李愛琴 鄒玉 杜文海 俞接成

【摘要】能源與動力工程專業(yè)方向調(diào)整后，增加了暖通專業(yè)的口徑和內(nèi)涵，這就要求工程熱力學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)應(yīng)用型人才相適應(yīng)。根據(jù)能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)特色和工程熱力學(xué)的特點，從提高課堂質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生興趣入手，結(jié)合作者教學(xué)實踐，對工程熱力學(xué)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)方式等多方面，進行了一系列教學(xué)改革創(chuàng)新實踐，形成了一套行之有效的教學(xué)體系，在實踐運用中取得了良好的教學(xué)效果。所取得的研究成果不僅對工程熱力學(xué)教學(xué)改革有積極作用，對其他能源與動力工程專業(yè)基礎(chǔ)課的改革也有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】工程熱力學(xué) ?教學(xué)改革 ?教學(xué)成果

【中圖分類號】TB131 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）29-0238-02

1.引言

工程熱力學(xué)是能源與動力工程、過程裝備與控制工程、機械工程、油氣儲運工程等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)熱能相關(guān)的各領(lǐng)域具有創(chuàng)新能力人才的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)21世紀工科學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的公共基礎(chǔ)課[1-2]。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生能熟練掌握能量轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用過程的基本規(guī)律，學(xué)會應(yīng)用熱力學(xué)第一定律與第二定律的理論體系分析解決工程實際問題的基本原理與方法，掌握相關(guān)的熱能轉(zhuǎn)換與利用設(shè)備的熱力計算理論，為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。因此學(xué)生掌握工程熱力學(xué)課程基本理論，直接影響其專業(yè)水平，對今后從事科學(xué)研究、工程應(yīng)用及管理工作都非常重要。

2.教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)方式等多方面的教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

工程熱力學(xué)的研究對象主要是能量轉(zhuǎn)換，特別是熱能轉(zhuǎn)化成機械能的規(guī)律和方法，以及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，以提高能源利用的經(jīng)濟性。[3]其課程特點可用“概念多、公式多、內(nèi)容多、抽象難懂”加以概括[4]。以目前應(yīng)用比較廣泛的高等教育出版社出版的沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)》第五版教材[3]為例，全部內(nèi)容可分為三大部分（見圖1），①基礎(chǔ)概念和基本理論，②工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)，③基本理論的工程應(yīng)用。①基本概念和基本理論部分，包括工程熱力學(xué)相關(guān)概念（熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、平衡過程及可逆過程等等）、熱力學(xué)第一定律與第二定律，這是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。其中熱力學(xué)第一定律描述了熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系;熱力學(xué)第二定律解析了熱能和機械能之間品質(zhì)的區(qū)別，提出了能量轉(zhuǎn)換的方向、條件與限度。（對應(yīng)1、2、5章）。②研究工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)。（對應(yīng)3、4、6、12章）。主要講述工質(zhì)（理想氣體、水蒸氣和濕空氣）在能量轉(zhuǎn)換過程中狀態(tài)參數(shù)變化的規(guī)律。③講述典型熱工設(shè)備（包括壓氣機、內(nèi)燃機、空調(diào)及噴管等）的工作過程。即應(yīng)用熱力學(xué)基本定律，分析并計算工質(zhì)在典型熱工設(shè)備中經(jīng)歷的循環(huán)及過程，在此基礎(chǔ)上，探討和分析了影響能量轉(zhuǎn)換的因素，得到提高轉(zhuǎn)換效果的途徑。（對應(yīng)7、8、9、10、11章）。學(xué)生在學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律，掌握了理想氣體和實際氣體的熱力性質(zhì)和過程基本規(guī)律之后，可以應(yīng)用這些基本知識分析一些熱工設(shè)備的理想工作過程，完成對所學(xué)知識的第一次初步理解和應(yīng)用。在達到熟練應(yīng)用理論知識的基礎(chǔ)上，更深層次的應(yīng)用所學(xué)的工程熱力學(xué)知識，深入分析實際裝置中的熱力過程和多種循環(huán)，從而達到能在更高的認知層面上進一步綜合、靈活應(yīng)用工程熱力學(xué)的知識去解決實際問題。在完成上述過程后，分發(fā)給不同專業(yè)的學(xué)生課外作業(yè)，鼓勵學(xué)生將所學(xué)的工程熱力學(xué)知識與本專業(yè)的研究內(nèi)容結(jié)合起來，達到靈活應(yīng)用理論知識解決實際問題的教學(xué)目的。

2.2 教學(xué)方法的改革

（1）針對重要內(nèi)容，將知識體系融會貫通

工程熱力學(xué)的課程體系復(fù)雜，公式較多且易混淆。[5]教學(xué)過程中注重基本概念和公式推導(dǎo)的講解，以使學(xué)生了解和掌握公式的來源及物理定義。將相關(guān)聯(lián)的課程體系建立聯(lián)系，利用知識鏈的牽引功能進行教學(xué)。例如熵及其相關(guān)概念比較抽象并難于理解，在大多數(shù)現(xiàn)用教材的內(nèi)容編排上，熵方程及熱力學(xué)第二定律的各數(shù)學(xué)表達式的內(nèi)容是相互獨立的。在長期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時感覺難度較大，在使用孤立系熵增原理表達式和克勞修斯積分等式和不等式時，不等式的方向經(jīng)常用反。筆者在上課過程中通過熵方程把熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式串聯(lián)起來，形成知識鏈[6];使看起來抽象的、孤立的知識簡潔化、系統(tǒng)化，并將這種知識鏈應(yīng)用到工程熱力學(xué)的教學(xué)實踐中。從近年來的教學(xué)成效看，學(xué)生掌握這部分內(nèi)容的能力和靈活性大大增強。

（2）從實際問題出發(fā)，開展參與式[7]、啟發(fā)式教學(xué)

工程熱力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，最終目的還是要求回歸工程實踐，解決具體的工程問題。從研究方法的角度，工程熱力學(xué)普遍采用抽象、概括、理想化和簡化的方法。這種略去細節(jié)、抽出共性、抓住主要矛盾處理問題的方法，不但不脫離實際，而且更深刻地反映了事物的本質(zhì)，是科學(xué)研究的重要方法。在教學(xué)中秉承培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維的初衷，教會他們將復(fù)雜的工程問題簡化為理想模型，得出基本規(guī)律后，用于指導(dǎo)實踐。開展啟發(fā)式教學(xué)，科學(xué)源于生活，因此在授課過程中，結(jié)合具體專業(yè)，引出與理論相關(guān)的具體工程實例，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的理論知識分析、解決問題的能力。例如在講解熱力循環(huán)經(jīng)濟型評價時，提出“用空調(diào)供熱還是用電暖氣供熱更經(jīng)濟”話題，引發(fā)學(xué)生思考。又如講解到濕空氣章節(jié)時，提出“冬天，戴眼鏡的同學(xué)如何在進入室內(nèi)時避免眼鏡起霧？”的問題，讓學(xué)生從基本原理中探尋答案。通過將基本概念和理論與熟悉的生活現(xiàn)象聯(lián)系起來，啟發(fā)學(xué)生思考，提高他們學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的興趣和主觀能動性。

（3）重視實驗教學(xué)，培養(yǎng)工程觀念

工程熱力學(xué)作為基礎(chǔ)理論與應(yīng)用兼?zhèn)涞囊婚T課程，實驗是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是幫助學(xué)生理解理論知識，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐觀念的重要途徑。目前，北京石油化工學(xué)院開設(shè)的工程熱力學(xué)實驗課時數(shù)為8學(xué)時，實驗項目為：“氣體定壓比熱測定實驗”、“二氧化碳P-V-T關(guān)系測定”、“飽和蒸汽P-T關(guān)系實驗”和“噴管實驗”。學(xué)生通過參與實驗課程的學(xué)習(xí)、加深了熱力學(xué)基本定律、公式的理解，增強了學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練。除此之外提出工程熱力學(xué)選做實驗教學(xué)內(nèi)容（綜合性或設(shè)計性）的方案。為學(xué)生開設(shè)一些有工程背景的工程性實驗，對實驗技能進行綜合訓(xùn)練，將傳統(tǒng)的測量手段與現(xiàn)代測量手段相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生自覺的接觸實際問題，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。已開設(shè)實驗項目有：“燃氣采暖系統(tǒng)熱效率分析”、“多種溫度測試方法比較”、“空調(diào)制冷系統(tǒng)綜合實驗”、“新型工質(zhì)熱物理性質(zhì)測定實驗”。

2.3 教學(xué)方式的改革

改進和完善了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和相關(guān)教學(xué)資源，充分利用信息技術(shù)，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)資料。將教學(xué)大綱、課程內(nèi)容、教學(xué)課件、習(xí)題等資源上網(wǎng)，建立師生互動區(qū)，隨時了解和反饋教與學(xué)雙方的要求，提高了課程的教學(xué)效果。在教學(xué)手段方面，收集和開發(fā)了課程電子教學(xué)資料，改進和完善已有的多媒體課件。

3.教學(xué)成果

通過一系列的教學(xué)改革，工程熱力學(xué)課程獲得了一系列的教學(xué)成果：（1）學(xué)生上課興趣提高，對工程類題目的掌握有了更高的靈活度。（2）能動專業(yè)學(xué)生在考研中將工程熱力學(xué)當做選考科目且成績優(yōu)秀，考研率逐年增加，例如2017屆能動132班考研率達到了19.23%，創(chuàng)歷史新高。（3）在進行試題設(shè)計及篩選的教學(xué)實踐中，形成了工程熱力學(xué)試題庫，試題庫的應(yīng)用縮短了教師出試卷的時間，保證了考試的客觀性及試卷的覆蓋面。

4.結(jié)論

通過工程熱力學(xué)教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考試方法的改革和探索，教學(xué)效果大為改善，教學(xué)質(zhì)量大大提高，近三年來學(xué)生普遍認為，本課程內(nèi)容符合教學(xué)大綱要求，信息量大，及時反映了國內(nèi)外科技發(fā)展的新動態(tài)，注重基本理論，重點、難點突出，能夠理論聯(lián)系實際，并積極采用了現(xiàn)代化教學(xué)手段，對該課程的教學(xué)改革是成功的。

參考文獻：

[1]中國21世紀議程編制領(lǐng)導(dǎo)小組. 中國21世紀議程——中國21世紀人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社， 1994.

[2]張麗娜， 蔡偉， 鞏學(xué)梅， 等. 《工程熱力學(xué)》課程教學(xué)改革的探索與實踐[J]. 寧波工程學(xué)院學(xué)報， 2010， （2）： 100-102.

[3]沈維道， 童鈞耕. 工程熱力學(xué)[M]. 第五版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[4]姚江， 何曉崐， 方海峰， 等. 節(jié)能減排形勢下工程熱力學(xué)教學(xué)改革的探討[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2017， （3）： 47-49.

[5]何宏舟， 鄒崢， 丁小映. 提高“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量的方法研究[J]. 集美大學(xué)學(xué)報， 2002， （3）： 88-92.

[6]李愛琴. 熵方程在熱力學(xué)第二定律教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 城市學(xué)院學(xué)報， 2010， （1）： 74-76.

[7]李愛琴.參與式教學(xué)法在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的探索與實踐[C]. 2011年教育科學(xué)與管理工程國際學(xué)術(shù)會議論文集， 2011.