工程熱力學課程的教學方法初探

孫迎春　薛斌　王艷玲

摘 要： 本文就如何增強工程熱力學課程的教學效果，從模塊化教學；理論聯系實際，案例教學；巧妙合理地運用p-v圖、T-s圖；基本理論及定律的內涵滲透四方面展開討論。

關鍵詞： 工程熱力學 教學方法 模塊化教學 案例教學

1.引言

工程熱力學是一門重要的技術基礎課，是數學、物理和專業課的橋梁。它不僅為學生以后學習有關專業課打好基礎，而且是今后能源，特別是熱能在各領域被深入研究、開發、創新的基礎[1]。課程理論性強、內容抽象、公式繁多、實際應用復雜，并且與高等數學、物理等學科聯系緊密，而學時被大量縮減，使得其成為學生公認的“難啃的硬骨頭”。由Y.A.Cengel編著的熱力學教材明確指出“用簡單而準確的方式與明天的工程師開展直接的對話，鼓勵他們的創新思維及培養他們對所學習內容的深刻理解[2]”。為了達到這樣的目標，結合課程的性質、目標，廣大教師一直在努力探索與研究。本文是筆者多年教學中的一些體會總結，供專家、學者批評、指正。

2.模塊化教學

工程熱力學課程教學中遵循“以應用為目的，以必需夠用為度”的原則，注重基礎知識、基本定律、基本技能的學習，提煉實用性教學模塊，模塊與模塊之間既相互區別，又有機聯系在一起。學生對于整個課程的脈絡、主線非常清楚，并且清楚自己在每一階段的學習任務與目標。

2.1基礎理論模塊

2.1.1基本概念：開口系、閉口系、絕熱系、孤立系；平衡態與準平衡態；準靜態過程、可逆過程與不可逆過程；可逆過程的功量、熱量；卡諾循環、概括性卡諾循環；體積功、技術功、推動功、流動功、有用功、軸功、耗功；熱力學能、焓、熵、熵流、熵產；比定壓熱容、比定容熱容；增壓比、壓縮比、預脹比等等。在教學中，教師應深入淺出，用淺顯而又確切的語言、生活實例，幫助學生理解這些基本概念的定義，包括外延、內涵，及其物理意義。

2.1.2基本定律：熱力學第一定律和熱力學第二定律。

基本定律是工程熱力學課程的理論基礎、精髓，貫穿課程始終。教學中須使學生深刻理解熱力學第一定律的實質，“量”守恒；熱力學第二定律實質，能量不但有“量”的多少，而且有“質”的高低。用能的原則應該是不同品質的能量匹配使用，避免高品質能無謂地轉化為低品質能。自古以來，永動機一直有人推崇，要使學生意識到任何試圖制造熱效率y≥100%的機器都是徒勞的，都是違反熱力學第一定律和熱力學第二定律的。

2.1.3轉換內外條件：工質的熱力性質與熱力過程。

研究熱力過程的目的在于揭示過程中工質狀態參數的變化規律，以及能量轉化情況，進而找出影響轉化的主要原因，找到節能途徑。

2.2工程應用模塊

重點介紹壓氣機、動力循環，而制冷循環則作簡要介紹。對這一部分內容的學習，應著重采用討論等方法，引導學生運用所學基礎知識進行分析＼計算，從而加深對課程內容系統地理解、掌握，提高其熱力分析、熱力計算的能力。

3.理論聯系實際，案例教學

熱力學是學生公認的“難啃的硬骨頭”，期末考試及格率不甚理想。但是確切地說，工程熱力學卻是基于我們日常生活、實驗觀測基礎之上的一門學科，并不是很難的課題。講課中，理論聯系實際，利用案例教學，既使學生感到工程熱力學并非遙不可及，取得良好的教學效果，又能培養學生理論聯系實際的習慣。講授可逆過程概念時，以物理學中的單擺在真空中、空氣中為例或以在氣缸的活塞上移走砝碼、沙子為例，闡述可逆過程的特點、實質；區分準靜態過程與可逆過程、不可逆過程；進一步說明沒有耗散效應的準靜態過程才是可逆過程；不可逆過程并不意味著不能向相反方向進行。講授熱力學第二定律時，以航海為例，若輪船沒有燃料時，試圖從大海吸熱，使之轉化為功，實質就是從單一熱源吸熱使之完全轉化為功，即第二類永動機，這也是不可能實現的。

4.巧妙合理地運用p-v圖、T-s圖

p-v圖、T-s圖是進行熱力分析、熱力計算的重要工具，應貫穿工程熱力學課程始終。合理運用p-v圖、T-s圖教學，能準確或定性地描述基本概念、理論及工程現象；巧妙地分析、比較熱力過程、熱力循環；提高學生運用工程圖形語言巧妙、形象、直觀地分析問題、解決問題的能力。以單級活塞式壓氣機為例，應用p-v圖、T-s圖，做耗功分析及熱力性能分析，進而找到省功及節能途徑，既避免了數學上復雜的運算，又提高了學生靈活運用圖形分析工程現象的能力。

5.基本理論及定律的內涵滲透

“在課程的講授中，教師非常注重從基本理論及定律的內涵滲透，原理、定律的本質內涵出發，解決各類實際問題[3]”。這是美國同行極其重視的教學方法，實踐證明是行之有效的。以理想氣體熱力過程膨脹功的求解為例，具體公式有十多個，學生學起來，既難記又容易混淆。若從膨脹功定義式、熱力學第一定律、理想氣體狀態方程這些基本定律、基本公式出發，結合過程特點，就可解決所有問題，并且避免學生遇到問題僅會生搬硬套，遇到復雜問題就無從下手的弊端。

6.結語

工程熱力學課程博大精深，每上一次課就有一次新的體會與收獲，教師應與時俱進，做到“常教常新、常教常精”。這樣使明天的工程師對物理問題及其規律有一個清楚的認識與掌握，從而解決更為復雜的問題。

參考文獻：

[1]童鈞耕.工程熱力學課程教學改革的幾點看法[J].中國電力教育，2002（4）.

[2]Cengel Y A.Heat t ran sf er，A pract ical approach.T hird Edit ion.M cGraw-Hil l，1998.

[3]孫寶芝，宋福元，張鵬.美國熱工課程教學對我國熱工課程教學法改革的啟示[J].教育與職業，2011.5，106-108.