面向機械類專業的《工程熱力學》教學內容和教學方法研究與應用

張冬潔 饒國燃

面向機械類專業的《工程熱力學》教學內容和教學方法研究與應用

張冬潔 饒國燃

（北京理工大學珠海學院 珠海 519088）

在全球面臨能源短缺和環境污染挑戰的時代，《工程熱力學》已經成為工科學生基礎必修課程之一，以提高學生高效用能和節能減排意識，為后續專業課程學習打下扎實基礎。結合時代要求和機械類專業特點，在課程的教學目標和教學內容制定上做了一定改進，并詳細探討了教學方法，以期提高教學質量，取得較好的教學效果。

工程熱力學；節能意識；教學方法

0 前言

《工程熱力學》是一門研究能量傳遞和轉化規律的基礎學科，研究各種能源利用的理論基礎，包括傳統的燃料化學能，太陽能、風能等清潔能源和核能、磁力能等新型能源。人類利用能源，有85%以上是轉化成熱能后再利用，因此本門課程尤其側重研究物質的熱力學性質及熱能的利用。在全球面臨能源短缺和環境污染挑戰的時代，做好大學生的《工程熱力學》教學，普遍提高他們高效用能和節能減排意識，意義重大。

時至今日，《工程熱力學》不僅僅與能源和動力專業相關，在機械工程、材料工程、化學工程、生物工程等各領域的技術研究中，也都需要具備熱工的基本知識。早在20世紀80年代后，發達的歐美國家就已經將《工程熱力學》與《傳熱學》作為機械類學生的必修課[1]。目前國際上推行的工程教育專業認證制度，在課程體系設置中也要求將《工程熱力學》作為工科學生必修課程之一。為與國際接軌，近年來我國的一些工科類專業也開展了工程教育認證工作[2]，北京理工大學珠海學院機械制造及自動化專業也通過了IEET認證，《工程熱力學》成為專業必修課之一，因此，做好面向機械類專業的《工程熱力學》教學研究，勢在必行。

1 教學目標與教學內容的確定

高等學校的教育是以培養滿足社會發展所需要的人才為目的，結合時代要求和專業特點，與時俱進地確定教學目標和教學內容是對課程教學的基本要求。

1.1 將節能意識的培養作為教學目標之一

目前能源短缺和環境污染是全球面臨的難題。我國人口眾多，是個能源消耗大國，各個領域的系統及設備節能改造空間巨大，在提高能源利用率，節能減排，保護人類生存環境方面任務艱巨。

《工程熱力學》作為研究能源利用的基本理論課程，在開篇應展開介紹能源分類及全球用能現狀，尤其是中國的能源結構及現狀。珠海處于粵港澳大灣區，是我國經濟快速發展地區之一，與國際接軌緊密，新一代年輕人更是節能減排的排頭兵。因此，在課程學習過程中，詳細介紹區域性能源政策及用能導向，強化學生的節能意識，呼吁年輕一代低碳生活也尤為重要。這對實現我國新時代生態環境控制的發展愿景意義重大。到21世紀中葉我們期望生態環境質量全面改善，天藍水清，2050年污染物排放量回到20世紀80年代初水平。只有全民齊心協力，低碳生活，才能實現。

1.2 將提高機械設備中的能源利用率作為教學重點之一

進入21世紀后，我國科技迅猛發展，在一些領域已經走在國際前列，能源是各個行業發展的基礎，對于機械工程類學生而言，將來步入社會從事的工作，從機械設備加工到工程機械裝置的開發和利用，無不涉及到能量的轉換和利用問題，設備的運行和控制管理體現出能量的高效利用更能凸顯技術的先進性和實用性，設備的環保也成為基本性能要求，因此《工程熱力學》等熱工類課程已經成為重要基礎課程，結合機械專業需求，加強熱工類課程的教學內容改進，突出其專業領域的實用性，對培養機械專業工程及科技人才至關重要。

因此，教學過程中，相關機械的耗能和耗水熱力計算要作為教學重點，除進行常規的熱工計算練習之外，還要增加課后思考題和簡單的研發小題目，引發學生思考，強化實際解題能力的訓練。

1.3 相關教學內容設計

（1）緒論是每門課程的開篇第一課，一般情況下，學生在第一節課均會飽含熱情，教師應精心設計講義和課件，除清晰介紹本課程主要內容外，重點介紹能源的現狀及面臨的挑戰，灌輸節能及新能源開發意識，激發學生學習興趣。

本課程緒論部分利用1個學時講述，內容設計如下：

①熱能及其利用：能源分類及利用情況簡介；中國能源現狀及能源結構特點；珠三角地區用能特點及相關政策。

進行4K技術在電視實踐中的應用特點研究，主要可以將研究內容總結歸納為4k技術電視為人們帶來更加優質的視聽體驗、清晰度大幅度增強以及技術指標的提升三點，具體的研究內容可以總結歸納如下。

②熱力學發展簡史。

③工程熱力學的主要內容和研究方法。

（2）熟練掌握一門學科的專用術語和概念對開展課程學習至關重要。課程第一章為基本概念及定義，利用3個學時講解。工科專用術語和基本概念相對枯燥，但如果不能清晰理解，后續的過程方程、能量方程等的推導將更難以掌握。因此，必須重視這部分的講解和學習，讓學生打下扎實基礎。

為增強其易懂性，要將基本概念與我們的日常生活相聯系。比如“熱力循環”這一概念的講解，可以以家用電器的電冰箱或者空調機為例，因為學生熟知這些裝置要實現的功能，并對每個部件的運行情況都有一定了解，借助他們的既有感受引出制冷四大件的概念，再去剖析工質—制冷劑在其中的運行狀態，只有不斷循環，才能實現持續制冷。這樣學生腦海很容易形成“熱力循環”的概念，對于循環中的能量守恒和熱功轉化等的定律會印象深刻。進而我們講述國家對家用電器的“能效等級”的規定，把用能的多少量化到電費的多少，突出節能的重要性。由于與自己的生活休戚相關，引發學習興趣，聽起來不枯燥，學生學習效果就好。其他章節也采用這種結合實例易于理解的方式，避免強硬灌輸。

（3）在整門課程講解過程中，適時加入能源科技新動向，比如新能源應用，溫室效應的危害，技術革新帶來的經濟性等。倡導在節能減排的全球行動中，工科學生要擔負起自身的責任。

2 教學方法研究與應用

作為一門理工科專業基礎課，《工程熱力學》一直被學生定位為難學課程，理論性強，公式多，難理解，難記憶。多年來，眾多學者對課程的教學方法提出了自己的見解[3-5]。但隨著時代發展，科技不斷進步，社會對人才需求有了變化，另外隨著計算機的迅猛發展，新型教學手段不斷涌現，我們在教學方法方面仍要不斷摸索變革，以適應新的變化，并力求取得更好的教學效果。

2.1 精心設計教學課件，形成環環相扣的知識鏈

《工程熱力學》是一門承上啟下的專業基礎課，學生從高中開始就接觸物理，了解熱學的基本知識，對熱與功的轉換有粗淺認識，但都不足以支撐后續相關的專業課的學習，它是在高等數學等工具學科的基礎上，對熱量傳遞和熱功轉化的基本理論進行深入講解，為機械類學生在后續的各種動力機械學習過程中做好理論儲備，只有充分理解了基本原理后才能進一步改造和提高設備性能，真正成為符合社會需要的工程技術人員或科研人員。

對于教師而言，能精心設計一份將各個知識點有機銜接、環環相扣的教學課件，是講好課的基本要求。內容上，根據國家級規劃經典教材進行節選[6]，利用24個學時講解緒論、基本概念及定義、熱力學第一定律、氣體和蒸汽的性質及基本熱力過程和熱力學第二定律幾個部分，其后的章節可供學生在今后的工作和科研過程中自學，全篇要緊扣國家能源政策，突出培養學生節約能源，提高能源利用率的意識。形式上，圖文并茂，與日常生活和生產緊密結合，通過宏觀現象引導學生剖析問題的實質，掌握其中的基本定理。在課間播放相關小視頻，激發學生興趣，提高對本課程的認識，引發思考，提高個人技能。

2.2 采用靈活多樣化授課方式，因材施教

教師授課的目的是協助學生掌握課程主要知識點，答疑解惑。對于相對枯燥的專業基礎理論課程，授課要注重以引導和啟發為基本原則，如前所述的基本概念“熱力循環”的講解舉例，要結合日常實例形象講解，避免強硬灌輸。面對機械類設置的5個章節中，緒論、基本概念和定義以及熱力學第二定律這三個部分，教師授課為主，把晦澀難懂的部分講明白，打下扎實的理論基礎；熱力學第一定律、氣體和蒸汽的性質及基本熱力過程這兩個部分，以學生主動學習為主，通過思考題、習題和作業，進行大量的訓練，可采用反轉課堂的形式，將學生分成組，讓學生實現授課和提問的角色互換，教師在過程中及時點評，糾正錯誤概念，解答學生疑問。通過教學實踐和問卷調查，這種方式課堂氣氛活躍，被學生普遍認可，學習效果顯著。

2.3 建立完善的學習監督機制，提高學習效果

學好工科課程，持續性很重要，在授課過程中，要有完善的監督機制。首先，每天課前5分鐘回顧上節課內容，下課前5分鐘總結重要知識點并提出預習作業，這個環節的考核作為學生平時成績的一部分。這種互動體現了不僅教師對課程的重視，也對學生學習提出具體的要求，督促他們養成好的學習習慣。其次，對重要知識點設置課堂提問或小測驗，可以及時檢查學生的學習效果，便于教師隨之調整授課的節奏和方法。另外，建立學習小組，以便開展反轉課堂、小組互相提問等活動，這種方式可以引導學生積極思考，發現學生需求，進行針對性輔導，讓他們有更多的收獲。

2.4 學習效果體現

通過一個學期的教學實踐，并與上屆教學情況進行比較，證明這種教學方法效果顯著：

（1）班級人數108人，24個學時授課期間，累計答疑達到39人次，學生的答疑人數和頻率顯著提升，及格率達到94%，平均成績79.6分。

（2）反轉課堂的方式讓學生體驗了備課和授課的過程，明顯激發了他們的學習主動性，參加過授課的學生都贊成這種方式，他們認為帶著任務去學習，效率高，理解的更為深入，并且印象深刻，授課過程也鍛煉了口頭表達能力，有利于個人技能提升。

3 總結

《工程熱力學》已經成為機械類學生必修課程之一，在全球面臨能源短缺和環境污染挑戰的時代，培養他們高效用能和節能減排意識應作為教學目標之一。在教學內容和教學方法上做了細致的研究，堅持以啟發、引導為原則，精心設計課件，采用多種方式因材施教，并配合一套完善的監督機制，通過教學實踐，取得了較好的教學效果。

[1] 何雅玲,陶文銓.對我國熱工基礎課程發展的一些思考[J].中國大學教學,2007,(3):12-15.

[2] 余壽文.工程教育評估與認證及其思考[J].高等工程教育研究,2015,(3):1-7.

[3] 毛前軍.對《工程熱力學》課堂教學的幾點看法[J].制冷與空調,2007,(2):124-125.

[4] 武和全,朱英杰.“工程熱力學”課程緒論部分教學方法探討[J].教育教學論壇,2015,(27):116-117.

[5] 馬海英,高峰,李東巖.工程熱力學課程教學模式的改革與探索[J].大學教育,2017,(11):63-65.

[6] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社,2016.

Study and Application of Teaching Contents and Methods of for Mechanical Speciality

Zhang Dongjie Rao Guoran

( Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, 519088 )

lobal energy shortage and environmental pollution have become serious challenges of human being. To improve students’ awareness of efficient using of energy, energy conservation and emission reduction is very essential. So becomes one of compulsory courses for engineering students, it is a foundation for the courses of mechanical speciality. Combined with the requirements of the Times and the characteristics of mechanical majors, some improvements in the formulation of teaching objectives and teaching contents are presented, and teaching methods are discussed in detail in this paper, in order to improve the teaching quality and achieve better teaching results.

Engineering thermodynamics; Awareness of saving energy; Teaching method

TK123

A

1671-6612（2020）03-379-03

張冬潔（1972-），女，博士，教授級高工，E-mail：121378950@qq.com

2019-07-27