多元融合的工程熱力學課程教學模式研究

[摘要]文章以工程熱力學課程教學為實施對象，開展多元融合的教學模式研究與探索，從工程熱力學理論與行業(yè)需求、教學實踐、工程應用、實驗驗證、科技創(chuàng)新、科研訓練等多方面，結(jié)合教學改革研究與探索，實現(xiàn)教學方法的多元融合。多元融合的教學模式不僅使學生掌握了工程熱力學的基礎知識，而且培養(yǎng)了學生解決實際問題的能力與創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]多元融合 工程熱力學 教學模式 教學改革

[作者簡介]宋福元（1967- ），男，山東費縣人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，副教授，博士，研究方向為傳熱傳質(zhì)學；張國磊（1976- ），男，吉林農(nóng)安人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，講師，博士，研究方向為熱能動力工程；孫寶芝（1971- ），女，內(nèi)蒙古寧城人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，教授，博士，研究方向為傳熱傳質(zhì)學。（黑龍江 哈爾濱 150001）

[中圖分類號]G642.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1004-3985（2015）07-0089-03

工程熱力學課程涉及能源工程、機械工程、航空航天工程、材料工程、化學工程、生物工程等諸多領域，是支撐熱能與動力工程、核科學與技術(shù)、輪機工程、船舶與海洋工程等專業(yè)的基礎理論，課程地位十分重要，教學內(nèi)容具有概念繁多、容易混淆，公式眾多、難于記憶，內(nèi)容抽象、難于理解的特點。學生普遍認為工程熱力學知識難于理解，很難學明白，授課教師也認為工程熱力學很難講透。本文從工程熱力學與行業(yè)需求、教學實踐、工程應用、試驗驗證、科技創(chuàng)新、科研訓練等方面進行教學改革研究與探索，實現(xiàn)教學方法的多元融合。

一、工程熱力學理論與行業(yè)需求相融合，激發(fā)學習興趣

教師在教授知識的同時，應該讓學生明白所學知識在今后工作中的作用和價值，學生對所學課程的積極性，不僅與教師的講授水平有直接關(guān)系，而且與學生的學習動機、興趣等因素有關(guān)。在教學過程中，要強調(diào)工程熱力學作為專業(yè)基礎知識在能源動力領域的重要地位，通過船舶、電力、航天、化工等傳統(tǒng)行業(yè)的宣傳錄像和專家講座的形式，讓學生充分了解我國傳統(tǒng)能源動力行業(yè)的發(fā)展歷程、業(yè)務范圍以及在國民經(jīng)濟中的地位和發(fā)展前景。對于哈爾濱工程大學來說，依托哈軍工的傳統(tǒng)優(yōu)勢和“三海一核”的辦學理念，圍繞海軍裝備與船舶工業(yè)建設發(fā)展的主線，已形成了自己鮮明的特色。我國船舶工業(yè)動力領域正處于由引進消化向自主研發(fā)的轉(zhuǎn)型時期，國家對動力與能源專業(yè)人才需求的緊迫性，決定了能源與動力工程專業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。同時，介紹自然界中原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能、太陽能、水力、風力、波浪能、潮汐能、地熱、生物質(zhì)能和海洋溫差能等一次性能源，在國內(nèi)外開發(fā)與利用以及對國民經(jīng)濟、社會發(fā)展、環(huán)境保護的重要作用等，結(jié)合當今世界節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟宏觀的發(fā)展趨勢，使學生明白能源與動力行業(yè)是傳統(tǒng)行業(yè)，也是朝陽行業(yè)，大有可為。通過理論與行業(yè)需求相融合，使學生充分了解工程熱力學所服務的行業(yè)及行業(yè)發(fā)展前景，緊緊抓住學生的注意力，引起學生強烈的學習興趣。

二、工程熱力學理論與教學實踐相融合，改進教學方法

1.教學注重理解實際意義，實行“提問式教學”。在教學中，注重溫度、壓力、比容、熵、焓等熱力參數(shù)以及等溫、等熵等熱力過程實際物理意義的講解，交給學生具體熱力過程的焓變、熵變等狀態(tài)量，熱量、功等過程量計算公式的推導過程，強化理解式記憶和應用。在教學方式方面，可采用“提問式”教學法，一方面在講解過程中先提出問題引起學生思考，再由淺入深解決問題。如在講解熱力過程從一個平衡狀態(tài)變化到另一個平衡狀態(tài)，中間過程都不是平衡態(tài)，不能用具體的狀態(tài)參數(shù)來表示，那么采取什么樣的措施或假設才能用具體的參數(shù)來描述？這就要引入準靜態(tài)過程。當一個熱力過程平衡狀態(tài)被破壞時恢復到平衡態(tài)所用的時間遠遠小于破壞平衡所用的時間時，這個過程就叫準靜態(tài)過程，其所處的狀態(tài)為準靜態(tài)，從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的過程，由無限個準靜態(tài)組成的，中間每一個準靜態(tài)即是平衡態(tài)也是變化，中間狀態(tài)可以用確切的狀態(tài)參數(shù)來表示。再接著提問，可逆過程與準靜態(tài)過程是什么關(guān)系？可逆過程就是沒有耗散效應的準靜態(tài)過程。耗散效應就是如摩擦生熱、有溫差傳熱、理想氣體自由膨脹等。另一方面可以提出一些問題讓學生回答，如說講到耗散效應時，舉例后可讓學生來回答生活中哪些現(xiàn)象屬于耗散效應等。通過提問式教學，層層深入，引導學生由已知感知未知，增加參與的機會，有利于提高學生的學習興趣，幫助消化理解。

2.教學注重有效利用多媒體資源。工程熱力學理論及熱力過程抽象，難以形象地描述，有效使用多媒體技術(shù)對于課程教學非常重要。但課程概念和公式繁多，在進行講解公式推導時，多媒體課件存在很大的不足，如多媒體課件每一頁停留時間太短，尤其是公式推導過程速度過快，縮短了學生對于概念和公式推導的理解、消化時間，印象不深，不能持續(xù)強化記憶，很容易使學生感到課程難于理解而逐漸失去了學習的興趣和動力。這就要求我們在利用現(xiàn)代教育技術(shù)進行教學時，要有效、有度地利用多媒體技術(shù)，多媒體與板書相結(jié)合。

三、工程熱力學理論與工程應用相融合，明確研究對象

工程熱力學按整體可分為兩部分：第一部分是熱功轉(zhuǎn)換的基本原理，第二部分是熱功轉(zhuǎn)換基本原理在工程的應用。工程熱力課程教學的內(nèi)容主要針對工質(zhì)在熱工設備中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。工程熱力學教學要教會學生一種方法，即如何將實際熱能動力裝置工作過程，去掉次要因素和干擾因素，抓住其共同的特點，如有吸熱過程、放熱過程、壓縮過程和膨脹過程，有高溫熱源、低溫熱源，對外膨脹做功，工質(zhì)開式循環(huán)，將實際循環(huán)抽象為理想循環(huán)，即各個過程簡化為可逆過程，進行分析，然后考慮實際因素對理想循環(huán)修正后應用于實際循環(huán)，這是一個從繁到簡再到繁的過程，進而解決實際問題。課程工程應用的主要對象是內(nèi)燃機、燃氣輪機、蒸汽動力裝置、制冷機等，這些都是熱能與機械能相互轉(zhuǎn)化的主要設備，工程熱力學理論就是用來研究這些設備熱功轉(zhuǎn)換的基本原理、循環(huán)過程以及能源利用效率，并在理論指導下優(yōu)化動力循環(huán)，提高能源利用效率。教學中要利用課余時間，運用船舶動力技術(shù)實驗中心的資源，帶領學生到實驗室去參觀每個實驗臺，通過講解使學生初步了解實際設備的工程應用情況。通過實物教學，使學生對工程應用對象進行初步了解，對蒸汽動力、柴油機、燃氣輪機等有一個感性認識，真正將應用對象落到實處，為理論學習奠定基礎。

四、工程熱力學理論與實驗驗證相融合，夯實理論基礎

工程熱力學課程研究熱功轉(zhuǎn)換的基本概念、基本原理、基本理論與工程實際的密切聯(lián)系。學生由于剛剛開始學習專業(yè)基礎課，缺乏相應的工程實踐知識，對基本概念理解、實際問題分析存在很大困難。而實驗教學是以學生實驗設備操作為主要手段的教學活動，鍛煉學生實際動手能力，通過實驗揭示熱工現(xiàn)象，驗證熱功轉(zhuǎn)換的基本理論，加深對相關(guān)基本理論的理解。實驗教學是高等學校教學的重要環(huán)節(jié)，對人才培養(yǎng)過程的作用越來越重要。因此，在原有“空氣定壓比熱的測定”“二氧化碳P-V-T關(guān)系測定”“飽和蒸汽P-T關(guān)系”“噴管中空氣流動特性研究”四個實驗的基礎上，探索建立與理論課程密切相連、多層次的理論與實驗相融合的教學體系，真正做到理論指導實驗，實驗驗證理論，加深基本概念、基本理論理解。

在實際教學中將實驗分成兩個層次：基礎理論驗證實驗和結(jié)合工程應用的綜合性實驗?；A理論驗證實驗是用抽象的概念、理論設置驗證實驗，促進學生對基本概念、基本理論的理解。比如，空氣定壓比熱容測定實驗就是利用熱力學第一定律來實現(xiàn)的，通過實驗可以測定定壓情況下空氣的定壓比熱容，同時可以用來驗證熱力學第一定律，即加熱器加入的熱量等于空氣吸收的熱量。該實驗又是一個典型的開口系統(tǒng)，可以加深對穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量方程的理解。工程應用實驗是綜合熱力學諸多基本理論的綜合性實驗，充分利用學院科研與教學實驗臺。對于實際操作有一定難度及風險的實驗，可采用虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合的方式，加深學生對熱力學理論應用于工程實際的認識，做到學有所用。在學生參觀蒸汽動力實驗臺、了解蒸汽動力系統(tǒng)組成的基礎上，通過虛擬仿真的手段，進行蒸汽動力系統(tǒng)運行、調(diào)節(jié)等全過程的仿真實驗，并結(jié)合仿真實驗掌握實際過程與工程熱力學理論、熱力過程的結(jié)合點。比如，在鍋爐里進行的是水的定壓加熱過程，在鍋筒里是水的定壓汽化過程，在汽輪機內(nèi)部是蒸汽絕熱膨脹過程，而蒸汽推動汽輪機是通過噴管的基本原理實現(xiàn)的；改變鍋爐出口蒸汽壓力，汽輪機輸出功率相應增加或減少等，實際現(xiàn)象可驗證蒸汽動力系統(tǒng)中蒸汽初參數(shù)對整個蒸汽動力循環(huán)影響的規(guī)律，使學生明確所學的知識怎樣體現(xiàn)在工程實際中，如何運用工程熱力學理論知識改進動力循環(huán)、優(yōu)化運行參數(shù)，提高動力設備能源轉(zhuǎn)換效率。

五、工程熱力學理論與科技創(chuàng)新相融合，提升創(chuàng)新能力

工程熱力學基礎理論立足于熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律，以提高能量轉(zhuǎn)換效率為研究目標，在當今節(jié)能減排宏觀趨勢下，理論研究及技術(shù)發(fā)展大有可為，面向能源的有效利用是傳統(tǒng)的研究領域，也是時下最熱門的研究領域。課程教學要以此為契機，借助學院學科發(fā)展規(guī)劃支持，依托船舶動力技術(shù)實驗中心創(chuàng)新實驗平臺，在優(yōu)化熱力循環(huán)、綜合利用、回收低品位能量方面，引導并指導學生積極參加科技創(chuàng)新，將學到的工程熱力學理論應用到科技創(chuàng)新中。學生在科技創(chuàng)新過程中，鍛煉了實際動手能力，培養(yǎng)了獨立思考、綜合分析、解決實際問題的能力，進一步加深了對熱力學基礎理論的理解，理論與創(chuàng)新實踐相融合，形成了創(chuàng)新意識，提升了創(chuàng)新能力?？萍紕?chuàng)新蓬勃發(fā)展，學生紛紛加入各種科技創(chuàng)新小組，如大批學生加盟新能源與節(jié)能減排創(chuàng)新實驗室，近年來在全國節(jié)能減排大賽屢獲大獎，其中高效節(jié)能型一體化船舶污水處理裝置獲得節(jié)能減排大賽特等獎。

六、工程熱力學理論與科研訓練相融合，培養(yǎng)科研素質(zhì)

科技創(chuàng)新使本科生整體綜合素質(zhì)和能力都得到提高。本科生科研訓練計劃是針對本科生中優(yōu)異學生提出的因材施教計劃，科技創(chuàng)新發(fā)揮學生想象空間，提升學生創(chuàng)新能力，而科研訓練則是規(guī)范科學研究方法，立足于培養(yǎng)科研素質(zhì)。工程熱力學課程教學過程中，借助學校大學生科研訓練計劃平臺，結(jié)合科研課題衍生出有一定工程應用背景的小課題，創(chuàng)新實戰(zhàn)性更強；且多數(shù)課題有一定的研究基礎，題目難易適中，適合優(yōu)異學生自身條件，既能使學生得到科研鍛煉，也有利于培養(yǎng)學生對于科研工作的興趣。優(yōu)異學生在接受科研訓練后，能夠初步了解科研實施過程及科學研究方法，理順科研工作的思路，對以后的成才大有裨益。有的科研訓練課題甚至成為本科生繼續(xù)攻讀研究生學位的科研方向。

本文從工程熱力學理論與行業(yè)需求相融合、與教學實踐相融合、與應用對象相融合、與實驗驗證相融合、與科技創(chuàng)新相融合、與科研訓練相融合等方面，探討了踐行理論與實踐多元融合的教學模式，并在工程熱力學教學中取得了一定的教學效果，希望能夠?qū)μ岣吖こ虩崃W的課程教學質(zhì)量有所幫助。

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