多元融合的工程热力学课程教学模式研究

[摘要]文章以工程热力学课程教学为实施对象，开展多元融合的教学模式研究与探索，从工程热力学理论与行业需求、教学实践、工程应用、实验验证、科技创新、科研训练等多方面，结合教学改革研究与探索，实现教学方法的多元融合。多元融合的教学模式不仅使学生掌握了工程热力学的基础知识，而且培养了学生解决实际问题的能力与创新能力。

[关键词]多元融合 工程热力学 教学模式 教学改革

[作者简介]宋福元（1967- ），男，山东费县人，哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，副教授，博士，研究方向为传热传质学；张国磊（1976- ），男，吉林农安人，哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，讲师，博士，研究方向为热能动力工程；孙宝芝（1971- ），女，内蒙古宁城人，哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，教授，博士，研究方向为传热传质学。（黑龙江 哈尔滨 150001）

[中图分类号]G642.3 [文献标识码]A [文章编号]1004-3985（2015）07-0089-03

工程热力学课程涉及能源工程、机械工程、航空航天工程、材料工程、化学工程、生物工程等诸多领域，是支撑热能与动力工程、核科学与技术、轮机工程、船舶与海洋工程等专业的基础理论，课程地位十分重要，教学内容具有概念繁多、容易混淆，公式众多、难于记忆，内容抽象、难于理解的特点。学生普遍认为工程热力学知识难于理解，很难学明白，授课教师也认为工程热力学很难讲透。本文从工程热力学与行业需求、教学实践、工程应用、试验验证、科技创新、科研训练等方面进行教学改革研究与探索，实现教学方法的多元融合。

一、工程热力学理论与行业需求相融合，激发学习兴趣

教师在教授知识的同时，应该让学生明白所学知识在今后工作中的作用和价值，学生对所学课程的积极性，不仅与教师的讲授水平有直接关系，而且与学生的学习动机、兴趣等因素有关。在教学过程中，要强调工程热力学作为专业基础知识在能源动力领域的重要地位，通过船舶、电力、航天、化工等传统行业的宣传录像和专家讲座的形式，让学生充分了解我国传统能源动力行业的发展历程、业务范围以及在国民经济中的地位和发展前景。对于哈尔滨工程大学来说，依托哈军工的传统优势和“三海一核”的办学理念，围绕海军装备与船舶工业建设发展的主线，已形成了自己鲜明的特色。我国船舶工业动力领域正处于由引进消化向自主研发的转型时期，国家对动力与能源专业人才需求的紧迫性，决定了能源与动力工程专业具有广阔的发展前景。同时，介绍自然界中原煤、原油、天然气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等一次性能源，在国内外开发与利用以及对国民经济、社会发展、环境保护的重要作用等，结合当今世界节能减排、低碳经济宏观的发展趋势，使学生明白能源与动力行业是传统行业，也是朝阳行业，大有可为。通过理论与行业需求相融合，使学生充分了解工程热力学所服务的行业及行业发展前景，紧紧抓住学生的注意力，引起学生强烈的学习兴趣。

二、工程热力学理论与教学实践相融合，改进教学方法

1.教学注重理解实际意义，实行“提问式教学”。在教学中，注重温度、压力、比容、熵、焓等热力参数以及等温、等熵等热力过程实际物理意义的讲解，交给学生具体热力过程的焓变、熵变等状态量，热量、功等过程量计算公式的推导过程，强化理解式记忆和应用。在教学方式方面，可采用“提问式”教学法，一方面在讲解过程中先提出问题引起学生思考，再由浅入深解决问题。如在讲解热力过程从一个平衡状态变化到另一个平衡状态，中间过程都不是平衡态，不能用具体的状态参数来表示，那么采取什么样的措施或假设才能用具体的参数来描述？这就要引入准静态过程。当一个热力过程平衡状态被破坏时恢复到平衡态所用的时间远远小于破坏平衡所用的时间时，这个过程就叫准静态过程，其所处的状态为准静态，从一个平衡状态到另一个平衡状态的过程，由无限个准静态组成的，中间每一个准静态即是平衡态也是变化，中间状态可以用确切的状态参数来表示。再接着提问，可逆过程与准静态过程是什么关系？可逆过程就是没有耗散效应的准静态过程。耗散效应就是如摩擦生热、有温差传热、理想气体自由膨胀等。另一方面可以提出一些问题让学生回答，如说讲到耗散效应时，举例后可让学生来回答生活中哪些现象属于耗散效应等。通过提问式教学，层层深入，引导学生由已知感知未知，增加参与的机会，有利于提高学生的学习兴趣，帮助消化理解。

2.教学注重有效利用多媒体资源。工程热力学理论及热力过程抽象，难以形象地描述，有效使用多媒体技术对于课程教学非常重要。但课程概念和公式繁多，在进行讲解公式推导时，多媒体课件存在很大的不足，如多媒体课件每一页停留时间太短，尤其是公式推导过程速度过快，缩短了学生对于概念和公式推导的理解、消化时间，印象不深，不能持续强化记忆，很容易使学生感到课程难于理解而逐渐失去了学习的兴趣和动力。这就要求我们在利用现代教育技术进行教学时，要有效、有度地利用多媒体技术，多媒体与板书相结合。

三、工程热力学理论与工程应用相融合，明确研究对象

工程热力学按整体可分为两部分：第一部分是热功转换的基本原理，第二部分是热功转换基本原理在工程的应用。工程热力课程教学的内容主要针对工质在热工设备中能量转换关系。工程热力学教学要教会学生一种方法，即如何将实际热能动力装置工作过程，去掉次要因素和干扰因素，抓住其共同的特点，如有吸热过程、放热过程、压缩过程和膨胀过程，有高温热源、低温热源，对外膨胀做功，工质开式循环，将实际循环抽象为理想循环，即各个过程简化为可逆过程，进行分析，然后考虑实际因素对理想循环修正后应用于实际循环，这是一个从繁到简再到繁的过程，进而解决实际问题。课程工程应用的主要对象是内燃机、燃气轮机、蒸汽动力装置、制冷机等，这些都是热能与机械能相互转化的主要设备，工程热力学理论就是用来研究这些设备热功转换的基本原理、循环过程以及能源利用效率，并在理论指导下优化动力循环，提高能源利用效率。教学中要利用课余时间，运用船舶动力技术实验中心的资源，带领学生到实验室去参观每个实验台，通过讲解使学生初步了解实际设备的工程应用情况。通过实物教学，使学生对工程应用对象进行初步了解，对蒸汽动力、柴油机、燃气轮机等有一个感性认识，真正将应用对象落到实处，为理论学习奠定基础。

四、工程热力学理论与实验验证相融合，夯实理论基础

工程热力学课程研究热功转换的基本概念、基本原理、基本理论与工程实际的密切联系。学生由于刚刚开始学习专业基础课，缺乏相应的工程实践知识，对基本概念理解、实际问题分析存在很大困难。而实验教学是以学生实验设备操作为主要手段的教学活动，锻炼学生实际动手能力，通过实验揭示热工现象，验证热功转换的基本理论，加深对相关基本理论的理解。实验教学是高等学校教学的重要环节，对人才培养过程的作用越来越重要。因此，在原有“空气定压比热的测定”“二氧化碳P-V-T关系测定”“饱和蒸汽P-T关系”“喷管中空气流动特性研究”四个实验的基础上，探索建立与理论课程密切相连、多层次的理论与实验相融合的教学体系，真正做到理论指导实验，实验验证理论，加深基本概念、基本理论理解。

在实际教学中将实验分成两个层次：基础理论验证实验和结合工程应用的综合性实验。基础理论验证实验是用抽象的概念、理论设置验证实验，促进学生对基本概念、基本理论的理解。比如，空气定压比热容测定实验就是利用热力学第一定律来实现的，通过实验可以测定定压情况下空气的定压比热容，同时可以用来验证热力学第一定律，即加热器加入的热量等于空气吸收的热量。该实验又是一个典型的开口系统，可以加深对稳定流动开口系统能量方程的理解。工程应用实验是综合热力学诸多基本理论的综合性实验，充分利用学院科研与教学实验台。对于实际操作有一定难度及风险的实验，可采用虚拟和现实相结合的方式，加深学生对热力学理论应用于工程实际的认识，做到学有所用。在学生参观蒸汽动力实验台、了解蒸汽动力系统组成的基础上，通过虚拟仿真的手段，进行蒸汽动力系统运行、调节等全过程的仿真实验，并结合仿真实验掌握实际过程与工程热力学理论、热力过程的结合点。比如，在锅炉里进行的是水的定压加热过程，在锅筒里是水的定压汽化过程，在汽轮机内部是蒸汽绝热膨胀过程，而蒸汽推动汽轮机是通过喷管的基本原理实现的；改变锅炉出口蒸汽压力，汽轮机输出功率相应增加或减少等，实际现象可验证蒸汽动力系统中蒸汽初参数对整个蒸汽动力循环影响的规律，使学生明确所学的知识怎样体现在工程实际中，如何运用工程热力学理论知识改进动力循环、优化运行参数，提高动力设备能源转换效率。

五、工程热力学理论与科技创新相融合，提升创新能力

工程热力学基础理论立足于热功转换规律，以提高能量转换效率为研究目标，在当今节能减排宏观趋势下，理论研究及技术发展大有可为，面向能源的有效利用是传统的研究领域，也是时下最热门的研究领域。课程教学要以此为契机，借助学院学科发展规划支持，依托船舶动力技术实验中心创新实验平台，在优化热力循环、综合利用、回收低品位能量方面，引导并指导学生积极参加科技创新，将学到的工程热力学理论应用到科技创新中。学生在科技创新过程中，锻炼了实际动手能力，培养了独立思考、综合分析、解决实际问题的能力，进一步加深了对热力学基础理论的理解，理论与创新实践相融合，形成了创新意识，提升了创新能力。科技创新蓬勃发展，学生纷纷加入各种科技创新小组，如大批学生加盟新能源与节能减排创新实验室，近年来在全国节能减排大赛屡获大奖，其中高效节能型一体化船舶污水处理装置获得节能减排大赛特等奖。

六、工程热力学理论与科研训练相融合，培养科研素质

科技创新使本科生整体综合素质和能力都得到提高。本科生科研训练计划是针对本科生中优异学生提出的因材施教计划，科技创新发挥学生想象空间，提升学生创新能力，而科研训练则是规范科学研究方法，立足于培养科研素质。工程热力学课程教学过程中，借助学校大学生科研训练计划平台，结合科研课题衍生出有一定工程应用背景的小课题，创新实战性更强；且多数课题有一定的研究基础，题目难易适中，适合优异学生自身条件，既能使学生得到科研锻炼，也有利于培养学生对于科研工作的兴趣。优异学生在接受科研训练后，能够初步了解科研实施过程及科学研究方法，理顺科研工作的思路，对以后的成才大有裨益。有的科研训练课题甚至成为本科生继续攻读研究生学位的科研方向。

本文从工程热力学理论与行业需求相融合、与教学实践相融合、与应用对象相融合、与实验验证相融合、与科技创新相融合、与科研训练相融合等方面，探讨了践行理论与实践多元融合的教学模式，并在工程热力学教学中取得了一定的教学效果，希望能够对提高工程热力学的课程教学质量有所帮助。

[参考文献]

[1]何雅玲，陶文铨.对我国热工基础课程发展的一些思考[J].中国大学教学，2007（3）.

[2]孙宝芝，宋福元，张鹏.美国热工课程教学对我国热工课程教学法改革的启示[J].教育与职业，2011（5）.

[3]沈维道，童钧耕.工程热力学：第4版[M].北京：高等教育出版社，2007.

[4]张国磊，杨龙滨，李晓明.提高《工程热力学》课程教学质量的方法探讨[J].中国电力教育，2008（11）.

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