木材科学与工程专业能源类课程的教学探讨

徐德良 贾翀 王志强 刘翔 邹玲 孙军 潘彪

摘要 针对木材加工行业的转型升级及当前高等教育课程设置改革的不断推进，明确能源类课程在木材科学与工程专业教育中设置的必要性，探索新形势下能源类课程设置的教学内容，分析能源类课程在木材科学与工程专业教育教学过程中的重点与方法，以期推进木材科学与工程专业课程体系的建设，完善木材科学与工程专业毕业生的知识体系。

关键词 木材科学与工程；能源类课程；教学探讨

中图分类号 S-9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）34-381-03

基于当前本科教学课程设置重基础、重实践的指导原则，许多专业基础课、专业选修课的设置受到了冲击。前期以热工理论基础、工业企业供热等为代表的能源类课程在我国主要的林业类院校的木材科学与工程专业本科课程体系中开设较为广泛。热工理论基础课程在很多高校中都被认定为夯实学生专业知识基础的重要课程[1]。以南京林业大学为例，该校在木材科学与工程专业的教学工作中，一直设有热工教研组，长期以来教研组的师资主要以东南大学等传统的热工专业毕业生构成。适当的学时数、专业的师资保证了较好的教学成果。能源类课程在我国各林業高校的木材科学与工程专业并不是都有设置，而且在专业课程调整时，该类课程的保留以及相应学时数的设置经常会受到质疑。例如在南京林业大学新一轮的本科课程设置教学大纲的修订工作中，工业企业供热课程就由专业基础课调整为通识教育选修课，学时也从32学时调整为24学时。基于当前木材科学与工程专业的教学体系及木材加工行业的能源利用状况，该文探讨了在木材科学与工程专业开设能源类课程的必要性，分析了能源类课程在木材科学与工程专业教学中的教学内容及教学重点。

1 能源类课程在木材科学与工程专业开设的必要性

在工科类专业课程开设中，课程开设的必要性主要体现在课程知识在工作实践中的实用性、课程在专业课程体系的联系性等方面。能源类课程在木材科学与工程专业开设的必要性主要体现在如下方面。

1.1 木材科学与工程相关行业的能源利用对从业人员专业知识的要求

传统的木材加工行业主要包括制材、干燥、木制品处理等环节。木材干燥环节对能源利用的依赖性最强，涉及到干燥热介质的生产、输送；干燥窑内部流场、温度场的优化设置；木质品干燥过程中的传热、传质特性；干燥窑的保温，能源的高效利用，新能源、可再生能源在木材干燥方面的开发应用等相关的问题。然而当前我国的木材干燥特别是实木干燥产业规模较小，能源利用总量不大。在整个木材加工产业中，人造板加工行业是全行业的重点产业。我国人造板产量早已跃居世界第一，其中胶合板产量约为13 725万m3/年，纤维板产量约为6 400万m3/年，刨花板产量约为1 885万m3/年[2]。在三板生产过程中，胶合板能耗的优秀标准为≤200 kg标准煤/m3[3]，纤维板能耗的优秀标准为≤320 kg标准煤/m3[4]，刨花板能耗的优秀标准为≤120 kg标准煤/m3[5]。从以上数据可以看出能源利用在人造板产业中的重要性，特别是随着能源利用成本的提高以及我国当前大气污染问题的日益严重，整个行业在探寻人造板加工工艺过程中能源优化利用途径的工作中做出了大量努力，同时也取得了比较好的成果。代表性的技术如“热能中心”在人造板热能供应中的应用，热能中心以生产过程中产生的木质剩余物为能源，为适应燃料特性，锅炉燃烧设备以往复炉排搭配喷燃装置为主要模式，块状剩余物在炉排上进行燃烧，粉状剩余物通过燃烧器喷入燃烧室进行燃烧。锅炉生产蒸汽、导热油供应热磨、热压工艺，由于采用木质剩余物为燃料，因此锅炉尾气中灰分和SO2含量低，可直接混合冷风，作为纤维、刨花的干燥热介质。热能中心生产的热能最后由旋风分离器排入环境中，出口处尾气温度仅有60 ℃左右，进而整套热能中心供热系统对能源实现了清洁、高效的利用。在各行业的能源利用中，林产行业的“热能中心”能源利用模式是非常成功的案例。当前我国规模较大的人造板生产线热能供应都以热能中心供应模式为主。调查发现，热能工程专业背景的毕业生很少选择在木材加工行业就业，例如热能中心等先进的能源生产与利用系统的运行管理人员多以木材科学与工程专业木工设备等方向的毕业生为主。先进的能源利用理念及集成的能源利用系统对该方面从业人员的专业素养提出了一定要求，只有掌握一定的能源利用相关知识，才能有效理解“热能中心”等先进能源利用理念，才能对能源利用、设备运行进行专业化的管理。因此具备一定的能源利用相关知识，对木材科学与工程专业的毕业生在林产加工行业的从业中会起到非常有益的作用，特别是对工厂中能源生产、输送、使用岗位上的从业人员而言，具备能源利用的相关基础知识更应是必备的要求。同时，从业人员具备能源利用的基础知识，对优化林产加工行业的能源利用，推进产业的升级具有重要作用。

1.2 木材科学与工程课程体系对能源课程设置的要求

当前全国开设木材科学与工程专业的院校有17所，不同学校的专业设置略有差别，但主要包括木材加工工艺、木材加工机械装备、家具设计与制造、胶黏剂与涂料、木结构建筑等几个方向。以南京林业大学为例，在该专业的两个主要培养方向：木材加工工艺、木材加工装备与自动化培养方案的设置中，将能源动力类的基础课程热工理论基础（32学时，2学时实验）一直定为专业基础必修课，该课程开课时间在二年级第二学期。之所以将热工理论基础一直放在相对重要的位置，主要体现在课程体系中的后续课程特别是专业课木材干燥、人造板生产工艺学的教学必须有热工理论基础的学习基础。没有热工理论基础的学习，学生对后续专业课相关内容的理解将非常吃力。该校在木材科学与技术的研究生培养方案中同样设置了传热传质学等热工类的拓展课程，部分来自在本科培养方案中没有开设热工理论基础院校的学生反映相关的教学内容对其专业课的理解非常有帮助。热工理论基础包括的工程热力学与传热学的发展过程是从纯物理学中的一部分逐渐发展到与工程紧密结合的[6]，该课程具有很强的理论性，同时很多知识在工程应用中又有着很好地体现。因此，该类课程在木材科学与工程专业的培养体系中起到了很好的过渡作用，即将学生的学习从纯理论的高等数学、大学物理过渡到与工程结合紧密的木材干燥等专业课，可以很好地增强整个培养方案的连贯性与系统性[7]。除了相关课程的教学对热工知识提出要求外，在木材科学与工程学生的实践教学环节特别是本科毕业设计的过程中，热工基础相关知识同样是学生必需的理论知识基础。该校木材科学与工程的木结构建筑方向的培养方案中没有开设热工基础类课程，教学中发现后续与建筑材料、建筑节能、建筑环境相关的课程对热工基础的理论知识都有要求，特别是在毕业设计中，很多选题都涉及到了材料的保温、建筑的节能，热工基础知识的缺乏使很多学生在进行此类选题时，基础性概念理解不清楚，从而造成课题方案、相关的实验设计缺乏合理性，理论依据不足。由此可见，大部分工科专业都作为专业基础课开设的热工理论基础在木材科学与工程专业的培养体系中同样占有重要的地位，该类课程的开设在木材科学与工程专业的教学体系中具有很强的必要性，在培养方案的设置与修订中该课程不应被忽视，同样没有开设该类课程的木材科学与工程专业应创造条件，对学生进行热工基础类知识的教学。

2 能源类课程在木材科学与工程专业的开设内容

与能源动力专业相关的专业课主要包括传热传质学、工程热力学、工程流体力学、热工测量、泵与风机、锅炉与锅炉房设备、工业供热等。虽然很多内容在各工科专业的教学及工作实践中都有涉及，但木材科学与工程等专业在进行相关知识的教学时不需要面面俱到，特别是在当前本科教学压缩课堂学时数的大背景下。该类课程的设置应考虑在有限的学时内使学生能系统掌握热工知识的基础理论，能最大限度地结合专业课及学生工作实践的具体工程问题进行教学课程与内容的安排。以南京林业大学为例，在木材科学与工程新版的培养方案中，热工教研组为该专业开设了两门能源类课程。以介绍基础理论为主：热工理论基础（32学时），该课程涵盖工程热力学（16学时）和传热学（16学时）两部分；工业企业供热（24学时），该课程贴近生产，重点介绍企业供热设备、系统相关的内容。随着几轮培养方案的修订，两门课程学时数不断被压缩。因此在有限的学时数内，两门课程的教学内容设置特别注意紧贴专业特点，注重与工程应用相结合。

2.1 热工理论基础

热工理论基础的教学内容包括工程热力学和传热学两部分。工程热力学主要通过研究工质状态的转变来分析能量的转换与传递的特征，教学的内容主要包括：热力学相关的基本概念（状态参数，平衡状态等），热力学第一、第二定律，热力过程及热力过程中的能量转变，常见工质（水蒸气、湿空气等）的基本热力性质，常规热工设备汽轮机、发动机等）的热力循环过程[8]。木材科学与工程专业热工理论基础设置的工程热力学部分教学内容主要包括：热力学基本概念与基本定律，稳定流动能量方程，水蒸气，湿空气。在上述内容的教学中，要通过基本概念及热力学第一定律的学习使学生能掌握热力状态与热力过程的分析方法，能对热工设备进行最基本的热力设计与选型。通过第二定律的学习，使学生掌握能级的概念，树立节能意识，明确在工程实践中提高能效、节约能源的热力学基本原理。通过对在木材加工过程中最常见的两种热力工质水蒸气和湿空气的学习，掌握两种工质的热力状态分析，熟悉两种工质的热力过程计算，使学生在后续课程如木材干燥等的学习过程中能熟练进行热力过程分析与计算。传热学的研究是建立在工程热力学第一、二定律的基础上的，区别在于传热学在研究热量传递时考虑时间的物理量，体现在工程技术领域主要是如何进行强化换热，如何削弱换热，如何在热能应用过程中进行温度控制[9]。三种基本传热方式导热、对流、热辐射是传热学的知识框架，32学时热工理论基础中的传热学教学仍以学习此三种基本传热方式的基础知识为教学主体，教学内容注重与工程技术的结合，弱化理论分析部分。通过该部分知识的学习，使学生掌握材料特别是木质材料传热特性的基本知识，了解增强或削弱换热的技术途径，结合工程热力学知识能明白木材加工过程中如喷蒸热压等工艺过程的热工原理。在课堂教学的基础上，32学时热工理论基础设置2学时的实验课时，笔者选择材料的导热系数测定作为实验课时的教学内容，通过该实验使学生了解传热学理论计算方法的应用实例，实验过程可以选用木质材料作为实验试样，进一步加深学生对木质材料传热物性的理解。综上所述，热工理论基础课程作为专业基础课，在教学内容设置时不应面面俱到，一定要考虑与后续课程教学内容的衔接，教学时注重学生对基本概念、基础知识的理解和掌握，该课程的很多知识在生产、生活中的很多场合都有体现，因此课程教学与课程习题的布置应尽量贴近生产实际，提高学生学习的兴趣。

2.2 工业企业供热

工业企业供热课程教学内容主要涵盖热能的生产、输送及使用三个方面。为体现当前各行业对节能、减排技术的迫切需求，在南京林业大学木材科学与工程专业新版的教学大纲修订中该课程更名为工业企业供热与节能，教学内容适当增加工业节能方面的知识。通过该课程的学习能使学生比较全面地了解工业企业供热系统的基本组成、系统型式和主要特点，了解供热系统主要设备的工作原理，尤其是对热油供热技术、木废料能源利用技术、木材工业企业“热能中心”技术等有比较深入的了解。教学的重点内容主要包括：林产工业企业能源选择的基本原则；各种燃料的基本燃烧特性，燃料燃烧过程，燃烧设备的基本结构、工作过程和工作特点；工业锅炉节能的途径，烟尘的危害与消烟除尘原理、SO2的危害及其减排措施；蒸汽供热系统；热

油供热系统；热能中心。通过上述知识的学习，为学生以后在相关岗位的工作储备最基本的专业知识。

3 结语

通过热工理论基础、工业企业供热与节能两门课程的教学可以为学生构建能源利用相关的从基础理论到工程应用的知识体系。当前，各个行业都将能源节约与环境保护作为产业升级关注的重点方面。能源特别是热能的利用在木材加工产业中是生产的重要环节，同时林产行业又因其主要以木质类生物质原料为加工与生产对象，因此在其能源利用环节存在优化利用的潜力。通过从业人员能源利用专业知识的培养，可以为行业的生产工艺优化升级储备智力基础。

参考文献

[1] 王雪芳，林巧佳.木材科学与工程专业教学体系的重构与实践：以福建农林大学为例[J].中國林业教育，2013（4）：9-11.

[2] 2013年我国人造板及木材制品产量统计[J].木材工业，2014（4）：56-57.

[3] 黑龙江省森林工程与环境研究所等.胶合板生产综合能耗：LY/T 1529-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4] 黄丽，黄军，吴跃锋，等.《纤维板单位产品综合能耗限额及计算方法》地方标准的研究[J].湖南林业科技，2013（1）：73-75.

[5] 王秀波，张鑫炎，刘禹，等.刨花板生产能耗指标的确定及节能措施[J].应用能源技术，2010（12）：34-36.

[6] 何雅玲，陶文铨.对我国热工基础课程发展的一些思考[J].中国大学教学，2007（3）：12-15.

[7] 孙军.浅谈木材加工专业热工类课程内容体系的改革[J].中国林业教育，1998（S1）：72-74.

[8] 沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007：4-5.

[9] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：2-3.