新能源專業(yè)“工程熱力學(xué)”教學(xué)方法探討

孫紅闖 侯 峰 吳曉亭

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)<能源與動(dòng)力工程學(xué)院>，河南 鄭州450001）

1 課程背景

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益突出，對(duì)能源領(lǐng)域的發(fā)展又提出了新的要求，需要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷革新、不斷進(jìn)步，提高能源的綜合利用率，開(kāi)發(fā)利用新能源。為完成能源變革，需要源源不斷地供給人才，才能保證后續(xù)的發(fā)展，滿足時(shí)代需求。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的專業(yè)人才。因此，完善新能源領(lǐng)域的教學(xué)大綱，改進(jìn)教學(xué)方法，改革教學(xué)理念，才能培養(yǎng)出符合時(shí)代需求的新能源領(lǐng)域人才[1]。

工程熱力學(xué)作為能源動(dòng)力類的一大支柱，是能源科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)理論課，涉及的專業(yè)包括熱能動(dòng)力工程、制冷與低溫工程、飛行器動(dòng)力工程以及新能源科學(xué)與工程等。工程熱力學(xué)主要研究熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的基本理論，以提高熱能利用完善程度，為學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程和解決熱工領(lǐng)域的工程技術(shù)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)[2]。工程熱力學(xué)具有抽象概念多、專業(yè)術(shù)語(yǔ)多、基礎(chǔ)公式多、綜合計(jì)算多、工程應(yīng)用廣泛、系統(tǒng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。現(xiàn)實(shí)生活中有很多工程熱力學(xué)的應(yīng)用，如溫度計(jì)測(cè)溫、水的沸騰過(guò)程、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、熱力發(fā)電廠等，可以直觀能夠觀察到熱力學(xué)過(guò)程；但也有熵、火用、可逆過(guò)程、平衡狀態(tài)、孤立系等現(xiàn)實(shí)中無(wú)法直觀感受的抽象概念或理想模型。工程熱力學(xué)作為能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)，也是新能源領(lǐng)域人才必須打好的專業(yè)基礎(chǔ)，需要有牢固的基礎(chǔ)知識(shí)，熟練的動(dòng)手能力，以及敏銳的科學(xué)思維，充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2 教學(xué)內(nèi)容及考核方式

鄭州輕工業(yè)大學(xué)新能源科學(xué)與工程系采用沈維道、童鈞耕編著的工程熱力學(xué)（第五版）為教材，除緒論外共有十三章的主要內(nèi)容[3]，從熱力學(xué)基本概念和定義入手，按照點(diǎn)—線—面—體的關(guān)系逐步深入開(kāi)展。熱力學(xué)狀態(tài)是以基本概念為基礎(chǔ)構(gòu)成的點(diǎn)，工質(zhì)從一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)變化到另一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)構(gòu)成熱力過(guò)程線，這些熱力過(guò)程線遵循熱力學(xué)定律，具體變化過(guò)程由工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)決定；多個(gè)熱力過(guò)程線組合可構(gòu)成熱力循環(huán)，從原理上實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換；再與測(cè)控等輔助系統(tǒng)相結(jié)合得以工程應(yīng)用。

工程熱力學(xué)安排在第3學(xué)期，共56個(gè)學(xué)時(shí)，包括52教學(xué)學(xué)時(shí)和4實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上最為活躍，更容易接受所學(xué)的內(nèi)容，記憶也更加深刻，這在二氧化碳p-v-T實(shí)驗(yàn)和綜合制冷制熱實(shí)驗(yàn)上都有體現(xiàn)，其原因在于學(xué)生親身參與到了教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中；但當(dāng)學(xué)習(xí)抽象的熱力學(xué)概念時(shí)，明顯感覺(jué)同學(xué)們很吃力，比如，熱力學(xué)第二定律中開(kāi)爾文表述與克勞修斯表述等價(jià)性的證明。因此，筆者認(rèn)為在熱力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)或?qū)嵺`環(huán)節(jié)，完成熱動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)、噴管流動(dòng)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，來(lái)提高教學(xué)效果。

工程熱力學(xué)目前的考核方式仍以考試為主，占總成績(jī)70%，考查學(xué)生對(duì)基本概念、基本原理的掌握情況，對(duì)基本熱力過(guò)程和重要循環(huán)的圖解能力，以及對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分解剖析能力。考試題目形式包括：名詞解釋、簡(jiǎn)答題、作圖題及計(jì)算題。如噴管流動(dòng)，需要學(xué)生掌握噴管的類型及選擇依據(jù)、設(shè)計(jì)步驟，且需要熟練掌握基本公式，以計(jì)算題形式方能全面考察。除此之外，還關(guān)注學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)，如出勤、上課表現(xiàn)、作業(yè)情況、實(shí)驗(yàn)課表現(xiàn)、課外閱讀等。由于新能源的專業(yè)特征，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)具有更好的教學(xué)效果[4]，故而筆者認(rèn)為應(yīng)提高平時(shí)成績(jī)的比例，以此來(lái)激發(fā)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的熱情，參與到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，體會(huì)科研的樂(lè)趣。

3 產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合教學(xué)方法探討

工程熱力學(xué)一直有學(xué)生難學(xué)、老師難教的特點(diǎn)，其主要原因是抽象的概念多[5]，單靠課堂講授難以滿足學(xué)生的需求，需要采用多元化教學(xué)方式，吸引學(xué)生興趣，提高課堂效率。首先，教學(xué)內(nèi)容須有側(cè)重，重點(diǎn)知識(shí)需精講細(xì)講、重復(fù)講解；其次，要注意理論與實(shí)際案例相結(jié)合，充分利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、視頻資源、生活實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生多動(dòng)手、多查閱、多思考；最后，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師線上答疑，把問(wèn)題解決在平時(shí)。

工程熱力學(xué)中的很多內(nèi)容是在實(shí)際的基礎(chǔ)上加以理想化所建立，目前仍然有很多學(xué)者致力于工程熱力學(xué)的研究中，從理論上、方法上、工程技術(shù)上探索提高系統(tǒng)效率，提高能量利用率的途徑。在大力呼吁節(jié)能環(huán)保的當(dāng)下，更多學(xué)者希望從熱力學(xué)基本原理這一根本上解決節(jié)能環(huán)保的問(wèn)題。于是，開(kāi)發(fā)利用新能源成為現(xiàn)如今熱門(mén)的研究課題。新能源的開(kāi)發(fā)利用涉及能源、材料、機(jī)械、化工等多門(mén)學(xué)科的技術(shù)變革，需要多學(xué)科交叉培養(yǎng)。在熱力學(xué)課程上讓學(xué)生更好、更快得認(rèn)識(shí)熱力學(xué)的基礎(chǔ)概念、基本原理、基本公式、基本過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，加深實(shí)踐能力、提升創(chuàng)新能力，將產(chǎn)品革新與學(xué)習(xí)和研究融合到一起，提高學(xué)生的凝聚力和創(chuàng)造力。

新能源大力發(fā)展太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒁约肮I(yè)余熱利用，屬于熱力學(xué)研究的范疇，這些熱能有一共同點(diǎn)，就是溫度偏低，屬于低品位熱能，從卡諾效率的角度來(lái)看，中低溫?zé)嵩从糜诎l(fā)電效率不高，利用成本相對(duì)較高，因此，盡管中低溫?zé)嵩磧?chǔ)量很大，但研究很少，在近10年才成為熱門(mén)方向。從基本原理上講，中低溫余熱發(fā)電大多仍采于蒸汽動(dòng)力循環(huán)，因此，在蒸汽動(dòng)力循環(huán)的教學(xué)環(huán)節(jié)可增加這一內(nèi)容，以有機(jī)物為工作流體，結(jié)合有機(jī)工質(zhì)的特性和中低溫?zé)嵩吹奶匦裕跓崃W(xué)第一、第二定律，研究有機(jī)朗肯循環(huán)的基本原理、循環(huán)構(gòu)成、影響因素、性能指標(biāo)等內(nèi)容，掌握中低溫?zé)嵩蠢士涎h(huán)性能提高的要點(diǎn)，提出可行的措施，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為中低溫?zé)嵩窗l(fā)電技術(shù)的進(jìn)步提供理論支持。實(shí)際上，中低溫?zé)嵩窗l(fā)電的研究目前已有很多，將產(chǎn)品研發(fā)與教學(xué)科研結(jié)合在一起是培養(yǎng)綜合型人才的一種有效途徑。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿足新能源領(lǐng)域的發(fā)展，需要源源不斷培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的綜合型人才，具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，熟練的動(dòng)手能力，以及敏銳的創(chuàng)新意識(shí)，為未來(lái)新能源的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎(chǔ)。工程熱力學(xué)作為能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論課，在新能源領(lǐng)域人才教育方面有著至關(guān)重要的作用，但與傳統(tǒng)能源又有顯著的差異，其教育方式也應(yīng)當(dāng)有顯著的區(qū)別，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，課堂教學(xué)與線上答疑同步進(jìn)行，在保證基礎(chǔ)內(nèi)容牢固的前提下，充分發(fā)揮學(xué)生的動(dòng)手能力和想象力，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提出新思路，并通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)鞏固所學(xué)，為新能源技術(shù)的進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。