高等工程热力学课程改革与实践

摘 要 为实现以学生为主体的教学理念，提高教学质量，在教学内容、方法、考核方式等方面对高等工程热力学课程进行配套改革，重新组织教学内容，引入工程案例教学，增加学生上台交流的教学环节，布置编程大作业，降低闭卷成绩比例、丰富考核方式。实践证明，课程建设与改革富有成效。

关键词 高等工程热力学；课程改革；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）12-0101-03

1 课程建设背景

高等工程热力学课程是能源动力类专业研究生的一门重要基础课，其理论对于能源的高效开发与利用以及系统节能具有重要指导意义。在中国石油大学（北京），该课程同样是热能工程、油气储运工程和化工过程装备等专业研究生的学位课，48学时，每年约70名学生学习。

高等工程热力学课程具有理论性强、概念多而抽象的特点，如果只是采用传统的教与学模式，难以达到预期的教学效果。为此，国内一些院校积极开展本课程的教改工作[1-4]。近年来，教学团队围绕课程建设开展了系列改革与实践工作。针对每一部分教学内容，都从教学目标、教学重难点、教学方法与考核方式等环节进行梳理，探索根据每一部分教学内容的特点，采用与之相适应的教学方法与考核方式。通过课程改革，避免了教师一言堂，实现了以学生为主体、教师为主导的新型教学模式，使学生在学习过程中积极发挥主动性，在利用热力学基础理论解决实际问题、文献搜索整理、文献综述写作、PPT制作、口头汇报、程序编写等方面的综合能力有所提高。实践证明，教学改革符合学校“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的学生培养要求，达到增强教学效果的目的。

2 课程教学内容建设

要想在有限时间里最大限度使学生获得知识、开阔眼界、提高能力，梳理课程的教学内容及思路是教改中需要首先完成的工作。本课程教学内容主要包括热力学基础、流体工质的热力性质计算、多组分系统热力学和相平衡、热力循环与评价、不可逆过程热力学基础等，各部分教学内容及思路如下。

在热力学基础部分，主要包括基本概念和热力学第一、第二定律，重点是㶲分析法的学习。这部分需要做好与本科阶段课程工程热力学的衔接工作，帮助学生加深对基础理论的理解，提高解决实际问题的能力。工程热力学重点讲授热力学第一定律和热力学第二定律的熵方程，引入或者忽略㶲分析法（不同专业学习程度不同），因基础理论是晦涩与枯燥的，如果只是简单重复介绍，不易激发学生学习兴趣，难以获得满意的教学效果。区别于本科阶段以稳态过程为重点，本课程以充、放气等典型非稳态热力过程为主进行学习，加强学生利用第一定律进行能量分析的能力。在重温第二定律熵方程时，结合典型例题着重讲授熵方程的一般表达式，即“进入系统的熵-离开系统的熵+过程熵产=系统熵变化”，以帮助学生厘清闭口系、开口系熵方程以及孤立系统熵增原理之间的内在联系与区别，抓住熵方程的本质。

热力学第二定律㶲分析法是进行用能分析与评价的有力工具，同时也是当下许多新兴系统评价优化方法如㶲经济学、能级理论等的基础。本课程中，在系统学习机械㶲、热量㶲（冷量㶲）、内能㶲、焓㶲和化学㶲以及㶲效率和㶲损系数等基本概念基础上，重点讲授㶲方程的一般表达式，即“进入系统的㶲-离开系统的㶲-过程㶲损=系统㶲变化”，使学生能够抓住㶲方程的本质，从而更好地掌握闭口系和开口系在热力过程以及热力循环中的㶲变化。同时，在讲解例题时，引导学生同时采用熵分析法和㶲分析法解题，使其更好地认识到两种分析法的一致性以及㶲分析法的优势。

工质是实现能量转换的载体，是循环装置的“血液”，掌握其热力性质对于优化设计热力装置及循环至关重要。在工程热力学中重点介绍理想气体及混合物的热力性质及计算方法，对于蒸汽朗肯循环和制冷循环中所用实际气体则是通过查图和表方式确定其热力性质。在本课程中要深入学习工质的热力学性质，需要学生掌握实际流体的热力学性质以及多元多相平衡时工质的热力学性质。

工质热物性研究是工程热物理学科的一个重要研究方向，因概念、公式多而抽象，并对数学要求相对较高，一直是学生学习的难点。考虑到学时有限，如果泛泛地铺开讲各个知识点，只能使学生知道有这些概念和公式，但难以掌握如何去利用公式进行计算。因此，在课程建设中，以选课各专业研究生都会接触到的多元混合物天然气为研究对象，研究背景是天然气液化，以计算给定组成下，天然气从凝固点到临界点之间的气液相平衡热力学性质，包括ts下的ps、vv、vl、hv、hl、sv、sl等为学习目标，聚焦知识点，重点讲授实际气体状态方程、工质热力学性质计算，多组元单相混合物以及基于逸度系数法的多组元气液两相混合物热力性质计算。希望学生学完本部分知识，能够学以致用，可以自己编程计算混合工质相平衡的热力学性质。

在热力循环与评价部分，一方面让学生了解与掌握更多本领域相关的热力循环，另一方面要求学生能够同时利用第一和第二定律㶲分析法评价热力循环的能量利用效率。除了涉及火力发电装置、燃气轮机发电装置、低温制冷装置以及新兴的太阳能热发电和燃料电池装置外，还增加了LNG液化流程、高含硫天然气净化过程、油田联合站、天然气输气泵站等石油化工领域特色循环介绍。同时，还将介绍新兴评价方法如热经济法和能级分析法等，让学生体会到科学是不断进步的，现在所学知识并不一定是完美的，不要不假思索地全盘接受，在学习时要融入自己的思考，要勇于质疑与探索。

对于不可逆过程热力学部分，因发展较晚、应用有限，主要学习不可逆过程热力学的发展背景，以及像局部平衡、熵产率、线性唯象方程、昂色格倒易定律等基本概念和理论。

本课程教学内容主要参考自苏长荪、童钧耕、陈则韶和A.Bejan等教授编著的《高等工程热力学》[5-8]、沈维道和朱明善等教授编著的《工程热力学》[9-10]、傅秦生教授编著的《能量系统的热力学分析方法》[11]和冯霄教授编著《化工节能原理与技术》[12]等教材及专著，部分热力过程及热力循环则是从科研项目中设计提炼而成。

3 教学方式改革

在明确了教学内容之后，为了增强教学效果，充分调动学生学习积极性、培养学生综合能力，积极探索与教学内容相适宜的教学方法。

由于热力学学科特点，基础理论部分占有很重要位置。为了夯实基础，这部分内容仍以教师课堂讲授为主，在讲授过程中注重理论与工程实际相结合，提高学生利用理论知识解决实际问题的能力。

工质部分内容多而抽象，首先为学生画出这部分教学内容的知识结构图，使学生明确其在热力学知识体系中的作用以及各重要知识点间的相互联系。如前所述，针对这部分知识，以完成LNG工艺中给定组成下天然气气液相平衡热力学性质计算为主线开展学习。这样对教师授课有更高的要求，需要教师在教授相关知识点时，应结合计算任务，介绍利用公式或方程推导或计算时需要掌握的方法和技巧。同时，要求学生在学习相关知识、清楚计算方法和流程之后，自己选择实际气体状态方程和混合规则，根据教师为每位学生设定的天然气组元和组分，编程实现计算任务。这部分工作在课程考核时，以大作业的形式出现。实践表明，改革之后，学生因明确了学习目标和任务，显著增加了学习动力，增强了学习效果。

在热力循环与评价部分，采用两种教学方式。先是由教师进行特色案例分析，将相关科研项目如LNG液化、高含硫天然气净化、油田联合站、天然气输气泵站等进行简化、凝练，给学生介绍相应的工艺过程和评价方法，帮助学生掌握对未接触过的新型工艺过程进行有效评价的方法。然后由学生根据兴趣选择热力循环在课堂上进行介绍和评价。这些循环可以是有关火力发电、燃气轮机发电、内燃机、低温制冷、太阳能热发电和燃料电池装置等代表其最新进展和较高水平的循环，也可以是学生根据实验室研究方向选择的热力循环。这部分工作会在课程开课之初就布置下去，明确要求学生自由组成2～3人研讨小组，完成一份约5000字的学习报告和10分钟PPT介绍。在学期末，将提交学习报告和完成PPT介绍。

这种教学形式已经施行多年，学生普遍表示虽然会感到有压力，但从中确实提高了查阅文献、收集整理资料、写作学习报告、制作PPT、演讲等综合能力与水平，而且加强了研一新生之间以及师生间的交流。

针对不可逆过程热力学基础所占课时较少，采用教师介绍基本理论和前言进展的授课方式进行，旨在开阔学生眼界、扩大知识面。

4 考核方式

以期末闭卷考试成绩为主的考核方式过于单一，对于擅长考试的研究生而言，难以起到促进其学习的作用，同时也难以全面体现和考查学生的学习效果。

本课程的考核根据教学内容和相应的教学方式，采用闭卷+学习报告+PPT报告+编程计算大作业相结合的形式，所占比例一般分别是40%、25%、15%和20%。

闭卷考试的目的是考查学生掌握理论基础的情况，以计算题为主。学以致用，只有能够正确熟练地应用热力学第一、第二定律尤其是㶲分析法分析用能情况，才是掌握了理论知识。

撰写学习报告和PPT汇报是以2～3人组成的学习小组为单位，要求明确每个人的具体分工；PPT汇报可以一人也可以多人，每一组成绩相同。因为时间有限，学习任务重，所以学生之间的分工协作很重要，还可以较好避免个别学生偷懒问题。

编程大作业，这部分用以考查学生掌握多组元气液两相工质热力学性质计算情况。作业中需提供的天然气各组成纯质的物性数据来源、所选状态方程及混合规则、程序源代码、检验程序计算精度所用纯质实验数据源都要标注清楚。考虑到学生要完成的学习任务较多，大作业通常是闭卷考试之后1周内上交。

5 结束语

高等工程热力学课程改革之后，对教师和学生的要求都明显提高了，需要教师不断学习来提升自身能力与水平，以更好地教授学生并为其所做工作进行恰当点评；同时考核方式多样化，教师需要投入更多时间和精力来评价学生工作完成情况。学生也明确表示在学习过程中变主动了，投入很多，学习充实饱满，确实有提高、有收获。如何切实有效提高研究生课程的教学质量，达到研究生培养目标，是需要不断探索和实践的。以上是本课程的改革与实践经验，在此分享给大家，欢迎同仁交流指正。

参考文献

[1]李晓明，张国磊，李彦军.研究型教学方法在《高等工程热力学》课程中的实践[J].中国校外教育，2010（12）：105.

[2]翟霄，陈叔平，余建平，等.研究型教学模式在高等工程热力学课程教学中应用的探索[J].广东化工，2014（20）：

152

[3]谭羽非.研究生高等工程热力学课程教学中开卷测试的实践探索[J].高等建筑教育，2006（1）：94-96.

[4]章学来.研究生“高等工程热力学”课程考核方式的探索[J].中国电力教育，2009（2）：99-100.

[5]苏长荪.高等工程热力学[M].北京：高等教育出版社，

1987.

[6]童钧耕，吴梦余，王平阳.高等工程热力学[M].北京：科学出版社，2006.

[7]陈则韶.高等工程热力学[M].北京：高等教育出版社，

2008.

[8]Bejan A. Advanced Engineering Thermodynamics[M].3rd. John Wiley & Sons. Inc.，2006.

[9]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[10]朱明善，刘颖，林兆庄，等.工程热力学[M].2版.史琳，吴晓敏，段远源，改编.北京：清华大学出版社，2011.

[11]傅秦生.能量系统的热力学分析方法[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[12]冯霄.化工节能原理与技术[M].3版.北京：化学工业出版社，2009.

推荐访问:热力学 课程改革 实践 工程