過程裝備與控制工程專業(yè)“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革探討

林國慶，高 艷，時 黛，王海波

(吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

工程熱力學(xué)是過程裝備與控制工程專業(yè)必修課程，課程內(nèi)容多，與實踐聯(lián)系密切，具有較強的實踐性。工程熱力學(xué)主要講授在兩大熱力學(xué)定律基礎(chǔ)上，分析常用工質(zhì)(理想氣體、實際氣體、蒸汽和濕空氣等)的熱力性質(zhì)以及基本熱力過程，并對熱力循環(huán)和裝置進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究[1]，為過程裝備中涉及的熱量、物料衡算、經(jīng)濟性和可靠性等方面提供必備的基礎(chǔ)。隨著目前應(yīng)用型本科教育的建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證的開展，在課程教學(xué)過程中，要緊密地圍繞應(yīng)用型及專業(yè)認(rèn)證的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即以O(shè)BE教育理念為教學(xué)宗旨[2-3]，在嚴(yán)格要求全體學(xué)生熟練掌握基本教學(xué)理論的同時也充分培養(yǎng)了學(xué)生的獨立分析和解決問題的邏輯思維能力，為學(xué)生在校學(xué)習(xí)其他課程和畢業(yè)后繼續(xù)從事本專業(yè)相關(guān)的工作奠定基礎(chǔ)。但由于大部分學(xué)生平時對該課程的專業(yè)知識基礎(chǔ)積累較少，完全依賴于相關(guān)專業(yè)教師的總結(jié)與復(fù)習(xí)，往往達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。綜合以前課程組對工程熱力學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革的經(jīng)驗，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識點劃分、采取新的教學(xué)方法和手段、重視實踐教學(xué)和增加工程案例等環(huán)節(jié)進(jìn)行改革與探索，從而不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

一、“工程熱力學(xué)”課程內(nèi)容

以我校過程裝備與控制工程專業(yè)為例，該課程在第五學(xué)期開設(shè)，使用由沈維道教授主編高等教育出版社出版的教材，理論授課共32學(xué)時，旨在培養(yǎng)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論分析熱力過程和循環(huán)的基本方法，對過程裝備中復(fù)雜問題進(jìn)行識別、建立相應(yīng)研究模型，并運用公式、圖表等方法進(jìn)行分析和解決問題的能力[4]。工程熱力學(xué)課程主要內(nèi)容主要包含兩部分，另一部分為理論部分，一部分為工程應(yīng)用。對于理論部分內(nèi)容可概括為一點，兩線，四個條件，五個理想過程。在狀態(tài)參數(shù)(u、h、s……)和過程參數(shù)(q、w……)的基礎(chǔ)上確定熱功轉(zhuǎn)換方式及效率大小是熱力設(shè)備中核心的基本點；熱力學(xué)第一定律和第二定律作為分析研究的兩條主線；設(shè)備在工作時往往離不開溫源、工質(zhì)、做功和循環(huán)四個條件，在選擇溫源(熱源和冷源)時主要考慮能量的利用率和環(huán)保等方面，在選擇工質(zhì)時除需要考慮自身物理、化學(xué)特性之外，還要考慮到工質(zhì)的經(jīng)濟性和安全性；在研究實際熱力裝置設(shè)備時通常將實際的熱力過程簡化為定壓熱力過程(n=0)、定溫?zé)崃^程(n=1)、定熵?zé)崃^程(n=k)、定容熱力過程(n=∞)以及理想多變過程，這五個熱力過程的簡化即為熱力學(xué)中常用的基本熱力過程。第二部分為理論基礎(chǔ)知識的工程應(yīng)用，主要內(nèi)容包含氣體與蒸汽的流動、壓氣機、氣體動力循環(huán)、蒸汽動力循環(huán)、制冷循環(huán)等，所有內(nèi)容既有緊密的聯(lián)系又有明顯的區(qū)別，需要整體理解和把握。

二、“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

工程熱力學(xué)課程具有概念多、內(nèi)容多、計算公式多，同一公式在不同應(yīng)用條件下的表達(dá)形式不同，聯(lián)系工程實際面廣等特點[5]，這些特點使該課程成為學(xué)生最難學(xué)的課程之一，也給各位授課教師在教學(xué)上帶來難題。工程熱力學(xué)課程教學(xué)目前主要存在以下問題。

(一) 師資隊伍有待提高

本課程組目前有3人，副教授2人，講師1人，在教學(xué)和實踐上還缺少一定的經(jīng)驗，因此，需要走出去進(jìn)一步拓寬視野，比如請本行業(yè)專家做專題報告、參加高水平學(xué)術(shù)會議或者到相關(guān)高校、企事業(yè)單位進(jìn)修或交流。

(二) 課程教學(xué)內(nèi)容多且學(xué)時少

工程熱力學(xué)課程共講授十一章節(jié)的內(nèi)容，以能量傳遞、轉(zhuǎn)移過程中數(shù)量守恒和質(zhì)量守恒作為課程教學(xué)主線，闡述了工程熱力學(xué)中的一些基本概念和定律、各種氣體的熱力性質(zhì)、基本熱力過程及循環(huán)的分析和計算、以及熱力學(xué)基本理論在各種典型過程和裝置設(shè)計中的實際應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容[6],同時工程熱力學(xué)課程中包含的一些基本概念和定律之間的相互關(guān)聯(lián)性也比較多,而在理論授課32學(xué)時內(nèi)如何讓我們的學(xué)生理解和更好地掌握這些概念和內(nèi)容,顯然已經(jīng)成為了教學(xué)的最大難題。

(三) 實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練不足

目前實驗室中只開設(shè)噴管特性試驗，由于工程熱力學(xué)在講授過程中經(jīng)常以過程工業(yè)中典型裝置為例，因其設(shè)備體積大、拆裝較難實現(xiàn)等原因，學(xué)生對工作原理、結(jié)構(gòu)組成等很難正確理解，導(dǎo)致對設(shè)備的正常運行和能量的傳遞與轉(zhuǎn)換方面缺乏足夠的整體認(rèn)識與正確理解[7]。另外，建議教師也需加強與企業(yè)的技術(shù)交流與合作，可以不定期的到相關(guān)企業(yè)或?qū)嵺`基地掛職鍛煉，一方面可以提高教師自身的工程實踐經(jīng)歷，將此期間的收獲和經(jīng)驗在授課時與學(xué)生分享，讓學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容盡快與社會接軌；另一方面通過赴企業(yè)學(xué)習(xí)也對本行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和工藝有了新的認(rèn)識和理解，豐富了教學(xué)內(nèi)容，有助于提高教學(xué)質(zhì)量。

(四) 師生互動薄弱

由于課程學(xué)時少，教師大部分時間都在進(jìn)行理論講授，沒有時間對課本中的例題、習(xí)題及案例進(jìn)行講解。在授課的過程中，基本都是“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生聽課很容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。

三、“工程熱力學(xué)”課程改革的建議

針對課程存在的問題，提出以下幾種方法與建議。

(一) 加強師資隊伍建設(shè)，形成良好的課程組團隊

針對教師工程背景和實踐經(jīng)歷不足的實際情況，為進(jìn)一步使課程組教師更快進(jìn)步和提高業(yè)務(wù)能力，應(yīng)充分發(fā)揮骨干教師和一批具有豐富教學(xué)經(jīng)驗老教師的“傳、幫、帶”作用，幫助青年教師理解和掌握工程科學(xué)教育理論知識，進(jìn)行工程教學(xué)方法的研究與訓(xùn)練，逐步提高教學(xué)實踐能力。同時，汲取教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師之所長，彌補自己的不足，使用多元化的教學(xué)風(fēng)格和方法進(jìn)行教學(xué)，以此來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。另外，通過骨干教師和同行聽課并將聽課意見和問題及時反饋給授課教師，也進(jìn)一步提高了青年教師的教學(xué)水平。

(二) 劃分知識點分層次講解

由于工程熱力學(xué)課程內(nèi)容抽象、公式繁多且互有聯(lián)系，學(xué)習(xí)的難度較大，將課程內(nèi)容劃分為若干個知識點，對知識點進(jìn)行精講、粗講和自學(xué)[9]。比如在學(xué)習(xí)基本熱力過程時，此部分需要精講，重點介紹各過程的壓容圖(p-v)、溫熵圖(T-s)，理解圖的畫法及每條線代表的含義，以及利用圖形能夠解釋實際工程中的熱力過程和現(xiàn)象；像蒸氣的熱力過程和性質(zhì)等內(nèi)容可進(jìn)行粗講，而像實際氣體的性質(zhì)與關(guān)系式等內(nèi)容由于學(xué)時所限，可根據(jù)學(xué)生自身情況進(jìn)行有選擇性的自學(xué)。通過對關(guān)鍵知識點的講解有利于學(xué)生對概念和公式的理解。

(三) 實驗教學(xué)與理論授課相結(jié)合

實驗教學(xué)是課程體系建設(shè)的重要組成部分，是課堂教學(xué)的應(yīng)用、補充和實踐，同時學(xué)生也加深理解在課堂和實踐中所學(xué)的知識，是一種培養(yǎng)學(xué)生理論和實踐的能力、理論指導(dǎo)學(xué)生實踐的重要教學(xué)步驟和有效方法，是提高學(xué)生思考觀察和動手操作能力的有效途徑[10]。但是出于當(dāng)前社會客觀條件的嚴(yán)重限制,大部分普通高等學(xué)校為畢業(yè)生開設(shè)的工程熱力學(xué)實驗均較少，使得大部分的畢業(yè)生動手的能力差、眼高手低,不能夠滿足于用人單位的實際用人需求。若想進(jìn)一步改變此現(xiàn)狀,必需進(jìn)一步改變學(xué)生的思想，把實驗教學(xué)的重點放在與傳統(tǒng)的與理論實驗教學(xué)相同的位置和受到重視的程度上。同時學(xué)校已經(jīng)提出要進(jìn)一步深化理論實驗教學(xué)的課程體制改革,對理論實驗的教學(xué)內(nèi)容、實驗的形式、實驗過程的管理以及對實驗教學(xué)的課程和質(zhì)量的考核等各個方面都已經(jīng)展開了相關(guān)的改革和研究。

(四) 課堂教學(xué)采用了激勵啟發(fā)式的教學(xué),增加了工程熱力學(xué)的工程實例

工程熱力學(xué)作為一門工科類專業(yè)的基礎(chǔ)課,與工程實際息息相關(guān)，在課堂教學(xué)的過程中,需要學(xué)生有很多的典型工程熱力學(xué)問題案例作為教學(xué)背景[11]。在授課時課堂上利用了多媒體向?qū)W生展示工程熱力學(xué)的各種工程實際應(yīng)用,使得學(xué)生在對工程問題和案例的演示中充分發(fā)現(xiàn)并深刻地體會到工程問題和熱力學(xué)的重要性及教學(xué)美感。通過對工程問題和案例的展示和學(xué)習(xí),使課堂教學(xué)的內(nèi)容更加生動、具體，并使學(xué)生對應(yīng)用工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識與實際工程案例應(yīng)用相結(jié)合時有了更深刻的認(rèn)識和理解，從而幫助學(xué)生實現(xiàn)“從理論中來，到實踐中去”，培養(yǎng)合格的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

(五) 借助智慧教學(xué)平臺進(jìn)行學(xué)情分析，開展個性化教學(xué)

可利用教學(xué)平臺進(jìn)行簽到、測驗、討論、選人等環(huán)節(jié)[12]，以活躍課堂氣氛，緩解了學(xué)生上課的疲憊，充分調(diào)動了學(xué)生的課外學(xué)習(xí)活動興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性,智慧課堂教學(xué)的環(huán)境為智慧課堂師生之間提供了立體化的、無語言障礙的即時信息交流和互動為學(xué)習(xí)創(chuàng)造了無限的可能,使學(xué)生成為教師的教與學(xué)生的學(xué)能夠更有效地雙向互動。

四、結(jié) 語

工程熱力學(xué)本科課程的建設(shè)，是一項具有綜合性的工程，它的建設(shè)涉及多方面內(nèi)容以及多種因素的影響，從師資隊伍的建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和手段的選擇到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置等，因此需要持之以恒，不斷地學(xué)習(xí)和探索?？傊?，我們將始終以進(jìn)一步提高其教學(xué)質(zhì)量和水平為最終的目標(biāo)，把握好本科課程的特點，進(jìn)行一系列有針對性的教學(xué)探索，以更大的期望把工程熱力學(xué)的本科課程建設(shè)水平提高到一個更高的水平。