面向全校理工科专业的热工基础课程探索与实践

摘要：为了提高学生合理用能、节能及环保意识，南京航空航天大学面向全校理工科专业开设了36学时的热工基础课程。热工基础课程依托于能源与动力类专业工程热力学课程和传热学课程，并在此基础上针对具体教学内容、教学方式及考核方式进行了改革。通过三年多的探索与实践，达成了预期的培养目标。本文主要针对热工基础课程开设以来所取得的有益经验及现有不足进行了讨论。

关键词：热工基础；工程热力学；传热学；节能

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0135-02

世界性的新技术革命对工程活动产生了巨大影响。从动力生产、能源节约、环境保护以及工业生产过程本身特点来看，工程类专业学生应该具备合理用能、节能和环保的意识并懂得其基本的技术。基于此背景，南京航空航天大学面向全校理工科专业开设了热工基础学科拓展平台课程。热工基础课程属于热物理类课程，是大学数学以及大学物理的后续课程。热工基础共36学时，前20学时主要学习工程热力学相关知识，后16学时主要学习传热学相关知识。通过该课程的学习，要求学生掌握热力学第一定律、热力学第二定律、导热、对流换热以及热辐射等基础理论知识，并能够运用这些理论知识解释生活中的热物理现象；鼓励学生积极探索提升热力机械工作性能、强化工业领域换热的有效途径。经过三年多的实践，课程教学组获得了一些有益的经验，也认识到了现有的不足。本文主要对这些经验和不足进行总结，并针对今后该课程的发展提出一些建议。

一、热工基础课程教学改革经验

1.课程教学内容的改革经验。工程热力学和传热学是能源与动力类专业极其重要的专业基础课程，所占学时较多。热工基础课程包括了工程热力学和传热学的绝大多数内容。因此，必须针对工程热力学和传热学相关知识点进行缩减才能满足36学时热工基础课程的需要。热工基础课程在工程热力学部分强化对热力学第一定律的讲解，要求学生能够运用热力学第一定律分析闭口和开口系统的热能-机械能转换过程，对蒸汽动力循环、内燃机循环以及燃气轮机循环等基本动力循环掌握循环热效率及循环功量的计算分析方法；弱化对热力学第二定律中 、 等抽象概念的讲解。热工基础课程在传热学部分弱化对非稳态导热、热边界层等复杂理论知识的讲解，要求学生在导热和热辐射部分能够基于基本原理建立相关数学模型并求解，在单相流体对流换热、凝结和沸腾换热部分则能够针对工程实际选择合理的半经验公式。

2.课堂教学方式的改革经验。在课堂授课过程中，更加注重于将热物理基础知识与身边的热物理现象相结合。例如在讲授热力学第二定律时，要求学生用相关知识解释“为什么在密闭的房间中打开冰箱门后房间温度会升高”，“在什么样的条件下才能实现空调一夜仅耗一度电”；在讲授湿空气时，要求学生解释“为什么冬天房间开空调感觉干燥”，“为什么夏天的清晨会有露水”；在讲授导热部分内容时，要求学生解释“为什么冰箱要定期除霜”，“为什么在0℃的水中人会觉得比0℃的空气寒冷”；在讲授热辐射部分内容时，要求学生解释“为什么冬天20℃的房间比夏天20℃的房间觉得寒冷”。通过身边的热物理现象，使学生对热工基础课程产生浓厚的兴趣，提高学习的主动性和积极性。对于诸如理想气体热力过程、动力装置循环、换热器等理论应用章节，尝试采用翻转课堂的新形式。首先将学生分组，按学生人数的多少给每组布置一定数量的问题；在课堂上则由学生主讲，通过课前的自主学习回答这些问题；最后再由老师将这些问题串联起来，对相关内容进行系统讲解，加深学生对教学内容的掌握程度。这种教学方式的开展活跃了课堂气氛，提高了学生的自主学习能力。作为课堂教学的辅助环节，课后积极安排答疑，并通过诸如QQ群、微信群等方式提供简单易得的教师辅导，及时为学生解决学习中遇到的困难。

3.考试方式的改革经验。能源与动力工程专业对工程热力学和传热学课程采用形成性考试与总结性考试相结合的考试方式。对于热工基础课程，考虑到学生专业的差异性，将总结性考试成绩所占比例降低至50%。形成性考试由若干次大的课后作业、考勤情况以及翻转课题成绩构成，其中作业本身占20分，考勤占10分，翻转课堂成绩占20分。具体如下：①每周一次作业，作业要求独立完成，根据作业得分情况分为优、良、中、及格与不及格5个等级，分别对应2分、1.5分、1分、0.5分、0分。②严格执行课堂考勤，每缺席1次均直接扣3分，迟到或者早退1次扣1分，缺席3次、迟到或者早退5次以上不能参加本课程的总结性考试。③翻转课堂成绩根据主讲学生回答问题的正确情况由其他学生进行评分，教师只参与点评，不打分。成绩统计时，去掉最高分和最低分，计算平均成绩。课程结束后的一周后进行总结性考试，考试时长2h，满分100分。考试题型为判断题（20分）、选择题（20分）、问答题（20分）以及计算题（40分）。

二、热工基础课程教学的不足

1.教学内容新颖性的不足。当前我国能源问题已十分突出，传统能源的新利用方法以及新能源的利用越来越引起重视。然而热工基础课程对这些方面并没有涉及，在应用章节仍然集中于对传统蒸汽动力循环、内燃机循环以及燃气轮机循环的分析，知识体系已较为落后。针对这一问题，在后续教学内容编排中更多地关注新能源以及传统能源的新利用技术，适当增加热物理基本理论在联合循环发电、氢能利用、新能源发电中的应用等相关知识。在讲授蒸汽动力循环时，关注超临界和超超临界循环燃煤发电知识，使得教学内容更具新颖性。

2.与实际联系的不足。热工基础课程在讲授热物理理论的同时应该侧重于工程应用。然而当前高校的教学体系仍然重理论轻实践。比如“动力装置循环”这一章节，主要讲授热力学第一定律在蒸汽动力循环、四冲程内燃机循环及燃气轮机循环中的应用；但绝大多数学生对火力发电、汽车发动机及燃气轮机都缺乏基本的认识。在“传热过程与换热器”这一章节，对于蛇型管、热管等换热器，学生也从未有过接触。针对此问题，将在后续教学中增加湿蒸汽、压气机等实验教学环节，并通过下厂实习加深学生对各种热动力机械的认识；同时也鼓励学生在课后时间通过互联网等技术手段自学锅炉构造、汽车发动机构造及燃气轮机构造。

3.内容系统性的不足。工程热力学的研究对象是热能与其他形式的能量之间的转换规律，是系统性的，侧重于功热转换；而传热学则重点研究导热、对流换热及热辐射等细节问题。两部分内容相对独立，如何有机地把工程热力学部分和传热学部分相结合以提高热工基础内容的系统性是一个值得深入探究的问题。相反，传热学部分与流体力学结合较为紧密，但绝大多数学生没有流体力学学习的经验，因此如何穿插讲授流体力学基本知识也值得探讨。针对此问题，将在后续教学过程中进一步改革教学内容，提高工程热力学和传热学部分的耦合度。如在热边界层概念的引出之前，可专门预留1课时讲授流动边界层的概念，推导流体的连续性方程、动量守恒方程。

4.教师自身专业背景的不足。由于授課对象是全校理工科专业学生，所以要求授课老师对各学科专业有基本的了解，才能找出热物理基本理论与学生专业知识的有机契合点。然而目前热工基础授课老师专业背景较为单一，对其他专业还缺乏深刻的认识，这就需要在今后授课过程中不断扩展教师的专业知识面。

三、结论

在三年多的热工基础教学实践过程中，授课教师针对教学内容、教学方式及考核方式不断的进行改革，学生对课程的满意率从73%增加到95%，课堂出勤率大幅度增加，考核不及格率也由7%下降道2%。热工基础课程的开设一方面为大工程观背景下各类工程专业学生学习后续专业课等提供预备知识；另一方面提高学生运用理论分析和解决工程实际问题的能力，达到了预期开课效果。

参考文献：

[1]鄂加强，左红艳，王曙辉，等.大工程观下热物理基础课程体系改革研究[J].经济研究导刊，2012，（36）：300-303.

[2]张先珍，战洪仁，寇丽萍，等.工程热力学课程改革探讨与实践[J].化工高等教育，2010，27（6）：37-39.

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