《工程熱力學(xué)》教學(xué)實踐初探

王 崗，余 萬，胡 濤，蘇華山

（三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

《工程熱力學(xué)》是能源動力類專業(yè)核心課程，其理論滲透到了熱電、新能源發(fā)電、航天航空、機器人、電子芯片等領(lǐng)域，同時在建筑節(jié)能、環(huán)保與節(jié)能改造等領(lǐng)域也深入交叉，各行各業(yè)中均體現(xiàn)了此門課程的實際應(yīng)用。此外，《工程熱力學(xué)》與機械類交叉較多，幾乎所有機械類設(shè)備在運行過程中不可避免的涉及“局部熱堆積”和能源問題，因此本門課程也是機械類所修專業(yè)課。對于《工程熱力學(xué)》課程的教學(xué)改革，國內(nèi)許多高校已進行了相應(yīng)的試點教學(xué)。華中科技大學(xué)對于《工程熱力學(xué)》課程教學(xué)改革如何適應(yīng)“新工科”建設(shè)進行了詳細探究與分析，提出了新的教學(xué)方法及教學(xué)手段，綜合全面多方位評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[1]。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)分析了《工程熱力學(xué)》適應(yīng)“新工科”背景下教學(xué)改革，探索了如何高效、科學(xué)、合理的講授《工程熱力學(xué)》課程的教學(xué)思路，更好地激發(fā)學(xué)生開創(chuàng)性思維[2]。此外，揚州大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)等多所高校也對《工程熱力學(xué)》的教學(xué)方法和課程建設(shè)進行了初步設(shè)想，并將其應(yīng)用于實踐教學(xué)中，取得了一定的教學(xué)成果[3-4]。如何更高效、科學(xué)、合理地講授本門課程以最大程度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)不同領(lǐng)域的專業(yè)人才是《工程熱力學(xué)》實踐教學(xué)目前所面臨的一大難題。

1 機械類專業(yè)開設(shè)《工程熱力學(xué)》課程

1.1 課程開設(shè)

三峽大學(xué)結(jié)合自身特色于2019年對機械類專業(yè)開設(shè)《工程熱力學(xué)》課程，結(jié)合專業(yè)實際制定了適用于機械類專業(yè)的教學(xué)大綱，希望培養(yǎng)學(xué)生能將相應(yīng)專業(yè)知識用于機械領(lǐng)域復(fù)雜工程問題數(shù)學(xué)模型的求解，且能利用相關(guān)科學(xué)原理識別、判斷及解決機械裝備設(shè)計與制造領(lǐng)域的工程問題。為更好地評判學(xué)生對本門課程的掌握程度，制定了相應(yīng)的課程目標(biāo)：（1）培養(yǎng)學(xué)生逐步掌握工程熱力學(xué)的基本概念、基本定律、基本原理以及氣體和蒸汽的熱力性質(zhì)，學(xué)會應(yīng)用這些基本概念、基本定律等基礎(chǔ)知識進行熱力過程和熱力循環(huán)的分析計算；（2）培養(yǎng)學(xué)生能夠利用本課程的基本理論解決機械領(lǐng)域?qū)嶋H工程應(yīng)用問題。

1.2 現(xiàn)階段存在的問題

通過近三年對機械類專業(yè)學(xué)生講授工程熱力學(xué)課程，梳理整個講授環(huán)節(jié)及學(xué)生對該門課程的最終掌握程度，仍存在下述問題：

（1）工程熱力學(xué)課程是一門理論與實踐結(jié)合比較緊密的課程，其涉及的公式多、概念多、計算多及內(nèi)容廣，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的難度，尤其是對于非能動類專業(yè)學(xué)生，其理論基礎(chǔ)儲備相對較為薄弱，對于各知識點的理解及邏輯性的把握仍有所欠缺。

（2）機械類專業(yè)開設(shè)工程熱力學(xué)的目的是希望學(xué)生最終能夠運用基礎(chǔ)理論解決實際問題，然而學(xué)生在基本公式的求解與推導(dǎo)過程中容易混淆，往往分不清各公式的適用條件，且由于公式的繁多加大了學(xué)生對實際工程問題求解的難度，一定程度上降低了學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生無法學(xué)以致用且加大學(xué)生對基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的抵制情緒。

（3）工程熱力學(xué)的性質(zhì)決定了本門課程主要以理論教學(xué)為主，現(xiàn)階段根據(jù)學(xué)院的實際情況，缺乏實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生無法將所學(xué)的理論真正用于實踐，造成了部分學(xué)生感覺本門課程學(xué)習(xí)較為枯燥，也使得本門課程重理論而輕實踐，使學(xué)生最終所收獲的知識并不理想，影響教學(xué)效果。

（4）學(xué)生的自律性相對較差，尤其是對自己不熟悉的領(lǐng)域，課堂意識及表現(xiàn)不佳，課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)等仍未得到重視；在接受新概念、新理論及新公式時常常因無法與之前的知識融會貫通導(dǎo)致對課堂知識理解不足，逐漸喪失了本門課程的學(xué)習(xí)激情，從而使教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”所產(chǎn)生的效果并不理想。

2 教學(xué)模式探索

2.1 教學(xué)融入課程思政

課程思政是指以構(gòu)建全員、全程、全課育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育根本任務(wù)的一種綜合教育理念。如何更好地將課程思政融入工程熱力學(xué)各章節(jié)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，潛移默化地影響學(xué)生的思想意識和行為舉止是我們要做的重點同時也是難點。以工程熱力學(xué)為例，講述其發(fā)展史時，應(yīng)適當(dāng)穿插各領(lǐng)域的開拓者如何通過專業(yè)知識探索未知的真理，以此奠定工程熱力學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)。如卡諾通過對火的動力研究，構(gòu)建了理想熱機并得出著名的卡諾定理；邁耶分析病人血液顏色在熱帶和歐洲的差異提出了熱與機械運動之間相互轉(zhuǎn)化的思想；焦耳的熱功當(dāng)量實驗奠定了熱力學(xué)第一定理的實驗基礎(chǔ)；克勞修斯通過研究熱力學(xué)第一定律和卡諾原理，提出熱力學(xué)第二定律等。

工程熱力學(xué)課程講授能源章節(jié)時，應(yīng)列舉我國及世界能源研究現(xiàn)狀，分析當(dāng)下各國能源緊缺情況，尤其是傳統(tǒng)化石能源的短缺，嚴(yán)格限制了各國經(jīng)濟發(fā)展，同時觀看相關(guān)能源類短片，激發(fā)學(xué)生能源節(jié)約解決現(xiàn)有能源問題的創(chuàng)新意識。講解基礎(chǔ)理論部分時，以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，說明目前實際應(yīng)用案例，尤其是有關(guān)解決國家關(guān)鍵技術(shù)卡脖子問題的案例，如航空發(fā)動機等，使學(xué)生充分認識到本門課程的學(xué)習(xí)對國家發(fā)展的重要性，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)激情，培養(yǎng)學(xué)生參與專業(yè)技術(shù)前沿的積極探索性，樹立愛國主義情懷。

2.2 實踐教學(xué)

工程熱力學(xué)所涉及的內(nèi)容相對較多，尤其是基礎(chǔ)理論部分知識常常使學(xué)生感覺泛然無味，且由于三峽大學(xué)機械類專業(yè)所開設(shè)的工程熱力學(xué)課程由于課時的限制并未有開設(shè)實踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了部分學(xué)生缺乏對本門課程學(xué)習(xí)的主動性，因此實踐教學(xué)的開設(shè)對于學(xué)生理解和鞏固專業(yè)知識具有積極的意義。實踐教學(xué)方面所開設(shè)的實驗主要有噴管中氣體流動特性實驗、空氣比定壓熱容測定實驗和真空條件下水蒸汽飽和蒸汽壓及汽化潛熱的測定實驗等，學(xué)生可通過實驗環(huán)節(jié)將所學(xué)書本專業(yè)知識與實踐相結(jié)合，加深對基礎(chǔ)理論的理解，同時也使學(xué)生對于實操過程所引起的誤差進行分析，探索實驗與理論之間誤差產(chǎn)生的原因，便于培養(yǎng)學(xué)生的求知欲。此外，也應(yīng)加強科研實踐平臺的建設(shè)，使學(xué)生更好地理解與專業(yè)內(nèi)容相關(guān)的科研項目，提升學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力，從而培養(yǎng)本專業(yè)領(lǐng)域富有創(chuàng)造力的科研人才。

2.3 課程評價體系

完整的課程評價體系更利于對教學(xué)方式的改進，使授課教師及時掌握學(xué)生對專業(yè)內(nèi)容的理解和掌握程度，對薄弱環(huán)節(jié)及時做出動態(tài)調(diào)整，以實現(xiàn)教學(xué)效果的最大化。針對機械類工程熱力學(xué)的教學(xué)評價體系主要從試卷分析、平時考核情況、目標(biāo)達成度主觀評價問卷及分析、目標(biāo)達成度客觀評價及分析、課程目標(biāo)達成度調(diào)查報告等幾方面對本門課程教學(xué)效果進行綜合評價。其中目標(biāo)達成度主觀問卷調(diào)查主要針對學(xué)生自身對書本內(nèi)容理解程度及分析出現(xiàn)低值時自我偏差原因，而客觀目標(biāo)達成度主要是反應(yīng)教學(xué)效果的評價，是對教師在教授本專業(yè)課程的教學(xué)效果的反饋。因此綜合主觀、客觀目標(biāo)達成度分析更利于從學(xué)生及教師的角度完善和改進教學(xué)方式，最終使學(xué)生實現(xiàn)學(xué)以致用、學(xué)以致新、學(xué)以致深和學(xué)以致行的目的。

3 結(jié)語

習(xí)近平總書記在七十五屆聯(lián)合國氣候峰會上提出“我國截止至2030年，碳排放量達到峰值；截止至2060年，實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，為適應(yīng)可再生能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，培養(yǎng)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的復(fù)合型人才，三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院根據(jù)自身特色，結(jié)合三峽水電站、葛洲壩水電站為研究基礎(chǔ)，充分發(fā)揮水能高效清潔利用特點，深入貫徹“低碳、清潔、高效”的理念，發(fā)展多種可再生能源利用方面特色教學(xué)改革，作為可再生能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科—工程熱力學(xué)，在可再生能源領(lǐng)域培養(yǎng)專業(yè)人才方面至關(guān)重要，符合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，在“雙碳”目標(biāo)大背景下培養(yǎng)該領(lǐng)域內(nèi)富有創(chuàng)造力的科研人員及具有相應(yīng)專業(yè)知識的高級工程技術(shù)人員，更好地服務(wù)于國家能源建設(shè)。