“工程熱力學與傳熱學”教學內容和方法的優化與實踐

摘要：針對安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學內容、教學特點和目前教學中存在的典型問題和不足，分析了“工程熱力學與傳熱學”教學內容和教學策略改進和優化的必要性，提出了該課程教學改革和優化的思路和具體改進實施方案，包括具體優化教學內容、具體教學方法設計和學生實踐應用能力培養策略。

關鍵詞：工程熱力學與傳熱學；安全工程專業；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0041-03

“工程熱力學與傳熱學”是一門與工程實際聯系緊密、應用性很強的熱科學基礎課，它源于礦業、石油、冶金、化工、機械、環境、航空航天等工程領域中的實際工程問題，也發展、應用于解決實際工程問題，在理工科本科生教育中占有重要地位，為理工科專業技術課的學習提供重要的理論基礎。近年來，隨著人類社會的進步和科學技術水平的提高，實際工程領域所面臨的熱科學問題更加復雜，這使得“工程熱力學與傳熱學”課程傳統的教學模式及授課內容已面臨社會發展和學科發展的嚴峻挑戰，存在較多問題和不足。[1]作為中國礦業大學（北京）（以下簡稱“我校”）“工程熱力學與傳熱學”課程的主講團隊，筆者結合近年來科研工作中關于熱力學與傳熱學的問題和多年對該課程的教學經驗，對該課程在安全工程專業本科教育中的課程改革和教學實踐進行了一些探索，并得到了一些粗淺的體會和認識。

一、安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革的必要性

1.該課程對安全工程專業本科教育的重要性

安全工程專業是一個涉及理、工、文、法、管等學科的綜合交叉工科專業，目前國內開辦安全工程專業的高等院校的類型很多，有礦業、石油、化工、軍工、土木、交通、環境、經濟等。“工程熱力學與傳熱學”是安全工程專業必修的一門專業基礎課程，在安全工程專業的培養計劃中有非常重要的地位。根據安全科學基本理論，事故是能量失去控制而意外釋放所造成的，而“工程熱力學與傳熱學”正是研究能量轉化與傳遞過程的基本規律，由此可見該課程對安全工程專業本科生培養的重要性，其教學水平直接影響安全工程專業本科生的培養質量。

2.目前該課程教學中存在的問題和難點

（1）教學學時少，但教學內容多，造成教與學矛盾。隨著21世紀國家人才培養戰略逐漸向拓寬專業口徑、培養復合型人才方向發展，安全工程專業本科教育的培養計劃和培養目標也不斷調整，更加重視大安全“通才”教育。為滿足安全工程專業培養計劃改革和課程體系設置需要，我國多數高校對“工程熱力學與傳熱學”課程學時都進行了縮減。比如我校，由起初64學時調整為48學時，雖然學時減少，但主體教學內容并未刪減，這導致教學進度不得不加快。然而熱力學和傳熱學理論性、專業性強，因為教學進程加快，使得學生不能深入透徹理解重要知識點，造成教學效果較差，引起教與學的矛盾。

（2）課程概念多、公式多、理論性強，降低了學生學習興趣。“工程熱力學與傳熱學”課程概念多、公式多、圖表多，盡管有些概念和公式在“大學物理”和“物理化學”課程中學習接觸過，但運用這些抽象概念和基本公式解釋、推導熱物理規律時，多數學生都會感覺到比較吃力，因為這要求學生具有扎實的數理基礎和較強的抽象思維能力。另外，該課程中一些概念比較抽象且比較相近，容易發生混淆，比如可逆過程與準靜態過程的聯系與區別，技術功、軸功、容積功區別，導熱系數、傳熱系數、導溫系數的聯系與區別等。同時，“工程熱力學與傳熱學”中繁多的公式的關聯性極強，推導過程復雜。上述理論性和專業性很強的概念、公式及其之間的復雜關系，大大地降低了學生學習的興趣和動力。

（3）教學內容及參考教材安全專業應用案例較少，學生專業實踐應用能力培養不足。隨著科學技術的快速發展，熱力學與傳熱學領域一些新的概念和理論不斷涌現，目前多數新出版的“工程熱力學與傳熱學”教材內容豐富，知識面力求新穎和廣博，只配有少量簡單應用案例。這對目前壓縮學時的安全工程專業本科教學來說不合適，不利于學生在有限學時內深入學習和掌握重要熱力學和傳熱學理論，而且不能使學生深入了解熱力學和傳熱學理論在安全專業的應用，從而造成專業實踐應用能力培養不足。因此，針對安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學，應有所側重，補充該專業應用案例，強化學生學習興趣和動力。

3.該課程教學內容和教學方法優化的必要性

隨著經濟的快速發展和社會的不斷進步，人們對安全的要求越來越高，近幾年來安全學科發展迅猛，“安全科學與工程”已成為工學門類下第37個一級學科，安全學科涉及面越來越廣，已深入到礦業、石油、冶金、化工、環境、土木、交通等多個工程領域。“工程熱力學與傳熱學”作為安全工程專業重要專業基礎課，面臨社會科技發展和安全科學發展的新形勢，特別是教學學時壓縮情況下，其傳統的教學模式、授課內容、教學效果已充滿挑戰，存在較多問題和不足，其教學情況，在一定程度上影響安全專業人才在實際工程中解決相應問題的能力。因此，在有限學時內，對該課程教學內容和教學方法進行改進和優化是非常必要的。通過教學改革，提高該課程教學水平，才能使其充分發揮對安全專業技術課學習應起到的橋梁和鋪墊作用，從而在一定程度上提高安全工程專業本科生的培養質量。[2]

二、安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革思路及實施

1.該課程教學內容調整和優化

（1）根據安全專業方向和學時分配，強化和弱化部分教學內容。為滿足安全工程專業培養計劃改革和課程體系設置需要，我校對“工程熱力學與傳熱學”課程學時由起初64學時縮減為48學時。為在有限學時內完成教學計劃和提高教學質量，筆者選用的參考教材為張學學教授主編的《熱工基礎》，該書基本內容由工程熱力學和傳熱學兩部分組成。[3]該書側重于熱力學和傳熱學基礎，有助于學生對基本理論知識和方法的理解和掌握，但對于安全工程專業基礎教育來說，其部分章節教學內容不重要，比如工程熱力學篇的第六章內燃機和燃氣輪機動力循環裝置和第七章制冷裝置循環等內容，因此在教學過程中對上述內容可以弱化。該書第五章中作為了解內容的濕空氣性質及其熱力學過程，是通風安全理論的基礎，對安全工程專業來說就特別重要，因此在教學中對該部分內容應強化。總的來說，對該課程的教學應因材施教，根據安全工程專業方向和教學計劃分配，靈活調整和優化教學內容和重點，使得學生能深入透徹理解重要知識點，避免引起教與學的矛盾。

（2）擴充傳熱學數值計算知識及應用算例，增強學生對基本公式及理論知識應用方面的理解，激發學生學習興趣和動力。“工程熱力學與傳熱學”課程概念多、公式多、圖表多，通過實驗教學可以加深學生對熱力學與傳熱學理論知識的理解和掌握，但受于學時和實驗條件限制，目前該課程實驗教學課時還比較少。近年來隨著計算機技術和數值計算方法的快速發展，數值計算（或稱數值實驗）為熱力學和傳熱學研究開辟了一個新途徑。目前“工程熱力學與傳熱學”課程教學中，只在導熱部分對數值計算基礎進行了簡要介紹，為了使學生能較系統地了解和掌握數值計算在傳熱學的應用，也需要對流換熱部分的數值解算進行補充。考慮到本科生對數值計算涉及的數學推導和偏微分方程求解等知識的理解和掌握比較吃力，在課程教學中對MATLAB軟件在傳熱學數值計算中應用進行介紹，并引入相關傳熱問題解算案例進行講解。MATLAB是一套綜合性的高性能數值計算和可視化軟件，借助MATLAB軟件不僅能使學生較快掌握傳熱學數值計算的應用，同時借助其強大的計算和繪圖功能，也可以使學生對熱力學和傳熱學中的許多公式和熱物理規律推導進行圖像化展示，這有助于學生對熱力學和傳熱學基本理論知識的理解和掌握。[4]

（3）建立安全專業應用案例庫，細化到具體章節教學內容中。“工程熱力學與傳熱學”與工程實際聯系緊密，應用性很強，它源于工程實際，并應用于解決實際工程問題。因此，若要提高“工程熱力學與傳熱學”課程教學質量，在課程教學過程中應將實際工程案例作為教學素材，引導學生對特定的教學案例問題進行分析，并借助熱力學和傳熱基本理論提出解決方案。針對安全工程專業說，工作中會遇到各種各樣的危險情景，引入專業案例教學非常重要，比如應該補充講授熱力學能量傳遞、煙氣對流和輻射復合傳熱方面的案例、熱力學與傳熱學在事故演變分析中的應用案例。通過案例教學不僅可以使學生對熱力學和傳熱學知識有深刻的理解和掌握，也有利于拓展學生的思維模式，激發學生的創新意識，更重要的是培養學生的專業應用和實踐能力，對工作中危險情景問題應該怎樣借助熱力學和傳熱學理論來分析和解決會有較好的把握。因此，筆者近幾年來特別重視對安全專業應用案例庫的建設，對各個案例根據教學內容進行分類，基本貫穿于各個章節的教學中。

2.該課程教學方法改進和優化

近幾年來隨著國家對人才培養戰略的調整以及工科類專業培養目標的改革，為了保證和進一步提升“工程熱力學和傳熱學”課程教學質量，筆者對該課程教學方法進行了一些探索和改進。

（1）以科研與工作實踐促進教學。大學教學不同于中學教學，大學是培養人才和創造知識的重要平臺，在大學教學過程中要講授傳播高深前沿的專業技術知識。只有通過科研歷練和工作實踐，大學教師才可以逐步提高專業素養和綜合素質，才能緊跟進而較好地把握本專業科技前沿。“工程熱力學和傳熱學”課程作為工科類重要專業基礎課，該課程任課教師更應立足于科技前沿，通過科研工作不斷提高自身業務素質，并將科研成果轉變為專業理論知識滲透到教學過程中，這樣才能克服教材內容滯后于最新專業科技知識的不足，保證教學質量，同時通過“工程熱力學和傳熱學”課程教學也能拓寬學生的科研視野和提升學生專業知識水平。為此，筆者在教學過程中穿插介紹了課題組在采空區自然發火、礦井降溫等領域與熱力學和傳熱學有關的研究成果。

（2）設立課程助教和網絡討論課堂，增強課程教學答疑和交流。為了及時解答學生學習過程中遇到的問題，在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中筆者安排了助教，助教一般由青年教師或高年級研究生擔任，主要負責課程作業批改和答疑，并不定時開展相關專題討論班，加強學生對重要章節的學習和理解。另外，在課外，筆者還充分利用網絡資源，建立了網絡討論課堂（QQ群）。針對課程學習疑難問題、課程建設及改進建議等問題學生都可以在課程討論群中提出，助教或任課教師基本每天都會登陸討論群回答學生提出的問題。通過設立助教和建立網絡討論渠道，較大程度上增進了課堂教學以外老師和學生的交流，提升了該課程的學習質量。

（3）借助現代多媒體教育技術豐富教學手段。近年來，隨著計算機科技和互聯網技術的快速發展，多媒體技術成為教育教學過程中一個非常重要和便利的工具。“工程熱力學和傳熱學”課程涉及的公式和圖表非常多，采用多媒體技術可以顯著節省教師對一些公式和圖表的板書時間，不僅能提高教學效率，并且采用圖文并茂的PPT可以形象具體地展示教學內容，利于學生理解。然而，對于比較重要的教學內容，比如導熱微分方程、對流換熱方程等數學描述的推導，筆者仍采用傳統板書方式，詳細分析和講解重要定律和公式的提出和推導過程。另外，要充分利用多媒體技術的多種媒介形式，包括多種形態的文字、圖片、動畫、錄像等。[5]目前筆者已經制作和收集了一些圖片和視屏（熱電偶等測溫器件、肋片、換熱器傳熱過程Flash、煤自燃實驗錄像等），在課堂教學實踐中取得了較好的效果，大大激發了學生的學習興趣和熱情，也加深了學生對傳熱學在科技生產領域中應用的認識。

（4）改革和優化考核方式。“工程熱力學和傳熱學”課程涉及的公式和準則特別多，有些公式較難記憶和推導，因此任課教師在閉卷考試命題時不得不壓縮范圍，這導致一些同學在考試復習時會忽略一些教學內容。為了使學生能對熱力學和傳熱學基本理論知識有一個整體的把握和思考，特別是對該課程基本理論的應用有較深刻的認識和理解，筆者采用多元化考核方式。多元化成績評定包括三部分：第一，課后習題作業、出勤、課堂表現、課下網絡討論表現情況；第二，專題大作業完成情況，專題大作業主要是基于熱力學和傳熱學基本理論開展相關產品設計或數值模擬等；第三，閉卷考試成績。采取這種多元化考核方式，不僅能促進學生對熱力學和傳熱學理論知識的深入學習和掌握，也能提高學生的學習能動性，提升實踐應用能力，有助于培養高素質人才。

3.學生實踐應用能力培養引導

為了進一步提高學生的實踐應用能力和培養學生的創新意識，筆者在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中通過多種形式對學生進行引導或提供多種實踐渠道進行學習。

（1）設置熱力學和傳熱學專題大作業。在教學過程中，筆者精心選取了多個與熱力學和傳熱學密切相關的專業問題，讓學生分組協作，首先對這些問題進行調研，然后開展實驗設計和數值模擬分析，并寫出相應的總結報告。最后，利用討論課時間，組織各組以PPT形式進行匯報，通過提問和討論意見進一步完善作業成果。專題大作業的成果作為期末考試總成績評定的一部分。在課堂教學過程中增加學生參與的比重，使學生成為課程學習的主體，能為培養學生的實踐創新能力創造有利條件。[6]

（2）利用大學生創新計劃項目。目前，我校積極響應國家、北京市有關開展大學生創新訓練的政策和工作安排，每年都組織設立大學生創新訓練計劃項目近300項，這為我校大學生參與科研工作、開展創新活動提供了重要的平臺和良好的條件。我校“工程熱力學和傳熱學”課程剛好在大學生創新訓練項目立項這學期開課，在教學過程中，筆者鼓勵學生應用熱力學和傳熱學基本理論進行選題，并在開展研究工作過程中給予方法和技術指導。

（3）利用校外實踐基地現場實習交流。為了提高學生的實際工作能力和教學質量，培養高素質復合型人才，以盡快適應社會發展的人才需求，和加強本科實踐環節的教學，我校資源與安全工程學院積極開展校企合作實踐教學，目前已建立了39個校外實習和實踐教學基地。在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中，筆者穿插介紹了安全工程專業相關應用案例，同時，也經常給學生灌輸實踐學習的思想，鼓勵學生好好利用實踐基地這個很好的學習平臺，到實踐基地去實習或社會實踐時現場觀察、學習熱力學和傳熱學的應用實例。通過現場學習能較大程度上拓展學生實踐應用思維和激發學生創新意識。

三、結語

“工程熱力學與傳熱學”課程在理工科本科生教育中占有重要地位，它源于工程實際問題，也發展、應用于解決實際工程問題。為能使熱力學和傳熱學知識適應社會發展需要和滿足現代社會對信息型、復合型人才的需求，“工程熱力學與傳熱學”教學內容和教學方法需不斷改進和優化。

本文以安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”教學為例，針對該課程教學內容、教學特點和目前教學中存在的典型問題和不足，提出了該課程教學改革和優化的思路和具體改進實施方案。該課程教學改革在安全工程專業教學中實踐結果表明，新的人才培養目標和培養模式下“工程熱力學與傳熱學”課程教學質量有較大改觀，學生理論知識學習情況、分析解決問題能力、實踐應用能力都得到較大提升。筆者對該課程在安全工程專業本科教育中的課程改革和教學實踐，希望能為國內其他高校理工科“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革提供思路借鑒。

參考文獻：

[1]于靖博，董麗娜，趙蘭英.《工程熱力學與傳熱學》課程教學改革與實踐[J].廣州化工，2013，41（11）：259-260.

[2]林日億，梁金國，黃善波，等.安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革[J].中國電力教育，2010，（167）：93-95.

[3]張學學，李桂馥，史琳.熱工基礎[M].第二版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]丁鵬.MATLAB在高校“傳熱學”教學中的應用與實踐[J].中國電力教育，2011，（196）：149-150.

[5]閆潔，戴秋蓮，沈劍云.“流體力學與傳熱學基礎”課程教學改革探索[J].中國電力教育，2010，（160）：68-69.

[6]黃雨，劉鋮瑋.工程數值法教學改革研究——以“地質工程數值法”為例[J].高等建筑教育，2013，22（4）：81-84.

（責任編輯：王意琴）