新能源科学与工程专业工程热力学课程教学探讨

袁洪春 肖进 熊超 赵宇 马金祥 陈磊

摘 要：文章针对新能源科学与工程专业要求及工程热力学课程特点，探讨了该课程的教学方法与方式，更加贴近并体现专业特色，激发学生学习兴趣，确保教学质量，提高教学效果，为新能源人才培养添砖加瓦。

关键词：工程热力学；新能源；教学改革；教学方法

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）01-0048-02

Abstract： According to the requirements of new energy science and engineering and characteristics of engineering thermodynamics， this paper introduces a series of the teaching methods for the course of engineering thermodynamics， appropriately embodying its professional characteristics， stimulating students' learning interest， ensuring teaching quality， and improving teaching effect. These teaching methods contribute to cultivating talents specialized in the new energy field.

Keywords： engineering thermodynamics； new energy； teaching reform； teaching methods

引言

“工程熱力学”是能源动力类专业重要的专业基础课之一，是研究热能与其他形式能量之间的转换关系、转换规律及应用。一方面，该课程理论深奥、概念抽象、公式繁多且与工程实际联系紧密、应用性很强，使得师生都有难学难讲难考的体会[1]。如何提高该课程的课程教学质量，解决学生难学、教师难讲的问题，提高学生学习的积极性，是相关专业教师一直探索的问题。另一方面，新能源科学与工程专业是教育部2011年批准设立新建专业，学科建设正处于起步阶段，相关专业课程的建设需要在不断实践中探索与总结[2]。因此，针对新能源科学与工程专业进行工程热力学教学改革，突出更加贴近并体现专业特色，对保证教学质量，提高教学效果对培养新能源科学与工程专业高素质的科技人才都有十分重要的意义。下面，结合工程热力学课程特点和新能源科学与工程专业背景，对该课程教学方法改革提出了几点建议，供大家参考。

一、抓住课程精髓，培养学生节能意识

工程热力学以热力学第一、第二定律为理论基础，主要研究热能及热能与机械能转换规律，如何提高能源转化效率与能源利用的经济性。热力学第一定律是能量守恒和转换定律在热现象上的应用，从数量上揭示热能与机械能转换是守恒的；而热力学第二定律则揭示了热力学过程进行的方向性和限度以及能量转换过程的品质高低的问题。在能量转换过程中既受到热力学第一定律的限制，又受到热力学第二定律的约束，这两大基本定律是相互独立、相互依存，贯穿于整个课程的精髓[3]。

课程中涉及的基本概念都是伴随着这两大基本定律提出的，例如：闭口系统、开口系统、绝热系统和孤立系统，准静态过程和可逆过程、不可逆过程，热力学能、焓和熵，膨胀功、流动功、技术功和推动功，理想气体与实际气体，干球温度、湿球温度和露点温度等。热力学两大基本定律是热力过程分析和计算的基础，也解决了水蒸气的定壓发生过程的热力性质，湿空气的状态参数及加热和冷却过程的能量转换。此外，在热力学第二定律中，熵是一个重要概念、参数；从能量、能量利用角度描述，熵是不可逆耗散程度的量度，不可逆能量耗散越多，熵变化越大；熵增加，意味有效作功能量的减少。

热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的表现，其实是从数量角度解释了节能的基本原理。虽然从第一定律的角度分析自然界的能量是守恒的，但是不是所有能量都是便于被利用的，如环境物质的热力学能过程中耗散的能量；也不是所有能源都是可以持续被利用的，如不可再生的能源煤、石油和天然气。所有在没有寻找到合适的替代能源之前就必须数量上节约不可再生能源，并考虑能量的品质。热力学第二定律指出了宏观热现象过程不可逆，实质是从能源品质上确定了节能的基本思想。从节能角度考虑，因为不同形式能量品质的不同，在确证效果相同的同时，应首先使用低品质能源，来合理利用能源提高效率。因此，围绕热能的转换与利用展开，注重的是热能的有效利用。在讲解物质与能量转化规律及其应用过程中，节能不仅体现在数量上的节约，更体现在质量上的节约。合理利用能源要提高能源使用效率，更要减少能源消耗，发展好回收和利用低品位热能的技术，充分利用好工业中的余热等低品位热能。

二、体现专业特色，激发学生学习兴趣

新能源科学与工程专业是培养学生具备能源工程、工程热力学等基础知识，掌握新能源转换与利用原理、新能源装置及系统运行技术，发展好利用包括风能、太阳能、生物质能等方面新能源的工程与技术，毕业后能够在国家新能源科学与工程领域从事教学、研发、管理等方面的工作。工程热力学是新能源科学与工程专业的专业基础课之一，它以热功转换规律为理论依据，以提高能量转换效率为研究目标。工程热力学的理论研究及技术发展，面向能源的有效利用是传统的研究领域，在节能减排中大有作为，也是当下最热门的研究领域。根据新能源科学与工程专业背景，在绪论中增加介绍自然界中已开发的各种能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、核能、生物质能、海洋潮汐能在国内使用和发展现状；对国家经济、社会、环境的已经发挥积极而重要作用；同时也指出了需要克服的困难和探讨了行业发展前景，这些引起学生的充分关注，激发学生的学习兴趣，鼓舞学生的研究热情。

热能的利用离不开热工设备，诸如锅炉、汽轮机、内燃机和各类换热器，它们承担着热能直接利用或间接利用的具体任务。另外，工程中还有另一类热工设备与装置，如压气机和制冷机等，它们的工作过程与热机相反，但同样存在着热能和机械能的能量转换。针对新能源专业，一方面围绕热与功转换，例如集中供热供暖的热源，常取自热电联产，空调的冷源来自制冷装置等内容；另一方面掌握动力循环、制冷循环等不同热力循环在实际设备和工程中的应用，熟悉实现热能转变为功所需设备，提高热效率的途径。动力循环要侧重让学生理解它的基本原理和掌握提高效率的途径；制冷循环及热泵部分，要让学生在清楚构成循环的各个设备部件以及各部件对循环的影响的前提下，掌握热力循环的原理。

为了进一步激发学生对工程热力学课程的学习兴趣，同时也为了使热工学教学内容更加丰富多彩，我们提供课程同步学习资料，并关注学科交叉前沿研究热点在教学上及时增加相关内容。例如，太阳能热利用技术；半导体制冷、地源热泵循环的研究；余热的利用和节能技术；分布式能源系統；核能、太阳能、风能、生物能等可再生能源在国内外的实际应用案例；新能源汽车动力循环，太阳能热水系统，建筑节能中的热力学问题等。

三、理论联系实际，培养学生工程应用能力

工程热力学具有很强的工程应用背景，教学目的是学生能够将所学回归工程实践，掌握科学系统的工程实践活动设计方案或工程工艺，解决工程实践中具体的工程问题。因此在教学过程中，必需根据学生的具体专业制定教学大纲，设计具体教学环节，理论知识联系工程实际。可由具体工程实例的分析和计算，推进讨论课堂、分析课堂、辩论课堂，来实现研教结合、学思结合、知识课堂向能力课堂转变的开放性翻转课堂。这样学书本上的基本概念、原理不再是枯燥空洞，而是富有工程背景和使用价值的理论，从而使学生由单纯的知识学习升华为将所学知识科学应用到工程实践的能力培养。例如在工程热力学中学生都觉得状态参数熵很难理解，在教学时可以引入其在楼宇中节能技术中的应用。介绍楼宇节能技术评价中，如何利用熵权理论来确定各个影响指标的权重，从而直观准确地判断、选择、优化楼宇节能方案。

带领学生参观地方发电厂，使学生了解发电厂的工业流程，了解汽轮机、锅炉、给煤机等主要设备的外形、构造、操作以及工作原理；以冷藏库、家庭用的空调、电冰箱为例讲解制冷装置循环；介绍湿空气热学过程在中央空调、火力发电、集中供热采暖等中的具体应用。将教材内容和工程实例有机地联系起来，这不仅能使学生能够真正理解、掌握、运用所学的知识和原理，理性检验所学知识，而且能通过实际应用的参观、剖析等直观而感性的认识，激发他们的学习兴趣，培养学生利用所学知识分析、解决具体问题的思路和能力。

四、引入科研案例，培养学生创新能力

工程热力学这门课课程是在工程实践活动的基础上发展起来的，而其理论研究的新成果又将反过来推动能源动力领域的科技创新和技术革新[4]。我们在教学过程中，结合新能源科学与工程专业，介绍新能源领域中的前沿发展动态、科研项目和研究课题、典型能源应用实例。在讲解热力循环时，引入当前的热力循环研究的新思路和前沿熱点，特别是多能源综合利用的热力学循环和新的可再生能源热力循环，例如天然气与太阳能组合的多能源发电循环系统、燃料电池与太阳能联合发电的多能源循环系统、氢能热力循环、生物质能热力循环、地热能热力循环。

将课堂教学与教师科研相结合，一方面课堂教学引导教师积累科研案例、关注前沿，促进教师重视科研工作；科研工作又为课堂教学提供案例、注入活力，鼓舞教师热心教学工作，起到科研与教学相互促进、共同发展的作用；另一方面，加深学生对基本概念和理论知识的理解，培养学生分析问题和解决问题的能力，进而培养学生的科研能力、创新能力。

五、结束语

工程热力学作为一门非常重要的专业基础课，如何在课堂教学这个重要环节，深化教学改革、提高教学质量和效果，我们虚心学习了很多同行和前辈对此作出的有益探索和研究，他们给出了许多有价值的建议和研究成果；我们也要围绕新能源科学与工程专业培养目标与多年的教学经验，给出了课堂教学改革中的几点思路，希望与同行们交流与分享。在今后的教学中，还要更加深入持续地进行改革，不断优化课堂教学，希望通过改变教学思路，改进教学方法，激发学生的学习兴趣，真正提高学生运用所学知识分析和解决实际工程实践中具体相关问题的能力，为未来从事新能源相关工作打下坚实基础。

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）：70-72.

[2]饶政华，廖胜明.新能源科学与工程专业课程体系研究[J]. 中国大学教学，2015（3）：44-46.

[3]武和全，谢文洪.热力学第一定律和热力学第二定律教学[J]. 课程教学，2015（4）：80-81.

[4]徐青，凌长明.应用科研案例教学法工程热力学教学改革研究[J].课程教材改革，2014（23）：39-40.