“熱能系統分析與優化”課程建設及教學改革研究

2013-12-31 00:00:00張艾萍張炳姜鐵鎦

中國電力教育 2013年22期

摘要：課程建設和教學改革在提高人才培養質量方面起著非常重要的作用。通過對“熱能系統分析與優化”課程設置的目的、師資隊伍建設、教學內容和教材的改革和建設、教學方法和手段的改革等進行論述，指出“熱能系統分析與優化”課程建設和教學改革的必要性，同時提出課程建設的內容和具體做法，取得了良好的效果，為熱能與動力工程專業的發展和其他類似課程的建設提供了思路。

關鍵詞：熱能系統分析；最優化；課程建設；教學改革

作者簡介：張艾萍（1968-），男，內蒙古興和人，東北電力大學能源與動力工程學院，教授；張炳文（1953-），男，天津人，東北電力大學能源與動力工程學院，教授。（吉林吉林 132012）

基金項目：本文系東北電力大學教學改革研究項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0083-02

教育部2003年發出了《關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知》，力圖通過精品課程建設，推進高校課程建設，提高整體教學水平。[1]具有較高綜合素質基礎的應用型、復合型人才的培養，體現了東北電力大學（以下簡稱“我校”）辦學的基本特色，這是我校課程建設工作的出發點。我校根據社會人才需求，依托學校原有優勢著力在相關學科的交叉結合部開拓新專業方向，培養社會急需的復合型人才。[2]

當前我國火電廠每年煙塵排放量約360萬噸，占全國工業煙塵排放量的35%，火力發電廠又是二氧化硫等有害氣體的主要排放源，排放的有害氣體進入大氣，形成酸雨等有害物質，造成大氣污染，使大氣環境日益惡化。熱能與動力工程專業作為火電廠生產的主要專業，深知自己的使命“在滿足供電供熱的前提下，盡量減少煤炭消耗、降低環境污染”，選擇了自己的發展方向“應用基礎研究不斷深化，描述愈來愈定量化、精確化，節能減排成為電力規劃建設和電站運行的努力目標”。基于此并為滿足“一實兩創”人才培養的需要，我校從2002年開始，為熱能與動力工程專業本科生開設了“熱能系統分析與優化”課程。該課程的設置主要為了使學生掌握火力發電廠節能減排的理論基礎，同時也為具有綜合素質的復合型技術人才的培養提供理論支撐。本文針對“熱能系統分析與優化”課程的建設和教學改革進行了初步探索。

一、“熱能系統分析與優化”課程建設和教學方法改革的必要性

“熱能系統分析與優化”課程綜合了熱能與動力工程專業多門專業課程（工程流體力學、工程熱力學、傳熱學、汽輪機原理、鍋爐原理、泵與風機、熱力發電廠）的知識點，以及現代運籌學理論和微機編程技巧，以火力發電廠節能減排、減少消耗的若干決策問題為訓練科目，培養本科生解決本專業決策問題的實際動手能力。

“熱能系統分析與優化”課程的內容和人才培養目標符合國家節能減排、減少消耗的總方針，符合熱力發電廠“以安全發電供熱為條件，以降低消耗減少污染為目標”的設計、運行基本原則。所以，將“熱能系統分析與優化”課程建設成為精品課程，對該課程的教學方法和手段進行改革，使其更適合學生對知識的掌握，有利于學生深入認識本專業各門課程相互關聯的實質內涵，有利于學生早日完成從理論學習到實際應用的跨越，有利于學生上崗后早日成為節能減排工程師，是培養“一實兩創”人才的需要，是國家節能減排事業的需要。

人才培養目標主要是通過課程教學實現的。課程建設水平的高低及課程體系的合理性、科學性是實現人才培養目標的基本保證。[3]為了更好地實現人才培養目標，達到課程設置的目的，對“熱能系統分析與優化”課程進行精品化建設和進行必要的教學方法、手段改革是非常必要的。

二、“熱能系統分析與優化”課程建設

課程是由一個或幾個學科的若干內容按一定的體系與結構組成的教學基本單位。課程建設包括形成和決定課程質量的各種條件和內涵建沒：教學文件建設、教材建設、實驗室建設及師資隊伍建設等。精品課程是具有一流師資隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等特點的示范性課程。[4，5]

1.切實加強教師隊伍建設

教師在課程建設中起著關鍵的作用，學生獲取知識的主要來源是教師。從長遠來看，教學團隊在未來的課程建設中將扮演極其重要的角色，隨著遠程網絡技術、多媒體技術的發展以及教學聯合體、學分互認的發展，學生選課時可選擇各學校精品課程，通過網絡學習最適合他的課程，因此各學校教學團隊的激烈競爭將不可避免。

有了明確的教學目標和良好的教學條件，能否實現教學目標，教師起著決定性的作用，這是課程建設的關鍵。因此要建設一支結構合理、水平高、素質好，團結合作，并有學術帶頭人的師資隊伍。這支隊伍應該是由治學嚴謹、知識淵博、德高望重的老教師把關，由經驗豐富、思想成熟、學有專長、教有成效的中年教師作中流砥柱，由年輕力壯具有教學科研良好素質的青年教師沖鋒陷陣的合理匹配的有機整體。其職稱和年齡結構，主講教師的高、中職比和任課率，教學和科研工作量比，科研成果率等均能達到結構合理，既能滿足教學的要求，又具有相當的科研能力和水平。

2.重視教學內容和課程體系改革

融合多門課程知識，提高綜合應用能力，關聯節能減排。在熱力發電領域，無論是設備制造、工程設計還是電站運行，到處存在著“以安全發電供熱為條件，以降低能耗為目標”的決策問題，直接關聯著國家的節能減排目標。在多年的教學過程中，本課程組一直為將“熱能系統分析與優化”課程建設成為培養節能減排工程師的培養平臺而努力。結合火電廠在節能減排中的基本任務，精心編排了教學內容，融合了包括汽輪機原理、鍋爐原理、泵與風機、集控運行、工程流體力學、工程熱力學、傳熱學、高等數學、運籌學在內的多門課程的知識點，引導學生對熱能系統或設備進行深入分析，指導學生針對火電工程實際決策問題建立數學優化模型，并編制微機程序求解，提高學生解決實際決策問題的能力。

3.重視教材建設

國內已經有一些關于火電廠熱能系統綜合分析與節能減排技術方面的教材，但是，都存在著某方面的不足：主要介紹其他行業的熱能系統，火電廠的內容很少；主要針對小機組介紹，不能滿足當前超臨界600MW及1000MW機組的需要；原則多，應用少，只能作為一般的概念了解，不便于使用操作；由于峰谷差別日益加大，600MW機組也參加調峰調頻，給定功率是多數機組的運行方式，例如有些教材中假設“余下的排擠抽汽（1-α1-2）將直達凝汽器”，在給定功率的運行方式下，必然引起發電功率的變化，調節汽門將關小，以改變蒸汽量，維持給定的功率。

本課程組編寫的教材將克服上述同類教材的不足和缺點，達到教材建設目標。本教材的特色是“融合多門課程知識，提高學生綜合應用能力”，創新點是“學生作業內容關聯節能減排”。

本教材建成后，將成為：融合了汽輪機原理、鍋爐原理、泵與風機、集控運行、熱力發電廠、工程流體力學、工程熱力學、傳熱學、高等數學、運籌學、微機編程等多門知識點的綜合性教材用書；火電廠熱能系統分析工具書和節能減排工作手冊，其內容包括火電廠和熱電廠的各種裝機方案。

本教材將在人才培養中起到如下作用：各門課程知識點得到多次強化和應用訓練；提高學生對復雜系統的綜合分析能力和建立數學優化模型的能力；提高學生使用電腦編程求解的水平；提高學生參加熱力發電節能減排工作的技能和意識。

4.理論教學與實踐教學并重

采用的練習題都是每個火電工程實際存在的優化決策問題，以下舉兩個編程練習的例子：

編程練習一：以優化運行減少消耗為題材，與學生林志峰共同發表了論文《給定出力660MW機組最佳真空確定方法》（《汽輪機技術》2008年第5期）。該論文介紹了功率控制方式下單元機組最佳循環水量的尋找方法。傳統的最佳循環水量尋找方法，也是目前教材中介紹的方法，是在汽輪機入口參數和調節門開度不變的前提下，尋找使供電功率達到最大的循環水量。這種方法不適合于功率控制方式下的單元機組。為此，本練習建立了全面的單元機組資源消耗數學模型，其C程序可以在1～2秒鐘內求解得出給定發電功率下使資源消耗最低的最佳循環水量，能夠為機組的在線優化運行提出合理建議。這里，資源消耗包括燃料費、水費和排污費。編程練習一的資源消耗數學模型符合汽輪機原理的有關定性結論，其微機程序給出的優化結果符合運行常識，學生得到了達到或接近實用水平的訓練。

編程練習二：考慮更多因素的單元機組冷端優化設計參數。《火力發電廠水工設計技術規定》指出，新建火力發電機組，要根據當地氣象條件變化規律和循環水管道系統布置方案，對于冷端設計參數（凝汽器換熱面積、循環水量、冷卻塔淋水面積、凝汽器管材規格、凝汽器管長度、循環水管道規格、循環水泵揚程、循環水溫度）在一定的變化范圍內進行多方案的優化計算。但是，目前火力發電設計單位沒有包含上述多變化因素的優化計算方法和微機程序，手工進行優化計算又難以達到要求。為此，本練習建立了全面的單元機組冷端優化設計數學模型，考慮到有離散變量，采用枚舉法求解，編制調試了Auto Lisp實用程序，計算結果符合正常規律，優化計算時間為1.5～2小時，為火力發電設計單位提出一個合理可行的優化設計工具。

三、“熱能系統分析與優化”課程教學改革

教學方法和教學手段是實現教學目標，落實人才培養模式，提高教學質量的直接、具體實施環節，也是“熱能系統分析與優化”課程教學改革的重頭戲。

第一，開展研究性學習，提高工科學生素質。課程組在指導學生完成編程作業的教學過程中，鼓勵學生探究解決實際問題的思維過程，鼓勵學生進行研究性學習，提高學生獨立深入思考的能力和習慣。

第二，建設課程教學網站。在“熱能系統分析與優化”課程現有QQ群的窗口內擴建成課程教學網站，內容包括教學大綱、授課計劃、教案、推薦教材、參考教材、參考文獻、動態習題集、QQ在線答疑。教學網站內容與課程組教師授課內容一致，課程組教師也使用相同的授課計劃和教案，于是，教學網站的投入使用，不但方便了學生，也擴大了課程組的教學容量。

第三，將培養學生思維能力和應用能力放在教學目標的第一位。對主要方法，要講清思維本質、應用原則與其他方法的聯系，要強調方法的科學性和靈活性等。教學中要特別注意引導學生抓住對所學知識的閱讀、理解、分析和總結環節，勤于動腦和動手，提高計算的準確性，推理的邏輯性和表達的數學性。

第四，開發應用CAI課件，邁出教學手段現代化的步伐。

第五，通過教學改革，使學生受益。根據個體學生的不同類型，學生受益可以從以下兩個方面分析：其一，綜合性實用性的規劃教材、隨時可用的教學網站、老師實時在線的親切感覺，為積極向上、勤奮好學的學生創建了良好的、溫馨的自主學習環境；其二，對于死記硬背、不習慣于研究學習的學生，動態習題集是通過考試的捷徑。

四、結論

通過對“熱能系統分析與優化”課程設置的目的、師資隊伍的建設、教學內容和教材的改革和建設以及教學方法和手段的改革等進行分析，得到如下結論：

“熱能系統分析與優化”課程的設置主要為了使學生掌握火力發電廠節能減排的理論基礎，同時也為具有綜合素質的復合型技術人才的培養提供理論支撐，對該課程建設和教學改革是非常必要的。

“熱能系統分析與優化”課程建設的內容包括師資隊伍建設、教材建設、理論教學與實踐訓練并重，注重理論聯系實際，培養學生的實踐能力。

在教學方法改革方面采取了研究性教學、網絡輔助教學等方法，并引進了多媒體、QQ群答疑等現代化教學手段，取得了良好的效果。

“熱能系統分析與優化”課程的建設和改革為熱能與動力工程專業的發展和其他類似課程的建設提供了思路。

參考文獻：

[1]黃德群.高校精品課程建設研究特點、問題與趨勢[J].中國電化教育，2010，（5）：64-68.

[2]范寶忠.加強課程建設，深化教學改革[J].遼寧高等教育研究，1998，（2）：89-90.