新能源科學與工程專業(yè)工程熱力學課程教學探討

袁洪春 肖進 熊超 趙宇 馬金祥 陳磊

摘 要：文章針對新能源科學與工程專業(yè)要求及工程熱力學課程特點，探討了該課程的教學方法與方式，更加貼近并體現(xiàn)專業(yè)特色，激發(fā)學生學習興趣，確保教學質(zhì)量，提高教學效果，為新能源人才培養(yǎng)添磚加瓦。

關鍵詞：工程熱力學；新能源；教學改革；教學方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）01-0048-02

Abstract： According to the requirements of new energy science and engineering and characteristics of engineering thermodynamics， this paper introduces a series of the teaching methods for the course of engineering thermodynamics， appropriately embodying its professional characteristics， stimulating students' learning interest， ensuring teaching quality， and improving teaching effect. These teaching methods contribute to cultivating talents specialized in the new energy field.

Keywords： engineering thermodynamics； new energy； teaching reform； teaching methods

引言

“工程熱力學”是能源動力類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課之一，是研究熱能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換關系、轉(zhuǎn)換規(guī)律及應用。一方面，該課程理論深奧、概念抽象、公式繁多且與工程實際聯(lián)系緊密、應用性很強，使得師生都有難學難講難考的體會[1]。如何提高該課程的課程教學質(zhì)量，解決學生難學、教師難講的問題，提高學生學習的積極性，是相關專業(yè)教師一直探索的問題。另一方面，新能源科學與工程專業(yè)是教育部2011年批準設立新建專業(yè)，學科建設正處于起步階段，相關專業(yè)課程的建設需要在不斷實踐中探索與總結(jié)[2]。因此，針對新能源科學與工程專業(yè)進行工程熱力學教學改革，突出更加貼近并體現(xiàn)專業(yè)特色，對保證教學質(zhì)量，提高教學效果對培養(yǎng)新能源科學與工程專業(yè)高素質(zhì)的科技人才都有十分重要的意義。下面，結(jié)合工程熱力學課程特點和新能源科學與工程專業(yè)背景，對該課程教學方法改革提出了幾點建議，供大家參考。

一、抓住課程精髓，培養(yǎng)學生節(jié)能意識

工程熱力學以熱力學第一、第二定律為理論基礎，主要研究熱能及熱能與機械能轉(zhuǎn)換規(guī)律，如何提高能源轉(zhuǎn)化效率與能源利用的經(jīng)濟性。熱力學第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應用，從數(shù)量上揭示熱能與機械能轉(zhuǎn)換是守恒的；而熱力學第二定律則揭示了熱力學過程進行的方向性和限度以及能量轉(zhuǎn)換過程的品質(zhì)高低的問題。在能量轉(zhuǎn)換過程中既受到熱力學第一定律的限制，又受到熱力學第二定律的約束，這兩大基本定律是相互獨立、相互依存，貫穿于整個課程的精髓[3]。

課程中涉及的基本概念都是伴隨著這兩大基本定律提出的，例如：閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)，準靜態(tài)過程和可逆過程、不可逆過程，熱力學能、焓和熵，膨脹功、流動功、技術功和推動功，理想氣體與實際氣體，干球溫度、濕球溫度和露點溫度等。熱力學兩大基本定律是熱力過程分析和計算的基礎，也解決了水蒸氣的定壓發(fā)生過程的熱力性質(zhì)，濕空氣的狀態(tài)參數(shù)及加熱和冷卻過程的能量轉(zhuǎn)換。此外，在熱力學第二定律中，熵是一個重要概念、參數(shù)；從能量、能量利用角度描述，熵是不可逆耗散程度的量度，不可逆能量耗散越多，熵變化越大；熵增加，意味有效作功能量的減少。

熱力學第一定律是能量守恒定律在熱學中的表現(xiàn)，其實是從數(shù)量角度解釋了節(jié)能的基本原理。雖然從第一定律的角度分析自然界的能量是守恒的，但是不是所有能量都是便于被利用的，如環(huán)境物質(zhì)的熱力學能過程中耗散的能量；也不是所有能源都是可以持續(xù)被利用的，如不可再生的能源煤、石油和天然氣。所有在沒有尋找到合適的替代能源之前就必須數(shù)量上節(jié)約不可再生能源，并考慮能量的品質(zhì)。熱力學第二定律指出了宏觀熱現(xiàn)象過程不可逆，實質(zhì)是從能源品質(zhì)上確定了節(jié)能的基本思想。從節(jié)能角度考慮，因為不同形式能量品質(zhì)的不同，在確證效果相同的同時，應首先使用低品質(zhì)能源，來合理利用能源提高效率。因此，圍繞熱能的轉(zhuǎn)換與利用展開，注重的是熱能的有效利用。在講解物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化規(guī)律及其應用過程中，節(jié)能不僅體現(xiàn)在數(shù)量上的節(jié)約，更體現(xiàn)在質(zhì)量上的節(jié)約。合理利用能源要提高能源使用效率，更要減少能源消耗，發(fā)展好回收和利用低品位熱能的技術，充分利用好工業(yè)中的余熱等低品位熱能。

二、體現(xiàn)專業(yè)特色，激發(fā)學生學習興趣

新能源科學與工程專業(yè)是培養(yǎng)學生具備能源工程、工程熱力學等基礎知識，掌握新能源轉(zhuǎn)換與利用原理、新能源裝置及系統(tǒng)運行技術，發(fā)展好利用包括風能、太陽能、生物質(zhì)能等方面新能源的工程與技術，畢業(yè)后能夠在國家新能源科學與工程領域從事教學、研發(fā)、管理等方面的工作。工程熱力學是新能源科學與工程專業(yè)的專業(yè)基礎課之一，它以熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律為理論依據(jù)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率為研究目標。工程熱力學的理論研究及技術發(fā)展，面向能源的有效利用是傳統(tǒng)的研究領域，在節(jié)能減排中大有作為，也是當下最熱門的研究領域。根據(jù)新能源科學與工程專業(yè)背景，在緒論中增加介紹自然界中已開發(fā)的各種能源，包括太陽能、風能、水能、地熱能、核能、生物質(zhì)能、海洋潮汐能在國內(nèi)使用和發(fā)展現(xiàn)狀；對國家經(jīng)濟、社會、環(huán)境的已經(jīng)發(fā)揮積極而重要作用；同時也指出了需要克服的困難和探討了行業(yè)發(fā)展前景，這些引起學生的充分關注，激發(fā)學生的學習興趣，鼓舞學生的研究熱情。

熱能的利用離不開熱工設備，諸如鍋爐、汽輪機、內(nèi)燃機和各類換熱器，它們承擔著熱能直接利用或間接利用的具體任務。另外，工程中還有另一類熱工設備與裝置，如壓氣機和制冷機等，它們的工作過程與熱機相反，但同樣存在著熱能和機械能的能量轉(zhuǎn)換。針對新能源專業(yè)，一方面圍繞熱與功轉(zhuǎn)換，例如集中供熱供暖的熱源，常取自熱電聯(lián)產(chǎn)，空調(diào)的冷源來自制冷裝置等內(nèi)容；另一方面掌握動力循環(huán)、制冷循環(huán)等不同熱力循環(huán)在實際設備和工程中的應用，熟悉實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣λ柙O備，提高熱效率的途徑。動力循環(huán)要側(cè)重讓學生理解它的基本原理和掌握提高效率的途徑；制冷循環(huán)及熱泵部分，要讓學生在清楚構成循環(huán)的各個設備部件以及各部件對循環(huán)的影響的前提下，掌握熱力循環(huán)的原理。

為了進一步激發(fā)學生對工程熱力學課程的學習興趣，同時也為了使熱工學教學內(nèi)容更加豐富多彩，我們提供課程同步學習資料，并關注學科交叉前沿研究熱點在教學上及時增加相關內(nèi)容。例如，太陽能熱利用技術；半導體制冷、地源熱泵循環(huán)的研究；余熱的利用和節(jié)能技術；分布式能源系統(tǒng)；核能、太陽能、風能、生物能等可再生能源在國內(nèi)外的實際應用案例；新能源汽車動力循環(huán)，太陽能熱水系統(tǒng)，建筑節(jié)能中的熱力學問題等。

三、理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生工程應用能力

工程熱力學具有很強的工程應用背景，教學目的是學生能夠?qū)⑺鶎W回歸工程實踐，掌握科學系統(tǒng)的工程實踐活動設計方案或工程工藝，解決工程實踐中具體的工程問題。因此在教學過程中，必需根據(jù)學生的具體專業(yè)制定教學大綱，設計具體教學環(huán)節(jié)，理論知識聯(lián)系工程實際。可由具體工程實例的分析和計算，推進討論課堂、分析課堂、辯論課堂，來實現(xiàn)研教結(jié)合、學思結(jié)合、知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變的開放性翻轉(zhuǎn)課堂。這樣學書本上的基本概念、原理不再是枯燥空洞，而是富有工程背景和使用價值的理論，從而使學生由單純的知識學習升華為將所學知識科學應用到工程實踐的能力培養(yǎng)。例如在工程熱力學中學生都覺得狀態(tài)參數(shù)熵很難理解，在教學時可以引入其在樓宇中節(jié)能技術中的應用。介紹樓宇節(jié)能技術評價中，如何利用熵權理論來確定各個影響指標的權重，從而直觀準確地判斷、選擇、優(yōu)化樓宇節(jié)能方案。

帶領學生參觀地方發(fā)電廠，使學生了解發(fā)電廠的工業(yè)流程，了解汽輪機、鍋爐、給煤機等主要設備的外形、構造、操作以及工作原理；以冷藏庫、家庭用的空調(diào)、電冰箱為例講解制冷裝置循環(huán)；介紹濕空氣熱學過程在中央空調(diào)、火力發(fā)電、集中供熱采暖等中的具體應用。將教材內(nèi)容和工程實例有機地聯(lián)系起來，這不僅能使學生能夠真正理解、掌握、運用所學的知識和原理，理性檢驗所學知識，而且能通過實際應用的參觀、剖析等直觀而感性的認識，激發(fā)他們的學習興趣，培養(yǎng)學生利用所學知識分析、解決具體問題的思路和能力。

四、引入科研案例，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

工程熱力學這門課課程是在工程實踐活動的基礎上發(fā)展起來的，而其理論研究的新成果又將反過來推動能源動力領域的科技創(chuàng)新和技術革新[4]。我們在教學過程中，結(jié)合新能源科學與工程專業(yè)，介紹新能源領域中的前沿發(fā)展動態(tài)、科研項目和研究課題、典型能源應用實例。在講解熱力循環(huán)時，引入當前的熱力循環(huán)研究的新思路和前沿熱點，特別是多能源綜合利用的熱力學循環(huán)和新的可再生能源熱力循環(huán)，例如天然氣與太陽能組合的多能源發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)、燃料電池與太陽能聯(lián)合發(fā)電的多能源循環(huán)系統(tǒng)、氫能熱力循環(huán)、生物質(zhì)能熱力循環(huán)、地熱能熱力循環(huán)。

將課堂教學與教師科研相結(jié)合，一方面課堂教學引導教師積累科研案例、關注前沿，促進教師重視科研工作；科研工作又為課堂教學提供案例、注入活力，鼓舞教師熱心教學工作，起到科研與教學相互促進、共同發(fā)展的作用；另一方面，加深學生對基本概念和理論知識的理解，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，進而培養(yǎng)學生的科研能力、創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語

工程熱力學作為一門非常重要的專業(yè)基礎課，如何在課堂教學這個重要環(huán)節(jié)，深化教學改革、提高教學質(zhì)量和效果，我們虛心學習了很多同行和前輩對此作出的有益探索和研究，他們給出了許多有價值的建議和研究成果；我們也要圍繞新能源科學與工程專業(yè)培養(yǎng)目標與多年的教學經(jīng)驗，給出了課堂教學改革中的幾點思路，希望與同行們交流與分享。在今后的教學中，還要更加深入持續(xù)地進行改革，不斷優(yōu)化課堂教學，希望通過改變教學思路，改進教學方法，激發(fā)學生的學習興趣，真正提高學生運用所學知識分析和解決實際工程實踐中具體相關問題的能力，為未來從事新能源相關工作打下堅實基礎。

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）：70-72.

[2]饒政華，廖勝明.新能源科學與工程專業(yè)課程體系研究[J]. 中國大學教學，2015（3）：44-46.

[3]武和全，謝文洪.熱力學第一定律和熱力學第二定律教學[J]. 課程教學，2015（4）：80-81.

[4]徐青，凌長明.應用科研案例教學法工程熱力學教學改革研究[J].課程教材改革，2014（23）：39-40.