工程認證背景下自動化專業《熱工基礎》課程的教學改革與思考

萬世斌 徐 鵬楊 佳王 堃

（[1]重慶理工大學電氣與電子工程學院 重慶 400054；[2]重慶科技學院機械與動力工程學院 重慶 401331）

0 引言

黨的十九屆五中全會提出到二〇三五年基本實現社會主義現代化的遠景目標，而實現新型工業化和信息化是實現社會主義現代化的主要目標。熱工過程是現代化工業生產過程的重要組成部分，因此要實現新型工業化和信息化就必須加強熱工自動化本科人才培養。培養具有良好人文素質和科學素養，掌握自動化領域的基本理論、基本方法和基本技能，能為國家工業生產部門特別是能源、電力等行業服務的專門人才。

熱工自動化專業最主要任務就是對熱工生產過程進行自動化控制和管理，包括熱工自動控制系統的設計、投運和維護等。要實現熱工過程自動化就必須對熱能的利用、轉化和傳遞的基礎理論進行系統的學習。《熱工基礎》課程就是以研究熱能的利用、轉化及傳遞規律為基本內容的課程。它是由工程熱力學和傳熱學兩部分基本內容組成的綜合性熱工技術理論基礎。

目前全國熱工課程的設置主要在能源動力類、石油化工類、航天航空類、土建類、交通運輸、輕紡食品等大類專業。部分其他有需求的專業則開設了少學時的熱工基礎課程。以重慶理工大學（以下簡稱“我校”）為例，我校工程熱力學和傳熱學作為能源與動力類專業的專業基礎課，由車輛工程學院單獨開設，課時較多；筆者所在的自動化專業由于設置了熱工自動化課組方向，因此開設了48學時的熱工基礎課程。此課程是自動化專業熱工自動化方向的基礎課程。涵蓋工程熱力學和傳熱學兩部分內容。工程熱力學部分主要講授工程熱力學的基本概念和基本定律、常用工質的熱物理性質、基本熱力過程與典型熱力循環分析以及提高循環效率的途徑；傳熱學部分主要講授導熱、對流換熱、輻射換熱的基本規律、控制熱量傳遞過程的技術措施以及換熱器的熱計算方法。此課程的后續課程包括《熱力設備及運行》、《過程控制》等。

《華盛頓協議》是一項工程教育本科專業認證的國際互認協議。2016年6月，國際工程聯盟大會《華盛頓協議》全會全票通過了中國的“轉正”申請，我國正式成為國際本科工程學位權威互認協議的成員，我國的工程教育質量認證體系實現國際實質等效。當前，各高校本科專業均在如火如荼地開展工程教育認證工作。用產出導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念來指導學校的工程教育認證工作。近年，我校也順應教育改革的大潮，下大功夫開展工程教育認證，自動化專業多次申請工程教育認證。參加工程認證對專業教育提出了更高的要求，不僅需要針對專業認證的要求，修訂培養方案，還需要進一步完善課程的大綱，持續地對教學效果進行反饋、評估和改進。

在工程教育認證的背景下，我校自動化專業開設熱工基礎課程，存在教學學時少、經費不足導致的實驗設備缺乏、學生基礎差以及學習興趣缺乏等問題。鑒于此，筆者在專業申請工程教育認證的背景下，結合自身的教學實踐和體會，在教學大綱設計、教學方法與手段等方面進行了思考和改革，努力形成非熱工專業學生接受的授課模式，從而改善教學效果，提高學生的學習興趣，同時樹立節能和環保意識，這也是工程教育認證標準中對學生畢業的要求的條件之一。

1 適應工程教育專業認證的教學大綱

為了適應基于產出導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念的教育改革要求以及工程認證申報的需要，我校從2018年開始歷時兩年完成了培養方案的修訂。與此同時，筆者以及筆者的同事參考其他高校的《熱工基礎》教學經驗，根據新的自動化培養方案，并結合我校自動化專業的教學實際及畢業生就業情況，設計并制定了《熱工基礎》教學大綱。

1.1 課程目標

根據我校自動化專業培養方案的畢業要求以及《熱工基礎》課程的特點，筆者擬定了四個由易到難的課程目標。課程目標1主要掌握熱工過程的基本概念、基本理論和基本方法；課程目標2主要掌握熱工過程的理論建模方法及對象特性分析；課程目標3主要訓練學生對仿真工具（Matlab、Aspen、Comsol等）的使用；目標4主要培養學生節能減排的工程意識。課程目標及其與畢業要求的支撐關系見表1所示。

表1：課程目標及其與畢業要求的關系

1.2 課程目標與教學內容的支撐關系

本課程包含48學時，教學組織形式主要包括課堂講授、課外作業、數值模擬試驗等環節。本課程的教材選用清華大學張學學主編的《熱工基礎》第三版。課程目標1主要通過課堂講授和課后作業實現；課程目標2主要講授連續方程、基于熱力學第一定律建立的能量守恒方程、動量守恒方程，并訓練學生利用前述三個守恒方程進行集中參數和分布參數建模的能力，主要通過課堂講授和課后作業實現；課程目標3主要通過撰寫小論文實現學生對仿真工具（Matlab、Aspen、Comsol等）的掌握。課程目標4主要依靠課堂講授和課后作業實現。本課程具體的教學目標、教學內容以及教學組織形式的支撐關系見表2。

表2：課程目標、教學內容以及教學組織形式的支撐關系

1.3 考核要求與成績評定

課程考核成績是考查學生對課程目標達成的主要指標。《熱工基礎》課程成績的評定方式如表3所示。課程考核成績包括平時成績和結業考核成績（或期末筆試成績）。平時成績包括課外作業、課程論文、課堂表現（課程論文匯報）成績三部分。為了提高學生熟練運用仿真工具和分析解決問題的綜合能力，本課程設置了課程論文的撰寫和匯報演講的環節。課程論文的題目可以由教師給定，或根據授課內容學生自己擬定題目。學生需分組選題并完成課題，每組學生需要針對某一特定的熱工課題，查閱文獻，建立數學模型，運用仿真工具Matlab、Aspen、Comsol等求解數學模型，分析所建立模型的合理性和可行性。并將上述過程總結為課程論文，并進行匯報演講。通過上述環節，培養學生的發現問題和解決問題的能力，提高學生論文寫作和演講的能力，最終達到提升學生的綜合素質的目的，為學生以后的學術深造或工作研究奠定良好的學術基礎。

表3：《熱工基礎》成績評定方式

2 熱工基礎課程教學改革及思考

熱工理論基礎包括工程熱力學與傳熱學兩部分，以研究熱能的利用、轉化及傳遞規律為基本內容。是一門專業性應用背景很強的專業方向課。教學中應注意培養學生自己分析問題和解決問題的能力、自主學習的能力，創新能力、工程實踐能力以及節能減排的工程意識。下面結合教學實踐給出筆者對熱工理論基礎教學改革的四點思考及建議。

2.1 將熱工基礎的教學與生活、工程實踐相結合

任何理論均來源于生產生活，是自然現象和人類實踐活動的高度概括和升華，熱工理論也是如此。教學中應注意引導學生將學習到的熱工知識用于解決周圍生活或者工程中的熱工問題，例如可以分析夏天密閉汽車在陽光下短時間停放，車內溫度就遠高于環境溫度的原因；運用熱力學第一定律說明門窗緊閉房間用電冰箱和空調降溫的可行性，分析結霜、結露、下霧的原因，在相同溫度的水中和空氣中，人們感覺為什么不一樣，等等這些熱力現象。通過引導學生自己思考來鞏固所學的理論知識、提高學習的興趣。

2.2 將熱工基礎的教學與仿真模擬相結合

隨著信息化時代的到來，工業4.0的推進，采用計算機進行輔助計算和設計已經成為當前熱設計和分析的最主要手段之一。因此，將熱工理論的教學與商業分析軟件的應用相結合，有助于學生深入的理解抽象的理論知識，提高學生將理論知識應用于實踐的能力。下面以運用AspenPlus進行熱力循環分析計算為例進行說明。

《熱工基礎》例題6-1：一蒸汽動力裝置按朗肯循環工作，已知汽輪機入口蒸汽壓力p1=3.5 MPa、溫度t1=435℃，汽輪機排汽（乏汽）壓力p2=0.005MPa，求每千克蒸汽在此循環中所作出的凈功，循環熱效率及此動力裝置的汽耗率。

在Aspen Plus中搭建的朗肯循環流程如圖1所以，其中BOIL表示鍋爐，TURBINE表示汽輪機，CONDENSE表示冷凝器，PUMP表示給水泵。設定組分為水，選擇狀態方程為STEAM-TA，建議不要選擇PENG-ROB，因為存在較大誤差。輸入物流1的溫度為33℃，壓力為3.5MPa，水的流量為1 kg/h。鍋爐BOIL設定435℃；壓力為0MPa（壓力為0 MPa表示鍋爐沒有壓降，便于后續蒸汽初壓對循環效率影響的分析）。汽輪機TURBINE設定為等熵壓縮，等熵效率設置為1（默認為0.75，不可逆過程），出口壓力設為0.005 Mpa，有效相態為氣液兩相。冷凝器CONDENSE壓力設定為0.005 Mpa，設定氣相分率為0，給水泵PUMP設定出口壓力為3.5 MPa。

圖1：朗肯循環的Aspen Plus流程圖

進行分析計算可得：循環凈功wnet=1.182 MJ/kg；此朗肯循環的循環熱效率。教材的計算結果wnet=1.185 MJ/kg，t=37.4%，d=3.04kg/(kw h)，與教材的計算結果相比，AspenPlus的計算精度高，同時操作步驟簡便。需要注意汽輪機內部有摩擦，沿途管路有阻力，各處還有散熱損失，所以實際的熱效率應該低于37.4%。

新蒸汽參數對朗肯循環的熱效率有非常重要的影響，運用AspenPlus可方便地研究討論新蒸汽的溫度和壓力對朗肯循環熱效率和汽耗率的影響。該分析過程可通過Aspen Plus的靈敏度計算完成分析。

定義靈敏度分析，分別定義采集變量為H1為流程中物流1的質量焓值，H2為物流2的質量焓值，H3為物流3的質量焓值，H4為物流4的質量焓值。定義控制變量為BOIL的溫度，范圍為400℃ ～800℃，21個分析點。定義制表變量循環效率和汽耗率。計算結果如圖2所示。對初蒸汽壓力的靈敏度分析與初溫的靈敏度分析相同，計算結果如圖3所示。

圖2：蒸汽的初溫對朗肯循環熱效率和汽耗率的影響

圖3：蒸汽的初壓對朗肯循環熱效率和汽耗率的影響

通過上述簡便的搭積木式仿真模擬計算，學生可以直觀地理解蒸汽初溫和初壓對朗肯循環熱效率和汽耗率的影響。進一步，學生還可以課程論文的形式研究再熱循環、回熱循環、熱電聯供循環以及其他先進熱力循環，加深對熱力循環的理解。

2.3 將熱工基礎的教學與熱工自動化專業相結合

由于教學對象為熱工自動化專業學生，因此，需要讓學生深刻理解學習熱工基礎的作用和目的，同時將教學與熱工自動化相結合。鍛煉學生能夠利用熱工基礎理論對簡單熱工過程建模的能力，如在Matlab/Simulink平臺上利用集總參數法分別建立電站冷凝器、過熱器的數學模型，并進行控制仿真等。將所學的控制方法（經典的PID控制、現代控制理論、智能控制等）、優化方法應用于熱工過程對象的控制、優化等，講授各種熱測試儀器基本原理（如干濕球濕度計，套管溫度計測溫誤差分析，熱線風速儀，紅外熱像儀等）。

2.4 將熱學知識與電學知識相比擬

與能源動力類專業的學生不同，自動化專業的學生在學習熱工基礎之前，已經深入學習《電路原理》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》等電學課程。因此，將熱學的知識與電學的知識進行比擬講解，有助于學生對電學或熱學中對應抽象概念的理解，有助于學生對所學知識的融會貫通、有利于教材動量傳遞與熱量傳遞比擬部分的講授；有利于培養學生比擬這種有效的科學創新研究意識。主要涉及的熱電比擬教學內容有穩態導熱部分的熱阻與電阻比擬、非穩態導熱的集總參數法研究與RC串聯電路比擬、導熱問題數值解與電學定律比擬、輻射換熱的表面輻射熱阻和空間輻射熱阻與電學歐姆定律比擬等。

3 結語

熱工基礎作為自動化專業熱工自動化方向的基礎課程，涵蓋了工程熱力學和傳熱學的基礎內容，知識點豐富。在工程教育認證的背景下，自動化專業開設熱工基礎課程，存在教學學時少、經費不足導致的實驗設備缺乏、學生基礎差以及學習興趣缺乏等問題。針對這些問題，本文給出了適應工程教育專業認證和本校實際情況的教學大綱，提出將熱工基礎的教學與生活、工程實踐相結合、與仿真模擬相結合、與熱工自動化專業相結合、與電學知識相比擬等四項改革建議措施。教學實踐表明這些改革舉措有效地提高了學生的整體水平，具有一定的改革意義和借鑒價值。基于持續改進的工程教育理念，我們還將在后續的教學過程中進一步根據學生的反饋持續改進。