《工程熱力學(xué)》課程教學(xué)改革探索

摘要：針對工程熱力學(xué)內(nèi)容面廣、量大、概念抽象且難懂的特點(diǎn)，提出采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果;利用網(wǎng)絡(luò)課堂，加強(qiáng)與學(xué)生的交流;重視教學(xué)材料的選擇;改革課程考核方法等來提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué);教學(xué)改革;探索

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0090-02

工程熱力學(xué)是研究熱能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科[1]。由于在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中所遇到的大多數(shù)技術(shù)問題，幾乎所有的其他能量最終都是以熱能的形式耗散于環(huán)境之中，因此工程熱力學(xué)是能源動力類工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于工程熱力學(xué)內(nèi)容面廣、量大，概念抽象而晦澀難懂[2]，相當(dāng)一部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定的困難。筆者從事工程熱力學(xué)教學(xué)十余年，發(fā)現(xiàn)每年工程熱力學(xué)的不及格率都比較高，如何讓學(xué)生更好地掌握工程熱力學(xué)的各個(gè)知識點(diǎn)，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，成為擺在工程熱力學(xué)教師面前的一大課題。

一、有效組織教學(xué)活動——巧設(shè)質(zhì)疑問難，點(diǎn)撥另辟蹊徑

傳統(tǒng)的以教師為主體的“填鴨式”的教學(xué)方式忽視了學(xué)生的主體性、能動性，不注重發(fā)揮他們的積極性，因而這樣的教學(xué)過程是單向的。而啟發(fā)式教學(xué)就是尊重學(xué)生的人格和主體性，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，因而教學(xué)過程是民主的、雙向的。

1.啟發(fā)式提問。提問啟發(fā)式是指“真正揭示了事物的客觀矛盾，能夠形成問題的情境，引起學(xué)生積極地開動腦筋，主動地思考學(xué)習(xí)，從而獲得舉一反三的成效的提問方式?！盵3]提問，重在“善誘”，貴在啟發(fā)學(xué)生心志，培養(yǎng)其思維，既不能“一語道破天機(jī)”，又不能讓人“望塵莫及”，所以要講究合理設(shè)問。因此在教學(xué)中實(shí)施啟發(fā)式提問時(shí)要注意幾點(diǎn)：第一，抓重點(diǎn)、難點(diǎn)提問，張舉綱目;第二，從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，因地制宜，有目的地進(jìn)行設(shè)問，所提問題既不過于簡單，又不太難，最好能讓學(xué)生“跳一跳才能摘到果子。”給予學(xué)生一點(diǎn)思考的空間和一些思辨的機(jī)會，所提問題才更有價(jià)值。如在講解“熱力學(xué)第二定律開爾文說法”時(shí)，書上的定義為：不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動機(jī)。隨即提出這樣一個(gè)問題：“理想氣體進(jìn)行定溫膨脹時(shí)，從單一恒溫?zé)嵩次氲臒崃咳哭D(zhuǎn)化為對外作出的功。它似乎與開爾文說法矛盾，那么我們該如何理解呢？”如此設(shè)問使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)識上的矛盾，激發(fā)學(xué)生探求的興趣，讓學(xué)生思考、爭論。在學(xué)生經(jīng)過思考、回答后，教師可以講解“過程”和“循環(huán)”的區(qū)別，從而解決所提出的問題。再例如許多同學(xué)對“耗散掉的功”和“作功能力損失”這兩個(gè)概念搞不清楚。在講到孤立系統(tǒng)的熵增原理時(shí)，當(dāng)孤立系統(tǒng)中發(fā)生了機(jī)械功經(jīng)摩擦等不可逆作用而轉(zhuǎn)換為熱量時(shí)，這部分熱量被孤立系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)溫度為T的物體吸收，那么該熱量是否還具有作功能力？在課堂教學(xué)的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分同學(xué)認(rèn)為這部分耗散掉的功不再具有作功能力，它就是作功能力損失。經(jīng)過同學(xué)們各抒己見和熱烈的討論后，教師可以做出總結(jié)：①若T>T0（T0表示環(huán)境溫度），那么理論上可以在T和T0之間放置一可逆熱機(jī)，這部分耗散熱仍可以回收一部分可逆功，此時(shí)“耗散掉的功”不等于“作功能力損失”。②若T=T0，也就是耗散熱如果全部被一個(gè)溫度與環(huán)境溫度相同的物體吸收，那么這部分熱量就不再具有作出有用功的能力，或者說作功能力喪失殆盡，此時(shí)“耗散掉的功”等于“作功能力損失”。通過啟發(fā)式提問，促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立、認(rèn)真的思考問題，這樣對概念的理解就更為深刻。

2.對比啟發(fā)式。19世紀(jì)的俄國教育學(xué)家烏申斯基說“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)。我們正是通過比較來了解世界上的一切的。”工程熱力學(xué)中的概念多且抽象，在教學(xué)中運(yùn)用比較法，不但可以引起學(xué)生的高度注意，促進(jìn)積極思考，培養(yǎng)分析和鑒別事物的能力，還有助于學(xué)生全面、深刻的理解概念、原理。在講解工程熱力學(xué)第一章熱能動力設(shè)備時(shí)，以內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽動力裝置為例分析了熱能動力裝置中能量轉(zhuǎn)換情況。從上述三種熱機(jī)的工作情況可以看出，它們構(gòu)造不同，工作特性不同，但吸熱、膨脹作功、排熱對任何一種熱能動力裝置都是共同的，也是本質(zhì)性的。熱力學(xué)第二定律指出在相同的溫限內(nèi)，卡諾循環(huán)的熱效率最高。在講解第十章的“朗肯循環(huán)”時(shí)，需要把朗肯循環(huán)和卡諾循環(huán)進(jìn)行對比，分析各自循環(huán)的利弊。在采用水蒸氣為工質(zhì)時(shí)，液體在定壓過程中蒸發(fā)溫度和凝結(jié)溫度不變，因而就有可能進(jìn)行定溫吸熱和定溫放熱。以蒸汽為工質(zhì)時(shí)，理論上可以采用卡諾循環(huán)。但實(shí)際過程中往往不采用卡諾循環(huán)，主要原因如下：①在汽輪機(jī)膨脹末期，干度太小，不利于動力機(jī)的安全。②由于工質(zhì)為兩相混合物，在壓縮過程中容易造成壓縮機(jī)工作不穩(wěn)定。③由于卡諾循環(huán)限制在濕飽和蒸汽區(qū)，上限溫度必須在臨界溫度以下，因此即使采用卡諾循環(huán)，其熱效率也不高。由于以上種種原因，在實(shí)際循環(huán)中需要對卡諾循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，形成了現(xiàn)有的實(shí)際蒸汽動力循環(huán)的基礎(chǔ)——朗肯循環(huán)。通過卡諾循環(huán)和朗肯循環(huán)的對照，使學(xué)生對卡諾循環(huán)有了更為深入的認(rèn)識，同時(shí)讓學(xué)生懂得實(shí)際循環(huán)不僅僅要考慮熱效率，還要注意設(shè)備運(yùn)行的安全。

除此以外，還有技術(shù)功與膨脹功的比較，功和熱量的比較，正向循環(huán)和逆向循環(huán)的比較，等等。通過對比，不僅使教學(xué)由縱向向橫向展開而縱橫交錯(cuò)，還可增強(qiáng)教學(xué)的關(guān)聯(lián)性和生動性。

二、努力轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式——利用網(wǎng)絡(luò)課堂，引入一泓清泉

1.通過網(wǎng)絡(luò)課堂方便學(xué)生自學(xué)。由于學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)能力存在差異，課堂教學(xué)難以滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。部分“尖子生”希望老師的教學(xué)內(nèi)容再深入一些，而部分基礎(chǔ)較差的學(xué)生希望多復(fù)習(xí)、鞏固基本內(nèi)容。利用網(wǎng)絡(luò)課堂，恰似引入一泓清泉，不僅可以很好地兼顧各類學(xué)生的需要，有效地輔助學(xué)生進(jìn)行自主性學(xué)習(xí);任課教師還可以把教學(xué)大綱、多媒體課件、例題、練習(xí)題答案、自測題等教學(xué)資料上傳至網(wǎng)絡(luò)課堂，并根據(jù)授課情況及時(shí)補(bǔ)充和更新。這樣學(xué)生可以根據(jù)自己對課程內(nèi)容的掌握情況，自主地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)為部分學(xué)有余力的學(xué)生的進(jìn)一步深造打下良好的基礎(chǔ)。endprint

2.通過網(wǎng)絡(luò)課堂加強(qiáng)師生交流。作為一門概念性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，任課教師必須要清楚學(xué)生對概念的理解怎么樣，而網(wǎng)絡(luò)課堂為師生交流架起了“橋梁”。利用網(wǎng)絡(luò)課堂可以進(jìn)行網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上討論，這樣可加強(qiáng)師生交流，方便師生雙方。如有學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課堂提出：經(jīng)不可逆循環(huán)后，工質(zhì)的熵變應(yīng)大于零，理由是不可逆過程存在熵增。要回答這個(gè)問題，必須講清楚兩點(diǎn)：①緊緊抓住概念的定義，循環(huán)定義是指工質(zhì)經(jīng)過若干過程后，又回到原來狀態(tài)。②熵是狀態(tài)參數(shù)。既然起點(diǎn)和終點(diǎn)是同一點(diǎn)，那么熵變必然為零。網(wǎng)絡(luò)多媒體的信息為全開放的、多樣的，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課堂上可以主動地與教師、同學(xué)建立雙向或多向的交流;教師也可以同時(shí)與一個(gè)或多個(gè)學(xué)生建立關(guān)系，進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)或集體指導(dǎo)，課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)是互動的、網(wǎng)狀的，打破傳統(tǒng)教學(xué)的單一性。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為學(xué)生發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維的發(fā)展和創(chuàng)新能力的孕育提供了肥沃的土壤，通過網(wǎng)絡(luò)課堂的使用，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源立體化、網(wǎng)絡(luò)化。

三、合理篩選教學(xué)材料——優(yōu)化教學(xué)資源，借鑒他山之石

教材作為課程的核心教學(xué)資源，其重要性不言而喻。經(jīng)過教研組研究討論，選用沈維道、童鈞耕主編的“工程熱力學(xué)”（第四版）作為主要教材，該教材是普通高等學(xué)校教育“九五”和“十一五”國家級規(guī)劃教材，根據(jù)教育部新制定的“高等學(xué)校工科本科工程熱力學(xué)教學(xué)基本要求”，并吸收了最新的熱工科技成果，也是首屆國家級精品課程主講教材。參考書主要推薦由西安交通大學(xué)何雅玲教授主編的“工程熱力學(xué)精要分析及典型題精解”，該書按照“工程熱力學(xué)”典型教材的章節(jié)進(jìn)行劃分，每章均按照基本要求、基本知識點(diǎn)、公式小結(jié)、重點(diǎn)與難點(diǎn)、典型題精解、自我測試等6個(gè)環(huán)節(jié)來編寫，并對部分典型題給出具體的分析、解題過程，對于一題多解的例題給出不同的解法，目的是突出基本概念、基本原理，明確重點(diǎn)和難點(diǎn)，富有啟發(fā)性;同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，注重學(xué)以致用，培養(yǎng)其解決實(shí)際問題的能力。

四、實(shí)施多元評價(jià)方式——關(guān)注發(fā)展過程，提升綜合素養(yǎng)

在課程考核過程中，改變“一考定終身”的方法，采用學(xué)習(xí)成績累加式計(jì)分方法，重在育人。在十余年的工程熱力學(xué)教學(xué)中，本課程按如下比例總評成績：課堂出勤和表現(xiàn)占20%，實(shí)驗(yàn)成績占15%，小論文成績占20%，期中考試成績占15%，期末成績占30%。實(shí)施該考核方法的目的是讓學(xué)生注重平時(shí)的積累，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，改變學(xué)生“平時(shí)不學(xué)，考前突擊”的現(xiàn)象。

筆者通過不斷改變教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效果;加強(qiáng)師生交流;重視教學(xué)材料的選擇，深刻領(lǐng)會教材內(nèi)容;改革課程考核方法等措施取得了良好的效果。但同時(shí)必須清醒地看到《工程熱力學(xué)》的教學(xué)改革是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，只有任課教師和全體學(xué)生的共同努力才能使《工程熱力學(xué)》的教學(xué)邁上新的臺階。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]劉鴻，肖立川.工程熱力學(xué)課程教學(xué)方法探討[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，8（3）：103-105.

[3]靳乃錚.啟發(fā)式教學(xué)[M].西安：陜西人民出版社，1984：52.endprint