“工程热力学”教学方法的研究与实践

摘 要 工程热力学是培养21世纪工科学生科学素质的公共基础课，也是热能与动力工程及相关专业的重要技术基础课。文章以“厚基础、宽口径”为教学改革思想，经教学实践，从课程体系、教学内容、教学方法和手段、成绩评定等方面，提出了若干改革的思路和方法。教学中应明确学习目的，整合知识结构，更新教学内容，突出和把握学科研究动态，注重理论联系实际，加强实践教学，以综合考评促进教学质量的提高。

关键词 工程热力学 教学方法 教学质量 实践

中图分类号：G420 文献标识码：A

Research and Practice of Teaching Method on "Engineering Thermodynamics"

ZHANG Yong, LIU Yiwen, FU Lijuan

(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)

Abstract Engineering thermodynamics the basic course is to train engineering students' scientific quality in the 21st century, but also important technology-based course of heat and power engineering and related fields. Articles with "thick foundation, wide caliber" of education reform ideas, the teaching practice, from the curriculum, teaching content, teaching methods and means of performance evaluation, etc., made a number of reform ideas and methods. Teaching should be a clear learning objective, integration of knowledge structure, and update course content to highlight and to grasp the dynamic interdisciplinary research, focusing on integrating theory with practice, to strengthen the practice of teaching, in order to facilitate a comprehensive evaluation of teaching quality.

Key words engineering thermodynamics; teaching methods; teaching quality; practice

工程热力学是一门以热力学普遍原理为基础，讲述热能与其他形式能量（主要是机械能）之间的转换规律及其工程应用的基础学科，是动力、能源、机械、材料、航空航天、生物（医学）、化学以及环境工程等专业的重要技术基础课，也是培养21世纪工科学生科学素质的公共基础课。

然而长期以来，由于工程热力学的概念抽象、理论深奥，对知识的理解和掌握有一定的难度，造成教师不易教，学生也不易学。学生对很多概念似懂非懂，缺乏学习兴趣，教学效果欠佳。显然，如何教好“工程热力学”，使学生掌握热力学基本原理及其工程应用，已成为该课程教学的关键。

1 课程特点及学习中存在的问题

工程热力学是以热力学普遍原理为基础，针对具体问题采用抽象、概括、简化和理想化的方法，建立分析模型，推导出一系列有用的公式，得到若干重要结论，并用这些公式和结论指导和解决工程实际问题。其显著特点如下：

1.1 概念多且抽象难懂

工程热力学不但概念多，并且概念的物理意义在不同使用条件下又有不同的引申，学习中很容易混淆。例如，功的概念，有体积变化功、有用功、排斥大气功、推动功、流动功和技术功等等。热容的概念，既可从定义出发分为质量热容、摩尔热容、体积热容；又可按热力过程的不同分为比定压热容和比定容热容；还可以根据热量计算方法的不同分为真实比热容、平均比热容和定值比热容等。热力系统的概念、热力过程的概念和循环的概念等也是如此。

工程热力学的概念、定律和分析过程较为抽象，都不涉及物质的具体结构，初学者很难深入领会。而且工程热力学的很多概念和结论都是用数学公式来表达的，且推导过程并没有结合具体的物理过程，而仅仅是通过数学关系式间的变换得出其物理结论。例如，从熵的定义式来看，熵应该与换热量和系统温度有关，但定义式又是怎样反映热过程进行的方向、限度和条件呢？由于学生以前很少接触用数学语言描述物理概念的方法，普遍感觉热力学的概念抽象难懂。

1.2 内容相互交叉且难理解

工程热力学的研究内容也很多，主要包括热力系统、状态参数等基本概念，热力学第一、第二定律等基本定律，常用工质的性质，过程和循环的分析及计算方法，化学热力学等等。有些章节的内容还可以单独成为一门学科方向，如研究燃气动力循环的内燃机学，研究气体流动的空气动力学等。

可见，这些具体的研究内容，即与热力学的基本原理相关联，又引伸出许多复杂的公式和结论，还有自己相对独立的结构体系。在学习过程中，学生普遍感觉课程的内容繁多，应付不暇，难于理解，顾此失彼。

1.3 公式应用条件复杂且难记忆

工程热力学与工程实际问题联系密切，涉及面广，公式很多。即使同一个公式，在不同的应用条件下，也有很多不同的表达形式。例如，热力学第一定律对于闭口系和开口系有两种不同的表达式；对于可逆过程也有不同的表达形式；对于理想气体的可逆过程还有不同的表达形式。这么多不同形式的公式，许多学生很难吃透公式的物理意义和具体的应用条件，在遇到热工实际问题时，往往无法确定选用哪一个公式，灵活应用就更不用说了。

2 明确学习目的，激发学习兴趣

兴趣是学习的动力源泉之一，教学成功的关键是培养学生的学习兴趣。教师可以从多个方面激发学生学习的兴趣，但最重要的就是在第一堂课上让学生明确学习的目的。教师除了要对工程热力学的发展历史，主要研究对象、内容和方法作一个常规的介绍外，还应对课程的开设情况、课程的实用价值和重要作用进行深入细致的阐述。首先，热现象几乎是每一个工程领域中都会碰到的物理现象，能量的有效与合理的利用几乎是每一个工程师都需要解决的问题。在一些领域中，热现象的规律还是制约技术发展的瓶颈问题。所以，在境内外的高等工程教育中，传热学、热力学与流体力学课程的开设相当普遍。其次，无论从工业生产过程来看，还是从节约能源消耗来看，理工科学生都应该具备合理节能、用能的意识，并懂得其基本的应用技术。而热工类课程的内容就是合理用能及节能理论中的最基础与最核心的部分。最后，还应结合生产和生活中的实例，让学生明白学到的热力学知识可以解决和解释很多实际问题，特别要强调专业与课程的联系，和实际问题在课程中的理论基础。这样，才能使学生明确学习《工程热力学》的专业目的性，对学习该门课程充满期待。

3 教学方法的改革与实践

实践证明，提高课程教学质量的关键是改进教学方法。针对工程热力学课程的特点，经过探索发现，实行启发式教育，在课堂上加强互动，就一两个中心问题展开讨论，让学生在思考中吸收新知识。先进的教学方法既可活跃学生的学术思想，激发学生的创新精神，又可显着提高本课程的教学质量。

3.1 整合知识结构，优化课程体系

调整后的新专业所牵涉的知识结构比以前广泛的多，要求学生掌握的知识面也比以前更宽。从培养复合型人才考虑，在不增加学时数的基础上，应对课程体系进行优化和整合。

教学内容应提高起点、后移重点，简化大学物理热学中已涉及的部分内容，并略去繁琐的公式推导。强调课程体系中理论与应用的有机结合和相互渗透，注意培养学生工程应用的观念。同时，适当地介绍新型制冷循环、新型节能材料的工质热物性等，本学科的最新研究成果及其应用，以扩大学生的知识面，启发学生的创造性思维。另外，注意与其它课程之间的协调，上挂高等数学、理论和材料力学等基础课程，下挂内燃机原理、锅炉原理、供热工程、制冷工程等专业课程，保证其作为技术基础课程能为后续课程的学习、今后的工作和进一步的研究奠定扎实的理论基础。

3.2 突出重点，精讲多练

在课堂教学中，根据工程热力学的特点和教学改革的要求，应采用精讲多练的教学方法。这是因为，课程的内容多而课时少，教学中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后续专业课程的学习中还会应用，授课时应有所侧重，实行“精讲”；课程有诸多应用条件复杂的公式，只有通过多做练习，才能深入理解公式的物理意义、变换规律及具体应用条件，做到融会贯通，灵活的应用它们来分析解决工程实际问题。

3.3 正确应用图表，化抽象为形象

图表具有直观、形象、方便的特点，在工程热力学中有其特殊的作用，应用也是经常性的。因为有些热力过程或循环十分复杂，一般的分析计算根本不可能，只能凭借各类绘制的图表进行计算；借助图表还可利用计算机进行数值计算和模拟。所以，引导学生正确使用图表是工程热力学教学中应该特别重视的。

在刚开始接触简单的P-V图、T-S图时，为了给理解水蒸气和湿空气的图表奠定基础，就应提醒学生注意图表的作用和细节，如怎样在图上区分吸热、放热，对内、对外作功；怎样在图上表示热过程的方向等等。在介绍水蒸气的h-s图和湿空气的h-d图时，应重点说明它们的构图原理，并通过各种等值线簇的绘制，讲解各参数的变化规律。另外，为了让学生掌握各种图表的使用方法，还应安排一定数量的、通过图表进行热力计算的习题。

3.4 利用计算机辅助教学，促进师生互动

工程热力学课程内容含有许多抽象的工作原理图、系统循环图。常规的板书教学浪费时间效果也不太理想。如果把这部分内容制作成集声、光、色、图、文于一体的多媒体课件，既直观形象，又新颖生动。不但可加强授课的生动性，激发学生的学习兴趣，还可加大教学信息量，增加单位时间内授课内容的深度和广度，有利于学生理解和记忆课程内容。例如，我们可以用多媒体课件演示各种热过程曲线的生成，还可以利用计算机绘制水蒸气的各种图线，免除查图、查表的麻烦。

总之，在课堂上进行形象直观的教学，充分利用计算机辅助教学，发挥多媒体的作用，可以帮助教师有效地提高教学效果和教学效率，也可以改变学生死记硬背和被动接受知识的学习方式。

3.5 加强实践教学，理论联系实际

工程热力学有较强的工程应用背景，在加强基础理论教学时，还要注意紧密联系工程实际，吸收当今热工科技的新成果，培养学生的创新能力。

实验教学具有直观性强的特点，可以很好地配合课堂教学。除了开设“空气绝热指数的测定”、“饱和蒸汽P-T曲线关系的测定”等验证性试验外，还开设了综合设计性试验，要求学生根据试验目的，自己设计试验方案，写出详细的试验，并选择试验设备和用具，经教师审查合格后，方可开始试验，最后还要进行实验误差分析。通过试验，一方面加深了学生对热力学基本原理的理解和认识，另一方面也锻炼了学生的动手能力和独立分析问题、解决问题的能力。

在课堂教学中，还应注重理论联系实际，把抽象的理论知识与生动的工程实际问题相结合，用热力学理论剖析自然现象，做到学以致用。一方面，可以采用案例教学法。例如，用相对湿度的概念来解释为什么阴雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用热效率的概念来解释为什么用电炉取暖比用电驱动热泵取暖浪费等等。另一方面，结合具体教学内容适时地向学生介绍学科的最新研究成果及其应用。例如，在讲解动力循环时，可以选择介绍目前内燃机利用兰金循环回收废热能量，提高整机效率的方法。实践证明，把教学内容与工程实际问题密切联系的教学方法，可以加强课堂教学的前瞻性和趣味性，能有效调动学生的求知欲，使其由“被动接受学习”转变为“主动研究学习”，对提高教学效果大有帮助。

4 强化考试对教学的推动作用

考试作为检验学生对课程内容掌握程度的标尺，关系到教学质量和效果。为了使考试成绩能科学、客观、公平地反映学生对工程热力学知识的掌握和应用能力，同时调动学生学习的主动性和积极性，可采用学生普遍认可的综合评定成绩的方式，即平时成绩占10%、考勤占10%、实验占10%、期末考试占70%。

为了有效避免学生死记硬背概念、定律和公式，教师应综合运用选择题、判断改错题、计算题和综合分析题编制试卷，灵活考察热力学的基本原理及应用。这是因为实际问题往往非常复杂，需要学生灵活应用多方面的理论知识才能做出正确解答。对于那些基础知识不扎实的学生，只是简单记住了书本上概念、定律和公式，面对各种似是而非的叙述也会举棋不定，做出错误判断也不足为奇。

5 结束语

工程热力学是一门充满生机的经典学科，大量的经典内容仍是现代学子为培养创新能力必须掌握的重要基础。由于课程具有概念多且抽象、知识点多且相互交叉、公式多且应用条件复杂的特点，教师要把这门课讲得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程热力学”的教学质量、解决学生难学、教师难讲的问题，是值得长期研究的课题。

针对我校热能与动力工程专业课程体系的教学改革，并结合自己的教学实践，通过以上的尝试，有重点、有目的的讲解，取得了一定的效果，希望能对提高本课程的教学质量有所贡献。

参考文献

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