許偉偉, 黃善波, 張克舫(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

工程熱力學(xué)是從工程角度總結(jié)和研究熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換能力及轉(zhuǎn)換效率的課程[1-3]。是動(dòng)力工程、機(jī)械工程、能源工程等專業(yè)的一門傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，當(dāng)今能源、環(huán)境、航空航天、信息工程、生物工程等領(lǐng)域內(nèi)的許多進(jìn)展都是直接或者間接建立在熱工研究進(jìn)展的基礎(chǔ)之上。面對(duì)未來(lái)生產(chǎn)發(fā)展對(duì)能源動(dòng)力需求迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，許多相關(guān)聯(lián)的熱力工程技術(shù)需要工程熱力學(xué)作為其研究的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，工程熱力學(xué)概念多且抽象、公式多且應(yīng)用條件復(fù)雜，工程熱力學(xué)是典型的“難教、難學(xué)、難考”的三難課程[4-6]。因此，擴(kuò)寬工程熱力學(xué)的教學(xué)思路，整合工程案例資源，提高教學(xué)質(zhì)量，是教學(xué)中急需解決的問題。

國(guó)外教學(xué)采用大量精美插圖來(lái)直觀展示基本概念[7]，方便不同資質(zhì)的學(xué)生學(xué)習(xí)；國(guó)外教學(xué)引用大量工程實(shí)例來(lái)解釋熱力學(xué)基本定律和基本過程，既包含傳統(tǒng)熱力學(xué)工程案例，又包含現(xiàn)代能源與環(huán)境、氣候變化、可再生能源開發(fā)與利用等非傳統(tǒng)經(jīng)典熱力學(xué)案例，方便學(xué)生將所學(xué)理論與實(shí)際工程結(jié)合。而這些恰恰是國(guó)內(nèi)熱力學(xué)教學(xué)的短板。鑒于此，開展工程熱力學(xué)形象化教學(xué)方法探討與實(shí)踐[8-9]，通過靈活多樣的教學(xué)手段，向?qū)W生展示豐富多彩的工程案例，讓學(xué)生深刻切實(shí)感受到熱力學(xué)的工程應(yīng)用魅力。

1 工程熱力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)

工程熱力學(xué)知識(shí)框架(見圖1)有基礎(chǔ)理論知識(shí)和工程應(yīng)用組成，基礎(chǔ)理論包含基本概念、工質(zhì)熱力性質(zhì)、熱力過程、基本定理等部分，工程應(yīng)用在基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上展開，主要包括氣體與蒸汽的流動(dòng)、壓氣機(jī)的熱力過程、蒸汽與動(dòng)力循環(huán)以及制冷循環(huán)等。當(dāng)然針對(duì)不同專業(yè)工程應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同，例如石油工程專業(yè)的工程應(yīng)用側(cè)重氣體與蒸汽的流動(dòng)、壓氣機(jī)的熱力過程?；A(chǔ)理論與工程應(yīng)用聯(lián)系密切，互不可分。

圖1 工程熱力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)

2 授課案例資源整合

以工程熱力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)為載體，增加與熱力學(xué)密切相關(guān)的工程實(shí)踐與日常生活實(shí)例。每個(gè)實(shí)例遵循問題提出——理論講解——結(jié)果分析——問題解釋。這樣的布局既可以為學(xué)生提供廣闊的知識(shí)和應(yīng)用背景，又可以通過大量案例讓學(xué)生掌握理論知識(shí)，同時(shí)又培養(yǎng)學(xué)生解決問題的科學(xué)素養(yǎng)。

(1) 緒論部分。緒論部分案例如圖2所示。利用靈活的圖像、文字、動(dòng)畫向同學(xué)展示各類實(shí)例，例如溫室效應(yīng)、冰箱空調(diào)及發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、熱力采油過程、CO2捕集過程、噴氣式制冷過程、新能源開發(fā)與利用等案例。引出工程熱力學(xué)主要圍繞熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化這一主線進(jìn)行，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)與發(fā)展熱力學(xué)是服務(wù)于人類能夠持久和諧使用能源。此外，通過豐富案例講解，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生不僅要有考高分的小愿望，還應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)有所成服務(wù)人類的大情操。

圖2 緒論案例列舉

(2) 熱力學(xué)概念。熱力學(xué)概念(案例見圖3)抽象晦澀，而深刻理解熱力學(xué)基本概念又是學(xué)好熱力學(xué)的基礎(chǔ)。課堂實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過形象講解各類工程實(shí)例的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生自主歸納總結(jié)共性規(guī)律，將工程問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題，能更加有效地幫助學(xué)生掌握熱力學(xué)各種抽象的概念。例如，以動(dòng)畫形式向大家展示核電站工作過程、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生觀察設(shè)備中水或水蒸氣的狀態(tài)變化，與外界交換能量的方式及能量類別。學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣，老師順勢(shì)引入熱源、熱機(jī)、工質(zhì)、平衡過程、可逆過程、熱力系統(tǒng)等概念。隨后，以動(dòng)畫的形式向同學(xué)展示燃?xì)鈾C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的工作過程，老師提出不同研究目的，請(qǐng)學(xué)生自主分析各工程案例的系統(tǒng)劃分，簡(jiǎn)易畫出各個(gè)過程并標(biāo)注相關(guān)概念，探討能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化。隨后，再引入一批新的工程案例，比如冰箱和空調(diào)的工作過程，與學(xué)生互動(dòng)分析之前案例與本次案例的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，順勢(shì)引出正向循環(huán)、逆向循環(huán)及循環(huán)效率的概念。最后，設(shè)置課上工程實(shí)踐，請(qǐng)學(xué)生計(jì)算某個(gè)熱力過程的效率。

圖3 基本概念案例列舉

(3) 能量守恒。能量守恒案例列舉如圖4所示。學(xué)生前期通過大學(xué)物理已經(jīng)學(xué)習(xí)了熱力學(xué)能和總能，所以理解不難；閉口系統(tǒng)能量方程式較好理解，但應(yīng)用較難；開口系統(tǒng)的能量方程式是難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在推動(dòng)功、焓等概念的引入、以及開口系統(tǒng)能量方程式的推導(dǎo)及應(yīng)用等。本章形象化教學(xué)思路如下，首先用簡(jiǎn)易的實(shí)例(靜止的飛機(jī)有無(wú)能量？)引出熱力學(xué)能和總能，順勢(shì)給學(xué)生提供一個(gè)閉口系統(tǒng)，依據(jù)能量守恒原理，與學(xué)生共同分析閉口系統(tǒng)能量守恒并推導(dǎo)各類表達(dá)式；隨后給學(xué)生提供實(shí)際案例(密閉房間開冰箱門可以降溫嗎？熱河分析熱力采油的能量守恒？)，量化分析能量守恒，并給出結(jié)論。其次，再以動(dòng)畫形式展示開口系統(tǒng)、焓、推動(dòng)功等概念，分析清楚閉口系統(tǒng)與開口系統(tǒng)的能量傳遞差別，嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)開口系統(tǒng)能量方程表達(dá)式。最后，以動(dòng)力機(jī)、壓氣機(jī)、換熱器、節(jié)流閥、火箭尾部噴管為例，應(yīng)用開口系統(tǒng)能量返程式進(jìn)行能量分析。當(dāng)然，這其中還有許多難點(diǎn)，可以以啟發(fā)式教學(xué)進(jìn)行，例如，提問學(xué)生“推導(dǎo)可逆技術(shù)功的表述式，為什么熱力學(xué)第一定律的兩個(gè)表達(dá)式可以等價(jià)應(yīng)用？”“焓是工質(zhì)流入開口系統(tǒng)時(shí)傳遞給系統(tǒng)的總能量，閉口系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)有沒有焓值？”，先對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式提問，再對(duì)其進(jìn)行講解，效果會(huì)更好。

圖4 能量守恒案例列舉

(4) 基本熱力過程?；緹崃^程(案例見圖5)是在基本概念、熱力學(xué)第一定律和工質(zhì)的熱力性質(zhì)基礎(chǔ)上展開的。本章大部分內(nèi)容易學(xué)易解，少部分難點(diǎn)在于理想氣體綜合過程的熱力分析。教學(xué)思路為：首先，引入各種工程實(shí)例，劃分基本熱力過程(定壓、定容、定溫、定熵)，以定容、定溫過程為例，講解能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的研究方法和內(nèi)容，并做實(shí)例計(jì)算，隨后，讓學(xué)生根據(jù)分析步驟，并采用翻轉(zhuǎn)課堂形式，以學(xué)生為主老師為輔的授課形式學(xué)習(xí)定壓過程和定熵過程。其次，將各過程表示在p-v，T-s圖上，引出多變過程，綜合分析熱力過程。

(5) 氣體與蒸汽的流動(dòng)。氣體與蒸汽的流動(dòng)案例列舉如圖6所示。首先，列舉噴氣式潛艇、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、超音速天然氣分離等案例，引入本章節(jié)研究對(duì)象為變截面管路內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律以及流體流動(dòng)能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化；然后，簡(jiǎn)化工程案例，將工程問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題，簡(jiǎn)化本章研究對(duì)象為一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)問題，進(jìn)而講解氣體對(duì)應(yīng)的基本控制方程，該過程穿插講解案例包括家居水管、滅火器出口溫度偏低、高速飛機(jī)外側(cè)溫度測(cè)量等問題；最后，對(duì)比其他案例，引出噴管內(nèi)流速改變的內(nèi)因及外因，講解噴管的設(shè)計(jì)及計(jì)算。

圖5 基本熱力過程案例列舉

圖6 氣體與蒸汽流動(dòng)案例列舉

3 考核模式

3.1 考試方案設(shè)計(jì)

如圖7所示為考試方案，以考察專業(yè)知識(shí)為主、專業(yè)技能為理念進(jìn)行考試改革，增加學(xué)生表達(dá)機(jī)會(huì)，加強(qiáng)過程考核和能力考核，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性?？荚嚪桨冈O(shè)計(jì)分三部分。①保證全過程階段性考核。通過課堂實(shí)現(xiàn)測(cè)試、課上師生互動(dòng)及課后作業(yè)分析，既全程掌握學(xué)生吸收課程知識(shí)狀態(tài)，又確保學(xué)生功夫用在平時(shí)，護(hù)航學(xué)生期末考試優(yōu)良表現(xiàn)。②設(shè)計(jì)Mini課程實(shí)踐考核。首先，老師針對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)介紹先進(jìn)工業(yè)技術(shù)；其次，學(xué)生根據(jù)相應(yīng)的要求完成8課下Mini實(shí)踐。③建立個(gè)性素質(zhì)拓展考核機(jī)制，該過程要求學(xué)生選擇相應(yīng)題目、查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)、并主動(dòng)講授，既體現(xiàn)了學(xué)生的個(gè)性化，又鍛煉了學(xué)生綜合素質(zhì)。

圖7 考試方案設(shè)計(jì)

3.2 考試實(shí)施

考試方向主要為專業(yè)知識(shí)與專業(yè)能力的考核,具體實(shí)施如圖8所示。

圖8 考試實(shí)施說明

3.2.1專業(yè)知識(shí)考核

課堂考核主要體現(xiàn)在階段測(cè)試和期末考試精煉明確每章的知識(shí)點(diǎn)特別是重點(diǎn)難點(diǎn)，設(shè)置階段測(cè)試考點(diǎn)，如：熱力學(xué)基本概念理解、熱力學(xué)表述對(duì)錯(cuò)分析、熱力學(xué)第一、第二定律應(yīng)用、熱力工質(zhì)性質(zhì)、熱力過程、氣體流動(dòng)與噴管、壓縮機(jī)、濕蒸汽等。通過階段考試及時(shí)查缺補(bǔ)漏，并通過這種方式督促學(xué)生注意平時(shí)學(xué)習(xí)，而不是考前突擊，該部分成績(jī)將是最終成績(jī)的一部分。期末考試采用閉卷形式考察知識(shí)點(diǎn)。

3.2.2專業(yè)能力考核

專業(yè)能力考核體現(xiàn)在工程實(shí)踐考核和文獻(xiàn)查閱考核。工程實(shí)踐考核主要以課下Mini實(shí)踐小作業(yè)來(lái)完成。老師提供多個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生至少自主選擇兩個(gè)案例。這種方式主要是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，把本課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)。

依據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)相關(guān)題目。引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解相關(guān)技術(shù)發(fā)展前沿、歸納現(xiàn)有技術(shù)存在問題、找出相關(guān)問題的原因、解決問題的可行辦法(或可能的辦法)，打破教材章節(jié)界限。撰寫論文報(bào)告，并要求學(xué)生小組討論后課堂匯報(bào)。鍛煉學(xué)生表達(dá)能力、語(yǔ)言組織能力等。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，開展形象化教學(xué)，有助于學(xué)生加深工程熱力學(xué)的抽象概念，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；開展多方位考核方式，有助于跟蹤測(cè)試學(xué)生學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)習(xí)效率；開展相關(guān)案例交流，有助于學(xué)生開展自主創(chuàng)新問題探討，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新的精神，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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