基于提升学生综合能力的工程热力学课程教学思路探讨

张芳芳 ， 金听祥 ， 许培援 ， 陈 刚 ， 李国培 ， 张雷刚 ， 张百强

(郑州轻工业大学 能源与动力工程学院 ， 河南 郑州 450001)

工程热力学是理论与实际结合度较高的一门课程，在国家“碳中和”政策背景下，亟需培养学生将书本上的理论知识转化为解决实际问题的能力。

为提高学生的综合能力，本文从夯实基础理论知识，强化应用和逻辑思维，课程思政及教学方法几方面进行了探讨。围绕热力循环，将热力学基本定律、热力性质、热力过程、气体及蒸汽流动、火用分析等问题连成一条线进行讲解。教学方法方面提出采用工程案例或复杂工程问题贯穿整个教学过程，在知识讲授的过程培养学生解决实际问题的能力。

1 夯实基础理论知识

工程热力学课程的内容虽然较多，但却是相互贯通，并相互融合在一起的。其主要内容是以热力循环为中心，围绕构成热力循环的要素进行讲解[1-2]。首先，介绍热力转换过程中需要遵循的基本原则，即热力学第一定律及热力学第二定律等定律；其次，讲解了热力循环的构成要素之一工质(气体或蒸汽)的热力性质，之后讲解了工质状态参数变化所经历的热力过程。如定温、定压、定容、定熵及多变热力过程。此外，鉴于能量转换会发生在一些形状特殊的管道，如喷管、扩压管、节流阀等，因此介绍了气体和蒸汽的流动，之后对热力循环系统如朗肯循环、制冷、热泵等系统进行讲解。

基于此，在本门课的授课过程中，需要强化所有章节之间的相互关联，紧紧围绕学生，让学生明白理论知识的重要性，明晰为什么学，学什么，用在什么地方等问题，而不是教师本人清楚。当学生明白了为什么学之后，其脑子里的知识不再是杂乱无章，零碎知识，而是井井有条。此外，对基础理论知识的讲解不是要让学生记住所有的计算公式、概念等；而是需要将最基本的概念讲清楚，比如热力学第一定律，应强化学生对最基本的表达式“进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的增量”的理解。如果学生了解了封闭系统的概念、开口系统及稳定流动的概念，那么三个过程的能量方程公式不用背就可以推导出来。例如卡诺循环热效率的基本表达式为收益与代价的比值，因此对于动力循环及逆向卡诺循环来说，使学生明白每个过程的收益是什么，代价是什么，而不是记忆一些符号和字母。此外，知识的离散化会加重学生对内容的疑惑、不理解及厌恶感；相反，应是将知识融会贯通，每次上课，都应将上节课所学理论知识找到一条线进行串联，仅仅围绕主线进行理解，从而让学生不迷惑，清晰自己所获取的知识。

2 强化应用及逻辑思维

工程热力学的知识与日常生活及工程实践紧密相关，但是内容相对抽象，比较难理解，因此在工程热力学课程的讲授过程中，要将抽象的问题与实际应用结合来讲。如2018年，中国全年发电量71 118亿kW·h，生产了全球超过1/4的电量，平均每2 s产生的电力就足以满足一个中国人(76岁)一辈子的用电需求。中国是一个实现电力奇迹的国家，233个国家和地区，是第一个也是唯一一个全民通电的国家。那么目前的发电方式有哪些，发电的原理是什么，能量是如何转换的，效率又有多高，如何提高效率，为什么要提高效率，如何减少能源损失，如何余热利用等，对这些实际问题进行了讲解。使学生能够明晰所学知识，开阔学生的视野，培养学生的思维能力及民族自豪感。另外，辽宁号航空母舰的动力系统采用什么样的动力循环系统，燃料是什么，效率如何计算等问题可以作为案例，强化知识的应用。此外，采用引导式的方法更有利于学生对问题的理解，例如讲到水的定压气化过程。由于水的加热现象司空见惯，因此，抛出水在加热过程中发生的变化这个问题，让学生自己思考并说明一点两线三区五态，概念并不难理解；但是为什么学，有什么用，需要结合实例进行讲解。首先引入离心泵的汽蚀问题，分析汽蚀的原因，而这原因正是由于运用了饱和液体的饱和压力与饱和温度一一对应的性质；此外，汽轮机的发电过程中，进入汽轮机的蒸汽为过热蒸汽，原因就是运用了过热蒸汽显热。结合目前火力发电的蒸汽参数的选取及其原因进行分析，蒸汽在输送过程中往往采用过热蒸汽，从而大幅减轻管道振动、支架脱落及管道破裂等现象[3]。此外，在讲解过程中，需要结合汽液两相区吸热时状态参数变化的特点，对带有相变的换热器，如常见的蒸发器及冷凝器等的设计计算对学生进行提问、讨论并解答，加深学生对这部分知识的理解，强化对这部分知识的应用，让学生深刻感受到所学知识在如今社会中的用武之地，明晰只有灵活运用书本的理论知识，才能将知识变成生产力。

3 教学方法

学生实践和创新能力的培养，不仅需要明晰的教学思路，也需要合适的教学方法。通过引入工程案例或复杂工程问题教学，将理论知识融入工程实践中，打造新形式下个性化、多样化的课程教学模式，提高学生的工程实践及创新精神，具有重要的意义。如分布式能源系统(Distributed Energy System, DES)是一种建立在“能源的梯级利用”的基础上，直接面向用户并按用户需求将发电、制冷和供热一体化的多联供系统，分布式能源系统复杂，涉及燃气轮机、斯特林发动机、吸收式热泵等诸多设备。运行过程涉及燃气轮机热力循环、制冷循环、热泵循环、低品位热能利用等诸多热力过程。与工程热力学课程的核心内容，涉及制冷、热泵、热力等循环及汽轮机等设备，提出评价热力系统的热力性能指标等内容紧密相关。因此，在课程讲解过程中逐步解决分布式能源系统中的复杂工程问题，可进一步提高学生解决复杂工程问题的能力。工程案例及复杂工程问题的选取应当尽量能够涵盖工程热力学的主干知识，即通过一个案例或工程问题将工程热力学的知识串联贯通。在讲解理论知识的过程中，随时解决复杂工程问题，在课程结束时，使学生能够将开课时提出的工程问题克服。此外，在此过程中通过给学生布置相应作业，如查阅文献，提供复杂问题解决方案与思路、课堂讨论汇报等方式，学生的文献查找与阅读能力、沟通交流能力、逻辑思维能力等也将随之提升，从而培养学生自主学习的能力。

4 结论

工程热力学课程作为一门应用广泛的基础性课程，更应该强化对内容的理解和应用，对知识进行梳理，明晰教学思路；采取合适的教学方法，让学生知其然，知其所以然，进而学以致用，提高实践与创新能力。