工程熱力學(xué)課程與創(chuàng)新方法融合的教學(xué)模式探索

王有鏜 何芳 鄭斌 李成宇 孫鵬

[摘 要] 工程熱力學(xué)是能源與動(dòng)力學(xué)科的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，合理利用能源以及創(chuàng)新能力是未來(lái)能動(dòng)領(lǐng)域從業(yè)人員應(yīng)具備的重要素質(zhì)。本文首先總結(jié)了技術(shù)領(lǐng)域常用的創(chuàng)新理論，而后將相關(guān)方法具體化融合到教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)化、教學(xué)條件優(yōu)化和教學(xué)方法改進(jìn)過(guò)程中，以此探索建立一種提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)模式。

[關(guān)鍵詞] 工程熱力學(xué);創(chuàng)新方法;教學(xué)模式;創(chuàng)新項(xiàng)目

工程熱力學(xué)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)與研究的主要對(duì)象是熱能與其他形式能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、轉(zhuǎn)換規(guī)律及應(yīng)用。近年來(lái)，為提高教學(xué)質(zhì)量并緊跟理論、方法和裝備更新的步伐，一線教師已經(jīng)針對(duì)該課程進(jìn)行了大量的改革實(shí)踐，已經(jīng)在教學(xué)方法[1]、內(nèi)容[2]、手段[3]以及課程體系[4]方面取得了明顯的成效。

一、創(chuàng)新理論

1.發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）。該方法于1946年由蘇聯(lián)專家阿奇舒勒提出，該方法表明技術(shù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的。TRIZ基于物理矛盾和四大分離原理，采用物—場(chǎng)模型分析方法，提供了具有普遍意義的40條發(fā)明原理，給出了發(fā)明問(wèn)題的76種標(biāo)準(zhǔn)解法。近年來(lái)，TRIZ理論被各國(guó)所接受，基于該理論的創(chuàng)新系統(tǒng)方法不斷被推廣[5]。

2.形態(tài)分析法。這是一種系統(tǒng)搜索和程式化求解的創(chuàng)新方法，該方法以建立形態(tài)學(xué)矩陣為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)創(chuàng)造對(duì)象進(jìn)行因素分解，找出因素可能的全部技術(shù)手段，再通過(guò)形態(tài)學(xué)矩陣進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，得到多種可行方案，從中選擇最佳方案。

3.奧斯本檢核表法。根據(jù)研究對(duì)象特點(diǎn)提出問(wèn)題，形成檢核表，逐一討論。檢核表涉及9個(gè)方面，能否改變、能否借用、能否他用、能否擴(kuò)大、能否縮小、能否替代、能否調(diào)整、能否顛倒和能否組合。該方法以直觀方法激發(fā)思維，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面比較適用，被譽(yù)為“創(chuàng)造技法之母”。

4.和田十二法。這是在認(rèn)識(shí)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)可以考慮能否從12個(gè)方面提出改進(jìn)并加以解決的思維方法，由我國(guó)學(xué)者許立言和張福奎提出。十二法為加、減、擴(kuò)、縮、變、改、聯(lián)、學(xué)、代、搬、反和定，按順序?qū)ρ芯繉?duì)象進(jìn)行思考，就能從中得到啟發(fā)，產(chǎn)生創(chuàng)造性設(shè)想。

以上創(chuàng)新方法對(duì)于本課程、對(duì)于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維而言，具有一定的操作性，可在具體教學(xué)環(huán)節(jié)靈活應(yīng)用。

二、創(chuàng)新方法在教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

（一）教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

1.團(tuán)隊(duì)成員定期進(jìn)行創(chuàng)新方法理論學(xué)習(xí)，共同探討理論與創(chuàng)新實(shí)踐結(jié)合的方法，分析授課對(duì)象知識(shí)體系，結(jié)合已有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)新型教學(xué)模式。

2.增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，共享教學(xué)成果。團(tuán)隊(duì)成員相互交流在課程改革項(xiàng)目中取得的成果，對(duì)于成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、信息化的教學(xué)活動(dòng)、典型的創(chuàng)新案例以及科學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系，可進(jìn)行應(yīng)用推廣。

3.積極聯(lián)系校外相關(guān)企業(yè)的工程師或管理人員，主動(dòng)聘請(qǐng)其作為創(chuàng)新導(dǎo)師，每年至少邀請(qǐng)一位企業(yè)創(chuàng)新導(dǎo)師進(jìn)行專題講座，形成創(chuàng)新型教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

（二）教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)化

1.創(chuàng)新意識(shí)的滲透。創(chuàng)新意識(shí)是創(chuàng)新能力的前提和必要條件，只有具有強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)，才能產(chǎn)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。工程熱力學(xué)教學(xué)主要是使學(xué)生掌握并運(yùn)用工程熱力學(xué)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題，如在講授制冷循環(huán)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，向?qū)W生講解壓縮空氣制冷循環(huán)的基本原理和四大基本部件，引導(dǎo)學(xué)生思考將工質(zhì)空氣換成低沸點(diǎn)制冷劑，將降壓設(shè)備膨脹機(jī)換成節(jié)流閥，則得到壓縮蒸汽制冷循環(huán);在壓縮蒸汽制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考將增壓設(shè)備壓縮機(jī)換成高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器和節(jié)流閥，引入吸收式制冷循環(huán)。這樣，可在教學(xué)過(guò)程中激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.創(chuàng)新案例庫(kù)的建設(shè)。與課程知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用案例，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生的理論認(rèn)知程度和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有重要意義。案例庫(kù)建設(shè)主要包括知識(shí)點(diǎn)篩選、案例選取、案例呈現(xiàn)、案例分析等四個(gè)環(huán)節(jié)。首先，知識(shí)點(diǎn)篩選主要針對(duì)可在實(shí)踐中直接應(yīng)用的定律、公式、理論，如熱力學(xué)第一定律、第二定律、理想氣體狀態(tài)方程、卡諾定理、朗肯循環(huán)、帕爾帖效應(yīng)等，以此為基礎(chǔ)選取創(chuàng)新應(yīng)用的案例。

（三）教學(xué)條件優(yōu)化

1.教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證知識(shí)的教學(xué)方法，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要陣地，目前我校工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要為驗(yàn)證性和綜合設(shè)計(jì)性兩種類型，整合重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)降低驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，通過(guò)查閱相關(guān)資料，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

2.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中新設(shè)兩個(gè)創(chuàng)新模塊，其一為作品展示，專門(mén)展示國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽中的獲獎(jiǎng)作品;其二為創(chuàng)新訓(xùn)練，教師通過(guò)定期介紹能量轉(zhuǎn)換與開(kāi)發(fā)理論，讓學(xué)生提出創(chuàng)新應(yīng)用方法，將理論應(yīng)用于日常生活或工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并將其思路以圖和文字的形式在該模塊中展示。

（四）教學(xué)方法改進(jìn)

1.直觀教學(xué)方法的嘗試。目前的“傳遞—接受”教學(xué)模式擔(dān)負(fù)不了高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重?fù)?dān)，項(xiàng)目擬在課堂授課過(guò)程中加入實(shí)體模型展示環(huán)節(jié)。展示模型的來(lái)源主要包括前期創(chuàng)新項(xiàng)目的作品以及購(gòu)置原材料進(jìn)行自制。如在講授制冷原理知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可利用前期項(xiàng)目組所指導(dǎo)的大學(xué)生創(chuàng)新作品“新型半導(dǎo)體制冷車(chē)載冰箱”展示熱電制冷原理;在講授氣體動(dòng)力循環(huán)時(shí)，可利用創(chuàng)新訓(xùn)練作品“小型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)太陽(yáng)能發(fā)電充電裝置”，展示外燃機(jī)的工作循環(huán)過(guò)程;在講授濕空氣性質(zhì)時(shí)，可通過(guò)自制干濕球溫度計(jì)讓學(xué)生觀察干濕球溫度的差異;在講授水蒸氣的定壓汽化過(guò)程時(shí)，可通過(guò)自制蒸汽定壓發(fā)生器讓學(xué)生直觀理解狀態(tài)參數(shù)的變化。以此來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并激發(fā)其創(chuàng)新的熱情。

2.創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的探索。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中創(chuàng)新訓(xùn)練模塊的引導(dǎo)，讓學(xué)生成立創(chuàng)新小組，集思廣益地將能源利用方法、節(jié)能原理應(yīng)用到實(shí)踐中去，同時(shí)鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和圖文表達(dá)能力，指導(dǎo)學(xué)生修改完善創(chuàng)新方案，最終可將創(chuàng)新立意較好的作品申報(bào)“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目”。

3.考核方案中體現(xiàn)創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)。改革現(xiàn)有考核模式，將創(chuàng)新方法的訓(xùn)練納入最終評(píng)價(jià)體系。原有課程評(píng)價(jià)體系為期末成績(jī)70%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)15%，平時(shí)表現(xiàn)15%;在進(jìn)行創(chuàng)新化課程改革后可改為期末成績(jī)60%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)（包含虛擬設(shè)計(jì)）15%，創(chuàng)新訓(xùn)練15%，平時(shí)表現(xiàn)10%，體現(xiàn)出對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的考察。

三、結(jié)語(yǔ)

工程熱力學(xué)涉及能源、化工和冶金等學(xué)科，是在能源轉(zhuǎn)換與利用領(lǐng)域中進(jìn)一步創(chuàng)新的基礎(chǔ)課程。將創(chuàng)新方法引入各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅讓抽象、枯燥的原理知識(shí)變得更加具體、生動(dòng)，還讓學(xué)生潛移默化地學(xué)習(xí)技術(shù)創(chuàng)新規(guī)律，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

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