工程熱力學課程研究型教學實踐探索

李育隆，韓 燦，董苯思

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院 北京 102206；2.北京航空航天大學航空發動機研究院 北京 102206）

工程熱力學是北京航空航天大學航空宇航科學與技術和動力工程及工程熱物理學科的重要專業基礎課，旨在幫助學生了解掌握熱力學的普遍原理、各類熱機工作過程及循環特性，是后續航空發動機原理等專業課程的理論基礎。工程熱力學概念多、公式多，內容抽象且難理解，對學生的數理基礎和思維能力要求較高。歷年來，教師教授工程熱力學時，都將大部分課時投入概念、公式等理論部分的講解，而缺少與實際工程問題和物理問題的聯系，導致學生對該學科的工程實踐缺乏認識[1-3]，在后期實踐應用中無法運用工程熱力學的知識解決實際問題。因此，工程熱力學課程教學改革已刻不容緩。

研究型教學已在國內外廣泛應用，該方法將教學和科研實踐緊密結合，是課程教學方式的一項重要改進措施。19 世紀初，洪堡提出了“教學與科研統一”理念，這一理念在柏林大學的辦學中實踐，實現了大學教學與科研的促進和統一[4]。研究型教學將科學研究和課堂教學相結合，使學生的創新思維得到增強，解決問題的能力和對所學知識的實際應用能力得到提高[5-6]。近年來，研究型教學也在我國高等教育中獲得了重視及發展。2005 年，教育部提出要“積極推進研究型教學，提高大學生的創新能力”[7]。2015年4 月，教育部提出了“強化‘科教融合’辦學的新形勢與新任務”[8]，各高校在新的政策下開始尋求新的辦學模式。

本文在工程熱力學課程教學中引入研究型教學模式，探索教學實踐，將教學、科研與工程實踐緊密結合，增強學生的科研創新思維能力與工程實踐能力，以實現培養服務國家需求、引領時代發展的未來領軍領導人才的目標。

1 課程研究型教學模式實踐探索方案

1.1 對現有課程內容的優化、擴充、更新

工程熱力學課程教學內容概念多、公式多、內容抽象，基礎理論占有很大比重，需重新梳理教學方法、整理教學邏輯，保證學生掌握基本理論知識和技能，建立牢固的專業基礎。同時，加入與實際工程實踐以及航空航天相關專業知識應用的內容，使學生能將理論與工程實際相結合，達到學以致用的目的。具體教改措施包括以下兩方面。

1.1.1 梳理教學方法、整理教學邏輯

重新梳理教學方法，注重授課邏輯，方便學生了解和掌握熱力學知識，從由簡到繁的邏輯順序出發教授課堂內容。如在教授各種功的概念和聯系時，因概念眾多且關系復雜，學生理解較為困難，需基于如下流程重新梳理授課邏輯：①通過簡單的閉口系能量方程引出容積變化功或膨脹功的概念和物理意義；②從較復雜的開口系能量方程引出推動功、流動功的概念和物理意義；③從工程實際問題的需要出發，引出技術功、軸功的概念和物理意義；④通過穩定流動能量方程下閉口系和開口系的等價性，揭示開口系工質流動中隱藏的控制質量的本質屬性，從而進一步導出閉口系中膨脹功與開口系中技術功的關系；⑤采用方程的形式描述各種功之間的關系、各個功的物理意義以及能量的變化形式。經過以上過程，將由淺入深地使學生掌握各種功的概念和物理意義。

1.1.2 增加工程實踐及專業知識的教學

目前，工程熱力學課程教學內容以理論知識為主，教學過程中與工程實踐的聯系較為匱乏，亟待在授課內容中增加理論知識應用實例，增強理論與工程實踐的聯系。如在學習氣體動力循環基礎理論知識時，對目前使用的航空發動機、車輛發動機、輪船發動機、火力發電廠、制冷空調等的能量循環利用原理進行講解；學習能源分類的基礎內容時，對新能源汽車中應用的技術和發展現狀進行介紹。這些工程實踐的教學內容可引導學生討論和思考、培養將理論知識轉化為專業技術的能力。

增加專業相關及學科前沿內容，在原有教學內容的基礎上增加航空發動機熱力循環的應用實例，以及航空電推進等前沿技術中的熱力學應用，向學生展示本專業最前沿的科學技術與成果，培養學生的科研興趣及學習積極性。

1.2 設置研究型專題實踐

在對授課的主要內容進行優化改進的基礎上，為了進一步提高學生自主學習的能力，同時更好地掌握相關知識點，為后續專業課的學習打好基礎，特設置研究型專題實踐。熱力循環分析是工程熱力學知識體系集成的能力體現，根據航空航天專業對工程熱力學的理論需求，選擇燃氣輪機裝置的定壓加熱實際循環作為專題進行探究討論，對循環熱效率及功率隨循環參數的變化規律進行研究，提出并分析提高燃氣輪機裝置熱效率的措施。

研究型專題實踐流程為：①課前，教師介紹專題的背景，引入專題問題，布置專題任務；②學生通過獨立研究、小組合作研究或獨立研究與集體討論相結合的方式對專題問題進行分析解答；③在學生對問題進行分析和解答的過程中，教師和助教對學生的研究情況進行全程跟蹤和指導，從而了解學生專題研究的進展與問題，以便及時提供指導和幫助，確保研究型專題實踐順利進行；④學生完成專題內容，將結果寫成報告或論文，在上課時進行小組匯報和答辯。

2 研究型專題具體案例

本節將介紹研究型專題案例的主要內容、實施方法和意義。案例的主要內容包括：①不同工質的燃氣輪機循環熱效率和循環凈功隨循環參數的變化分析；②采用回熱時循環的熱效率變化分析。

燃氣輪機裝置是一種以空氣和燃氣為工質的熱動力設備，根據循環過程中各熱力參數的數學關系以及循環熱效率和循環凈功的定義，可得到燃氣輪機循環熱效率和循環功隨熱力循環參數變化的數學關系，并做出關系圖，如圖1 所示。

圖1 不同增溫比下循環熱效率隨循環增壓比的變化

學生進行該部分專題案例研究的過程為：①編程得到燃氣輪機裝置循環熱效率和循環功隨熱力循環參數變化的情況；②分析當循環增壓比一定時，循環增溫比對循環熱效率及循環功的影響規律，探究循環最高溫度的選取標準和選取范圍，并結合航空發動機實際參數進行討論分析；③分析當循環增溫比一定時，循環增壓比對循環熱效率和循環功的影響，探究循環增壓比極值規律及其極值與循環增溫比的關系，并調研實際航空發動機中使用的燃氣輪機裝置的循環增壓比范圍；④研究壓氣機的絕熱效率對燃氣輪機熱效率的影響規律，調研實際航空發動機中壓氣機絕熱效率大致范圍及提高措施。

當燃氣輪機裝置所使用的工質不同時，其絕熱比也隨之變化。專題將在已有熱力循環分析的基礎上探究不同工質絕熱比對循環熱效率和循環功的影響規律，學生進行該部分內容研究的具體過程為：做出燃氣輪機裝置熱效率和循環功隨不同工質絕熱比的變化關系圖，分析不同工質做功時，循環熱效率和循環功的變化情況，得到相應的變化規律，并針對航空發動機中常用的工質進行具體分析。

以上從熱力循環分析角度研究了定壓加熱實際循環的熱效率以及循環功的影響因素，探究了提高循環熱效率及循環功的方法。除改變循環特性參數、改變循環工質的方法外，還可以從改進循環著手，例如采用回熱的方式提高循環熱效率。圖2 為采用回熱后系統循環熱效率隨回熱度變化的關系圖。

圖2 增加回熱措施的燃氣輪機循環熱效率

學生進行該部分內容研究的具體過程為：①做出采用回熱措施后系統熱效率隨回熱度變化的關系圖，分析熱效率變化的規律；②調研分析回熱器裝置的尺寸、重量、費用等與回熱度的關系，對兼顧高循環熱效率及低附加尺寸、附加重量的回熱循環經濟性進行探究；③調研使用回熱裝置的典型系統，并探究討論其系統中合適的回熱度及使用回熱器后熱效率的增大值；④調研航空發動機提高裝置系統循環熱效率的其他可行方法，對典型方法的優缺點進行分析比較。

待學生完成上述所有分析后，調研總結民用航空發動機、軍用航空發動機及微型燃氣輪機、重型燃氣輪機等燃機實際循環性能參數。根據上述專題的學習和探索，分析各參數的變化規律和原因，探究進一步提高發動機循環熱效率、挖掘能源利用潛力的方法。

本研究型專題通過建立循環熱效率和循環功的數學模型，可加深學生對燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環的理解。通過編程的方法得到循環熱效率和循環功的變化關系圖，可鍛煉學生的理論推導能力、編程能力以及圖形表達能力。學生對計算結果進行比較分析，同時聯系專業內容，對航空發動機循環參數以及熱效率提高方法進行調研探討，可提高科技寫作能力、文獻查閱能力以及自主思考能力，更加凸顯專業和學科結合的特色。

3 結語

本文使用研究型教學的模式對工程熱力學課程教學進行改革，主要包括對現有課程內容的優化擴充更新以及設置研究型專題實踐兩方面的內容。本文的教學探索有助于培養“強情懷、強基礎、強實踐、強融通”的“四強”人才，為工程熱力學課程教育的科學化、現代化和高效化改革實踐積累了經驗。