張芳芳 ， 金聽祥 ， 許培援 ， 陳 剛 ， 李國培 ， 張雷剛 ， 張百強(qiáng)

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 ， 河南 鄭州 450001)

工程熱力學(xué)是理論與實(shí)際結(jié)合度較高的一門課程，在國家“碳中和”政策背景下，亟需培養(yǎng)學(xué)生將書本上的理論知識轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。

為提高學(xué)生的綜合能力，本文從夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識，強(qiáng)化應(yīng)用和邏輯思維，課程思政及教學(xué)方法幾方面進(jìn)行了探討。圍繞熱力循環(huán)，將熱力學(xué)基本定律、熱力性質(zhì)、熱力過程、氣體及蒸汽流動、火用分析等問題連成一條線進(jìn)行講解。教學(xué)方法方面提出采用工程案例或復(fù)雜工程問題貫穿整個教學(xué)過程，在知識講授的過程培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

1 夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識

工程熱力學(xué)課程的內(nèi)容雖然較多，但卻是相互貫通，并相互融合在一起的。其主要內(nèi)容是以熱力循環(huán)為中心，圍繞構(gòu)成熱力循環(huán)的要素進(jìn)行講解[1-2]。首先，介紹熱力轉(zhuǎn)換過程中需要遵循的基本原則，即熱力學(xué)第一定律及熱力學(xué)第二定律等定律；其次，講解了熱力循環(huán)的構(gòu)成要素之一工質(zhì)(氣體或蒸汽)的熱力性質(zhì)，之后講解了工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)變化所經(jīng)歷的熱力過程。如定溫、定壓、定容、定熵及多變熱力過程。此外，鑒于能量轉(zhuǎn)換會發(fā)生在一些形狀特殊的管道，如噴管、擴(kuò)壓管、節(jié)流閥等，因此介紹了氣體和蒸汽的流動，之后對熱力循環(huán)系統(tǒng)如朗肯循環(huán)、制冷、熱泵等系統(tǒng)進(jìn)行講解。

基于此，在本門課的授課過程中，需要強(qiáng)化所有章節(jié)之間的相互關(guān)聯(lián)，緊緊圍繞學(xué)生，讓學(xué)生明白理論知識的重要性，明晰為什么學(xué)，學(xué)什么，用在什么地方等問題，而不是教師本人清楚。當(dāng)學(xué)生明白了為什么學(xué)之后，其腦子里的知識不再是雜亂無章，零碎知識，而是井井有條。此外，對基礎(chǔ)理論知識的講解不是要讓學(xué)生記住所有的計(jì)算公式、概念等；而是需要將最基本的概念講清楚，比如熱力學(xué)第一定律，應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生對最基本的表達(dá)式“進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的增量”的理解。如果學(xué)生了解了封閉系統(tǒng)的概念、開口系統(tǒng)及穩(wěn)定流動的概念，那么三個過程的能量方程公式不用背就可以推導(dǎo)出來。例如卡諾循環(huán)熱效率的基本表達(dá)式為收益與代價的比值，因此對于動力循環(huán)及逆向卡諾循環(huán)來說，使學(xué)生明白每個過程的收益是什么，代價是什么，而不是記憶一些符號和字母。此外，知識的離散化會加重學(xué)生對內(nèi)容的疑惑、不理解及厭惡感；相反，應(yīng)是將知識融會貫通，每次上課，都應(yīng)將上節(jié)課所學(xué)理論知識找到一條線進(jìn)行串聯(lián)，僅僅圍繞主線進(jìn)行理解，從而讓學(xué)生不迷惑，清晰自己所獲取的知識。

2 強(qiáng)化應(yīng)用及邏輯思維

工程熱力學(xué)的知識與日常生活及工程實(shí)踐緊密相關(guān)，但是內(nèi)容相對抽象，比較難理解，因此在工程熱力學(xué)課程的講授過程中，要將抽象的問題與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合來講。如2018年，中國全年發(fā)電量71 118億kW·h，生產(chǎn)了全球超過1/4的電量，平均每2 s產(chǎn)生的電力就足以滿足一個中國人(76歲)一輩子的用電需求。中國是一個實(shí)現(xiàn)電力奇跡的國家，233個國家和地區(qū)，是第一個也是唯一一個全民通電的國家。那么目前的發(fā)電方式有哪些，發(fā)電的原理是什么，能量是如何轉(zhuǎn)換的，效率又有多高，如何提高效率，為什么要提高效率，如何減少能源損失，如何余熱利用等，對這些實(shí)際問題進(jìn)行了講解。使學(xué)生能夠明晰所學(xué)知識，開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及民族自豪感。另外，遼寧號航空母艦的動力系統(tǒng)采用什么樣的動力循環(huán)系統(tǒng)，燃料是什么，效率如何計(jì)算等問題可以作為案例，強(qiáng)化知識的應(yīng)用。此外，采用引導(dǎo)式的方法更有利于學(xué)生對問題的理解，例如講到水的定壓氣化過程。由于水的加熱現(xiàn)象司空見慣，因此，拋出水在加熱過程中發(fā)生的變化這個問題，讓學(xué)生自己思考并說明一點(diǎn)兩線三區(qū)五態(tài)，概念并不難理解；但是為什么學(xué)，有什么用，需要結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解。首先引入離心泵的汽蝕問題，分析汽蝕的原因，而這原因正是由于運(yùn)用了飽和液體的飽和壓力與飽和溫度一一對應(yīng)的性質(zhì)；此外，汽輪機(jī)的發(fā)電過程中，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽為過熱蒸汽，原因就是運(yùn)用了過熱蒸汽顯熱。結(jié)合目前火力發(fā)電的蒸汽參數(shù)的選取及其原因進(jìn)行分析，蒸汽在輸送過程中往往采用過熱蒸汽，從而大幅減輕管道振動、支架脫落及管道破裂等現(xiàn)象[3]。此外，在講解過程中，需要結(jié)合汽液兩相區(qū)吸熱時狀態(tài)參數(shù)變化的特點(diǎn)，對帶有相變的換熱器，如常見的蒸發(fā)器及冷凝器等的設(shè)計(jì)計(jì)算對學(xué)生進(jìn)行提問、討論并解答，加深學(xué)生對這部分知識的理解，強(qiáng)化對這部分知識的應(yīng)用，讓學(xué)生深刻感受到所學(xué)知識在如今社會中的用武之地，明晰只有靈活運(yùn)用書本的理論知識，才能將知識變成生產(chǎn)力。

3 教學(xué)方法

學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不僅需要明晰的教學(xué)思路，也需要合適的教學(xué)方法。通過引入工程案例或復(fù)雜工程問題教學(xué)，將理論知識融入工程實(shí)踐中，打造新形式下個性化、多樣化的課程教學(xué)模式，提高學(xué)生的工程實(shí)踐及創(chuàng)新精神，具有重要的意義。如分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System, DES)是一種建立在“能源的梯級利用”的基礎(chǔ)上，直接面向用戶并按用戶需求將發(fā)電、制冷和供熱一體化的多聯(lián)供系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)復(fù)雜，涉及燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)、吸收式熱泵等諸多設(shè)備。運(yùn)行過程涉及燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)、低品位熱能利用等諸多熱力過程。與工程熱力學(xué)課程的核心內(nèi)容，涉及制冷、熱泵、熱力等循環(huán)及汽輪機(jī)等設(shè)備，提出評價熱力系統(tǒng)的熱力性能指標(biāo)等內(nèi)容緊密相關(guān)。因此，在課程講解過程中逐步解決分布式能源系統(tǒng)中的復(fù)雜工程問題，可進(jìn)一步提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。工程案例及復(fù)雜工程問題的選取應(yīng)當(dāng)盡量能夠涵蓋工程熱力學(xué)的主干知識，即通過一個案例或工程問題將工程熱力學(xué)的知識串聯(lián)貫通。在講解理論知識的過程中，隨時解決復(fù)雜工程問題，在課程結(jié)束時，使學(xué)生能夠?qū)㈤_課時提出的工程問題克服。此外，在此過程中通過給學(xué)生布置相應(yīng)作業(yè)，如查閱文獻(xiàn)，提供復(fù)雜問題解決方案與思路、課堂討論匯報(bào)等方式，學(xué)生的文獻(xiàn)查找與閱讀能力、溝通交流能力、邏輯思維能力等也將隨之提升，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

4 結(jié)論

工程熱力學(xué)課程作為一門應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)性課程，更應(yīng)該強(qiáng)化對內(nèi)容的理解和應(yīng)用，對知識進(jìn)行梳理，明晰教學(xué)思路；采取合適的教學(xué)方法，讓學(xué)生知其然，知其所以然，進(jìn)而學(xué)以致用，提高實(shí)踐與創(chuàng)新能力。