，給學生充足時間調研收集熱力學相關問題。同時構建特色鮮明的考核模式，打破傳統課程體系，運用創新、學術、實踐的觀點選擇、組合和設計課程教學內容，形成一套科學能源動力類專業課程的教學模式和體系。

針對大部分學生尚缺乏相應的工程概念和工程背景知識的問題，在教學過程中以近年來我國及全球先進能源系統為工程實踐案例，圍繞熱力學基礎知識這一主線組織教學內容，強化理論知識和工程實踐的結合，突出工程領域的重大突破和進展。同時在教學過程中適當融入思政元素，展現一線科研和工程人員的艱苦奮斗精神，從而激發學生的愛國主義情懷、堅定科教興國信念，增強從事能源事業的使命感和責任心［3］；強化學生對國家強盛靠科技的理解，增強學生的使命感，激勵他們勇于面對挑戰，承擔這個時代賦予的職責。

此外，因課堂教學學時有限，在教學過程中利用線上教學平臺內容，并適當邀請海內外專家圍繞儲能、太陽能、生物質能、地熱能、先進動力循環等工程熱力學前沿方向在線授課，靈活組織教學內容。學生基于前期調研的問題與專家互動交流，為后續課題研究提供新思路，通過自主搭建課程，輔助教學實施，實現線上線下翻轉課堂，提高學習的積極性、創新性和能動性，完成教學目標。

以下給出幾個具體的教學設計案例。

講解空氣動力循環部分內容時，結合近年來在“兩機”專項支持下，我國在航空航天領域取得的突出成績。可由天宮空間站、探月工程等近年來的熱點作為開篇導入環節，引出航空航天動力系統，講解工程熱力學知識點，介紹全球航空航天動力系統近年的進展。同時隨堂考查學生掌握情況，并進行總結。最后回顧我國航空航天發展歷程，由新中國成立初期的百業待新，到今天我國長征系列火箭技術享譽全球，號召學生從事能源動力專業要有勞模精神和工匠精神，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣。

講解熱力發電部分內容時，由重慶網紅景點洪崖洞夜景的燈光引出電是現代社會必不可少的能源。而時至今日，由熱經過機械能轉化進行發電仍占全球電力供應50%以上。而熱力轉化是未來重要的保障型能源形式，朗肯蒸汽動力循環是熱力發電最基本的形式。隨后回顧朗肯基本內容，同時將近年來我國示范熱力發電廠，華龍一號海外示范工程等項目在講課過程中穿插介紹，埋下思政元素。課程中提出低品位熱源（尾氣、廢氣）的能量如何利用熱力循環回收利用，結合重慶大學能源與動力工程學院低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室前沿課題，引發學生根據自身研究課題方向進行思考。最后結合碳達峰碳中和目標，深化思政元素。首先探討能源利用與環境保護的辯證關系，能源是現代社會穩步發展的重要保障，可持續發展不僅要綠水青山還要穩定的能源動力供應。進一步闡明能源的高效轉化穩定安全利用是實現碳達峰碳中和的關鍵，激發學生從身邊的科研工作為“雙碳”目標助力。

講解制冷技術部分內容時，由現代制冷循環的由來，John Gorrie醫生為了更好地治療黃熱病患者，以病人福祉為先，突破當時陳舊觀念的桎梏。通過長期努力和實驗，設計并制造了一臺空氣冷卻裝置。穿插介紹近年來，制冷技術的最近進展。最后教育學生科研工作中要以人為本、勇于突破、不懼困難、積極創新。

講解儲能技術部分內容時，從“3060”“雙碳”目標出發，引出大力發展太陽能、風能等可再生能源的必要性。而由于風、光資源的不穩定性和波動性，需要配備相應的儲能系統。結合近年來我國抽水蓄能、壓縮空氣儲能、儲熱、熱泵儲電系統（見圖3）等工程，闡明大型儲能系統工作原理。隨后從專業角度出發，介紹電磁儲能、電池儲能和燃料儲能等技術。最后得出儲能是未來能源系統不可缺少的關鍵環節，樹立學生未來從事本專業的信念。

三、課程改革成效

“高等工程熱力學近代進展”研究生課程在我校“工程熱力學”教研組的建設下，與本科“工程熱力學”和研究生“高等工程熱力學”相互支撐，成為我校師生了解學習熱力學相關專業知識及最近前沿進展的又一門重要課程。有效支撐了我校“工程熱力學”教研組獲批重慶市課程思政教學團隊。

同時“高等工程熱力學近代進展”研究生課程教學內容的生動以及多樣化靈活的教學手段，使學生的學習熱情提高，學習興趣濃厚，學生主動參加線上活動進行學習，參與熱力學前沿研討，課堂教學互動更積極；研究生積極申請出國訪學交流或參加國際會議交流。

我院學生在全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽、互聯網+大學生創新創業項目以及國內外工程熱物理頂級會議獲得優異成績。相關成果發表于Joule、Advanced Science、Energy Conversion and Management等高水平期刊。

結語

重慶大學熱力學教研組通過進行能動類研究生翻轉課堂理論教學體系改革，探索“高等工程熱力學近代進展”課程的“線上與線下”相結合教學模式，取得如下成果。

1.建立了一套基于“微課+慕課+翻轉課堂”新型線上線下混合教學體系。該體系以學生為中心，積極引導師生互動交流，強調學生主動性、獨立性，引領新工科創新型人才培養。

2.結合學科前沿交叉，開發適應新工科創新綜合型人才培養的個性化教學模式。將前沿科研成果反哺于課堂教學，中英國際多元融合的教學模式，并以學生需求為導向，因材施教。

3.建立了科研和教學雙肩挑的優秀課程團隊。2021年，重慶大學“工程熱力學”教研組被評為重慶市課程思政教學團隊。

參考文獻

［1］曾丹苓.工程熱力學［M］.3版.北京：高等教育出版社，2002：1-9.

［2］李期斌，劉朝，劉浪，等.分子熱力學模擬在熱科學課程教學中的翻轉課堂實踐應用［J］.決策探索（中），2021（2）：72-73.

［3］李逍霄，李期斌，劉朝，等.工程熱力學課程思政教學方法探討［J］.黑龍江科學，2021，12（15）：84-85.

Teaching Practice and Exploration of Modern Progress in Higher Engineering Thermodynamics

LI Qi-bin， LI Xiao-xiao， WU Chuang

（School of Energy and Power Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： The course system of Engineering Thermodynamics mainly involves the law and application of mutual conversion between heat energy， mechanical energy and other energies， and is an important basic course for energy and power majors. With the deepening of personnel training and teaching reform， and the introduction of innovative teaching modes such as massive open online courses and flipped classroom， the teaching and research group of Engineering Thermodynamics of Chongqing University puts forward a series of solutions to the main problem of single teaching form in this course system. Taking the graduate course Modern Progress of Advanced Engineering Thermodynamics as the representative， the teaching reform was carried out， the teaching mode of flipped classroom for graduate students was practiced and explored， and some achievements were made in the teaching system and teaching mode. It promotes students learning initiative， expands students comprehensive ability， and is well received by thermodynamics related teaching and research groups at home and abroad and domestic enterprises.

Key words： engineering thermodynamics; flipped classroom; emerging engineering education; curriculum ideology and politics