面向高等院校新增新能源專業(yè)的工程熱力學(xué)教學(xué)設(shè)計

李瑞 吳玉龍

摘要：工程熱力學(xué)是研究熱能利用及轉(zhuǎn)化的一門工程專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科。對于目前國內(nèi)很多院校新開設(shè)的新能源科學(xué)與工程方向而言，建立適合學(xué)生知識體系特點、符合專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展方向并具有延展性的教學(xué)體系和方法，可以在有效提高教學(xué)效果的同時，也有利于后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)。本文在分析專業(yè)特點及熱力學(xué)教程內(nèi)容特點的基礎(chǔ)上，提出了以教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)為核心、以拓展教材為介質(zhì)、以專業(yè)服務(wù)為目標(biāo)的專業(yè)導(dǎo)向模式的工程熱力學(xué)教學(xué)思路，通過突出專業(yè)實踐，綜合國內(nèi)外典型熱力學(xué)教材優(yōu)勢點，完成了前后知識結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密、側(cè)重點更貼合新能源方向?qū)I(yè)特點的教學(xué)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué);新能源科學(xué)與工程;專業(yè)導(dǎo)向

隨著近年包括生物質(zhì)資源利用的新能源需求的增加，很多高校建立了新能源專業(yè)方向以適應(yīng)科技發(fā)展需要。工程熱力學(xué)是工科專業(yè)一門基礎(chǔ)學(xué)科，主要設(shè)置內(nèi)容包括：熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)過程、過程工質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)變化和系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，具有涉及內(nèi)容多、抽象性強、公式推導(dǎo)復(fù)雜、應(yīng)用難度大等特點[1] [2] [3]。而對于各院所新開設(shè)的新能源科學(xué)與工程方向?qū)儆诜菬崮軐I(yè)，前期相關(guān)課程只有大學(xué)物理和物理化學(xué)，學(xué)生對課程的接受程度受到熱力學(xué)基礎(chǔ)理論匱乏的限制。如何改善教學(xué)效果、提高理論消化程度、實現(xiàn)熱力學(xué)基礎(chǔ)理論為后續(xù)專業(yè)課程服務(wù)，是新專業(yè)熱力學(xué)課程面臨的挑戰(zhàn)。根據(jù)多年教學(xué)探索，本文提出了以教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)為核心、以拓展教材為介質(zhì)、以專業(yè)服務(wù)為目標(biāo)的專業(yè)導(dǎo)向工程熱力學(xué)教學(xué)模式。

一、工程熱力學(xué)課程分析

以普通教育國家十二五規(guī)劃教材《工程熱力學(xué)》為研究課程教材對象[4]，目前被廣泛采用的教材內(nèi)容主要包括：熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)的焓和熵，不同熱力學(xué)過程的公式推導(dǎo)及計算，并列出各部分內(nèi)容與新能源專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的緊密程度，具體如表1所示。

根據(jù)后續(xù)專業(yè)課程及新能源方向培養(yǎng)目標(biāo)要求，課程需要學(xué)生重點掌握新能源中的熱能、化學(xué)能等能量在轉(zhuǎn)化過程中基本原理及熱力學(xué)在工程方面實際應(yīng)用方面的技能，如生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中能量的變化、流程設(shè)計中涉及的能量傳遞及優(yōu)化原則、風(fēng)能水力利用過程中能量轉(zhuǎn)化原理及設(shè)計原則、能源轉(zhuǎn)化過程中典型工質(zhì)的計算，而在專業(yè)性很強燃氣輪機、噴氣（活塞）發(fā)動機、制冷機組、第二定律理論性推導(dǎo)方面，如果按照教程安排進行教授，不但需要消耗大量課時，也很容易造成學(xué)生在原本很復(fù)雜的熱力學(xué)面前，精力分散不清楚重點和脈絡(luò)，進入“聽起來枯燥無味”、“公式不好理解也不好背”始終處于被動受教的角色，只聽老師課前進行的專業(yè)課程聯(lián)系介紹而最終“不確切知道為什么去學(xué)”使得課程的掌握程度和運用大打折扣。

二、專業(yè)導(dǎo)向的教學(xué)模式

按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式，概念的引出、公式的推導(dǎo)到重點的講解，幾乎都是由教師以先進的電化教學(xué)手段和盡可能深入淺出的的方法教授給學(xué)生。對于工程熱力學(xué)課程而言，一方面由于內(nèi)容涉及面廣、理論抽象、研究對象繁多;另一方面，幾乎全國統(tǒng)一大綱式的傳授不但在一定程度上忽視了不同專業(yè)背景的學(xué)生對特定知識的接受程度，更沒有將這一重要的理論基礎(chǔ)課在專業(yè)知識體系中的核心作用發(fā)揮出來，這種忽視差異的課程模式最終造成“課程學(xué)的好很難，學(xué)好了似乎又沒多大用”的尷尬局面。因此，在新能源方向的工程熱力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計中，我們提出了以專業(yè)導(dǎo)向教學(xué)模式為核心，簡化與相關(guān)專業(yè)課程重復(fù)部分并補充專業(yè)重點需求內(nèi)容，按照專業(yè)培養(yǎng)人才目標(biāo)進行課程內(nèi)容的重構(gòu)，使整個教學(xué)流暢明晰、難易適中、專業(yè)服務(wù)性強。

如前所述，設(shè)計思路為以教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)為核心、以拓展教材為介質(zhì)、以專業(yè)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，以下結(jié)合教學(xué)大綱的編寫進行詳述。

1.教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

由表1的從屬關(guān)系可以看出，教材主要內(nèi)容為熱力學(xué)第一定律、第二定律理論推導(dǎo)及具體應(yīng)用，對于非熱能反向的能源領(lǐng)域，熱力學(xué)第一定律、水蒸氣及空氣的幾種典型熱力過程、節(jié)能方法是關(guān)注重點，而對于熱力學(xué)第二定律的理論推導(dǎo)、復(fù)雜熱力學(xué)過程中不可逆性及熵的變化則只需總體掌握即可。因此根據(jù)從屬關(guān)系的加權(quán)值得到表1中專業(yè)相關(guān)度，小于10%的采用簡化講解，做到確保原理清楚，減少理論推導(dǎo)和理論論證的教學(xué)比例;大于12%的增加講解深度，達到熟練掌握原理解決實際問題的程度。

在能源領(lǐng)域的熱力學(xué)應(yīng)用中，具體能量傳遞的技術(shù)及理論、典型的熱工設(shè)備也是必須要掌握的關(guān)鍵點，這部分知識是熱力學(xué)理論學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用之間必不可少的橋梁，目前工程熱力學(xué)教材中普遍缺乏這部分內(nèi)容，因此結(jié)合筆者《熱工學(xué)》[5]的教學(xué)實踐，進行這部分內(nèi)容的補充。

2.教材拓展

根據(jù)上述內(nèi)容重構(gòu)需求，課程采用了以十二五規(guī)劃工程熱力學(xué)教材為基礎(chǔ)，輔以熱工學(xué)教材為補充參考，在傳統(tǒng)熱力學(xué)教學(xué)中，加入了傳熱過程計算（課時比例5%），工業(yè)鍋爐（課時比例8%）。傳熱學(xué)置于課程最后部分作為各個熱力過程中傳熱過程的補充理解，工業(yè)鍋爐部分涉及燃料種類和分析方法、鍋爐汽水循環(huán)原理、鍋爐熱平衡，不但是很好的第一定律應(yīng)用實例，也詳細和闡述燃料相關(guān)知識，對于新能源方向本科生知識體系是一個很好的補充，將其置于水蒸氣熱力過程部分講解。

3.實踐教學(xué)貼合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

新能源涉及范圍比較廣泛，生物質(zhì)能源是一個有很大發(fā)展空間的產(chǎn)業(yè)化方向，其中農(nóng)林廢棄物通過熱解實現(xiàn)高附加值利用就是很好一例，該方法不但可以提升農(nóng)林生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化水平、也可以有效降低環(huán)保壓力，負(fù)荷目前可持續(xù)性產(chǎn)業(yè)構(gòu)架發(fā)展需求，具體過程如圖1所示：

這個過程的熱力學(xué)過程包括：燃料燃燒、不同等級能量的回收利用、能量傳遞、能量轉(zhuǎn)換、自熱鍋爐，都在課程知識體系范圍內(nèi)，因此在本課程后期設(shè)置了生物質(zhì)熱解過程的課題研究和研討，不但融會貫通了課程前面的知識，也增加了課程掌握程度和保留時間，為后續(xù)時段相關(guān)專業(yè)課程鋪墊理論基礎(chǔ)。

三、總結(jié)

教學(xué)模式的革新相對方法改革能從更高層面上滿足提升課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)適合專業(yè)性人才的需求，工程熱力學(xué)是新能源方向很重要的一門學(xué)科，而對于理論性和抽象性較強的熱力學(xué)教學(xué)，從專業(yè)知識背景出發(fā)、以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為考核標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合應(yīng)用有側(cè)重點去教授，可以更有利提高學(xué)生的主動性，引導(dǎo)學(xué)生增強分析、解決新能源領(lǐng)域工程實際問題能力，同時學(xué)生學(xué)習(xí)也更有主動性和目的性。

參考文獻：

[1]閆翻遼，李強，劉聰?shù)?工程熱力學(xué)模塊化教學(xué)探索[J].化工教學(xué)， 2018.7（vol44）： 168-169

[2]申潔，唐海，陳小榆等. 研究型—啟發(fā)式聯(lián)合教學(xué)法的探索與實踐——以工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程為例[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2018.9（vol20）， 76-81

[3]陳慶東，王俊平. 工程熱力學(xué)綜合設(shè)計性實驗項目改革[J]. 物理通報，2018.11：77-79

[4]嚴(yán)家，王永清. 《工程熱力學(xué)》（第三版）[M]， 北京：高等教育出版社 2014.9

[5]陳黟，吳味龍. 熱工學(xué)[M]，北京：高等教育出版社， 2004.1

作者簡介：

第一作者：李瑞（1975.1-），男，籍貫：黑龍江，單位：北京林業(yè)大學(xué)，職稱：副教授，從事化學(xué)工程及生物質(zhì)能源教學(xué)、科研工作。

通訊（責(zé)任）作者：吳玉龍，男，1972年1月生，籍貫四川綿陽，單位：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研究員，博士生導(dǎo)師，從事化學(xué)工藝和新能源技術(shù)等方面的研究工作。