热力学教学范文

时间:2023-02-26 22:18:22

热力学教学

热力学教学范文第1篇

关键词 热力学第一定律 热力学第一定律 卡诺定理

中图分类号:G424 文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdks.2015.04.039

Teaching of the First Law of Thermodynamics and

the Second Law of Thermodynamics

WU Hequan, XIE Wenhong

(College of Automative and Mechanical Engineering,

Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hu'nan 410114)

Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics, the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting, improving the quality of teaching.

Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem

0 引言

“工程热力学及传热学”课程是主要研究热能与机械能互相转换以及热量传递规律的一门学科。“工程热力学及传热学”围绕能量转换与传递这一主线,是对工程热力学及传热学两个研究方向的综合。其特点是涉及内容广,知识点多,主要包括热力学第一定律、热力学第二定律、热力过程计算、传热学的基本概念、换热器热计算等。它在社会生活中的应用是非常广泛的,在很多领域包括现代工业、农业、交通运输和国防建设等。虽然热机发展一百多年,已经非常完善,很多热力学理论已经在实践中得到了应用。但是在面对如今国际社会能源短缺、环境污染等问题中,推进热力学的研究,提高能源的利用效率是解决这些问题的一个关键。而热力学第一和第二定律是热力学基础,学好并掌握这些基本理论,才能更好地研究热能传递和转换的规律并把它转化成实际成果应用到社会生产生活之中。

1 热力学第一定律概述

热力学第一定律实质是能量守恒定律在热现象上的应用。能量守恒定律可以表示为:自然界的一切物质都具有能量,能量有多种不同的表现形式,可以从一种形式转化为另外一种形式,也可以从一个物体传递给另外的物体,在转化和传递过程能量保持不变。热力学第一定律则可以表述为:热可以变为功,功也可以变为热;当一定量的热消失时,必产生等量的功;消耗一定量的功时,必产生与之相应数量的热。表达式为: = +。热力学第一定律否认了能量的无中生有,正因为如此那种不需要任何动力和燃料就能持续做功的第一类永动机只能是幻想。

能量转换与守恒定律首先是从力学中以“活力守恒”的形式提出来的。系统吸热,内能应增加;外界对系统做功,内能也增加。若系统既吸热,外界又对系统做功,则内能增加等于这两者之和。热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。十九世纪中期,在长期生产实践和大量科学实验的基础上,它才以科学定律的形式被确立起来。著名物理学笛卡尔在1644年就提出了“运动守恒”的概念,随后德国数学家莱布尼兹引入了“活力”的概念,意大利物理学家伽利略研究斜面问题和摆的运动,斯蒂芬研究杠杆定理。伯努利的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律,1834年爱尔兰物理学家哈密顿《论动力学的普遍方法》,提出了哈密顿原理。至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容,为能量守恒定律的建立准备了条件。1841~1843年,德国科学家迈克尔和英文物理学家焦耳提出了热能与机械能相互转换的观点,为热力学第一定律的建立奠定了基础。

热力学第一定律的确立,突破了人们关于物质运动的机械观念的范围,从本质上表明了各种物质运动形式之间相互转换的可能性,说明运动形式相互转换的能力也是不灭的,是物质本身固有的。

2 热力学第二定律

热力学第一定律说明了热能是可以转换的,可以由热能转换成机械能,也可以由机械能转换成热能,而且能量不会消失。但是如果仅仅只是这样,那有很多现象是解释不了的。比如一辆小车给它一定动能,让它在路上行驶,走了一段路程后,由于小车和路面有摩擦,小车速度逐渐减小,最后停止。原来的动能全部转化为摩擦产生的热能,然而反过来,这些热能能还给小车,再重新让它动起来吗?再比如一个烧红了的锻件,放在空气中便会慢慢冷却。显然,热能从锻件散发到周围环境中了;周围环境获得的能量等于锻件放出的热量。反过来,这个已经冷却了的锻件能从周围环境中收回那部分散失的热量,重新赤热起来吗?这样的过程都不违反热力学第一定律。然而,经验告诉我们,这是不可能的。

所以在热能转换为机械能这一问题中,除了要遵循热力学第一定律,还要满足其它约束条件。这就是热力学第二定律的研究内容。热力学第二定律的实质就是指出了一切自然过程的不可逆性,也就是说自然界中的过程具有方向性。过程总是自发地朝着一定的方向进行。机械能总是自发地转变为热能;热量总是自发地从高温物体传向低温物体等等。这些自发过程的反向过程(称为非自发过程)是不会自发进行的。这种不可逆的过程可以用熵来描述。自然界的一切自发过程都是朝着熵增大的方向进行的。只有可逆过程,系统的熵保持不变。这就是熵增原理,这是热力学第二定律的其中一种表述方式。

在热力学第二定律告诉我们能量转化具有方向性。即机械能可以百分之百的转化为热能,但热能转化为机械能的效率不可能达到百分之百。那么热机的效率最高能达到多少呢?1824年,法国工程师卡诺提出了一种热效率最高的循环――卡诺循环。它包括两个等温过程和两个绝热过程。如果把高温热源的温度记为,低温热源的温度记为,通过热力学计算可以得到卡诺循环的热效率表达式 = /。当高温热源的温度足够高,而低温热源的温度足够低的时候,卡诺循环的热效率理论上可以无限的接近1,因此可以说卡诺循环的热效率最高。从中可以得出以下结论:(1)卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度,也就是工质吸热和放热时的温度;(2)增大,减少,可以提高卡诺循环的热效率;(3)卡诺循环的热效率只能小于1,不能可能等于1。因高温热源的温度不能等于无穷大,低温热源的温度也不可能等于零。这就表明热能不可能全部转变为机械能;(4)当 = 时,卡诺循环的热效率为零。这表明,在没有温差存在的热力系统中,热能不可能转变为机械能。或者说,单热源的热机,即第二类永动机是不可能造成的。

在卡诺定理的基础上,人们总结出了热力学第二定律的两种主要表述方式。克劳修斯说法:热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。开尔文说法:不可能从单一热源取热使之完全变成有用功而不产生其它任何他影响。它们都说明了自发过程的不可逆性,可以证明这两种表述方式是等价的。那种设想把海洋或空气当作单一热源,从中吸收热量并完全转化为有用功的第二类永动机是不可能实现的。

热力学第二定律的意义实际已经远远超出了热机热效率的范畴,它指出了自然过程进行的方向性,说明了能量品质的高低。

3 结语

热力学第一定律和热力学第二定律是人们在日常社会生产实践中总结出来的普遍规律,它们被许多实验和具体实践证明是正确的。热力学第一定律和热力学第二定律的建立,奠定了工程热力学与传热学的理论基础,也彻底了永动机的幻想。大学生在学习热力学第一定律和热力学第二定律时应该理解它的内容,实质,掌握它的重点和难点。了解热力学第一定律和热力学第二定律的发展过程,要学会自我归纳总结,做到独立思考。教师应该把精力放在提高热力学第一定律和热力学第二定律的教学深度以及加强实践应用上。热力学第一定律和热力学第二定律是自然界的普遍法则,蕴含了大道理,验证了辩证唯物主义思想,所以教师应该把事物发展的科学道理在这一章充分展现出来。热力学第一定律和热力学第二定律是“工程热力学及传热学”课程的重要内容,也是理工科学生必须掌握的基本知识,因此对它们进行深入研究有利于提高课程的教学质量。相信对热力学第一定律和热力学第二定律的研究一定会推动社会的进一步发展。

基金项目:长沙理工大学教改课题项目

参考文献

[1] 李岳林,刘志强,武和全.工程热力学与传热学[M].北京:人民交通出版社,2013.

[2] 沈维道,童钧耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2007.

[3] 顾祥红,李宏,李晓颖.工程热力学课程教学方法与手段的改革[J].大连民族学院学报,2006(1).

热力学教学范文第2篇

[关键词] 热力学基本方程 特征函数麦克斯韦关系

0 引言

在热力学统计物理中,引入的热力学函数中,最基本的是物态方程、内能和熵。其它热力学函数均可由这三个基本函数导出。如果适当选择独立变量,只要知道一个热力学函数,就可以通过求偏导数而求得均匀系统的全部热力学函数,从而把均匀系统的平衡性质完全确定。那么,这样的热力学函数就称为特征函数,它是表征均匀系统的特性的。它们和热力学系统的各种状态参量和各个热力学量之间有着千丝万缕的联系。一般来讲这些联系用热力学基本方程来解决,而方程中涉及的有些函数和物理量,如:熵S、固体和液体的定容热容量Cv等往往很难直接测定,为了间接测定这些函数和物理量,人们定义了很多辅助量,这些辅助量就是那些表征均匀系统的特性的特征函数,如:内能U、焓H、自由能F、吉布斯函数G等等,从而建立了相应的热力学微分方程。

笔者在北京师范大学做访问学者的时候,曾听到朱建阳教授在教学中采用的热力学标尺和椭圆记忆法很有效,而热力学量与偏导数间的关系和麦克斯韦关系的推导,在传统教材中较繁琐,不便于学习和应用,笔者在朱建阳教授的教学中得到灵感并总结了自己长期教学中的经验,发现还有更简单的记忆方法,在此通过四个方面给出总结,谨供参考,以飨读者和各位同仁。

一、热力学特征函数的定义

一般来说,热力学系统很复杂,表征其特性的特征函数也很多,这里只给大家介绍以下四个常用的特征函数。

内能U:它是个基本特征函数。是系统中分子无规则运动的能量总和的统计平均值。无规则运动的能量包括分子的动能和分子间相互作用的势能以及分子内部的振动能量。

焓H:是个辅助物理量。等压过程中系统从外界吸收的热量等于状态函数焓的增加值。其定义式为:H=U+PV。

自由能F:是个辅助物理量。在可逆等温过程中,系统所做的功等于自由能的减少。即在不可逆等温等容过程中,系统的自由能永不增加。其定义式为:F=U-TS。

吉布斯函数G:是个辅助物理量。在可逆等温等压过程中,系统所作的非膨胀功等于吉布斯函数的减少。即在不可逆等温等压过程中,系统的吉布斯函数永不增加。其定义式为:G=U-TS+PV。

上面的框图就是朱教授教学用的热力学标尺,用来记忆特征函数定义式的,应该配上语句我觉得更容易记忆:焓在最高填满尺,内能紧跟加压体,温熵加自由能和压体充满尺,内减温熵是自由,再加压体成吉布斯,温熵加吉布斯又满尺。

二、热力学微分方程

内能作为基本特征函数,它对应的有基本热力学方程,其余的各个特征方程也相应的有热力学微分方程。如:

这些微分方程可以利用特征函数和热力学量组成的矩形框来帮助记忆:画这个矩形框,心中可以默念:微分方程靠矩形,左上吉布右上焓,中间夹着压强P,下方各置温和熵,左下自由右下内,其间夹上体积V。这种构造要记牢,关键还得会应用。

具体应用上述矩形框来列特征函数的全微分口诀是:四个顶角是函数变量,其邻近两个是自变量(或独立变量),自变量的对面是与之配对的量,其符号规定:当函数变量移到矩形框的中间时,如果自变量在上或右面符号取正,如果自变量在下或左面符号取负。如以G为例,其临近的量P、T为自变量,P和T对面的量V、S为与自变量配对的量。而把G移到矩形框中间时因T在其左取负,P在其上取正。从而有:。

如果是开放系统的热力学方程,其中包含质量作用项如:

上述方法推广后,还可以用在这些开放系统的方程,因为包含质量作用项的其它形式的功是这些方程所共有的,因此上述结果中都加一个项即可得到,也可以用久保亮五的热力学记忆图来记忆,还可以用H.B.Callen所著的教科书中的方法。

三、热力学量与偏导数关系

在热力学统计物理中,热力学量往往可以用一些特征函数的偏导数来表示,由于不同的热力学过程中需要的特征函数不同,从而偏导数关系非常繁杂,需要归纳出一个方法来帮助记忆,如以下的关系:

可以用两种方法记忆:一是从全微分式导出;另一是借助矩形框导出。

1.由全微分式导出

四、麦克斯韦关系

以上仅仅是笔者整理得一些记忆方法而已,任何方法的运用都是以娴熟的训练作为基础才能保障它的行之有效,如果死记硬背这些方法和口诀的话只能成为二次负担,不能提供帮助反成累赘,希望读者能够灵活应用,以便事半功倍。

参考文献:

[1]汪志诚.热力学•统计物理(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]马本,热力学与统计物理(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1980.

[3]久保亮五.热力学[M].北京:人民教育出版社,1983.

热力学教学范文第3篇

[关键词] 化工热力学 概念 化学工程 教学

化工热力学课程是在本科三年级开设的,在此之前学生接触的课程都属于基础课,与中学课程的学习方法相差不大,而化工热力学等专业基础课讲授的是化工生产中的一般规律。由于工程问题复杂多变,采用的是实验研究方法和数学模型法,与基础课中严密的数学分析或逻辑推理有所不同。这是工程学科和基础学科的重要区别,也是学生不能很好的掌握化工热力学课程学习方法的关键。因此要想提高化工热力学的学习效果,使学生树立工程观点,并培养其独立解决实际问题的能力,我们认为在化工热力学的教学过程中应紧紧把握以下几点。

一、精心组织教学内容,注意与相关课程的联系

化工热力学的主要内容是平衡状态下热力学性质的计算,相平衡与化学平衡的计算,化工过程的能量分析和能量有效利用等方面。只有将热力学原理与反映体系特征的模型相结合,才能应用解决实际问题。原理、模型及应用是化工热力学内容的基本组成部分,教学内容的组织要紧密围绕原理、模型及应用三个部分来展开。原理是基础,模型是工具,应用是目的。尤其是目前节能工作的深入开展,更要求学生掌握能量利用过程的原理,并对实际过程中的能量利用情况作出合理的评价。

化工热力学与化学工程与工艺专业的许多其它课程密切相关,它在课程链中起着承上启下的作用,又担负着由基础课到专业课过渡的特殊使命。物理化学是本课程的基础,而本课程又是分离过程、化学反应工程及化工设计等课程的基础。在课堂教学内容组织上要注意前后内容的相互联系,化工热力学公式较多,其推导过程需要高等数学的基本知识,进行结果计算需要用到数值分析的知识,因此对课程中用到的数学知识进行必要的准备有助于新内容的学习。而计算机是方便的计算工具,可以解决热力学复杂的计算问题,可使计算结果更加准确。物理化学中的热力学内容是以建立基本概念为主要目的,而化工热力学是在完善概念的基础上以应用为主要目的,所以化工热力学的教学内容主要体现以应用为目的的特点,因此在教学过程中要特别注意避免与物理化学课程在内容上的重复。同时注意从物理化学到化工热力学课程的几个转变,即:从理想体系、二元体系向非理想体系、多元体系的转变,从隔离体系、封闭体系向敞开稳流体系的转变,而热力学性质的计算从以公式为主转向以热力学图表为主。让学生明确这些转变,可帮助学生掌握经典热力学解决问题的方法,并培养学生应用热力学原理和方法解决实际问题的能力。

二、把握课程内容体系与问题分析方法

化工热力学系统介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法,它以热力学第一、第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,深刻阐述了各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件、状态及组成变化,是化工过程研究、开发和设计的理论基础。课程教学内容包括流体的p-V-T关系及热力学性质、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环、流体的相平衡以及化学反应平衡等方面。其中流体的p-V-T关系及热力学性质是其它内容的基础,流体的相平衡及化学反应平衡内容是热力学和传质、分离、反应工程之间联系的纽带。要让学生正确理解化工热力学所研究和阐述的内容之间不是孤立的,而是相互联系的,理清化工热力学的内容体系与结构层次(见图1),这样才能更好地理解和掌握课程内容及其实际应用。

图1 热力学各内容之间的相互联系

每个学科都有自己的知识体系和独特的解决问题的方法,热力学课程与学生之前接触的课程特点不同,为了使学生能够尽快地掌握热力学,首先要学生清楚热力学研究问题的方法,即理想化的方法、状态函数法和元过程方法,然后指出解决热力学问题的思路,即对于一个热力学问题如何得到需要的结果,具体的步骤见图2,这样就可使学生尽快的适应热力学处理问题的特点,掌握热力学解决实际问题的方法。

三、重视热力学概念教学和思路的引导

化工热力学的最终目的是应用,但是只有理解了热力学的基本概念,以及这些概念的来源、背景和意义,才能够确实掌握热力学课程的基本内容,也才能够更好的应用于实际中。热力学中重要的基本概念很多,如体系、状态函数、广度性质、强度性质、隔离体系、封闭体系、敞开体系、可逆循环、热力学能、焓、熵、Gibbs自由能、偏摩尔性质、化学位、逸度、活度、理想气体、理想溶液、理想功、损失功、火用等等,只有深刻理解其内涵,才能掌握热力学的精华。比如对平衡的两相,其平衡的条件是各组分在两相的化学位相等,或者说各组分在两相的偏摩尔Gibbs自由能相等,对纯物质而言,偏摩尔Gibbs自由能就是摩尔Gibbs自由能,也就是该物质的化学位,而对混合物而言,某组分的偏摩尔Gibbs自由能就是该组分在混合物中的化学位,如果学生对这些概念认识不清楚,常常会导致对相平衡、化学平衡等概念产生错误的理解。

引导学生思路对于教学效果有重要影响。如溶液的热力学性质一章,为找出各种物质在溶液中所“具有”的性质之间的关系,引入“偏摩尔性质”的概念。而偏摩尔性质中常用的是偏摩尔Gibbs自由能、偏摩尔焓以及偏摩尔体积。在这一章中主要讲解偏摩尔Gibbs自由能的计算问题,主要为以后相平衡和化学平衡的计算打基础,为了计算偏摩尔Gibbs自由能引入逸度和逸度系数的概念,对纯气体、气体混合物中的组分以及混合物、纯液体分别讲解逸度的计算方法。但对于液体混合物而言为了计算其偏摩尔Gibbs自由能又引入活度和活度系数,而为了得到活度系数与组成之间的关系,又引入了超额性质的概念,只要知道超额性质与组成的关系即可推导出活度系数模型。这样整个章节的内容就很清晰,使得学生对各概念的来龙去脉能够很好的了解,可以避免学生陷入公式细枝末节的包围中,使得教学效果明显提高,同时对学生搭建热力学知识框架十分有益。

总之,为了提高化工热力学的教学效果,使学生能够确实掌握工程处理问题的方法,了解化工热力学与其它学科各自的特点,以便找到适合的学习方法。这就要求教师在教学过程中不断的引导学生,使其能够尽快地适应工程学科的学习。

参考文献:

[1]夏淑倩,马沛生,陈明鸣,常贺英.让应用实例使《化工热力学》教学更加生动[J].化学工业与工程,2005,22(增刊):98-99.

[2]郑立辉,韦一良,宋光森,高新蕾.化工热力学教学的实践与体会[J].化工高等教育,2007,93(1):77-79.

[3]马沛生.化工热力学[M].北京:化学工业出版社,2005.

热力学教学范文第4篇

关键词:工程热力学 学习方法 教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)09(a)-0164-01

工程热力学是本校化工学院油气储运工程专业的一门技术基础课。其内容抽象,概念多,逻辑严密,各部分内容相互渗透交叉。该课程不仅为学生学习专业课程提供基础理论,培养学生的工程素质,而且也为今后从事与热有关的设计、管理等方面的技术工作和学习研究奠定了基础[1~2]。根据我校专业教学改革和该课程的特点,对课程教学改革的一些措施加以探讨。

1 教材选择

考虑到油气储运工程自身专业特点和本校实际情况,并通过对几届学生的教学效果的分析比较,选用了沈维道等编写的工程热力学第4版作为教材,并结合工程热力学备课组对课程整体教学思路和脉络的商讨与把握,调整并更新了一部分内容。

2 学习方法

2.1 强化理解记忆

工程热力学的一些概念,如热力循环较为抽象,难以记忆。但如果在理解了循环和状态参数的本质后,可以牢固掌握任何循环后各种状态参数都恢复到初始状态,从而有利于加深正确的记忆。对于热力学第一、第二定律而言,重点放在定律的实质及其应用,第一定律应强调定律的普适性,第二定律应强调对生产实践的指导意义。在气体和蒸汽的流动过程别应留意背压对流动的影响及流动不可逆对流动计算的影响等。

2.2 勤于思考

学习过程的每一个环节中都应主动多问“为什么”,在每一阶段可以做一些总结、归纳。这样不仅可以改善学习效果,更可以培养良好的学习习惯而受益终身。同时也要积极参与课堂讨论,勇于表达自己的观点,这也是自己努力思考并使自己思维条理化的过程。而倾听其他同学的观点也可扩大思路,使所学的知识掌握得更牢固深入,这对学好课程及能力培养都有极大的帮助。

2.3 认真完成作业

习题是学习的重要环节,独立完成作业对于加深课程内容理解非常重要。在解题过程中,要重视思路,重点培养抽象演化、解决问题的能力。除了完成指定的作业以外,还可以自己增加课后思考题和其它习题的训练。

2.4 珍惜实验环节

实验课是工程热力学教学课程中的重要环节,本校课程安排了喷管内气体流动特性、空气定压比热容的测定等四个实验。实验前务必认真阅读实验指导书,写好预习报告,实验时认真操作,作好记录,仔细观察现象。实验后认真、独立完成实验报告。

2.5 参考书及网络资源

工程热力学是技术基础课程,各种相关资源十分丰富也较容易获得。就参考书而言,学生可以结合自身的实际情况,选读一两本参考书,从而帮助从不同角度加深对课程教学内容的理解。此外,还有一些精品课程网络资源可以借鉴。

3 教学改革措施

教学质量优劣是教学改革目标是否实现的重要指标。所以采用灵活多样的教学方式,使学生更简单、快捷的掌握基本理论知识,培养学生的科学思维能力,才能提高教学质量[3]。

3.1 激发兴趣 重点突出

激发学生的学习兴趣,多联系平时生活上和生产中较为熟悉的一些实例,让学生感到能够学以致用。如讲到水蒸气的热力性质时,联系电厂中锅炉内水蒸气的定压发生过程;讲到压气机的热力过程,就可以结合路经榆林市的靖西输气管道中压气站的实例展开分析。讲到喷管,可以联系火箭发射时的尾喷管等。这样学生听着才会饶有兴趣且印象较深。

工程热力学内容多,学时有限,教学中无法将知识点完全覆盖,所以必须有所侧重,结合专业特点和培养目标对相关内容重点讲解[4]。如理论应用部分中气体和蒸汽的流动这部分内容将对油气储运工程专业在天然气及城市配气中的工艺设计、管理等方面的专业课学习有重要帮助,因而这部分内容就作为重点详讲,适当拓展与深挖。

3.2 突出主观能动性

在教学中发挥学生的主观能动性,逐步实现“要我学”到“我要学”的积极改变。教师一方面从正确的角度进行引导和教育;另一方面也需要采用互动式教学等辅助形式以形成较好的课堂气氛,使得教学过程良性循环。

3.3 用好多媒体

借助学校完善的多功能教室进行辅助教学,可以起事半功倍的效果[5]。工程热力学有许多工程实际问题,如内燃机循环、蒸汽动力循环等,可借助多媒体技术进行动态演示,更生动、直观地体现热力学的应用。

4 结论

工程热力学是一门概念多,难理解的课程。通过教学内容的改革与实践,教学内容更符合我校的实际状况。通过教学方法的改革与实践,学生的学习兴趣和理论联系实际的能力在增强的同时,教师的教学水平也得到了提高。

参考文献

[1] 谭羽飞.运用迁移规律进行《工程热力学》教学改革的实践[J].黑龙江高教研究,2002(6).

[2] 王华.工程热力学课程教学实践与探索[J].教育与职业,2009(18).

[3] 张国磊,杨龙滨,李晓明.提高“工程热力学”课程教学质量的方法探讨[J].中国电力教育,2008(11):39-40.

[4] 童钧耕.工程热力学课程教学改革的几点看法[J].中国电力教育,2002(4):70-72.

热力学教学范文第5篇

关键词 工程热力学 教学 策略

【中图分类号】G712

一、工程热力学的特点

工程热力学是热能与动力工程、化工机械及油气储运等许多工科专业的专业基础课,是这些专业的学生进行专业课程学习的基础,在高等院校教学工作中占有重要地位。工程热力学是热力学最早的一个分支,主要是研究热能与其它能量之间相互转换规律及其应用的一门学科。工程热力学包含的内容较多、理论性和实践性都很强、热力学理论和公式较繁杂、很多内容比较抽象,对于刚接触这门课的许多大学生来说是非常难的一门课程。虽然工程热力学和传热学同为专业基础课程,但其学习难度要远高于传热学,因为传热学的主要内容就是传导、对流和辐射等三种传热方式,而工程热力学中既包括热力学三大定律、各种工质的热物理性质,还包括郎肯循环等各种热力循环。基于工程热力学学科的上述特点,必须积极探讨工程热力学课程的有效教学方法,不断提高学生的学习效果,达到真正掌握工程热力学知识的目的。

二、工程热力学的教学方法

要做好工程热力学的教学工作,必须改进传统的课堂教学方法,通过教学法的改进来不断增强学生学习的兴趣和对知识的理解掌握程度。笔者根据自己多年的教学经验,认为在工程热力学的教学过程中可以采用以下几点策略。

1、明确工程热力学教学的目的

在教学的过程中,老师应该对工程热力学有一个明确的定位。工程热力学是一门专业基础课,因此教学的首要目的是让学生对工程热力学的知识有比较牢固的掌握。但与此同时,老师应该对教学目标有更高的要求,由于工程热力学的特点,学好这门课非常有利于培养学生的发散思维和分析问题、解决问题的能力,也就是说可以通过这门课使学生学会分析问题的方法,为他们今后的工作和科研打下良好的基础。虽然高职院校的学生底子普遍比较薄弱,但通过正确的引导也会使他们在学好课本知识的同时使自己的综合素质得到提高。如在学习熵的概念时,由于这个概念比较抽象,很多学生可能会比较困惑,这时老师应将课本内容与社会现象相结合,组织大家辩论社会的发展符不符合孤立系统熵增原理。同学们通过积极的辩论,不仅可以加深对热力学中熵的概念的理解,而且也提高了他们学习热力学的兴趣,锻炼了他们的思维能力,使教学效果得到显著提升。

2、在教学过程中运用好现代教学手段

现代技术特别是计算机和信息技术的发展使得多媒体教学的应用也越来越普遍,但与此同时也出现了许多问题需要解决,最典型的就是多媒体教学成了老师的阅读式教学和学生的浏览式教学,一堂课下来学生并没有收获多少东西。因此,在多媒体教学的过程中老师必须要认真准备自己的电子教案。在电子教案的制作过程中必须要根据工程热力学课程的特点引入大量的信息和动画,这样便于学生对所学的内容有一个直观的认识,如在学习郎肯循环时,通过向学生进行动画演示,可以使学生对该循环的流程和循环过程中所涉及到的设备有一个非常清楚的了解。另外,在制作多媒体课件的时候,老师必须要注意扬长避短,大到内容的收集与调整、小到字体的颜色与大小等问题必须要认真对待。在多媒体教学的过程中必须将老师、学生、课件及教材作为一个有机的整体来考虑,使教师成为整个教学过程的组织者、学生成为工程热力学知识的主动构建者,多媒体仅仅是教学的工具和辅助手段,并不能替代教师的作用,教学过程中仍然要以老师为主导和学生为主体。

3、积极在课堂教学中开展“研究型”学习的模式

高等职业院校培养的是实践性和应用性比较强的人才,因此在课堂教学中必须贯彻“学以致用”的教学理念。就以热力学第二定律的学习为例,虽然热力学第二定律仅仅是简单的一句话,但该定律却是用来判断热力过程能否进行的重要依据。利用该定律学生很容易对基本的物理现象进行判断,如热量不能自发地从低温物体传到高温物体等。但在热力系统比较复杂的情况下,很多学生往往不知如何下手去判断该过程能不能进行。在进行该部分内容的教学时老师应多结合具体的案例,让学生根据课本的知识去判断有些表面看起来可以实现节能的热力过程能不能实现。如可以让学生讨论汽轮机做完功的乏汽有没有利用的价值,因为这是很多没有学过工程热力学的人经常会提出的问题,要解决这个问题,就需要学生有一个宏观的思维,对郎肯循环的整个过程有深入的了解,多进行类似的“研究型”学习,可以使学生将自己的所学用到实践中去,真正达到学以致用的目的。

4、教学手段多样化,提高学生的综合学习能力

一个好的老师教给学生的是终身学习的能力,而不仅仅是给学生书本上的知识。随着科学技术的迅速发展,知识更新的速度越来越快。高职院校的学生毕业后大部分从事的都是一线的技术工作,由于技术更新换代的速度非常快,因此这就对他们的学习能力提出了更高的要求。由于工程热力学的内容十分丰富,并且只要涉及到能源的行业都能用上工程热力学的知识,这为工程热力学教学手段的多样化提供了非常便利的条件。在教学过程中除了让学生学好课本知识和进行必要的习题训练外,可以给学生布置实践性比较强的大作业,大作业的形式可以多种多样。如可以让学生就热力学中的某个热点问题进行文献调研,根据自己查找的资料写成报告;在学习完热力学中的主要热力循环过程以后可以让学生自己设计理论上可以实现节能的热工设备等;另外,还可以让学生针对某个企业的能耗特点进行分析,找出其中潜在的节能潜力并提出实现的方案等。通过以上多种多样的教学手段,不仅可以使学生对基本的理论知识有了更好的掌握,而且也真正培养了他们的综合学习能力,对他们顺利完成大学学业及今后的工作都有着巨大的帮助作用。

三、结语

结合自己多年的教学经验,从几个方面提出了做好工程热力学教学工作的措施。由于篇幅所限,仅就几个主要方面展开论述,希望能为从事工程热力学教学工作的大学老师提供一些有益的参考。

参考文献

[1]耿凡等. "工程热力学"课程的研讨式教学改革[J].中国电力教育,2013(04)

热力学教学范文第6篇

工程热力学是一门从宏观角度去研究能量转换规律的学科,它的主要定律,包括第一定律和第二定律都是基于经验总结。这就是说,这种经验总结为该课程的教学结合实际提供了便利条件。教学时应该充分利用这个特点,在课堂教学过程中,结合实际设置疑问,引导学生积极主动思考,既能活跃课堂氛围,又能使学生在思考中进行后期的学习。例如在热力学第一定律讲述时,可以在课堂上再现第一类永动机的设计,并让学生参与指出设计的不足或提出自己的设计,当学生兴趣盎然时引出第一定律。第一定律引出后,引导学生举出自己在日常生活中所接触的能量转换事例,活跃课堂气氛后,提出问题:封神榜中哪吒的风火轮是否能实现?如果能实现飞机、汽车还是否有存在的必要,如果不能实现,又是什么原因呢?经过探讨后将疑问留给学生,并提示随着热力学第二定律的深入学习他们可以得到想要的答案。又如在蒸汽动力循环讲授时,可以给出火力发电厂发电效率计算的例题,学生在亲自计算后,深刻体会到目前我国火力发电厂的实际效率不高的现状,并开始关注如何提高效率的问题,这时可以将该问题留给学生,并提示随着蒸汽动力循环的深入学习,他们将得到想要的答案。本人在教学实践中发现这种故设悬念的做法,在激发学生的求知欲,提高教学效果和活跃课堂气氛方面均有显著作用。当然这种故设悬念,引导学生思考的教学方法的具体实施,则需要从系统的角度,依照教学进程依次设置。本人认为以下过程可作为设置悬念的主线,即从能量能否转换到能量转换是否有规律可循,从能量是否守恒到能量守恒过程是否一定能进行,从理论可以进行的过程实践上为什么不被采取到理论上完美的过程能否实践上努力实现。围绕这条主线去设置疑问能发挥学生学习的主观能动性。当然设置悬念的时候一定要注意从现实生活出发,这样才能真正激发学生的兴趣,引导学生自我思考。

二、重视教学中的育人

尽管工程热力学是广大学生以及教师公认的较为枯燥的基础课程,然而工程热力学却蕴含了大量的为人处世道理,如果能将属于自然科学的工程热力学与人文教学结合教学,不仅起到提高教学效果的功能还能达到很好的育人功能。例如,围绕热力学第一定律可向学生讲述付出与收获之间的道理,围绕热力学第二定律中能量自发转换的方向性问题,可以向学生传达这样的思想:提高个人素质是一个从低品质向高品质转换的过程,因此不是一个自发的过程,需要付出代价才能实现。换而言之,在校大学生要懂得要提高个人素质,将来赢得用人单位的认可,现在必须通过努力才能实现。同时工程热力学所涉及的领域为能源,众所周知,能源是当今世界各国争夺的主要资源之一,资源问题最能激发学生的时代责任感。然而学生在中学时代,知道得更多的是国家地大物博,各种资源尤其是煤炭资源丰富,尽管也知道人均占有率不高,但是并未深刻意识到能源的合理使用对当前能源抢夺局面的改善作用。因此在绪论中除了重点给出学习学框架外,还应该介绍各国的能源利用政策以及能源利用效率,让学生认识到我国能源利用过程与发达国家之间的差距,唤醒学生的爱国心和责任感,提高学生学习动机。总之,加入人文育人思想后,工程热力学的教学会变得更加活泼,学生的学习参与热情也逐步提高,因此重视教学中的育人功能是不可忽视的教学方式。

三、注重工程应用,加强实践

传统教学过程中,学生往往通过做题目巩固所学知识,并且效果不能皆尽人意。尤其对应用性很强的课程,做题目只是辅助手段而不是最佳的方式。要将工程热力学这门课程的抽象性剥除,非常有必要在课余时间带领学生参观学科所应用的领域,例如火力发电厂。一般在取得学院认可的条件下,可以与当地火力发电厂建立联系,在绪论讲授完,或蒸汽发电讲授前,可分批次带领学生进入电厂学习参观,在参观过程中使学生了解发电厂的流程,了解汽轮机、锅炉、给煤机等设备以及发电原理;参观过程中,结合安全工程专业特点,可多提醒学生电厂发电过程中可能存在的危险有害因素;也可以向学院申请邀请电厂安环部负责人以讲座的形式给安全工程专业学生系统讲述电厂蒸汽机发电时存在的危险有害因素;制冷和制热学习过程中,带领学生了解空调、冰箱的工作原理。这些都有助于学生认识课程的重要性并牢固掌握知识点。为提高学生的实践参与度,可以要求学生提交实践学习报告,并作为该课程考核内容之一,达到解放学生为考试而被动学习的局面。此外工程热力学知识点比较抽象,有必要开设部分课内实验,让学生掌握压力、温度、热量等基本量的测量方法,并运用课堂讲授的相关基本知识观察实验现象、分析处理实验数据,巩固并加深有关理论知识,促进理论联系实际,以利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

四、充分利用多媒体技术

多媒体具有直观、信息量大的特点,非常适合于复杂和抽象课程的教学。运用多媒体创设教学情境,有助于激发学生学习兴趣,以其独特的形、声、景扣动学生的心弦,化无声为有声,化静为动,使学生进入一种喜闻乐见的、生动活泼的学习氛围,从而使学生产生极大的学习兴趣。[3]工程热力学中所研究的能量转换必须基于热力状态的变化,即在状态变化的过程中实现能量转换。而从一个状态到另外一个状态必然经过一定的过程,因此示功图p-v图、示热图T-s图是工程热力学非常重要的工具,甚至可以说是工程热力学独特的语言。实际气体包括水蒸气、湿空气,工程应用包括动力循环以及制冷制热循环的研究中都用到了这种图形化的语言。这种图形化的语言是动态过程的描述,因此可以借助多媒体的动态、形象特点将静态的图动态地展示给学生。通过这种动态教学,可以将抽象的理论学习化为直观易懂的学习。‘

五、总结

工程热力学作为安全工程专业基础课的重要特性已为大家所共识,如何探索适合安全工程专业的教学方式成为提高安全工程毕业生素质的重要途径。本文从构建教学框架、故设悬念引发思考、重视教学中的育人、注重工程应用和充分利用多媒体技术五个方面都进行了教学方法改革的初步探索,实际应用中效果较为明显。但课程学时数的有限使教学改革需要分配好学时数,甚至占用学生部分课余时间。各院校可以根据培养目标以及生源状况进行选择性改革。虽然本文归纳了一些改革要点,但时间关系,系统性及充分性尚需要在今后的教学实践中进一步归纳完善。

热力学教学范文第7篇

关键词:工程热力学;教学研究;教学措施

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)04-0097-02

一、前言

《工程热力学》是能源动力、化学工程、航空航天等众多工程类专业的一门重要专业基础课,是培养在涉及能源特别是与热能相关的各领域中具有创新能力人才的基础。该门课程学习的好坏将直接影响到后续专业课的学习效果,从而最终影响学生的专业综合水平。与其他课程相比较,《工程热力学》课程具有公式较多、逻辑性和理论性较强、概念多而抽象、应用条件较复杂等特点,因而很多学生反映这是一门较难学的课程。甚至有些学生在刚接触这门课时便感觉学习困难,产生了抵触情绪。

二、《工程热力学》课程的研究内容及目前教学现状

《工程热力学》主要研究与热能工程相关的热能和机械能相互转换的规律,它着重应用热力学两个基本定律分析热能过程中有关的各种热力过程及热力循环,从理论上研究提高热能和机械能转换有效程度的途径。其内容包括热力学的基本概念、热力学第一定律、理想气体的热力学能等基本参数的计算、理想气体的热力过程、热力学第二定律、气体的流动、压气机的压气过程、气体动力循环、制冷循环等,其主要特点是理论分析、实验研究和工程实际应用紧密结合,分析推理的结果具有高度的可靠性,条理清楚,逻辑性强[1]。《工程热力学》课程具有的特点使得学生反映难学,教师反映难教,最终导致教学效果不佳,学生对知识点掌握不够,考试不及格率较高。传统的教学以理论传授为主,但对于一些以应用型培养为定位的新建本科院校来说,更重要的是要培养工程背景下学生利用所学理论知识去分析、解决实际工程问题的能力,因此深入开展《工程热力学》的教学研究显得十分必要。

三、《工程热力学》课程的教学措施

1.上好绪论课。很多学生误认为绪论课中没有涉及到具体的、重要的知识点,而且也不属于课程的主要考试内容,因此觉得它不重要,上课也不认真听讲和记笔记。事实上,绪论课作为《工程热力学》课程的第一课,在教学中具有特殊的教学地位和重要意义[2]。绪论课中教师可以讲授热能动力工程的重要地位,介绍一些典型的能量转换装置工作过程(例如蒸气动力装置、内燃机、燃气轮机装置以及蒸气压缩制冷装置等)、《工程热力学》的研究对象及研究方法(宏观法和微观法)等内容。通过绪论课,教师不仅可以让学生初步建立起《工程热力学》的基本概念,使学生掌握本课程的思维方式和基本理论体系,而且能使学生明白本专业为什么要开设《工程热力学》、《工程热力学》的主要学习内容、学习方法以及学好这门课的注意事项,从而激发学生学习《工程热力学》课程的兴趣和爱好,坚定学习该门课程的决心。

2.充分调动学生的主动性和积极性。由于《工程热力学》课程公式多、概念多,计算复杂,学生学习起来有一定难度,有些学生在刚开始接触这门课时就有抵触情绪,这就需要充分调动学生的主动性和积极性。首先,必须要求教师课前充分备好课,合理组织教学过程,恰当运用有效的教学方法;做到教学内容精炼充实,重难点突出,逻辑严密,使学生易于接受讲解的知识点。学生只有在听懂课的前提下才会对课程产生兴趣,从而调动他们的主动性和积极性,激发他们的潜能。其次,在上课过程中可以适当引入一些生活中常见的实例,通过对这些实例进行分析,把枯燥乏味的理论知识运用到具体的实际问题中,并采用启发式教学培养学生独立思考问题的能力,提高他们学习的主动性。第三,教师应结合当前工程热力学领域的相关热点问题[3],如提高热机效率、节能降耗、低碳环保以及核电事故等,开展课堂讨论和专题研讨,通过这些热点问题培养他们对《工程热力学》的兴趣。

3.在知识难点上完善教学方法。以热力学第一定律为例[4],在学习该定律时,不少同学对热力学第一定律的两套符号的掌握有困难,经常混淆教材提供的两个公式。这种情况下,教师就应在课本的基础上,进一步完善教学方法。例如授课时可以在教材提供的知识点的基础上进一步延伸,将热力学第一定律在形式上概括总结成:体系内能的增加等于体系增加的能量(Q)减去体系消耗的能量(W)。当假设体系从环境吸入热量时,公式中的Q自然就为正;而当环境从体系吸入热量时,Q自然就为负;同理,体系对环境做功,W为正,环境对体系做功,W为负。关于Q和W数值的正负号选取时只要注意下列原则即可:实际发生的情况和定义一致则取正,和定义相反则取负。例如当W定义为环境对体系做功时,若环境确实是对体系做功,则W的数值取正,否则W取负值;Q在数值上的正负号取法同W。这样一来就避免了学生对公式中Q和W的正负号以及Q和W数值的正负号不能很好把握的问题,可以帮助学生更好地掌握并运用热力学第一定律。

4.正确对待公式的记忆与推导。《工程热力学》课程的公式比较多,学生反映记不住,而且有的公式在形式上相类似,很容易记混淆。其实要让学生记住所有的公式一是不现实,二是也没必要,这就需要在教学过程中理清哪些公式需要记忆,哪些可以根据记忆的公式现场推导。例如闭口系统能量方程的四个式子可以要求记忆,一是比较简单,二是这四个式子非常重要,讲解后面的知识点时需要用到。但理想气体的各种过程(包括定容、定压、定温)中比熵的变化就不需要记忆,完全可以根据比熵的原始定义再结合闭口系统能量方程直接推导而得到,如果同学对基本概念和基本公式的掌握足够熟练,对这些推导会形成条件反射,不需要借助草稿纸直接在脑海中就可完成整个推导过程。这样无形之中就减少了很多公式的记忆,但需要用到的时候又能立刻得到。

5.采用现代化教学手段。随着现代信息技术的发展,多媒体教学越来越广泛地应用于教学领域。利用多媒体教学中图像、动画、声音等元素的优势,既进一步丰富了教学内容,又使教学过程更加形象生动,加深学生对知识点的理解,便于学生接受。例如在讲解活塞式压气机的压气过程时,如果利用板书在黑板上讲解压气过程,学生会感觉比较抽象,但如果利用flash制作的动画来演示时,学生对压气机的压气过程就会一目了然,感觉更直观,更加便于理解和接受。另外在讲解压缩过程、平衡态等一些相对抽象的过程和概念时,如果借助于多媒体技术也会起到事半功倍的效果。

6.注重学生工程意识的培养。全日制大学生一般对工程常识较缺乏[5],针对这一特点,教师授课时可以以课程为载体,适时向学生介绍所学理论知识在实际热工设备中的应用。例如授课时可以多举一些例如锅炉、热水器、散热器、涡轮机、压气机、喷管等典型热工设备的例子,分析这些设备在实际工作工程中消耗的轴功、系统和外界交换的热量、能量转换关系等。通过分析这些实际工程设备的工作工程,能够使学生掌握不同设备的能量转换关系和特点,并了解在哪些情况下,可以将工程实际问题进行简化,从而建立他们的工程意识。

《工程热力学》作为众多工程类专业的一门重要专业基础课,学生接触较早,对他们后续学好其他专业课会产生一定的影响。如何上好这门课,是每一位《工程热力学》教师应仔细思考的问题。只有在教学实践中不断丰富和调整教学内容,不断改革和探索教学方法和教学手段,才能达到较好的教学效果。

参考文献:

[1]印洪浩.基于建构主义理论的工程热力学教学研究与实践[J].航海教育研究,2007,(2):53-55.

[2]王志军,高保彬,宋文婷.工程热力学绪论课的重要作用及其课堂教学设计[J].教育教学论坛,2012,(9):237-238.

[3]耿凡,王迎超.工程热力学课程的研讨式教学改革[J].中国电力教育,2013,(5):76-77.

[4]蒋亚龙.热力学第一定律的教学探讨[J].时代教育,2011,(7):6-7.

[5]秦萍,袁艳平,毕海权.工程热力学传热学教学改革及教学法研究[J].制冷与空调,2012,26(6):614-617.

热力学教学范文第8篇

关键词:热力学统计物理;教学改革;教学实践

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)08-0105-02

《热力学与统计物理》属理论物理课程,是高等院校物理学专业本科学生在修完《热学》课程之后必修的一门基础理论课程,它对于后续课程的学习以及从事相关科研都具有重要的意义。《热力学与统计物理》语言严谨但枯燥,包含大量的公式和推导,教学中容易忽视科学思维训练和科学思想方法的培养。经过调查发现,大部分同学学完《热力学与统计物理》后,对涉及到的概念、规律和处理方法都感觉比较模糊,实际应用困难。在教学方法上,目前普遍采用的教学方法是老师推导公式,学生听讲,使学生整体感觉模糊。热力学是一大堆偏微商,偏来偏去;统计物理是这分布那分布。教师在讲台上讲的是口干舌燥,筋疲力尽,学生在台下却无精打采,昏昏欲睡。如何实现在教学中师生的互动,知识的传递、信息的交流和思维的碰撞在《热力学与统计物理》课堂教学中显得尤为重要。笔者在近几年的教学中,针对《热力与学统计物理》的现状进行了教学内容和教学方法的改革,在一定程度上调动了学生的学习兴趣和积极性,并收到了较好的效果。

一、教学内容改革

1.深化物理概念。由于《热力学与统计物理》教材中有很多理论的堆积和繁杂的推导过程,而对课程中蕴含的思维训练和科学思想、科学方法等内容很少涉及,在传统的教学中,大部分时间都是花在推导公式上,忽视了应用人才的培养。在《热力学统计物理》教学中,尽量做到从最普遍的基本原理出发,运用归纳、演绎的方法导出实验规律,然后培养学生运用物理理论解决一些典型实际问题的方法和能力。同时强调对物理概念和意义、物理意义的理解,简化数学推导,使学生形成较完整的物理学图像。

2.优化课程结构。根据《热力学与统计物理》和《热学》、《量子力学》、《固体物理》等课程的关系,尽量减少与《热学》、《固体物理》等相应课程内容的重复。例如对于热力学中的内容(如平衡态、温度、物态方程、热力学第一定律、功、热量与焓、理想气体、热力学第二定律、熵、卡诺定理等)和统计物理中的内容(如等概率原理、玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布)与《热学》的重复率高,在教学时适量减少课时。例如德拜理论等内容可以放在《固体物理》中并且要重点讲授。通过教学内容的整合,提高了教学效率,优化了课程结构,缓解了授课学时和教学内容的矛盾,从而明确了课程的主线。

3.增加前沿知识。在讲授课本知识的同时,适当增加前沿内容。例如讲解获得低温的方法时,增加介绍3He、4He稀释致冷和激光致冷;对于非线性不可逆过程热力学,重点介绍耗散结构的概念和应用;补充相变中朗道连续相变理论和临界点附近涨落与关联的理论;增加介绍统计物理中玻色爱因斯坦凝聚的新进展;介绍朗之万方程在光学粘胶、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的应用。通过增加前沿知识的学习和介绍,加深学生对基本内容的理解,开阔学生的视野,引起学生的兴趣并有利于科学思维的培养。

4.注重实践环节。在讲授理论知识课的同时,注重实践性教学环节和课程设计环节。由于《热力学与统计物理》是理论性很强的课程,在教学中往往重视理论教学而忽视实践环节,这不利于应用性人才的培养。需要在教学中增加实践性教学环节和课程设计环节。例如熵变的计算、铁磁—顺磁相变、粒子输运问题、平衡态的确定、半透薄等知识和问题,结合Ising模型,郎之万方程,Monte Carlo、Random Walking等计算方法,有针对性的进行课程设计。通过实践教学,既加深了学生对物理学过程、物理概念的理解,又锻炼了学生计算机程序设计能力,从而增强了学生解决实际问题的能力。

二、教学方法改革

1.对比法的应用。由于《热力学与统计物理》存在大量的物理意义相同或相近的物理概念、物理量、物理规律和处理方法等,通过增加对比让学生掌握该门课的主线,培养学生的科学思想和方法。例如对于内能、自由能、吉布斯函数、焓的概念;麦氏关系;熵、自由能、焓、吉布斯、内能等的各种判据和条件;微正则分布、正则分布、巨正则分布;玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容,教学时主要讲授部分内容,引导学生对比分析物理概念和研究方法的区别和联系。通过对比教学,既加深了学生对基本感念、基本研究方法的理解,又能起到举一反三的教学效果。

2.互动式教学的应用。教学中适当地应用互动式的教学方法,改变以往课堂教学的传统模式。激发学生主动学习的积极性和自我学习的能力。在教学中,增加一些基本概念、定律和处理方法的讨论。例如讨论热力学温标和理想气体温标的异同点;讨论理想气体状态方程和焦耳定律的独立性;讨论分析热力学第二定律的微分表达式和热力学基本微分关系的不同之处;讨论熵的概念以及不可逆过程中熵变的计算方法比较。根据熵增原理讨论了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未来和宇宙的演化等。在相变中除了物体的固、液、气三相变化,讨论自然界还存在许许多多的相变现象,例如物质从金属变成超导体的超导相变;液态氦从正常液体变成超流体的λ相变;磁铁在居里温度从铁磁性变成顺磁性等。通过讨论进一步明确了概念、规律的适用条件和一般处理方法等,并在互动过程中逐步培养学生自学意识、参与意识、群体意识和问题意识,提高了学生的积极性和主动性。

三、其他方面工作

在《热力学与统计物理》教学中我们还进行了其他方面的改革和实践。在考核方面,采用闭卷考试、一页开卷、课程设计、论文等多种考核方式。为适应教学的需要,针对教学内容作了完整的习题解答和复习资料,并作为教材配套的教学参考书。在保证本学科的基本理论、基本知识和基本技能的全面性,以及在精选内容时注意知识的科学性和系统性的前提下,制作了图文并茂、引人入胜的课件。在课堂上运用多媒体,VCD、DVD,教学软件、音像制品等这种直观的、形象化的演示,有利于学生增强感性认识,便于理解和记忆。

四、结论

在教学改革的指导思想下,针对《热力与学统计物理》教学中存在的问题,进行了教学内容和教学方法等方面的改革和尝试。实践证明,这些改革和实践缓解了授课学时和教学内容的矛盾,增加了学生的学习兴趣,拓展了学生的知识面和自主实践课的空间,增强了学生解决实际问题的能力,从而有利于人才的培养。

参考文献:

[1]赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程:热学[M].北京:高等教育出版社,1998.

[2]林宗涵.热力学与统计物理学[M].北京:北京大学出版社,2007.

[3]汪志诚.热力学与统计物理学[M].北京:高等教育出版社,2003.

[4]汪志诚.热力学统计物理(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]苏汝铿.统计物理学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6]王竹溪.热力学(第二版)[M].北京:北京大学出版社,2005.

[7]梁希侠.统计热力学(第二版)[M].北京:科学出版社,2008.

基金项目:滨州学院教学研究项目(BYJYZD201010);滨州学院重点课程(BZXYZDKC200912)

热力学教学范文第9篇

关键词:《材料热力学》;教学效果;教学内容;教学方法

中图分类号:G642.0 文献标志码:A ?摇文章编号:1674-9324(2013)41-0107-02

《材料热力学》是材料科学与工程专业的专业基础课,是一门理论性和应用性较强的课程。通过《材料热力学》课程的学习,学生能够掌握《材料热力学》的基本概念和理论,并利用《材料热力学》进行相变、表面和界面等的分析和研究。然而《材料热力学》具有概念多而易混淆、公式多而难记忆以及内容抽象难懂等特点,学生系统掌握该课程的内容比较困难,本文尝试对教学内容和教学方法等方面进行探索,以提高《材料热力学》课程的教学效果。

一、教学内容与实践相结合

1.突出应用目的。本科《材料热力学》教学重点在于热力学基本原理及其在相平衡、表面和界面等领域的应用。由于学生在学习材料热力学之前,已经学习过物理化学等课程,因此讲授《材料热力学》时,应将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学中的问题这一方面。在热力学基本原理这部分内容的讲授中,为了理论体系的完整性,我一般会对重要的定理和公式进行简单地推导,使同学掌握基本原理的来龙去脉,而对于其他的定理和公式,我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围,不做详细的推导。我把热力学原理在材料科学中的应用作为我的讲课重点。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中有很多例题,但是我重点挑选与相变有关的典型例题来讲解,比如:选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用,选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等,以突出《材料热力学》课程以热力学基本原理解决材料科学问题的讲课重点。

2.增加科研和生产方面的内容。笔者经过几年的材料热力学的教学实践,总结出:在教学过程中教师必须将科研和工程案例与教学内容相结合,这样不仅让学生在科研和工程案例中理解材料热力学的基本概念和原理,同时了解理论对实践的重要指导作用,激发学生的学习兴趣。我们学院的一些学生承担本校激光研究所钛基激光熔覆层方面的大学生创新项目,我在讲解自由能判据这部分内容时会引入这方面的实例,比如:为什么添加B4C的镍粉在高能激光照射下会在钛基体中形成TiB和TiC增强相。我的一个科研项目是有关碳纤维/铜基滑动轴承材料粉末冶金制备工艺的,我将这部分科研内容引入到表面和界面这一章中,向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。我还经常将企业的生产内容融入到《材料热力学》的教学中,比如我将人造金刚石的生产过程引入到封闭体系的热力学基本方程这一章的教学中,以说明公式(?坠G/?坠T)P=-S和(?坠G/?坠P)T=V的应用;我还将氧化锆生产过程中氯化铵废水的处理和循环使用这部分内容引入到渗透压的教学内容中,说明如何根据氯化铵废水中离子的浓度计算出渗透压,进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。

3.增加实验教学的内容。实验教学是高等学校教学中的重要内容,具有直观性、实践性和客观性的特点。以实验作为主要手段进行的教学活动,可以揭示自然科学现象、验证科学规律、探索未知、发展科学,更为重要的是在实验中能够培养学生务实求真的科学态度。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验教学方面的内容,为了弥补这一缺陷,我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机在相图计算中的应用”等实验内容。《材料热力学》的实验教学应达到以下目标:①帮助学生掌握《材料热力学》的基本原理;②让学生初步了解科学研究的方法;③培养学生自主解决问题的能力。因此在实验教学过程中,①强调实验课前的预习,要求学生根据实验指导书写出预习报告;②实验过程中的检查学生操作情况,要求学生独立操作,如实记录实验数据;③教师课后批阅实验报告,鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题和解决问题。

二、改进教学方法

1.讨论式教学。我会结合刚讲授过《材料热力学》知识,设计一些与科研和工程密切相关的问题,让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时,我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解,其他同学提问,最后老师点评和总结,以培养学生自主解决问题能力。

2.多媒体教学。笔者在讲授《材料热力学》时,通常采用板书的形式,因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来,让同学们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频,增加信息量,节约教师板书和画图的时间,提高讲课效率,我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程,但效果并不理想。近年来,我倾向于以板书为主,多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上,使同学跟上老师的讲课思路,对于一些抽象难懂的概念,我经常找一些图片和视频,使讲授的知识更直观、形象和生动。

三、改进考试方法

考试是知识水平的鉴定方法,大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关,学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转,因此如何用好考试这根指挥棒,对提高教学效果至关重要。我倾向《材料热力学》采用开卷考试的考核方式,在试题的设计上,避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目,而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本原理解决问题的题目,问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的,必须掌握热力学基本原理及其实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式,改变学生在应试教育下形成的学习方式,明确学习目的,提高自身运用知识解决实际问题的能力,养成独立思考的习惯。

参考文献:

[1]陈慧,梁宝臣,吴锦国.物理化学教学中学生自学和创新能力的培养[J].天津理工学院学报,2000,16(6):90-91.

[2]刘鸿,肖立川.工程热力学课程教学方法探讨[J].江苏工业学院学报,2007,8(3):103-105.

[3]胡珍珠,朱志昂.物理化学教学方法改革初探[J].湖北师范学院学报,2000,20(2):87-88.

[4]郭平生,唐贤健.热力学教学内容革新的思考[J].广西物理,2008,29(4):51-54.

[5]吴如春.提高化工热力学教学质量的新尝试[J].广西民族大学学报,2008,14(3):95-96.

[6]张开仕.应用化学专业物理化学教学改革与实践[J].教学研究,2005,28(6):541-544.

[7]何宏舟,邹峥,丁小映.提高“工程热力学”课程教学质量的方法研究[J].集美大学学报,2002,(3):88-92.

[8]李敏,李湛.工程热力学与传热学多媒体应用分析[J].理工高教研究,2004,23(1):101-102.

热力学教学范文第10篇

关键词: 工程热力学 教学方法 模块化教学 案例教学

1.引言

工程热力学是一门重要的技术基础课,是数学、物理和专业课的桥梁。它不仅为学生以后学习有关专业课打好基础,而且是今后能源,特别是热能在各领域被深入研究、开发、创新的基础[1]。课程理论性强、内容抽象、公式繁多、实际应用复杂,并且与高等数学、物理等学科联系紧密,而学时被大量缩减,使得其成为学生公认的“难啃的硬骨头”。由Y.A.Cengel编著的热力学教材明确指出“用简单而准确的方式与明天的工程师开展直接的对话,鼓励他们的创新思维及培养他们对所学习内容的深刻理解[2]”。为了达到这样的目标,结合课程的性质、目标,广大教师一直在努力探索与研究。本文是笔者多年教学中的一些体会总结,供专家、学者批评、指正。

2.模块化教学

工程热力学课程教学中遵循“以应用为目的,以必需够用为度”的原则,注重基础知识、基本定律、基本技能的学习,提炼实用性教学模块,模块与模块之间既相互区别,又有机联系在一起。学生对于整个课程的脉络、主线非常清楚,并且清楚自己在每一阶段的学习任务与目标。

2.1基础理论模块

2.1.1基本概念:开口系、闭口系、绝热系、孤立系;平衡态与准平衡态;准静态过程、可逆过程与不可逆过程;可逆过程的功量、热量;卡诺循环、概括性卡诺循环;体积功、技术功、推动功、流动功、有用功、轴功、耗功;热力学能、焓、熵、熵流、熵产;比定压热容、比定容热容;增压比、压缩比、预胀比等等。在教学中,教师应深入浅出,用浅显而又确切的语言、生活实例,帮助学生理解这些基本概念的定义,包括外延、内涵,及其物理意义。

2.1.2基本定律:热力学第一定律和热力学第二定律。

基本定律是工程热力学课程的理论基础、精髓,贯穿课程始终。教学中须使学生深刻理解热力学第一定律的实质,“量”守恒;热力学第二定律实质,能量不但有“量”的多少,而且有“质”的高低。用能的原则应该是不同品质的能量匹配使用,避免高品质能无谓地转化为低品质能。自古以来,永动机一直有人推崇,要使学生意识到任何试图制造热效率y≥100%的机器都是徒劳的,都是违反热力学第一定律和热力学第二定律的。

2.1.3转换内外条件:工质的热力性质与热力过程。

研究热力过程的目的在于揭示过程中工质状态参数的变化规律,以及能量转化情况,进而找出影响转化的主要原因,找到节能途径。

2.2工程应用模块

重点介绍压气机、动力循环,而制冷循环则作简要介绍。对这一部分内容的学习,应着重采用讨论等方法,引导学生运用所学基础知识进行分析\计算,从而加深对课程内容系统地理解、掌握,提高其热力分析、热力计算的能力。

3.理论联系实际,案例教学

热力学是学生公认的“难啃的硬骨头”,期末考试及格率不甚理想。但是确切地说,工程热力学却是基于我们日常生活、实验观测基础之上的一门学科,并不是很难的课题。讲课中,理论联系实际,利用案例教学,既使学生感到工程热力学并非遥不可及,取得良好的教学效果,又能培养学生理论联系实际的习惯。讲授可逆过程概念时,以物理学中的单摆在真空中、空气中为例或以在气缸的活塞上移走砝码、沙子为例,阐述可逆过程的特点、实质;区分准静态过程与可逆过程、不可逆过程;进一步说明没有耗散效应的准静态过程才是可逆过程;不可逆过程并不意味着不能向相反方向进行。讲授热力学第二定律时,以航海为例,若轮船没有燃料时,试图从大海吸热,使之转化为功,实质就是从单一热源吸热使之完全转化为功,即第二类永动机,这也是不可能实现的。

4.巧妙合理地运用p-v图、T-s图

p-v图、T-s图是进行热力分析、热力计算的重要工具,应贯穿工程热力学课程始终。合理运用p-v图、T-s图教学,能准确或定性地描述基本概念、理论及工程现象;巧妙地分析、比较热力过程、热力循环;提高学生运用工程图形语言巧妙、形象、直观地分析问题、解决问题的能力。以单级活塞式压气机为例,应用p-v图、T-s图,做耗功分析及热力性能分析,进而找到省功及节能途径,既避免了数学上复杂的运算,又提高了学生灵活运用图形分析工程现象的能力。

5.基本理论及定律的内涵渗透

“在课程的讲授中,教师非常注重从基本理论及定律的内涵渗透,原理、定律的本质内涵出发,解决各类实际问题[3]”。这是美国同行极其重视的教学方法,实践证明是行之有效的。以理想气体热力过程膨胀功的求解为例,具体公式有十多个,学生学起来,既难记又容易混淆。若从膨胀功定义式、热力学第一定律、理想气体状态方程这些基本定律、基本公式出发,结合过程特点,就可解决所有问题,并且避免学生遇到问题仅会生搬硬套,遇到复杂问题就无从下手的弊端。

6.结语

工程热力学课程博大精深,每上一次课就有一次新的体会与收获,教师应与时俱进,做到“常教常新、常教常精”。这样使明天的工程师对物理问题及其规律有一个清楚的认识与掌握,从而解决更为复杂的问题。

参考文献:

[1]童钧耕.工程热力学课程教学改革的几点看法[J].中国电力教育,2002(4).

[2]Cengel Y A.Heat t ran sf er,A pract ical approach.T hird Edit ion.M cGraw-Hil l,1998.

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