工程热力学教学方法改革的几点意见

2015-03-31沈阳航空航天大学航空航天工程学部毛晓东赵国昌

当代教育实践与教学研究 2015年6期

沈阳航空航天大学航空航天工程学部毛晓东曾文赵国昌

工程热力学，是工程热物理及能源动力类专业非常重要的专业基础课，其教学的主要对象是热能与其它形式能量之间的转换关系，尤其是热能与机械能之间的转换规律及相关工程应用。在专业知识体系中，工程热力学具有十分重要的地位和作用，同是也是后续课程的基础。通过教研室长期积累的教学经验，以及学生课堂学习状况的反馈，普遍认为工程热力学具有概念多且抽象、内容多且分散、公式多且应用条件复杂等特点。如果不能在教学实践环节中解决以上问题，那么学生很难达到很好的学习效果，对知识的理解及掌握也会非常困难。教学方法改革是提高教学质量的有效措施，也是培养优秀人才的必要手段。本文针对工程热力学课程特点和能源动力类专业背景，对课程教学方法改革提出了几点意见。

一、重视基本概念和理论

工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的客观规律，其内容可划分为基础理论与工程应用两大部分。基础理论部分主要包括热力学相关基本概念、热力学基本定律、工质的热力学性质以及基本的热力过程和热力循环，以上各部分内容不是相互独立，而是有机地结合在一起。热力学第一定律和第二定律是贯穿整个课程的精髓和纽带。热力学第一定律是工程热力学的基础，主要揭示不同形式的能量在传递和转化过程中必须遵循的数量守恒关系，从理论上说明了第一类永动机不可能实现的原因。热力学第一定律是引导学生迈入热力学知识体系的前提和基础，大部分热力学基本概念均由此导出。热力学第二定律主要解决热力过程的方向、条件和限度，特别是熵概念的引入，对热力过程的分析具有不可替代的作用。

根据课题组多年的教学经验，以及对期末试卷的分析表明，学生之所以学不好、学不懂工程热力学这门课程，其根本原因在于基本概念和基本理论。学生对于基本概念掌握不牢固，往往认为其不重要、不关键、无所谓。对于基本理论，则理解的不透彻，较片面。遇到实际问题，无法全面准确的利用相关理论知识分析问题。为了解决这一问题，必需在教学环节中，重视基本概念和基本理论的讲授，并且要追根溯源，使学生能够全面、透彻的理解相关知识。只有扎实的掌握了理论基础，才能更好的掌握实际动力机械的工作原理，并能够针对具体工程问题进行准确的分析和计算。因此，在课堂教学过程当中，应特别注重对基本概念和理论的讲解。

1.概念的引入

任何概念的引入，都有其明确的目的性。而概念存在本身，也必然对应具体的物理含义。在授课过程中，必需要对概念的来龙去脉解释清楚，例如，为什么要引出这个概念？概念本身对应什么物理含义或现象？引出这个概念的作用和目的又是什么？又如在讲解热力系统热力学状态的时候，引入了“平衡状态”的概念，平衡状态是描述热力系统的一种物理状态，其根本目的在于能够用一组“确定的”状态参数来表征系统的状态，即对热力系统的具体状态进行量化。如果热力系统处于非平衡状态，不论是外部不平衡，或是内部不平衡，则系统的状态参数都不是固定不变，而是在不断的变化，因此就不能够使用“确定的”参数来描述系统所处的热力学状态。再如“焓”概念的引入，它是表征流动工质所具有能量的状态参数。对于开口系统，焓具有明确的物理含义。但是对于闭口系统而言，焓就仅仅是一个数值，而不代表任何物理特征。工程热力学中大部分概念的定义，都存在其明确的目的和物理含义。因此在教学中注意从目的或物理现象入手，而不是直接拿出概念本身，可以使学生更简单，更透彻的进行理解和掌握。

2.概念间的关系

概念多是工程热力学的特点之一，但是概念之间并不是相互独立的。首先，很多概念间存在着各种类型的联系。如“准静态过程”是“平衡状态”的延续，它解决了热力系统“状态”和“过程”间的矛盾关系，使工质既能够完成热量和机械功之间的转换过程，又确保热力过程中的每一个时间状态都具有确定的状态参数。例如“焓”的概念，它是工质在“热力学能”概念的基础上，附加了另一部分保证工质流动所具有的能量。其次，要注意概念间的区别，防止学生混淆。又如“状态参数”和“过程参数”的概念，很多学生区分不清。状态参数只与工质所处状态相关，而过程参数则取决于具体的热力过程。再如“绝热系统”和“孤立系统”的区别，前者只需没有热量传递，而后者在前者的基础上，还需要一个质量传递为零的附加条件。因此，当教学过程中引入一个新概念的时候，要帮助学生建立新知识和已有知识的联系，从而形成完整的知识体系。

3.公式推导

工程热力学课程中公式多且杂，大部分学生通过死记硬背的方法去拼凑，甚至搞不清楚公式的具体使用条件。此外，很多繁杂难记的公式，例如具体热力过程中功和热量的计算，都是通过一些简单的基础公式推导而来。因此在授课时要注重对这类公式推导的讲解。一方面可以方便学生记忆，另一方面通过追根溯源，也可以加深学生对基本概念和相关热力过程本质的理解，逐渐培养学生根据实际工程问题，建立数学模型并进行推导求解的能力。

二、重视实际案例，开展启发式教学

高等教育心理学的相关研究结果表明，当学生的学习内容与已有的相关知识及生活经验相关时，能够激发学生的学习兴趣和解决实际问题的关注度。

1.从身边现象入手。在教学过程中，应紧密联系生活实例，以生活实例引出具体问题，最终归结到理论概念。例如讲解到气体和蒸汽的性质章节中有关 “水蒸气性质”时，可引出为什么利用高压锅可以使食物更容易煮熟，而高原气象条件下，食物却很难煮熟。又如讲解到湿空气章节中 “湿空气性质”时，可引入结霜、结雾、结露等自然现象，分析三者的联系及区别。在气温很低的冬天，当我们进入温暖的室内时，眼镜上为什么会结雾。讲到“热力学第一定律”时，举例在封闭的室内，打开冰箱门能否降低室内温度。通过将基本概念和理论与熟悉的生活现象联系起来，可以提高学生兴趣，促使学生思考。

2.以工程案例结尾。一方面，工程热力学作为一门工程基础课，其最终目的要求回归工程实践，解决具体的工程问题。因此在授课过程中，必需结合学生的具体专业，引出与理论相关的具体工程问题，培养学生利用所学知识分析、解决具体问题的思路和能力。例如针对飞行器动力工程专业的学生，提出“为什么航空发动机涡轮进口前温度越高越好”这一问题，使学生能够利用气体动力循环相关知识进行分析。以“某型飞机尾喷管设计”作为工程案例，提前使学生了解具体工程设计的流程和计算分析方法。而针对热能与动力工程专业的学生，可以提出“为什么要使用热电合供”，“为什么要使用蒸汽——燃气联合循环”帮助学生理解气体动力循环和蒸汽动力循环的特点，以及能源合理利用的基本思想。在讲完“水蒸气性质”的相关知识后，可布置“水蒸气热力性质查询软件”大作业，使学生在彻底掌握水蒸气相关知识的基础上，培养其利用技术手段，如编程语言解决工程问题的能力。

为了能够引出贴近真实生活经验、具有一定吸引力的相关情景，又或者是结合相关专业的具体情况，提出具有实际意义和价值的具体工程问题，都要求教师要具有更全面、更深刻、更独到的眼光和见解，要了解并掌握学生已经具备的知识基础，并掌握专业发展的最新动态和其中的热点问题。

三、重视实验教学，深化实验教学改革

实验教学，是工程热力学必不可少的教学环节和重要的组成部分，是培养学生实践能力、理论指导实践的重要步骤和方法。出于客观条件的限制，大部分学校开设的工程热力学实验均较少。例如笔者所在学校，只开设了“喷管中气体流动特性实验”以及“二氧化碳临界状态观测”两个实验内容，共计4学时。实验课时占总课时的比重过少，所涉及的内容和相关知识少，远远不能涵盖热力学知识体系的重点内容。就因为实验教学环节不受重视，且存在各种各样的问题，使得大部分毕业生动手能力差、眼高手低，不满足用人单位的用人需求。若想改变此现状，必需改变思想，把实验教学放在与理论教学相同的重视程度上。同时深化实验教学改革，在实验内容、实验形式、实验管理以及课程考核等方面展开相关研究。

1.重视实验教学。中国的应试教育特点，使学生自小便形成了重理论轻实践的思维定式。进入大学后，应从学校、教师、学生三方面对实验教学给予充分的重视。学校方面，应提供充足的专项资金支持，用于购入实验设备、改善实验条件、增加实验项目等；教师方面，应提高对实验教学重要性的认识，适当改进教学逻辑，将实验现象、实验目的、实验验证等内容穿插进整个教学过程当中；学生方面，应从思想教育、成绩考核等方面，迫使学生将更多的学习精力投入到实验环节中去，并且学会利用所学理论指导实践。

2.改进实验形式。根据具体特点，实验项目可划分为验证类实验和综合设计类实验。对于验证性实验，由于试验结果明确，做不做以及如何做对学生掌握知识帮助不大，不利于学生实践能力的培养。因此可改为观摩性实验，只需让学生有视觉上的感性认识即可，由此可节约大量的试验设备成本。

反之，应着力增加综合设计类实验的对应学时和实验项目。只提供学生必备的实验设备，在已知实验目的的前提下，帮助学生自行设计实验方案、完成实验步骤、处理实验结果给出分析结果。比如针对气体的基本热力过程，为了使学生掌握基本热力过程的特点和相关参数的变化规律，提供相关实验设备，让学习自主设计相关实验，对闭口系统定容、定压、定温以及定熵过程进行测量。通过这一类型的实验学习，可以促使学生利用所学习的理论知识，指导实践活动，同时培养了实验技能、掌握了实验方法、并锻炼了实际动手能力，具有非常好的教学效果。

此外，在实验过程中，应合理划分实验团队，并选定组长。通过团队内部讨论，确定小组成员的分工合作情况。通过团队实验形式的不断推进，可以培养学生的团队协作意识，以及团队组长的领导协调能力。

3.完善考核体系。实验成绩作为工程热力学课程总成绩的一部分，所占比重通常较小。以笔者所在学校为例，实验成绩仅占总成绩的5%，直接导致学生不重视，甚至无所谓的情况。因此必需重视实验考核，建立更科学的考核体系。可以参考大学物理实验的作法，即采用独立考核制度对实验部分进行单独考核，只要一项实验内容未做，或整体考核不合格，直接重修。