机械类热工基础课程教改探讨

2023-01-05 02:55姚志敏
科技视界 2022年25期
关键词:传热学热工热力学

姚志敏

(郑州科技学院,河南 郑州 450064)

0 引言

目前,热能利用和热机工作原理等科学已覆盖到热能动力之外的机械、化工、环境、电子、航天航空、信息工程及生物医学工程等各个领域[1]。作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热工课程,应是21 世纪所有工科类专业学生的一门公共技术基础课[2]。目前已经有很多高校将热工基础课程作为机械类专业的一门必修课,课程包括热力学和传热学两部分内容。热工基础课程的教学目的是掌握遵循能量传递和转换技术的客观规律,并能正确运用所学内容理论联系实际地对相关工程应用问题进行分析和计算,具备解决在设备与系统的研究、设计、开发、生产、工程管控等领域中相关问题的能力,是培养复合型、创新型工程技术人才素质的必备环节。

但是,该门课程知识面较广、内容晦涩、理论性强、概念抽象、公式较多,诸多问题导致学生学习效果不佳。笔者在教学现状的基础上,对该课程的教学内容、教学方法及实验平台建设等方面进行思考,并对课程教改与创新建设提出一些建议。

1 课程教学现状

热工基础课程的概念多、公式多,且公式表达形式及使用条件多变,学生在学习本门课程时有一定难度[3]。笔者所教热工基础为机械类本科专业核心基础,开设在第5 学期,课程大纲设置总学时32 个,其中26个理论课时,6 个实验课时。教学任务多而课时安排过少的矛盾非常突出。在较为繁重的教学任务之下,当前课堂教学节奏较为仓促,和学生互动时间短,几乎“满堂灌”的教学方式造成学生课堂学习效果不佳。

与机械专业其他专业课相比,热工课程内容较为抽象,结论性公式需要使用微积分公式进行推导,学生理解记忆难度大。该课程需要学生利用所学知识来设计开发实际工程问题解决方案,并具备科学抽象和逻辑思维能力,要求理论联系实际。经调查了解,绝大多数学生认为该门课程学习难度大,要求高。

笔者所教热工课程在本校开设年限为2年,为一门“新课”,目前课程与本学科相关的其他课程关联性环节设置不多,学生学习存在畏难情绪,有部分学生对该课程在专业中的地位理解不足,造成学习积极性不高,学习效果不佳的状况。要改善目前所面临的教学问题,笔者在教学经验的基础上,学习借鉴他人经验,从优化教学内容、利用网络改善教学方法、互动教学法和搭建综合实验平台方面进行相应的教学改革和实践探索,来提升教学效果。

2 教学改革措施

按照教学大纲开展的教学内容是课程的重点把握内容,利用网络和多媒体恰当使用教学方法、提高师生互动性可以进行更有效的教学,并通过综合实验平台,提高学生综合运用所学知识的能力。

2.1 优化课程教学内容,重视绪论课教学效果

热工基础课程教学中应侧重对知识点背景和应用的介绍,降低对于部分不常用概念和公式推导的要求[4]。比如,在介绍典型理想气体动力循环时,将奥托循环、狄塞尔循环和沙巴泽循环与实际应用案例相结合,进行具象化讲解。可结合日常生活中常见的小轿车(汽油机)、大货车(柴油机),来理解各种循环过程的特点,并分析内燃机不同循环方式的优缺点。在多种机械设备的运行中,热力学理论的应用比传热学理论的应用更多,因此在课程中热力学部分较传热学部分的知识点多,这与机械专业学生的毕业目标有关。所以,该课程的教学大纲中应有明确的热力学与传热学两部分不同的课时分配,热力学课时更多,以笔者所教热工课程为例,理论为26 课时,其中设置热力学16 课时,传热学10 课时,其余为实验课时。传热学的教学内容为热传导、对流换热、辐射换热三种不同传热方式的传热规律,其中有较为复杂的章节,比如非稳态导热和对流换热的理论,实际工程问题解法复杂,详细讲解均会占用4 课时以上,可以舍弃这些理论复杂但应用极少的章节,仅为学生展示结论性内容,细节则由学生根据兴趣和需要自学。

绪论课是正式开始教学的前沿课。绪论课可使学生快速、全面地了解本门课程的知识体系,并可诱发学生的学习兴趣,绪论课的教学效果将直接影响学生今后的学习[5]。热工课程包括热力学和传热学两部分,二者起源一致,均为热量的使用,但是热力学研究热量的转换,传热学研究热量的传递。首次绪论课可将两部分内容结合,从学科起源,到实际应用案例,使学生认识到该学科的发展是与人类的进步息息相关的,所学的知识渗透于生活,各种机械运行过程均涉及该课程内容。整个绪论课,采用由浅入深、理论联系实际的方式,将晦涩难懂、生疏的课程内容,通过轻松活泼的课堂氛围,用生活中常见的现象及设备来进行讲解,充分调动学生对该课程的学习兴趣。

2.2 利用网络及多媒体改善教学方法

热工基础在国内外很多工科类高校已普遍开设,网络上可以查阅很多优秀的课件、机械设备运行时热力学视角的动画演示等资源,因此,应该广泛学习和借鉴众家之长,充分并有效利用网络资源,如国家级精品课网络共享课、相关课程多媒体课件及演示动画、演示视频等。借此整合教学资源,以提高教学水平,改善教学效果。

目前笔者教学使用讲授法、案例教学法,辅以问题式教学、动画演示法、讨论法进行授课,借助现代多媒体工具进行课程内容展示及动画演示,可以直观方便地向学生展示课堂内容。但是动画演示资源较少,热力循环过程的授课基本上均是依靠理论讲解,缺乏生动性,这就增加了学生理解的难度。如果将网络资源加入授课内容中,可以起到丰富教学资源的作用,也使教师有更多的时间进行重点、难点知识的讲解和与学生交流互动,并可以通过对比来选取有趣的案例,以此提升学生课堂学习效果。另一方面,学生可以利用网络平台上的资源来进行课前预习和课后重难点复习,满足现在年轻人碎片化阅读和学习的需求。

目前,诸多网络实验平台的推行也大大方便了教学,在具有网络的教室即可在短时间内向学生展示相关理论实验。比如国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台,其中有与热工课程相关的实验项目,比如热力学与气体动理论虚拟仿真实验平台,可以展示平衡态统计、准静态压缩、绝热膨胀过程的微观变化。可以通过使用虚拟仿真实验平台,更生动地展示基本理论,使学生更为清晰地观测实际过程,也更为直观地理解相关理论。可以利用有效的网络实验平台,来加强学生对难点和重点知识的学习理解。

2.3 采用互动教学方法,调动学生参与度

热工基础课程学时少,授课时间较为紧张。课程中公式多,为了提高学生理解记忆程度,多个重要知识点涉及的公式均会进行推导,如热力学第一定律对应的能量平衡方程式的不同形式转换、理想气体各种典型热力过程状态参数的计算,推导过程占用较多时间。因此,在课堂上以教师讲授为主,很少与学生互动。笔者为提高学生的参与度,设置课堂检测环节,但在检测环节过后,学生积极性明显降低,该方法仍然很难与学生进行充分有效的互动。

课堂上,通过精心设计提问,增强教学中教与学双方交流、沟通,激发学生学习兴趣、启迪学生思维、锻炼学生表达能力,最终提高教学效果[6]。因此,应该转换教学中心,以学生为中心,多使用启发式教学,使学生在课堂中把自己当成课堂的一部分,融入课堂中。比如对循环过程能量利用的经济性指标,仅告知“为循环所取得的收益与付出的代价之比”,利用热力循环示意图,引导学生自己得出热机循环、制冷循环、热泵循环的评价指标应如何计算;在介绍稳态传热过程的传热速率时,与电路中电流进行类比,让学生自己来讨论计算式中类比电压的“热势差”是什么,怎么理解类比电阻的“热阻”。弄清楚原理之后,学生更容易理解记忆计算式。

课后通过公共平台,增强师生间交流互动。笔者所教班级均建立了单独的钉钉群,平时作业的布置等均在钉钉班级群中通知,但是学生很少在班级群中询问问题。后续可以增加一些和日常生活结合比较紧密的知识点来引导学生进行讨论,如为什么在开空调的室内,在夏天和冬天同样是20℃,人体感受温度却有差别。引导学生形成积极思考相关知识,主动探讨相关理论的习惯,提高学生课前预习和课后复习的积极性。

2.4 建设综合实验教学平台

机械专业开设的热工基础课程,是热力学和传热学基础理论与专业实际紧密结合的,学生应掌握遵循能量传递和转换技术的客观规律来合理组织和优化各种热力系统的工程方法。因此,该门专业基础课教学应该立足于工程实际,培养面向工程、面向生产的科技人才。高等教育中,实验教学是创造性应用和发展理论的过程,是综合能力形成的过程,在培养工科学生的工程能力和创新能力等方面发挥着十分重要的作用[7]。实验教学是将课本的理论知识与实际工程问题相结合的一种有效方式,可以提高学生熟练运用热工基本知识的能力,巩固并加深有关理论知识理解程度。目前,学校已有的可供热工课程使用的实验平台,如空气定压比热测定、固定导热系数测定,与机械专业其他学科知识关联较少,缺少综合机械专业课程的实验平台。

建设综合实验教学平台,对于学生所学知识的综合运用与实践应用能力具有重要作用。例如,可以搭建蒸汽朗肯循环实验台,利用该试验台可以进行蒸汽朗肯循环整个热力过程的能量计算,其中涉及的四个重要设备:蒸汽发生器(如锅炉)、汽轮机、冷凝器、水泵,在机械设备相关课程中也有章节讲解。通过蒸汽朗肯循环实验台,在实验台运行过程中,学生可以在学习热工课程中的热力学相关知识外,还可以对其中的设备进行了解学习,这可以促进学生增强学科知识综合理解与应用。

同时,在搭建综合实验教学平台后,可以引导学生利用综合实验平台进行创新性设计,利用其中的部分设备或整体设备进行创新想法的验证,参加各类大学生科技创新竞赛。在创新设计中,学生不仅仅停留在基础理论理解阶段,而是有学科的交叉融合,这又为学生提高专业知识综合运用能力提供了途径。

3 结语

课程教改是促进课程建设的重要部分,笔者所在高校机械本科类热工基础课程开课时间较短,进行课程教改是提升本课程教学水平的必备环节,根据教学现状,提出以下教改措施:

(1)重视绪论课授课,开课伊始引起学生浓厚的学习兴趣;优化教学内容,侧重知识背景及工程案例的讲解,以减少对不常用概念讲解和公式推导。

(2)利用网络优秀课程资源,使用多媒体来丰富教学方式的多样性,增加动画演示、网络实验等可以提高学生兴趣且容易理解的环节。

(3)多使用启发式教学方法,来提高师生互动性,并通过网络公共交流平台来促进学生形成积极思考相关理论知识的习惯。

(4)搭建综合实验平台,提高学生理论联系实际的能力,并引导学生利用综合实验平台进行创新性设计,促进学科交叉融合综合运用。

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