柏立戰(zhàn) 龐麗萍
[摘 要] “高等工程熱力學(xué)”是工程熱物理及熱能工程專(zhuān)業(yè)研究生的必修課之一。在航空航天類(lèi)院校開(kāi)展“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué),對(duì)高等工程熱力學(xué)基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)講授的同時(shí),需要緊密結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)其學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性。通過(guò)對(duì)“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析,指出了目前存在的“重知識(shí),輕能力”的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,從教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐方面給出了結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革實(shí)施方案,并對(duì)某教學(xué)實(shí)例進(jìn)行細(xì)致分析,切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞] 高等工程熱力學(xué);航空航天;發(fā)展前沿;課程教學(xué)
[基金項(xiàng)目] 2020年度北京航空航天大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目“高等工程熱力學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目”(20200505)
[作者簡(jiǎn)介] 柏立戰(zhàn)(1983—),男,河北玉田人,工學(xué)博士,北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院副教授,主要從事航空航天熱管理、環(huán)路熱管兩相傳熱技術(shù)研究;龐麗萍(1973—),女,黑龍江海林人,工學(xué)博士,北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院教授(通信作者),主要從事飛行器熱管理與載人運(yùn)載器人機(jī)功能智能分配研究。
[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324(2023)22-0120-04[收稿日期] 2022-05-13
高等工程熱力學(xué)是一門(mén)具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性和多學(xué)科交叉性的科學(xué),它以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ),主要研究能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律,特別是熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律,對(duì)熱力過(guò)程的完善度進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)與分析,對(duì)節(jié)約能源和合理用能具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)高等工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí),對(duì)具體工程實(shí)例進(jìn)行理論分析,學(xué)生能夠更加深入地理解高等工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)思想、知識(shí)體系和應(yīng)用領(lǐng)域,并能增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際和知識(shí)運(yùn)用的能力,對(duì)于提高學(xué)生的理論水平和解決實(shí)際問(wèn)題的能力具有積極意義。
基于學(xué)以致用的理念,北京航空航天大學(xué)作為航空航天領(lǐng)域的普通高等學(xué)校,所講授的“高等工程熱力學(xué)”內(nèi)容應(yīng)主要服務(wù)于航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。其中,飛行器能量與熱管理系統(tǒng)始終是高等工程熱力學(xué)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。隨著世界范圍內(nèi)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,航空航天飛行任務(wù)的復(fù)雜性決定了飛行器所面臨的內(nèi)外部熱環(huán)境極其復(fù)雜。此外,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和對(duì)飛行器性能要求的不斷提高,大量先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器,尤其是大功率電子裝備以及定向能武器的搭載,使得飛行器內(nèi)部熱載荷劇烈增加,呈現(xiàn)熱流密度高、瞬間發(fā)熱功率大、發(fā)熱功率動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。特別是對(duì)于近年來(lái)世界航空航天大國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高超聲速飛行器,包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和航天飛機(jī)等,作為搶占空中和空間戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)的利器,成為目前航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿。對(duì)于這類(lèi)飛行器,由于飛行馬赫數(shù)達(dá)5以上,將產(chǎn)生很強(qiáng)的氣動(dòng)熱效應(yīng),熱障始終是亟待解決的核心問(wèn)題,對(duì)熱管理提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),成為高超音速飛行器發(fā)展必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。
一、課程現(xiàn)狀分析
(一)“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀
“高等工程熱力學(xué)”課程內(nèi)容涉及熱力學(xué)的基本概念和基礎(chǔ)理論,包括熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、平衡狀態(tài)、熱力過(guò)程、熱力循環(huán)、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熵和熵產(chǎn)、?和?損等基本概念。同時(shí)還介紹流體工質(zhì)的熱力性質(zhì),包括熱力學(xué)函數(shù)的一般關(guān)系式、實(shí)際氣體狀態(tài)方程、工質(zhì)熱力性質(zhì)的計(jì)算等。除了純工質(zhì)外,還包括多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)基礎(chǔ),包括多組分單相混合物系統(tǒng)、多組分系統(tǒng)的相平衡等內(nèi)容。此外,還包括化學(xué)反應(yīng)和燃燒的熱力學(xué)、熱力循環(huán)、不可逆熱力學(xué)等內(nèi)容?!案叩裙こ虩崃W(xué)”內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng),部分內(nèi)容比較抽象,理解難度大。由于大部分內(nèi)容只是純理論講授,教師通常無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。
目前在“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐中,主要存在的問(wèn)題是缺乏有效培養(yǎng)研究生工程實(shí)踐能力的教學(xué)模式和考核機(jī)制[3]。首先,“高等工程熱力學(xué)”教材內(nèi)容主要偏重于基礎(chǔ)理論,關(guān)于前沿科研成果和最新技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容很少。同時(shí),傳統(tǒng)教學(xué)模式過(guò)于強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的灌輸,忽視了對(duì)學(xué)生科學(xué)視野和工程能力的培養(yǎng)。在這種教學(xué)模式下,學(xué)生對(duì)熱力學(xué)的概念和理論的認(rèn)知多數(shù)停留在背概念、解方程和做習(xí)題上,很難有效建立起書(shū)本知識(shí)與實(shí)際工程問(wèn)題之間的聯(lián)系,學(xué)生的科學(xué)視野和創(chuàng)新思維也受到限制。其次,課程的考核方式和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單一?,F(xiàn)階段高校專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程考核通常采用閉卷筆試的形式,以期末考試成績(jī)作為評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)的主要標(biāo)準(zhǔn)。這種“重知識(shí),輕能力”的考核方式只能考查學(xué)生的知識(shí)記憶和解題技巧,無(wú)法評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[4]。為了應(yīng)對(duì)最終的考試,經(jīng)常出現(xiàn)部分學(xué)生圍繞所謂的考試重點(diǎn)“臨時(shí)抱佛腳”、死記硬背、做題刷分等不良現(xiàn)象。這些學(xué)生即使在考試中取得了不錯(cuò)的分?jǐn)?shù),對(duì)知識(shí)的理解仍然比較膚淺,僅僅停留于紙上談兵,依然不具備靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決航空航天實(shí)際工程問(wèn)題的能力。這些問(wèn)題極有可能對(duì)研究生的培養(yǎng)和未來(lái)的職業(yè)發(fā)展造成不利影響。
(二)結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿展現(xiàn)“高等工程熱力學(xué)”教學(xué)的重要性
航空航天作為戰(zhàn)略高科技產(chǎn)業(yè),一直以來(lái)受到世界各國(guó)的高度重視。在人類(lèi)一次次突破航空器、航天器的極限性能時(shí),通常面臨節(jié)約能源、提高能源綜合利用率及高效熱管理等熱力學(xué)相關(guān)問(wèn)題[5-6]。北京航空航天大學(xué)作為航空航天領(lǐng)域的普通高等學(xué)校,開(kāi)展“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)創(chuàng)新解決航空航天前沿技術(shù)問(wèn)題為任務(wù),將課程內(nèi)容與航空航天技術(shù)發(fā)展前沿緊密結(jié)合,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性,有利于教學(xué)質(zhì)量的提升及教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。
二、教學(xué)方法
(一)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注航空航天領(lǐng)域高等工程熱力學(xué)原理
在傳統(tǒng)的“高等工程熱力學(xué)”課程中引入航空航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)和前沿成果,著重講授高等工程熱力學(xué)理論在航空航天領(lǐng)域中的具體應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)航空航天技術(shù)發(fā)展前沿與課程內(nèi)容的結(jié)合。在“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)的全過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注航空航天領(lǐng)域中的高等工程熱力學(xué)原理,讓學(xué)生意識(shí)到無(wú)論是提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、提高能源利用率、實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)環(huán)境控制還是減少代償損失等航空航天領(lǐng)域各方面的問(wèn)題,都離不開(kāi)高等工程熱力學(xué)理論的指導(dǎo)[7-8]。這將有助于使學(xué)生認(rèn)識(shí)到本課程在航空航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性。
(二)結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程培養(yǎng)方案
開(kāi)展結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué),必須建立相應(yīng)的課程培養(yǎng)方案。因此,要結(jié)合“高等工程熱力學(xué)”課程的特點(diǎn)和這一課程在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例,建立結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)理論體系,包括課程教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)實(shí)踐操作準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)在課程教學(xué)中重點(diǎn)講解航空航天領(lǐng)域具體的應(yīng)用實(shí)例,進(jìn)一步增強(qiáng)課程的工程實(shí)用性,突出課程的航空航天特色。
三、教學(xué)實(shí)踐
結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué),以航空航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)為切入點(diǎn),以本課程理論知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用為突破口,有針對(duì)性地調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容。圍繞“高等工程熱力學(xué)”的課程理念,貫穿講授相關(guān)理論在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。建立結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的課程培養(yǎng)方案,并通過(guò)更多信息渠道幫助學(xué)生獲取航空航天技術(shù)發(fā)展的最新成果。表1列出了部分研討專(zhuān)題,可作為課程教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)從理論到實(shí)踐的全方位改變,形成結(jié)合航空航天技術(shù)發(fā)展前沿的從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用技術(shù)的“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)體系。
在具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程中,將全班學(xué)生分成6~8個(gè)學(xué)習(xí)小組,每個(gè)小組指定一名理論基礎(chǔ)較好的學(xué)生作為組長(zhǎng),負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)全組的調(diào)研與展示匯報(bào)工作。要求每個(gè)小組選定表1中的一個(gè)專(zhuān)題作為研究?jī)?nèi)容,查找相關(guān)資料,并進(jìn)行總結(jié)分析,結(jié)合高等工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論對(duì)全班學(xué)生進(jìn)行介紹和匯報(bào)交流。針對(duì)表1中的專(zhuān)題內(nèi)容,學(xué)生不僅要了解和掌握當(dāng)前具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì),更要懂得為什么這樣設(shè)計(jì),即要深刻領(lǐng)悟設(shè)計(jì)中所蘊(yùn)含的高等工程熱力學(xué)原理。下面以F-35戰(zhàn)斗機(jī)綜合動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)為例,開(kāi)展關(guān)于F-35戰(zhàn)斗機(jī)綜合動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)的文獻(xiàn)調(diào)研與專(zhuān)題討論,將查閱內(nèi)容制作成精簡(jiǎn)的PPT在課堂上展示和交流。
F-35戰(zhàn)斗機(jī)是一款由美國(guó)洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)及研制生產(chǎn)的單座單發(fā)三軍通用多用途戰(zhàn)斗機(jī),是美國(guó)及其同盟國(guó)最主要的第五代戰(zhàn)斗機(jī)之一。F-35戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PTMS)是霍尼韋爾在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)/綜合子系統(tǒng)技術(shù)項(xiàng)目中研制的先進(jìn)系統(tǒng)。PTMS經(jīng)歷了從概念提出、演示驗(yàn)證到型號(hào)應(yīng)用的發(fā)展歷程,它將輔助動(dòng)力裝置、應(yīng)急動(dòng)力裝置、環(huán)境控制系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的功能集成為一個(gè)系統(tǒng),同一渦輪機(jī)既可以提供動(dòng)力,又可以提供冷卻。PTMS可以在減小體積、重量、成本的同時(shí)增加可靠性和能量利用率。美國(guó)空軍繼而提出了未來(lái)改進(jìn)型PTMS,即自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng),可以進(jìn)一步提高飛機(jī)能量綜合利用率和總體效能。
學(xué)習(xí)小組對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行充分的文獻(xiàn)調(diào)研、總結(jié)歸納分析并制作PPT展示交流,與老師和同學(xué)展開(kāi)討論。通過(guò)深入的研討交流,結(jié)合高等工程熱力學(xué)講授的基本理論,學(xué)生深刻理解了PTMS的先進(jìn)性在于它將渦輪冷卻器、壓氣機(jī)、起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和動(dòng)力渦輪機(jī)安裝在同一轉(zhuǎn)軸上,組成渦輪機(jī)組,實(shí)現(xiàn)了從渦輪冷卻器中引出冷空氣,用于環(huán)境控制和發(fā)熱設(shè)備冷卻。熱空氣送入壓氣機(jī)中壓縮,然后通過(guò)熱交換器與風(fēng)扇排風(fēng)和沖壓空氣進(jìn)行熱交換,將熱量排散。
在深入了解PTMS的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)小組繼而對(duì)更加先進(jìn)的自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析和講解。自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)為采用混合制冷、混合熱沉、混合動(dòng)力。將空氣循環(huán)和蒸汽循環(huán)制冷相結(jié)合,根據(jù)不同的冷卻需求選用相應(yīng)的制冷方式,提高系統(tǒng)工作效率;采用多種熱沉,根據(jù)不同飛行狀態(tài)和飛行任務(wù),選擇最合適的熱沉;利用閑置電功率作為補(bǔ)充動(dòng)力源使用,減少燃油的消耗。
上述做法和實(shí)踐提高了學(xué)生科技文獻(xiàn)檢索和總結(jié)歸納分析能力,對(duì)高等工程熱力學(xué)的基本思想、基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)在航空航天技術(shù)發(fā)展前沿領(lǐng)域中的應(yīng)用有了更加深刻的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。同時(shí),以上做法明顯提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性,增強(qiáng)了學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性,有效推動(dòng)了研究生教育教學(xué)質(zhì)量的整體提升。
結(jié)語(yǔ)
航空航天技術(shù)是國(guó)家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),代表著國(guó)家的綜合實(shí)力和科技水平,在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有特殊重要地位。航空航天技術(shù)也是當(dāng)今世界發(fā)展最為迅猛的科學(xué)技術(shù)之一,是大國(guó)在科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)角逐的重點(diǎn)領(lǐng)域。航空航天類(lèi)院校在“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)中,在使學(xué)生掌握課程基本思想、基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí),應(yīng)多介紹該課程在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景,能夠增加學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備,完善學(xué)生的知識(shí)體系并提高其就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在“高等工程熱力學(xué)”課程教學(xué)的全過(guò)程,合理融入本課程專(zhuān)業(yè)知識(shí)在航空航天技術(shù)發(fā)展前沿領(lǐng)域的應(yīng)用情況,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注航空航天領(lǐng)域中的高等工程熱力學(xué)原理,并建立結(jié)合航空航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展前沿的“高等工程熱力學(xué)”課程培養(yǎng)方案。這樣有助于使學(xué)生認(rèn)識(shí)到本課程在航空航天領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力和主動(dòng)性。以上做法對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和知識(shí)運(yùn)用能力的培養(yǎng)具有重要作用,能夠促進(jìn)研究生教育教學(xué)質(zhì)量的整體提升。
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Teaching Method Exploration of Advanced Engineering Thermodynamics Combined with Cutting-edge Technology Development in Aeronautics and Astronautics
BAI Li-zhan, PANG Li-ping
(School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)
Abstract: Advanced engineering thermodynamics is one of the compulsory courses for postgraduates majoring in Engineering Thermophysics and Thermal Engineering. During the teaching of advanced engineering thermodynamics in colleges related to aeronautics and astronautics, besides the systematical teaching of the basic theory and professional knowledge of advanced engineering thermodynamics, it is required to combine the cutting-edge technology progress in aeronautics and astronautics to cultivate the students learning interest and enhance their learning motivation. In the current teaching practice, the existing problem of “emphasizing knowledge and neglecting ability” is pointed out. To address this issue, this paper presents the implementation scheme of advanced engineering thermodynamics teaching combined with the cutting-edge technology progress in aeronautics and astronautics from the aspects of curriculum status analysis, teaching methods and teaching practice. In addition, a detailed analysis of a teaching example is conducted to improve the teaching effect.
Key words: advanced engineering thermodynamics; aeronautics and astronautics; cutting-edge technology; course teaching