能源与动力工程专业工程热力学课程的教学改革

发布时间:2019-12-08  点击量:

作者:李爱琴 邹玉 杜文海 俞接成
  【摘要】能源与动力工程专业方向调整后,增加了暖通专业的口径和内涵,这就要求工程热力学课程体系、教学内容、教学方式与培养宽口径、厚基础、强能力、高素质应用型人才相适应。根据能源与动力工程专业的专业特色和工程热力学的特点,从提高课堂质量和激发学生兴趣入手,结合作者教学实践,对工程热力学从教学内容、教学方法、教学方式等多方面,进行了一系列教学改革创新实践,形成了一套行之有效的教学体系,在实践运用中取得了良好的教学效果。所取得的研究成果不仅对工程热力学教学改革有积极作用,对其他能源与动力工程专业基础课的改革也有借鉴意义。
  【关键词】工程热力学  教学改革  教学成果
  【中图分类号】TB131 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2019)29-0238-02
  1.引言
  工程热力学是能源与动力工程、过程装备与控制工程、机械工程、油气储运工程等专业重要的基础课,是培养热能相关的各领域具有创新能力人才的基础,也是培养21世纪工科学生科学素质的公共基础课[1-2]。通过本课程的教学,使学生能熟练掌握能量转换及其应用过程的基本规律,学会应用热力学第一定律与第二定律的理论体系分析解决工程实际问题的基本原理与方法,掌握相关的热能转换与利用设备的热力计算理论,为后续专业基础课及专业课奠定基础。因此学生掌握工程热力学课程基本理论,直接影响其专业水平,对今后从事科学研究、工程应用及管理工作都非常重要。
  2.教学内容、教学方法、教学方式等多方面的教学改革
  2.1 教学内容的改革
  工程热力学的研究对象主要是能量转换,特别是热能转化成机械能的规律和方法,以及提高转化效率的途径,以提高能源利用的经济性。[3]其课程特点可用“概念多、公式多、内容多、抽象难懂”加以概括[4]。以目前应用比较广泛的高等教育出版社出版的沈维道、童钧耕主编的《工程热力学》第五版教材[3]为例,全部内容可分为三大部分(见图1),①基础概念和基本理论,②工质的基本热力性质,③基本理论的工程应用。①基本概念和基本理论部分,包括工程热力学相关概念(热力系统、状态参数、平衡过程及可逆过程等等)、热力学第一定律与第二定律,这是工程热力学的理论基础。其中热力学第一定律描述了热能和机械能相互转换的数量关系;热力学第二定律解析了热能和机械能之间品质的区别,提出了能量转换的方向、条件与限度。(对应1、2、5章)。②研究工质的基本热力性质。(对应3、4、6、12章)。主要讲述工质(理想气体、水蒸气和湿空气)在能量转换过程中状态参数变化的规律。③讲述典型热工设备(包括压气机、内燃机、空调及喷管等)的工作过程。即应用热力学基本定律,分析并计算工质在典型热工设备中经历的循环及过程,在此基础上,探讨和分析了影响能量转换的因素,得到提高转换效果的途径。(对应7、8、9、10、11章)。学生在学习了热力学第一定律与热力学第二定律,掌握了理想气体和实际气体的热力性质和过程基本规律之后,可以应用这些基本知识分析一些热工设备的理想工作过程,完成对所学知识的第一次初步理解和应用。在达到熟练应用理论知识的基础上,更深层次的应用所学的工程热力学知识,深入分析实际装置中的热力过程和多种循环,从而达到能在更高的认知层面上进一步综合、灵活应用工程热力学的知识去解决实际问题。在完成上述过程后,分发给不同专业的学生课外作业,鼓励学生将所学的工程热力学知识与本专业的研究内容结合起来,达到灵活应用理论知识解决实际问题的教学目的。
  2.2 教学方法的改革
  (1)针对重要内容,将知识体系融会贯通
  工程热力学的课程体系复杂,公式较多且易混淆。[5]教学过程中注重基本概念和公式推导的讲解,以使学生了解和掌握公式的来源及物理定义。将相关联的课程体系建立联系,利用知识链的牵引功能进行教学。例如熵及其相关概念比较抽象并难于理解,在大多数现用教材的内容编排上,熵方程及热力学第二定律的各数学表达式的内容是相互独立的。在长期教学中发现:学生学习这部分内容时感觉难度较大,在使用孤立系熵增原理表达式和克劳修斯积分等式和不等式时,不等式的方向经常用反。笔者在上课过程中通过熵方程把热力学第二定律的数学表达式串联起来,形成知识链[6];使看起来抽象的、孤立的知识简洁化、系统化,并将这种知识链应用到工程热力学的教学实践中。从近年来的教学成效看,学生掌握这部分内容的能力和灵活性大大增强。
  (2)从实际问题出发,开展参与式[7]、启发式教学
  工程热力学作为专业基础课,最终目的还是要求回归工程实践,解决具体的工程问题。从研究方法的角度,工程热力学普遍采用抽象、概括、理想化和简化的方法。这种略去细节、抽出共性、抓住主要矛盾处理问题的方法,不但不脱离实际,而且更深刻地反映了事物的本质,是科学研究的重要方法。在教学中秉承培养学生的科学研究思维的初衷,教会他们将复杂的工程问题简化为理想模型,得出基本规律后,用于指导实践。开展启发式教学,科学源于生活,因此在授课过程中,结合具体专业,引出与理论相关的具体工程实例,培养学生利用所学的理论知识分析、解决问题的能力。例如在讲解热力循环经济型评价时,提出“用空调供热还是用电暖气供热更经济”话题,引发学生思考。又如讲解到湿空气章节时,提出“冬天,戴眼镜的同学如何在进入室内时避免眼镜起雾?”的问题,让学生从基本原理中探寻答案。通过将基本概念和理论与熟悉的生活现象联系起来,启发学生思考,提高他们学习工程热力学的兴趣和主观能动性。
  (3)重视实验教学,培养工程觀念
  工程热力学作为基础理论与应用兼备的一门课程,实验是必不可少的教学环节,也是帮助学生理解理论知识,培养学生工程实践观念的重要途径。目前,北京石油化工学院开设的工程热力学实验课时数为8学时,实验项目为:“气体定压比热测定实验”、“二氧化碳P-V-T关系测定”、“饱和蒸汽P-T关系实验”和“喷管实验”。学生通过参与实验课程的学习、加深了热力学基本定律、公式的理解,增强了学生实验技能的训练。除此之外提出工程热力学选做实验教学内容(综合性或设计性)的方案。为学生开设一些有工程背景的工程性实验,对实验技能进行综合训练,将传统的测量手段与现代测量手段相结合,启发学生自觉的接触实际问题,以提高学生的创新能力和动手能力。已开设实验项目有:“燃气采暖系统热效率分析”、“多种温度测试方法比较”、“空调制冷系统综合实验”、“新型工质热物理性质测定实验”。

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