吳晅 何麗娟 王麗芳

以熱力過程為研究對象的工程熱力學(xué)課程在以過程工業(yè)為背景的過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)中的作用日益凸顯。分析了工程熱力學(xué)課程在過程裝備與控制工程專業(yè)中的地位。結(jié)合我校特點，分析了課程教學(xué)中存在的若干問題，并針對過程裝備與控制工程專業(yè)要求及熱力學(xué)課程特點，對工程熱力學(xué)課程的教學(xué)方法和手段進行了探索和思考。

過程裝備與控制工程工程熱力學(xué)教學(xué)改革過程裝備與控制工程（文中均簡稱“過控專業(yè)”）學(xué)科是機械類學(xué)科的一個重要分支，其自身屬于機械領(lǐng)域，但同時其又服務(wù)于過程工業(yè)。因此其主要以過程工業(yè)為專業(yè)背景。過程工業(yè)是以流程性物料（如氣體、液體、粉體等）為主要對象，以改變物料的狀態(tài)和性質(zhì)為主要目的。其包括冶金、化工、化學(xué)、煉油、制藥、食品、環(huán)保、能源、動力等諸多行業(yè)與部門。過程工業(yè)所涉及的一些物理、化學(xué)過程，主要有傳質(zhì)過程、傳熱過程、流動過程、反應(yīng)過程、機械過程、熱力學(xué)過程等。正是這些物理、化學(xué)過程，構(gòu)成了過程工業(yè)的生產(chǎn)過程。過程工業(yè)所涉及的對象是流程性物料，從原料到產(chǎn)品需經(jīng)過復(fù)雜的工藝過程，因而整個過程需要由為數(shù)眾多的單元構(gòu)成，而每一個單元又需要由能實現(xiàn)這一功能的設(shè)備來完成，而將這些單元設(shè)備連在一起便構(gòu)成了過程裝備。

工業(yè)過程中的物理、化學(xué)過程無不涉及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問題，而熱力過程又是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的必要途徑。以熱力過程為研究對象的工程熱力學(xué)課程在專業(yè)學(xué)習(xí)中起到重要的作用。結(jié)合這幾年熱力學(xué)教學(xué)改革實踐以及我校實際，本文將分析過控專業(yè)所開設(shè)的工程熱力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，并就其改革的方向和方法進行探索和思考。

一、工程熱力學(xué)在過程裝備與控制工程專業(yè)中的地位

過控專業(yè)的總體框架為以“過程設(shè)備”為主體，以“過程工程”和“過程控制”為兩翼的“一體兩翼”。其中，過程設(shè)備主要是以焊接為主要制造手段的（諸如換熱器和鍋爐等）過程設(shè)備和以機械加工為主要的制造手段的（諸如壓縮機、離心機、泵、內(nèi)燃機和汽輪機等）過程設(shè)備。這些過程設(shè)備的共性在于，其目的是要通過一系列過程來獲得產(chǎn)品，這些過程伴隨著流體工質(zhì)的運動和能量的轉(zhuǎn)換。而工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容就是通過工質(zhì)的狀態(tài)變化實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、通過掌握能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律獲得提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑。同時，過程裝備與控制工程專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)有三個層次：專業(yè)理論基礎(chǔ)知識、專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識。在專業(yè)理論基礎(chǔ)知識中，熱力學(xué)基礎(chǔ)就是其中重要的內(nèi)容之一。因此工程熱力學(xué)是過程裝備與控制工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)理論基礎(chǔ)課。查閱相關(guān)文獻，不難發(fā)現(xiàn)目前在工程熱力學(xué)教學(xué)方法的探討和改進方面有許多有效的措施，但其中絕大部分都集中在能源動力類專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)上。雖然這些方式方法大多也可借鑒到過控專業(yè)工程熱力學(xué)的教學(xué)改革中。但由于專業(yè)發(fā)展方向的不同，使得課程改革相應(yīng)的側(cè)重點也難免會有所差異。具體針對過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)改革還少有文獻發(fā)表。為此本文僅針對內(nèi)蒙古科技大學(xué)的實際情況，提出過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)改革的一些建議和思考。

二、工程熱力學(xué)在過控專業(yè)存在的問題

1.我校過控專業(yè)設(shè)在機械工程學(xué)院。學(xué)院在制定培養(yǎng)方案和在學(xué)生培養(yǎng)過程當(dāng)中均主要偏向于機械裝備方面。因此，過控專業(yè)學(xué)生的能源應(yīng)用意識和對能源轉(zhuǎn)換的理解上要滯后于能源動力類專業(yè)的學(xué)生。但正如本文前面所分析的，過控專業(yè)實際上又是與能源應(yīng)用和轉(zhuǎn)換密不可分的。

2.工程熱力學(xué)課程內(nèi)容知識點非常多，而且各個知識點之間又相互緊密聯(lián)系。同時課程中的概念十分抽象，具有較強的理論性。這在一定程度上增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度和積極性。而這在過控專業(yè)更為突出，在教學(xué)中學(xué)生普遍反映熱力學(xué)課程太難，書中公式太多，內(nèi)容抽象，從一開始就產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。

3.不同專業(yè)方向?qū)こ虩崃W(xué)知識需求的側(cè)重點不同，而針對不同專業(yè)安排教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)課時以及教材的選取還有待進一步完善。

三、工程熱力學(xué)在過控專業(yè)教學(xué)中的探索與思考

1.結(jié)合過控專業(yè)特色和專業(yè)方向，整合工程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容

我校除了過控專業(yè)，還有建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)、熱能與能源應(yīng)用工程專業(yè)均開設(shè)有工程熱力學(xué)課程。對于后兩個專業(yè)而言，其工程熱力學(xué)課程學(xué)時數(shù)較多，并且它們的能源應(yīng)用的方向性和技術(shù)性與工程熱力學(xué)要更加緊密。而過控專業(yè)相對來說熱力學(xué)學(xué)時數(shù)偏少，其專業(yè)方向性與工程熱力學(xué)就不是那么緊密。因此，在過控專業(yè)中所講授的熱力學(xué)課程內(nèi)容就不能像能源動力類專業(yè)中那樣面面俱到。那么只能根據(jù)過控專業(yè)的專業(yè)特點和專業(yè)方向?qū)崃W(xué)內(nèi)容進行取舍。優(yōu)化后的工程熱力學(xué)主要教學(xué)內(nèi)容為：熱力學(xué)第一定律及由其而展開的開口、閉口系統(tǒng)能量方程式；熱力學(xué)第二定律及由其而展開的卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)到孤立系統(tǒng)熵增原理；壓氣機的熱力過程；制冷循環(huán)、動力循環(huán)；以及系統(tǒng)工質(zhì)（如水蒸氣）的熱力性質(zhì)；其中一些基本概念（如熱力系統(tǒng)、功、熱、焓、熵、理想氣體、狀態(tài)方程等）貫穿在以上內(nèi)容的講解當(dāng)中。

2.選定適用于過控專業(yè)的教材

目前出版的絕大部分工程熱力學(xué)教材都是根據(jù)能源動力類專業(yè)的特點和發(fā)展方向來編寫的。而能源動力類相應(yīng)的熱力學(xué)教材，不論是在教學(xué)內(nèi)容上，還是在知識結(jié)構(gòu)的編排，以及工程實例的選取上，都不能滿足過控專業(yè)的實際要求。以內(nèi)蒙古科技大學(xué)為例，學(xué)校開設(shè)有多個能源動力類專業(yè)，相關(guān)熱力學(xué)教學(xué)師資力量較強。因此，基本是都是由能源動力類的專業(yè)老師來擔(dān)任過控專業(yè)的教學(xué)任務(wù)。同時，由于過控專業(yè)與能源動力類專業(yè)分屬不同的學(xué)院，在教學(xué)、培養(yǎng)方案、教材以及教學(xué)人員等方面無法實現(xiàn)有效的統(tǒng)籌規(guī)劃。此外，一些熱力學(xué)任課老師為了自己上課方便，在擔(dān)任過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)時，往往就直接采用能源動力類熱力學(xué)教材和講義。這些在一定程度影響到因材施教，同時也加大了過控專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。因此，選定與過控專業(yè)相匹配的熱力學(xué)教材，并編寫相應(yīng)的講義對提高過控專業(yè)工程熱力學(xué)教學(xué)水平具有重要作用。

3.提高知識點講解的通俗易懂性

工程熱力學(xué)是一門理論性較強、知識點繁瑣、公式多、內(nèi)容抽象的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此，如何對各個知識點的講解做到通俗易懂是非常考驗任課老師大智慧的。例如，任何一本教材都有它的局限性。例如同樣一個知識點，就出現(xiàn)在適用于過控專業(yè)教材的陳述和解釋上沒有能源動力類教材解釋的清晰易懂的情況。因此，在講義的編寫過程中，在課堂的講授中，不能局限與所選用的教材。作為熱力學(xué)任課教師要廣讀相關(guān)熱力學(xué)書籍和教材，平時留意日常生活的點點滴滴，這樣有利于例舉出與日常生活緊密相關(guān)的實例進行講解，從促進學(xué)生對知識點的理解。根據(jù)學(xué)生實際水平因材施教。熱力學(xué)的一個特點就是公式形式多、公式推導(dǎo)多?；A(chǔ)差的學(xué)生聽起來會十分枯燥而且不好理解。那么我們可以明確就告訴學(xué)生不用去深究其如何推導(dǎo)得到的，只要熟悉幾個重要公式如何使用就可以了，但這就需要在教學(xué)中通過舉例或?qū)嵺`來加強這些公式的應(yīng)用。在實踐中引出并講解公式的應(yīng)用，比直接生硬的推導(dǎo)出一堆公式要更容易讓學(xué)生理解和接受。

4.加強以過控專業(yè)過程工程為背景的情景教學(xué)

過控專業(yè)突出工業(yè)過程的控制，而熱力過程又是工業(yè)中最為常見的過程之一。熱力學(xué)課程的主要任務(wù)是通過對課程

的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生熱力學(xué)基礎(chǔ)理論水平，培養(yǎng)學(xué)生分析和處理問題的抽象能力和邏輯思維能力，為學(xué)生從事工業(yè)過程尤其是熱力過程的設(shè)計與控制工作奠定必備的理論基礎(chǔ)。但同時，通過課程的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生對實際熱力過程的分析，做到實際工程于理論相結(jié)合顯得更為重要。因為這一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，另一方面可以加深學(xué)生對課程知識的認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)興趣。因此在工程熱力學(xué)的教學(xué)上，要注重工程實踐的融入。構(gòu)建實際的工程情景。將熱力學(xué)知識點融入到情景中去講授。例如，將空調(diào)實際制冷、供熱過程引入逆卡諾循環(huán)的講解中。讓學(xué)生理解逆卡諾循環(huán)為什么能夠?qū)崿F(xiàn)制冷和供熱功能。理解制冷系數(shù)和供熱系數(shù)的實際意義和價值；將機械領(lǐng)域常見的壓縮機、內(nèi)燃機等實際壓縮、膨脹等熱力過程引入到閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)能量方程知識點上。以加強學(xué)生對能量方程的工程應(yīng)用價值的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程意識。

5.增加熱力學(xué)基礎(chǔ)實驗學(xué)時，提高實踐能力

相對于能源動力類專業(yè)，我校過控專業(yè)學(xué)時數(shù)較少。再加上專業(yè)方向偏重于機械類。因此早期該課程教學(xué)大綱制定上就沒有安排基礎(chǔ)實驗學(xué)時。但是從多年教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)情況來看，增加一定學(xué)時的熱力學(xué)基礎(chǔ)實驗是非常有必要的。在課程安排上，可以精簡一部分理論知識的講授來滿足實驗學(xué)時。實驗內(nèi)容不在多，而在于精，具有一定代表性。其中要有必要的熱力過程演示實驗，以提高學(xué)生對熱力過程的深入認(rèn)識；此外還需補充一到兩個綜合性實驗。如制冷循環(huán)、動力循環(huán)實驗等。這些都可以和內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源動力類專業(yè)相關(guān)實驗相結(jié)合來開展。但需要注意的是，在講解及實驗的設(shè)計中要突出“過程”這個專業(yè)特點。

四、結(jié)束語

工程熱力學(xué)課程在過程裝備與控制工程專業(yè)中具有重要的地位，需要引起足夠的重視。針對專業(yè)特點和學(xué)生接受能力適時調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，因材施教，探索有效的教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)中有意識的構(gòu)建實踐情景，注重知識的工程應(yīng)用，在工程應(yīng)用中學(xué)知識，以培養(yǎng)學(xué)生的工程過程分析和應(yīng)用能力，提高學(xué)生工程應(yīng)用素質(zhì)。

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基金項目：內(nèi)蒙古科技大學(xué)2014年度教學(xué)（教改）研究項目（項目編號：JY2014035）。