“工程熱力學”課程思政元素的挖掘與融合實踐

王 帥，吳朝海，王 樂

（青海大學 省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

引言

所謂課程思政，簡而言之，就是高校的所有課程都要發揮思想政治教育作用［1］。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人［2-3］。2020年教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確指出，要結合專業特點分類推進課程思政建設，其中理學、工學類專業課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。工學類專業課程，要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當［4］。

“工程熱力學”作為工學類專業中的經典課程，是化工、能源、動力等學科的專業基礎課，與生產生活息息相關［5］。應當更好地承載起育人的責任，要在深入梳理教學內容的基礎上，結合課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果。

“工程熱力學”是一門研究熱能與其他形式能量之間的轉化規律及工程應用的科學［6］。主要內容包括熱力學第一定律、熱力學第二定律的內涵及應用、氣體與蒸汽的熱力過程和熱力性質、?的相關概念、熱力循環等方面的內容。通過這些內容的學習可以分析不同類型能量利用的基本原理，可以優化生產、生活中的用能過程，最終達到節能的目的。本文結合課程的特點與《高等學校課程思政建設指導綱要》的要求，就工科課程思政元素挖掘與融合的難題，總結了五個思政切入點，并對各章內容的具體知識點進行了融合設計與實踐，期望能給工科專業課程的思政教育提供新的思路和借鑒。

一、“工程熱力學”課程思政切入點

結合“工程熱力學”實際，本文從科學哲理、科學史與名人、實際工程問題、工匠精神、時政熱點等五個方面為切入點來進行課程思政的融合，切入點以及其育人目標如圖1所示。

圖1 “工程熱力學”課程思政切入點及其育人目標示意圖

科學哲理。理工科課程的內涵就是揭示自然科學的普遍規律，并將這些規律應用在生產、生活當中。教學過程中也需要讓學生領會到如何利用馬克思主義立場、觀點和方法來辯證地、唯物地、全面地解釋及解決科學問題與實際問題。

科學史與名人。在科學的發展過程中，有著其獨特的發展規律，學生需要了解該學科的發展歷程。了解學科的發展歷程能有效地幫助學生建立起本學科的思維邏輯，為學習具體知識奠定良好的基礎。科學史上的名人也應當成為學生學習的榜樣，用名人事跡來激勵和感染學生，激發學生對真理的渴求。

實際工程問題。培養工科學生就是在培養未來的工程師，他們在以后的學習和工作中將不可避免地遇到實際工程問題。課程中利用實際工程問題作為案例，不僅使課堂更加生動，而且能夠有效地拉近理論與實際的距離，讓學生明白一切理論都將應用于實際問題，并非空中樓閣。

工匠精神。所謂工匠精神是指一種職業精神，它是職業道德、職業能力、職業品質的體現，是從業者的一種職業價值取向和行為表現。在為國家培養人才的過程中，必須將職業道德的培養放在重要的位置上，用精神來引領行動，培養出合格的、有職業素養的工程師。

時政熱點。當代大學生，需要將眼光聚焦于時政熱點事件，利用自己的專業知識為社會做出應有的貢獻，并在此過程中找到自身價值。例如，青海省正在建設國家清潔能源示范省，在此項工程的建設過程中“工程熱力學”的作用不言而喻，而本專業的學生也必然會在這一領域發揮重要的作用。因此在課堂上適時地將時政熱點問題融入進去，讓學生在讀圣賢書的同時也聞窗外事。

二、課程思政元素的挖掘與融合實踐

結合以上課程思政切入點，課程組教師選定以普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，即畢明樹主編的《工程熱力學》第三版為教材進行課程思政的深入挖掘與融合。在課程設計過程中采用了小組討論、觀看視頻、直接導入、啟發教學、案例教學等方法有機地將思政內容與課程知識點進行融合，部分示例如表1所示。

表1 “工程熱力學”課程思政元素的挖掘與融合示例

第一章主要講解本課程的基本概念，為整門課程內容的學習打下基礎。首先通過海洋中的島嶼來引出熱力系統的相關概念，給學生形象生動的例子，理解并區分敞開系統、封閉系統、孤立系統、非孤立系統等熱力學常見系統。熱力系統在某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為系統的狀態，要描述狀態需要有很多的物理量，其中最典型的就是溫度、壓力、體積、熵、內能、焓等。在講授此處知識點時要引發學生的哲學思考，對于現象的描述方式有很多種，而其中較為準確且概括性最好的一種就是應用數學模型的描述方式，引導學生思考前端課程（例如高等數學、化工應用數學等）的意義所在，培養學生的思維能力。

第二章主要講解熱力學中的基本定律，包括熱力學第一定律及熱力學第二定律的實質和應用。這部分內容以熱力學發展史為引子，講解科技的進步是人類社會不斷發展的產物，而一個學科的發展過程也是依附于人類社會的需求。人類從鉆木取火開始就已經意識到熱是可以被利用，并且能相互轉化的，但直到物理學家焦耳完成了熱功當量的測定，才認識到熱是一種能量，為熱力學第一定律奠定了基礎，在這里融入焦耳測定熱功當量的故事，說明對于一些大家習以為常的定律要有批判思維，并且堅持自己的想法，不屈服于權威，這樣才能探索到真理。在第九節中有一個非常重要的概念“熵”，熵的概念在前端課程中學生已經有所了解，知道這個物理量表示的就是混亂程度，但是推導過程不清楚。每個物理量的產生都有其必然性，想讓學生理解一個抽象概念，就必須把這個概念產生的前因后果都講清楚。而如今熵的概念已經廣泛地應用于社會學領域，與生活息息相關。因此在課程實踐中以視頻“人生的意義”為開端，這與傳統課堂有著很大的不同，學生會充滿好奇，為什么在工科的課堂上要引入一個哲學問題。通過視頻的學習學生將了解到人類對意義的追求是大腦神經工作的結果，這與熱力學中的過程極為類似，在這中間熵扮演了重要的角色，激發學生的探索欲，讓他們能自主地進行學習和探究。應用工科知識來解答人文社科的問題，“熵”這個概念不是個例，也不是偶然。在人類發展史上，科學理論與人文精神本來就是相輔相成的，不應該割裂開，而由于現在采用的西方學科分類方法過細，使文科與理工科成了人為分裂的兩類學科，這是不符合科學發展規律的。應當在課堂上盡可能地弱化這種分裂，讓學生學習到完整的、符合客觀規律的知識。這段課堂引入會引發學生的好奇心，希望能從課堂上得到人生意義的答案。同時也很好地將課程思政內容融入課堂當中。在課程中完整推導出熵的概念后，學生就會有所思考，了解數學公式推導出的一個新的物理量為什么可以應用于社會學。在課程的最后，也安排了課堂分享的時間，讓學生說出自己的想法，讓知識內化進一步提升學習效果。

第三章主要講解氣體與蒸汽的熱力性質，從理想氣體狀態方程開始講解，然后逐漸過渡到真實氣體的狀態方程，在講解過程中希望學生能夠明白，“理想”與“現實”之間存在很大的差距，在工程熱力學中要解決這個差距的問題，讓方程能夠更好地匹配到真實氣體當中，就需要一步一步地來擬合，從范德華方程到RK方程再到SRK方程都是逐漸細化和擬合的過程。這里要著重訓練學生的工科思維能力，作為工程師面對的都是現實問題，而理論依據一般都是以理想狀態為前提的，這個時候我們應該用一種什么樣的思維方法來解決實際問題，這就是工科學生應該思考并且掌握的能力。工程熱力學雖然起源于西方，但是近些年來我國科學家也為其推動做出了巨大貢獻，比如浙江大學侯虞鈞教授，他1955年在美國博士畢業后回到祖國，與美國科學家合作提出的馬丁-侯方程，是世界公認的精確的實際氣體狀態方程之一。1981年他又獨立對該方程進行改進，使之能用于液相及相平衡的計算，取得了系統而有成效的成果。通過這些例子來激發學生的愛國熱情。

第四章主要介紹氣體與蒸汽的熱力過程，在此章節中主要介紹幾種工程中常見機械的熱力過程，例如壓氣機、往復式膨脹機、鍋爐、蒸汽輪機等。授課過程中融入清華大學吳仲華先生的感人事跡，他曾受聘于美國航空咨詢委員會（NACA，為美國宇航局NASA前身），1955年毅然回清華大學任教，并于1956年創建我國第一個燃氣輪機專業，為我國工程熱力學的發展做出了重要貢獻；弘揚愛國主義精神，為老一輩科學家的奉獻精神點贊，并且要鼓勵學生向他們學習。通過這些事例引導學生認識到職業要服從于國家利益，個人價值的實現要建立在國家整體利益的基礎之上，讓學生樹立“科學無國界，但科學家有祖國”的家國情懷。

第五章主要介紹?分析相關知識。通過?含義的學習可知能量不僅有數量還有品質的差別，能量的品質體現在做功能力的差異上，高品位的能量具有更多的?也就是更強的做功能力。以透平機械乏汽冷凝過程能量利用為例，雖然乏汽冷凝過程中釋放的能量數值可觀，但是因這部分工質熱力狀態接近環境條件，能量品位低，利用價值不高，因而工程上不會投資大量的設備成本用于這部分能量的回收。節能的本質是關注能量的品質，即節?。明確了節能的本質，在工程上利用能量時就需要做到合理用能。教學過程中以不同壓力和溫度的蒸汽利用情況為例，進行?計算，通過比較不同狀態蒸汽的加熱能力和做功能力，進行?分析。能級匹配、梯度利用、避免能量無償降級是合理用能的最基本原則。

第六章主要介紹熱力循環的相關知識，包括蒸汽動力循環、制冷循環、熱泵供熱循環三個部分的內容。在熱力循環模塊，蒸汽動力循環是火力發電廠的基本設計模型。作為動力循環，熱效率的高低直接關系著能量的轉化情況和運行成本。教學過程中，通過理論模型理想化簡化、熱力過程分析可以得到影響蒸汽動力循環熱效率的熱力參數。按照熱力學的分析方法，可知通過提高過熱蒸汽壓力、溫度和降低乏汽壓力來提高熱效率。但是提高過熱蒸汽壓力、提高過熱蒸汽溫度和降低乏汽壓力，分別受機械設備安全性和環境條件限制。在工程設計時我們不僅要考慮節能的要求，還需要從設備操作成本和熱效率運行成本兩方面的經濟性，關注機械安全運轉、設備材質和強度安全性，以及環境條件能否實現等方面綜合評價，確定合理的電廠運行方案和參數。將蒸汽動力循環熱力學理論與實際條件進行對比，可培養學生在工業設計上具有技術可行、安全可靠、高效節能的工程思維。

結語

本文以工科經典課程“工程熱力學”為例，進行課程思政元素的挖掘與融合。文中選擇了五個方面為課程思政切入點來進行課程思政的融合，分別是：科學哲理、科學史與名人、實際工程問題、工匠精神、時政熱點等。同時也依據課程具體知識點進行了相應思政內容的匹配，希望能為工科專業課程的思政教育提供新的思路和借鑒。