工程热力学课程的教学方法初探

孙迎春　薛斌　王艳玲

摘 要： 本文就如何增强工程热力学课程的教学效果，从模块化教学；理论联系实际，案例教学；巧妙合理地运用p-v图、T-s图；基本理论及定律的内涵渗透四方面展开讨论。

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，又能培养學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.

[3]孙宝芝，宋福元，张鹏.美国热工课程教学对我国热工课程教学法改革的启示[J].教育与职业，2011.5，106-108.