李育隆，韓 燦，董苯思

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 北京 102206；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院 北京 102206）

工程熱力學(xué)是北京航空航天大學(xué)航空宇航科學(xué)與技術(shù)和動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，旨在幫助學(xué)生了解掌握熱力學(xué)的普遍原理、各類(lèi)熱機(jī)工作過(guò)程及循環(huán)特性，是后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理等專(zhuān)業(yè)課程的理論基礎(chǔ)。工程熱力學(xué)概念多、公式多，內(nèi)容抽象且難理解，對(duì)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)和思維能力要求較高。歷年來(lái)，教師教授工程熱力學(xué)時(shí)，都將大部分課時(shí)投入概念、公式等理論部分的講解，而缺少與實(shí)際工程問(wèn)題和物理問(wèn)題的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該學(xué)科的工程實(shí)踐缺乏認(rèn)識(shí)[1-3]，在后期實(shí)踐應(yīng)用中無(wú)法運(yùn)用工程熱力學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。因此，工程熱力學(xué)課程教學(xué)改革已刻不容緩。

研究型教學(xué)已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，該方法將教學(xué)和科研實(shí)踐緊密結(jié)合，是課程教學(xué)方式的一項(xiàng)重要改進(jìn)措施。19 世紀(jì)初，洪堡提出了“教學(xué)與科研統(tǒng)一”理念，這一理念在柏林大學(xué)的辦學(xué)中實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了大學(xué)教學(xué)與科研的促進(jìn)和統(tǒng)一[4]。研究型教學(xué)將科學(xué)研究和課堂教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到增強(qiáng)，解決問(wèn)題的能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力得到提高[5-6]。近年來(lái)，研究型教學(xué)也在我國(guó)高等教育中獲得了重視及發(fā)展。2005 年，教育部提出要“積極推進(jìn)研究型教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”[7]。2015年4 月，教育部提出了“強(qiáng)化‘科教融合’辦學(xué)的新形勢(shì)與新任務(wù)”[8]，各高校在新的政策下開(kāi)始尋求新的辦學(xué)模式。

本文在工程熱力學(xué)課程教學(xué)中引入研究型教學(xué)模式，探索教學(xué)實(shí)踐，將教學(xué)、科研與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維能力與工程實(shí)踐能力，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)服務(wù)國(guó)家需求、引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的未來(lái)領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才的目標(biāo)。

1 課程研究型教學(xué)模式實(shí)踐探索方案

1.1 對(duì)現(xiàn)有課程內(nèi)容的優(yōu)化、擴(kuò)充、更新

工程熱力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容概念多、公式多、內(nèi)容抽象，基礎(chǔ)理論占有很大比重，需重新梳理教學(xué)方法、整理教學(xué)邏輯，保證學(xué)生掌握基本理論知識(shí)和技能，建立牢固的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。同時(shí)，加入與實(shí)際工程實(shí)踐以及航空航天相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用的內(nèi)容，使學(xué)生能將理論與工程實(shí)際相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的目的。具體教改措施包括以下兩方面。

1.1.1 梳理教學(xué)方法、整理教學(xué)邏輯

重新梳理教學(xué)方法，注重授課邏輯，方便學(xué)生了解和掌握熱力學(xué)知識(shí)，從由簡(jiǎn)到繁的邏輯順序出發(fā)教授課堂內(nèi)容。如在教授各種功的概念和聯(lián)系時(shí)，因概念眾多且關(guān)系復(fù)雜，學(xué)生理解較為困難，需基于如下流程重新梳理授課邏輯：①通過(guò)簡(jiǎn)單的閉口系能量方程引出容積變化功或膨脹功的概念和物理意義；②從較復(fù)雜的開(kāi)口系能量方程引出推動(dòng)功、流動(dòng)功的概念和物理意義；③從工程實(shí)際問(wèn)題的需要出發(fā)，引出技術(shù)功、軸功的概念和物理意義；④通過(guò)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程下閉口系和開(kāi)口系的等價(jià)性，揭示開(kāi)口系工質(zhì)流動(dòng)中隱藏的控制質(zhì)量的本質(zhì)屬性，從而進(jìn)一步導(dǎo)出閉口系中膨脹功與開(kāi)口系中技術(shù)功的關(guān)系；⑤采用方程的形式描述各種功之間的關(guān)系、各個(gè)功的物理意義以及能量的變化形式。經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，將由淺入深地使學(xué)生掌握各種功的概念和物理意義。

1.1.2 增加工程實(shí)踐及專(zhuān)業(yè)知識(shí)的教學(xué)

目前，工程熱力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容以理論知識(shí)為主，教學(xué)過(guò)程中與工程實(shí)踐的聯(lián)系較為匱乏，亟待在授課內(nèi)容中增加理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)例，增強(qiáng)理論與工程實(shí)踐的聯(lián)系。如在學(xué)習(xí)氣體動(dòng)力循環(huán)基礎(chǔ)理論知識(shí)時(shí)，對(duì)目前使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)、輪船發(fā)動(dòng)機(jī)、火力發(fā)電廠、制冷空調(diào)等的能量循環(huán)利用原理進(jìn)行講解；學(xué)習(xí)能源分類(lèi)的基礎(chǔ)內(nèi)容時(shí)，對(duì)新能源汽車(chē)中應(yīng)用的技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。這些工程實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生討論和思考、培養(yǎng)將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為專(zhuān)業(yè)技術(shù)的能力。

增加專(zhuān)業(yè)相關(guān)及學(xué)科前沿內(nèi)容，在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的應(yīng)用實(shí)例，以及航空電推進(jìn)等前沿技術(shù)中的熱力學(xué)應(yīng)用，向?qū)W生展示本專(zhuān)業(yè)最前沿的科學(xué)技術(shù)與成果，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣及學(xué)習(xí)積極性。

1.2 設(shè)置研究型專(zhuān)題實(shí)踐

在對(duì)授課的主要內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)更好地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，特設(shè)置研究型專(zhuān)題實(shí)踐。熱力循環(huán)分析是工程熱力學(xué)知識(shí)體系集成的能力體現(xiàn)，根據(jù)航空航天專(zhuān)業(yè)對(duì)工程熱力學(xué)的理論需求，選擇燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱實(shí)際循環(huán)作為專(zhuān)題進(jìn)行探究討論，對(duì)循環(huán)熱效率及功率隨循環(huán)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，提出并分析提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的措施。

研究型專(zhuān)題實(shí)踐流程為：①課前，教師介紹專(zhuān)題的背景，引入專(zhuān)題問(wèn)題，布置專(zhuān)題任務(wù)；②學(xué)生通過(guò)獨(dú)立研究、小組合作研究或獨(dú)立研究與集體討論相結(jié)合的方式對(duì)專(zhuān)題問(wèn)題進(jìn)行分析解答；③在學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和解答的過(guò)程中，教師和助教對(duì)學(xué)生的研究情況進(jìn)行全程跟蹤和指導(dǎo)，從而了解學(xué)生專(zhuān)題研究的進(jìn)展與問(wèn)題，以便及時(shí)提供指導(dǎo)和幫助，確保研究型專(zhuān)題實(shí)踐順利進(jìn)行；④學(xué)生完成專(zhuān)題內(nèi)容，將結(jié)果寫(xiě)成報(bào)告或論文，在上課時(shí)進(jìn)行小組匯報(bào)和答辯。

2 研究型專(zhuān)題具體案例

本節(jié)將介紹研究型專(zhuān)題案例的主要內(nèi)容、實(shí)施方法和意義。案例的主要內(nèi)容包括：①不同工質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功隨循環(huán)參數(shù)的變化分析；②采用回?zé)釙r(shí)循環(huán)的熱效率變化分析。

燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣和燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動(dòng)力設(shè)備，根據(jù)循環(huán)過(guò)程中各熱力參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系以及循環(huán)熱效率和循環(huán)凈功的定義，可得到燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率和循環(huán)功隨熱力循環(huán)參數(shù)變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，并做出關(guān)系圖，如圖1 所示。

圖1 不同增溫比下循環(huán)熱效率隨循環(huán)增壓比的變化

學(xué)生進(jìn)行該部分專(zhuān)題案例研究的過(guò)程為：①編程得到燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率和循環(huán)功隨熱力循環(huán)參數(shù)變化的情況；②分析當(dāng)循環(huán)增壓比一定時(shí)，循環(huán)增溫比對(duì)循環(huán)熱效率及循環(huán)功的影響規(guī)律，探究循環(huán)最高溫度的選取標(biāo)準(zhǔn)和選取范圍，并結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行討論分析；③分析當(dāng)循環(huán)增溫比一定時(shí)，循環(huán)增壓比對(duì)循環(huán)熱效率和循環(huán)功的影響，探究循環(huán)增壓比極值規(guī)律及其極值與循環(huán)增溫比的關(guān)系，并調(diào)研實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的循環(huán)增壓比范圍；④研究壓氣機(jī)的絕熱效率對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的影響規(guī)律，調(diào)研實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)絕熱效率大致范圍及提高措施。

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)裝置所使用的工質(zhì)不同時(shí)，其絕熱比也隨之變化。專(zhuān)題將在已有熱力循環(huán)分析的基礎(chǔ)上探究不同工質(zhì)絕熱比對(duì)循環(huán)熱效率和循環(huán)功的影響規(guī)律，學(xué)生進(jìn)行該部分內(nèi)容研究的具體過(guò)程為：做出燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率和循環(huán)功隨不同工質(zhì)絕熱比的變化關(guān)系圖，分析不同工質(zhì)做功時(shí)，循環(huán)熱效率和循環(huán)功的變化情況，得到相應(yīng)的變化規(guī)律，并針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的工質(zhì)進(jìn)行具體分析。

以上從熱力循環(huán)分析角度研究了定壓加熱實(shí)際循環(huán)的熱效率以及循環(huán)功的影響因素，探究了提高循環(huán)熱效率及循環(huán)功的方法。除改變循環(huán)特性參數(shù)、改變循環(huán)工質(zhì)的方法外，還可以從改進(jìn)循環(huán)著手，例如采用回?zé)岬姆绞教岣哐h(huán)熱效率。圖2 為采用回?zé)岷笙到y(tǒng)循環(huán)熱效率隨回?zé)岫茸兓年P(guān)系圖。

圖2 增加回?zé)岽胧┑娜細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率

學(xué)生進(jìn)行該部分內(nèi)容研究的具體過(guò)程為：①做出采用回?zé)岽胧┖笙到y(tǒng)熱效率隨回?zé)岫茸兓年P(guān)系圖，分析熱效率變化的規(guī)律；②調(diào)研分析回?zé)崞餮b置的尺寸、重量、費(fèi)用等與回?zé)岫鹊年P(guān)系，對(duì)兼顧高循環(huán)熱效率及低附加尺寸、附加重量的回?zé)嵫h(huán)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探究；③調(diào)研使用回?zé)嵫b置的典型系統(tǒng)，并探究討論其系統(tǒng)中合適的回?zé)岫燃笆褂没責(zé)崞骱鬅嵝实脑龃笾担虎苷{(diào)研航空發(fā)動(dòng)機(jī)提高裝置系統(tǒng)循環(huán)熱效率的其他可行方法，對(duì)典型方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。

待學(xué)生完成上述所有分析后，調(diào)研總結(jié)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及微型燃?xì)廨啓C(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等燃機(jī)實(shí)際循環(huán)性能參數(shù)。根據(jù)上述專(zhuān)題的學(xué)習(xí)和探索，分析各參數(shù)的變化規(guī)律和原因，探究進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率、挖掘能源利用潛力的方法。

本研究型專(zhuān)題通過(guò)建立循環(huán)熱效率和循環(huán)功的數(shù)學(xué)模型，可加深學(xué)生對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)的理解。通過(guò)編程的方法得到循環(huán)熱效率和循環(huán)功的變化關(guān)系圖，可鍛煉學(xué)生的理論推導(dǎo)能力、編程能力以及圖形表達(dá)能力。學(xué)生對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，同時(shí)聯(lián)系專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)以及熱效率提高方法進(jìn)行調(diào)研探討，可提高科技寫(xiě)作能力、文獻(xiàn)查閱能力以及自主思考能力，更加凸顯專(zhuān)業(yè)和學(xué)科結(jié)合的特色。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用研究型教學(xué)的模式對(duì)工程熱力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行改革，主要包括對(duì)現(xiàn)有課程內(nèi)容的優(yōu)化擴(kuò)充更新以及設(shè)置研究型專(zhuān)題實(shí)踐兩方面的內(nèi)容。本文的教學(xué)探索有助于培養(yǎng)“強(qiáng)情懷、強(qiáng)基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、強(qiáng)融通”的“四強(qiáng)”人才，為工程熱力學(xué)課程教育的科學(xué)化、現(xiàn)代化和高效化改革實(shí)踐積累了經(jīng)驗(yàn)。