唐 嬋 王紅艷 張翠珍

南京工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇省 南京市 211167

熱工基礎(chǔ)類課程的教學(xué)實(shí)踐

唐 嬋 王紅艷 張翠珍

南京工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇省 南京市 211167

為了更好地滿足專業(yè)分類的需要和實(shí)踐型人才培養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維為目標(biāo)，對(duì)熱工基礎(chǔ)類課程的教學(xué)進(jìn)行了探索和改革。提出了課程教學(xué)模塊化，分別為公共基礎(chǔ)模塊和各類專業(yè)模塊，實(shí)踐環(huán)節(jié)有傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K、挑戰(zhàn)性工程設(shè)計(jì)模塊和綜合熱流實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在培養(yǎng)方法上選擇和改進(jìn)具體的教學(xué)方法、手段和內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果和人才培養(yǎng)的雙贏。

熱工基礎(chǔ)；模塊化；發(fā)散思維；人才培養(yǎng)

熱工基礎(chǔ)類課程包含的是工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及由這2門課程組合成的熱工基礎(chǔ)等。熱工基礎(chǔ)類課程在理工科許多專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有重要地位，主要設(shè)置在能源動(dòng)力類(發(fā)電、汽車船舶，航空航天)、石油化工類、土建類專業(yè)。工程熱力學(xué)研究的是熱能有效利用及轉(zhuǎn)換效率的提高途徑，傳熱學(xué)以熱量的傳遞現(xiàn)象及規(guī)律為基本內(nèi)容，以工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)為主的熱工基礎(chǔ)類課程已經(jīng)成為歐美國家工程類學(xué)生的必修課，有的學(xué)校把此類課程作為工科的公共課程。由此可見，熱工基礎(chǔ)類課程已越來越受到各類相關(guān)學(xué)科的重視，將越來越被普及和推廣。

熱工基礎(chǔ)課程是基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的銜接，在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起著承前啟后的作用，是學(xué)好后續(xù)專業(yè)課程的奠基石，也為專業(yè)領(lǐng)域中學(xué)科交叉的寬度和廣度提供了公共平臺(tái)。課程具有很強(qiáng)的邏輯性和抽象性，需要一定的數(shù)學(xué)功底，各部分內(nèi)容相互交叉滲透，理論緊密聯(lián)系工程實(shí)際，但同時(shí)又把具體工程問題及設(shè)備抽象簡(jiǎn)化成原理，對(duì)于教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”都是相對(duì)較難的課程。因此如何對(duì)熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行改革，提高課程“教”與“學(xué)”的質(zhì)量，是學(xué)好該課程和后續(xù)專業(yè)課程以及跨專業(yè)學(xué)習(xí)深造的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1 培養(yǎng)目標(biāo)

為了培養(yǎng)“學(xué)以致用”的綜合性創(chuàng)新型人才，鼓勵(lì)和發(fā)展本科生的發(fā)散思維，培養(yǎng)他們對(duì)所學(xué)習(xí)內(nèi)容的深刻理解和運(yùn)用。日常生活和工程實(shí)際中有不少有趣且值得思考的傳熱學(xué)與熱力學(xué)問題，能在教學(xué)中適當(dāng)引用和拓展，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練發(fā)散思維很有幫助。例如，在空調(diào)房間內(nèi)，夏季與冬季室內(nèi)溫度都保持在20℃左右，夏季人們可以穿短袖襯衣，而冬季則要穿毛線衣；夏天如果把冰箱門打開，房間門窗緊閉，是否可以讓房間的溫度降低；微波爐加熱食物的原理；玻璃溫室種植熱帶植物的原理；下雪之后，為什么天橋上還有積雪，但是路面上卻沒有了。針對(duì)火力發(fā)電的學(xué)生還可以結(jié)合工程實(shí)例：鍋爐停爐后對(duì)其進(jìn)行沖洗，管道保溫層能否無防淋濕措施；在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，保持凝汽器汽側(cè)不含不凝結(jié)氣體的原因；用套管溫度計(jì)測(cè)量容器內(nèi)的流體溫度，套管材料選用銅和不銹鋼時(shí)，哪種情況下測(cè)量誤差小。

開辟第二課堂教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識(shí)，還可以進(jìn)一步拓展學(xué)生思維。學(xué)生自己在分析問題時(shí)，思維深度隨著問題研究的深入循序漸進(jìn)。在闡述熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論時(shí)，強(qiáng)調(diào)理論形成的不同途徑及其相應(yīng)的表述形式對(duì)發(fā)展思維深度有幫助。課后布置有一定難度和深度的科研小論文，強(qiáng)化學(xué)生分析問題、解決問題能力。增加自學(xué)環(huán)節(jié)，給學(xué)生留有自由思考學(xué)習(xí)的空間。在工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)中，新知識(shí)與舊知識(shí)有著緊密的聯(lián)系，學(xué)生完全有能力自學(xué)。例如在工程熱力學(xué)中，學(xué)習(xí)理想氣體熱力過程后，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)壓氣機(jī)和氣體動(dòng)力循環(huán)過程的內(nèi)容，學(xué)生不僅可以鞏固前面的知識(shí)，還可以增強(qiáng)自學(xué)能力，最后學(xué)生通過自學(xué)備課到講臺(tái)上講解，對(duì)學(xué)生受益匪淺，教師也能找到不足和難點(diǎn)。教師應(yīng)該充分相信學(xué)生的能力，努力做到“放手”讓學(xué)生自己歸納總結(jié)、引申拓展。例如，鼓勵(lì)學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，動(dòng)手設(shè)計(jì)搭建簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)際的熱電偶和露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)量，加以改進(jìn)并進(jìn)一步申請(qǐng)專利。由于前期的積累，學(xué)生在全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽獲得了優(yōu)異的成績(jī)。

2 課程模塊化

在具體教學(xué)實(shí)踐過程中，根據(jù)不同的專業(yè)方向，設(shè)置不同的熱工基礎(chǔ)課程模塊作為側(cè)重點(diǎn)，每個(gè)專業(yè)都有公共基礎(chǔ)模塊和本專業(yè)的模塊化部分。教學(xué)過程中，針對(duì)模塊化進(jìn)行教學(xué)，可以分不同的基礎(chǔ)和專業(yè)教師分別進(jìn)行教學(xué)和拓展。在歐美的高等學(xué)校中，工程類主修課程的設(shè)置一般分為2個(gè)模塊[1]，即公共模塊和專業(yè)模塊。公共模塊中的課程一般覆蓋了該校工程類各個(gè)研究方向最基本的原理，是所有學(xué)生的必修課，在這一模塊課程中均包含熱力學(xué)與傳熱學(xué)的基本原理課程在內(nèi)；專業(yè)模塊中按專業(yè)方向不同而分成若干組課程供學(xué)生選修。

在熱工課程的教學(xué)中，可以把包含各個(gè)研究方向最基本的原理作為公共模塊，是所有學(xué)生的必修內(nèi)容；各個(gè)不同專業(yè)方向的學(xué)生再進(jìn)行專業(yè)模塊化部分的教學(xué)或者選修。工程熱力學(xué)中，例如熱能動(dòng)力工程火力發(fā)電方向的學(xué)生選擇蒸汽動(dòng)力循環(huán)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為主要講解的模塊內(nèi)容，內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)方向的學(xué)生主要選擇氣體動(dòng)力循環(huán)，制冷方向的學(xué)生主要選擇逆向制冷循環(huán)為主要講解的模塊內(nèi)容，建筑環(huán)境與設(shè)備工程的學(xué)生主要講解的模塊是濕空氣的焓濕圖及應(yīng)用。而所有能源與動(dòng)力類專業(yè)的公共模塊都是熱力學(xué)第一定律和第二定律。以傳熱學(xué)中的火力發(fā)電方向針對(duì)鍋爐詳細(xì)介紹氣體輻射作為專業(yè)模塊化部分為例，針對(duì)暖通制冷方向增加制冷劑的換熱和換熱器單元效能法的計(jì)算為專業(yè)模塊內(nèi)容。針對(duì)設(shè)備方面，火力發(fā)電專業(yè)的學(xué)生重點(diǎn)講解冷凝器和鍋爐內(nèi)的高低溫過熱器、省煤器，核能發(fā)電的學(xué)生主要講解蒸汽發(fā)生器，而他們共同的設(shè)備可以著重講解電廠實(shí)際回路中的表面式換熱器。專業(yè)模塊中還可以對(duì)前沿問題進(jìn)行拓展，例如將微尺度傳熱，渦輪葉片的發(fā)散冷卻等作為專題讓學(xué)習(xí)探討。

實(shí)際操作中，根據(jù)不同教師的專業(yè)特長，同班級(jí)的學(xué)生在同一課時(shí)內(nèi)，可按照不同的模塊選派不同的教師進(jìn)行教學(xué)。教學(xué)過程中，學(xué)生可以吸收不同教師的知識(shí)面和教學(xué)特點(diǎn)，同時(shí)增加了課堂的新穎感和興趣性。另外，針對(duì)當(dāng)前中國的長期能源問題，在熱工基礎(chǔ)教學(xué)上，建立對(duì)新的、先進(jìn)的能源利用方式(熱電冷聯(lián)產(chǎn)、新能源利用、先進(jìn)的冷卻方式)模塊，如何提高超超臨界機(jī)組循環(huán)和燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，也是熱工課程積極開拓和研究的方向。

在熱工基礎(chǔ)類課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)方面，我國目前大部分還停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段。美國普渡大學(xué)的3位教授對(duì)于傳熱學(xué)試驗(yàn)提出了以下改革內(nèi)容：(1)減少傳統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。(2)增加有挑戰(zhàn)性的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。(3)提供動(dòng)手訓(xùn)練機(jī)會(huì)。(4)增加與工程實(shí)際合作項(xiàng)目。(5)發(fā)展和培養(yǎng)匯報(bào)和交流項(xiàng)目結(jié)論的能力[2]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，同樣設(shè)置模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也分為基礎(chǔ)模塊和拓展模塊，有傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K、挑戰(zhàn)性工程設(shè)計(jì)模塊。鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和熱工競(jìng)賽中的項(xiàng)目，需要學(xué)生自主創(chuàng)新和研發(fā)挑戰(zhàn)性工程類設(shè)計(jì)課題，為學(xué)生提供充分的工程實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)會(huì)。另外還可以開設(shè)一些綜合性熱工類實(shí)驗(yàn)。為了培養(yǎng)學(xué)生在熱流學(xué)科方向的綜合應(yīng)用能力，開設(shè)綜合熱力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)的公共實(shí)驗(yàn)?zāi)K，例如針對(duì)卓越工程師班設(shè)置綜合熱流實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生需要充分運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的組建和開發(fā)驗(yàn)證。實(shí)踐環(huán)節(jié)是重視培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的關(guān)鍵，讓學(xué)生有一個(gè)學(xué)以致用的平臺(tái)是熱工課程教改所一直致力的。

3 培養(yǎng)方法

為了更好提高學(xué)習(xí)興趣和改善教學(xué)效果，研究課堂教學(xué)模式是熱工基礎(chǔ)改革的關(guān)注點(diǎn)之一。將互動(dòng)方式貫穿于教學(xué)的整個(gè)過程，教師出提綱學(xué)生自學(xué)，學(xué)生上去講，教師最后歸納總結(jié)。例如，教師講解完原理和知識(shí)點(diǎn)，列舉一兩個(gè)有代表性的例題，讓學(xué)生在課堂完成，并選擇學(xué)生上臺(tái)講解。熱工基礎(chǔ)類課程的特點(diǎn)是習(xí)題特別多，做習(xí)題時(shí)先讓學(xué)生自己做一遍，教師再講解，學(xué)生通過思考發(fā)現(xiàn)自己哪些地方不太清楚，而教師在講題時(shí)也可以針對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的問題有的放矢。一方面活躍課堂氣氛，能集中學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也能發(fā)現(xiàn)學(xué)生的不足，進(jìn)一步補(bǔ)充和強(qiáng)化，在達(dá)到很好教學(xué)效果的同時(shí)，也鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力。例如在傳熱學(xué)教學(xué)過程中擬定幾個(gè)專題：各向異性材料導(dǎo)熱系數(shù)的確定，肋片的幾大作用，熱管內(nèi)的氣流兩相流等。運(yùn)用討論的方法，讓學(xué)生開展分組討論，鼓勵(lì)每組派代表在全班匯報(bào)，并接受同學(xué)的提問。通過學(xué)生參與課堂教學(xué)比重的增加，使學(xué)生真正成為課程學(xué)習(xí)的主體。

對(duì)于一些工程實(shí)際內(nèi)容，例如換熱器部分可以組織學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室及鍋爐房看一些實(shí)物使學(xué)生有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。例如，鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)模型和核電站系統(tǒng)模型都為學(xué)生提供了直觀的認(rèn)識(shí)。講述太陽能利用、熱管、地源(水源)熱泵的應(yīng)用，采用視頻方式加深在科技領(lǐng)域和實(shí)際生活中應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。另一方面，利用計(jì)算機(jī)可以做到教材無法比擬的教學(xué)效果, CAI軟件成為了加速教學(xué)改革、提高教學(xué)效率的重要手段。目前我們的火力發(fā)電系統(tǒng)和核能發(fā)電系統(tǒng)仿真就是充分利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。開發(fā)工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，將教學(xué)大綱、教案、上課錄像、課后習(xí)題答案與解析、歷年考研試題等作為網(wǎng)站的基本資源。同時(shí)建立熱工基礎(chǔ)類課程的習(xí)題庫，組織學(xué)生參加熱工基礎(chǔ)知識(shí)競(jìng)賽，題庫由趣味性的日常生活、工程實(shí)際的熱工題目和適合考試和考研的習(xí)題組成，競(jìng)賽的形式可以有卷面考試和問答(必答、搶答等)，通過這樣的活動(dòng)，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，還可以獲得競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)。鼓勵(lì)教師積極開展雙語教學(xué)，加強(qiáng)工科學(xué)生工程技術(shù)能力的同時(shí)提高專業(yè)英語水平及綜合能力，注重雙語教學(xué)，循序漸進(jìn)地進(jìn)行教學(xué)，為學(xué)生以后的專業(yè)英語以及參加國際交流打下基礎(chǔ)。鼓勵(lì)青年任課教師到企業(yè)或現(xiàn)場(chǎng)掛職實(shí)踐，提高自身的工程經(jīng)驗(yàn)和能力，將工程實(shí)踐有機(jī)地融合到教學(xué)中，從理論和實(shí)踐兩方面提升自身的學(xué)識(shí)。

4 結(jié)束語

本科生的培養(yǎng)重在發(fā)散思維，鼓勵(lì)學(xué)生有創(chuàng)新意義的思維。熱工基礎(chǔ)課程實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的公共基礎(chǔ)模塊化和各類專業(yè)模塊化，實(shí)驗(yàn)也分基礎(chǔ)模塊和拓展模塊。教師借助多種形式的教學(xué)方法，包括課堂各種形式的互動(dòng)及課后參觀，第二課堂小論文及實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，最終能達(dá)到很好的教學(xué)效果，滿足當(dāng)前教育發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要。

[1] 何雅玲,陶文銓.對(duì)我國熱工基礎(chǔ)課程發(fā)展的一些思考[J].中國大學(xué)教學(xué),2007(3):12-15.

[2] Bianchi M V A, Schoenhala R J, DeWitt D P. Changing the role of the laboratory in a heat transfer course. ASME HTDVol.344,National Heat Transfer Conference, Vol. 6, 1997, 1-8.

[3] 陶文銓,何雅玲.關(guān)于編寫傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)教材的淺見[J].中國大學(xué)教學(xué),2003(10):43-44.

[4] 劉愛萍.淺談傳熱學(xué)課程的教學(xué)改革[J].中國電力教育,2002(4):73-75.

[5] 郭平生,唐賢健.熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容革新的思考[J].廣西物理,2008,29(4):51-54.

[6] 郭永輝,王子云.關(guān)于傳熱學(xué)課程教學(xué)改革之我見[J].制冷與空調(diào),2004(1):69-70.

The Teaching Practice of Thermal Base Classes

Tang Chan, Wang Hongyan, Zhang Cuizhen
Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 211167, China

In order to better meet the needs of the professional classification and cultivating talents on practice， aiming at cultivating students' divergent thinking， the thermal base class teaching is explored and reformed. This paper puts forward the modular teaching， public basic module and all kinds of professional module， and the practice segment has the traditional confirmatory experiment module， challenging engineering design module and the comprehensive heat transfer experiment module. Through selection and improvement of specific teaching methods， means and contents， win-win situation of teaching effects and cultivation of talents will be realized.

thermal foundation; modular; divergent thinking; the cultivation of talents

2014-05-19

唐嬋，碩士，講師。