钱中 陈孚江

[摘 要] “工程热力学”作为一门研究能源转换及利用的经典学科，是能源动力、化工机械、航空航天等多个专业的必修基础课。课程具有概念多、内容抽象、学习难度大等特点。在短学时课程班教学中，“教”不能深入，“学”时间紧迫。针对教学中存在的各种问题，结合多年教学经验，提出解决教学实际问题的新策略。通过改换思路、知识重构、实际应用、科学取舍、科研助力、改进作业讲评、引入课程思政等措施，提高教学质量。

[关键词] 工程热力学;短学时;教学新策略;课程思政

[基金项目] 2017年度常州大学教学创新项目“OBE理念下专业基础课程教学方法探索”（CDSG2017008）

[作者简介] 钱 中（1978—），男，江苏昆山人，博士，常州大学石油工程学院讲师，主要从事计算流体力学研究。

[中图分类号] G642.41     [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2021）23-0085-04    [收稿日期] 2021-03-16

“工程热力学”作为一门研究能源转换与利用的经典学科，它是能源、化工、动力、航空航天等多个专业本科生的必修基础课。它具有概念多而散、内容抽象、学习难度大等特点[1-5]，以至于不少学生毕业多年后回忆起热力学课程的学习经历都记忆犹新。“工程热力学”学习需要一定数学物理基础，但又不需要很深入数学推导，课程部分章节与大学物理相近，初学者易陷入教材例题好理解，作业题却无从下手的似懂非懂状态。历年来，该课程的挂科率一直偏高。为切实提高学生学习效率与教师授课成效，全面提高教学质量，许多专业教师进行了一系列教学改革与创新[1-5]。

近些年，“工程热力学”课程处理实际问题时采用从整体出发，抓住重点，适当简化，运用宏观系统理论解决问题的思路，成功地推广到各类科学研究和工程实践中，并建立一整套规范的项目处理流程。因此，该课程得到越来越多非能源與动力类专业学生的认可，开课专业、选课人数不断增加。因此，许多大学专门开设了32学时的短学时教学班。然而，这种理论性较强的短学时课程教学中存在“教”不能深入，“学”时间紧迫的困境。随着信息技术不断发展，以微信为代表的网络交流平台对该课程的教学起到了部分课外教学功能[5]，一定程度上弥补了课时少的不足，但实际应用中依旧存在一些问题。本文结合笔者六年来对短学时教学班的授课经验，进行讨论与分析。

一、教学中存在的问题

（一）缺乏专门针对短学时班的教学指导方案

能动类专业“工程热力学”课程教学体系较为成熟，一般设置64学时，以沈维道等编写的《工程热力学》为教材，相应的教学计划、教学方法及课程考核都一应俱全。教学过程中，点、线、面、体层层推进，知识体系分布与整合较为成熟，从概念讲解到理论应用较为顺畅。实际教学中，由于“工程热力学”课程存在较多抽象概念，且各知识点环环相扣，学生要达到融会贯通，确实有一定的困难。即使是多学时教学班中，也有较多学生反映在学习中存在“看着明白，碰到实际问题却不知所措”。对于短学时“工程热力学”课程教学，无法按传统流程开展。部分学生对层出不穷、层层递进的概念不能及时消化，理解不够深入，导致后续学习愈发艰难，最终让他们望而却步，失去学习的动力。因此，亟须制定针对性强的教学方案。

（二）学生缺乏工程背景，对动力装备缺乏了解，不利于课程教学实施

“工程热力学”将经典热力学理论与工程实际相结合，并合理作了一些简化。客观地讲，我国大学生的数学物理基础对学习这门课程是足够的。教学中主要涉及内燃机、压气机、汽轮机等动力装置，并围绕这些装置工作过程进行分析讨论。由于短学时班实验课极其有限，本科生基本没有工程经验，对许多动力装备不熟悉，缺乏相应知识储备，理论与实践脱节导致他们学习较为迷茫，教学效果不及预期。

（三）新一代“00后”大学生学习过程中与教师交流沟通的积极性较以往有所下降

近三年，“00后”逐渐成为大学校园里的主力军。课堂中，他们相对沉默，课堂笔记也不如“90后”仔细认真，他们更注重通过网络获取知识。腾讯、超星、大学慕课等网络课堂给学生创造了更多自主学习的机会，使得部分学生在课内有所松懈，课堂积极性不够高。事实上，网课通常只讲解知识要点、各知识点间承接不够紧密、实例应用较少。不少学生喜欢网课学习的方便、自由，但在解决实际问题时发现自身基础不扎实，应用知识能力不足。只有做到课内认真听讲，课外自主学习，有疑问及时与教师沟通，才能保证学习的高质量。

任课教师通常会通过微信、QQ、钉钉等平台建立课程群，用以了解学生学习状态，提高教学质量。但课程群里“有积极行动”的学生人数有时偏少，建群促学目标达成度偏低。近三年的“工程热力学微信群”互动情况显示：（1）能与教师每周交流3次以上的学生数不足总人数30%;（2）共享文件中每章授课PPT下载次数约为总人数的80%;（3）大多数学生联系老师都是在考试前2周，咨询的问题集中在“考试重点是什么”;（4）令人欣喜的是，有约20%的学生对课程学习较为投入，积极认真，经常主动发消息与教师进行互动。他们多是学习成绩较好，今后准备考研或出国留学的学生。总体上，相当一部分学生的学习状态是比较被动的。授课对象却不断更新，授课内容、方式的更新略有滞后，这一客观情况可能也是导致学生缺乏学习热情的一个原因。因此，亟须探索一些能有效激发学生学习兴趣的新方法、新措施。

二、探索的改革方案

为提高教学质量，更好地帮助学生掌握知识，提高其运用知识分析解决问题的能力，践行OBE教学理念，应进行一系列教学改革。最近三年，面向机械大类专业的课程教学质量明显提高，课程通过率从以往的约65%提高到79%、82%、86%，许多学生把本课程作为研究生考试科目，顺利进入了东南大学、大连理工大学、山东大学、西北工业大学等重点高校继续深造有20人以上。归纳总结已完成的工作，所采取改进措施具体如下。

（一）改换思路，重组知识构架，自顶向下教学

从2018年开始，首次授课时，笔者会在讲台上放置一台已组装完成的塑料汽车发动机模型，将主要部件简要介绍后启动运行，发动机带动叶片转动。针对这台工作中的发动机，引导学生分析其工作过程中涉及的具体科学理论问题：（1）能量转换：发动机（即热机）实现了热转换为功，具体表现为带动同轴相联接的叶片转动，分析其转换效率与哪些因素有关;（2）研究方法：针对气缸活塞系统，取其中的气体为系统，展开关于热力系统的分类与特征介绍。观察活塞上下往复运动，伴随着气体膨胀与压缩，分析系统内部温度、压力、体积变化规律;（3）能量的耗散与热力过程的不可逆，即能量的品质下降：气缸体会发热，即向环境散热，导致热效率降低。过程不可逆体现在孤立系统熵增（这里仅结合大学物理课程，作简单介绍而不深入展开），热转换成功效率较低，表明热能的品位低于机械能;（4）热力学模型：将实际较为复杂的物理模型简化为相对简单热力学分析模型，将实际工作过程简化为理想过程，并将此热力过程在p-v图和T-s图上表示出来，进而讨论过程中功和热的计算。“数形结合”使得抽象过程变得易于理解;（5）举一反三。列出工作原理相似的热力装备：叶轮机械，如蒸汽轮机、燃气轮机（配图）;原理相反的热力装备：冰箱、空调。这种从顶层往底层的扩散性教学，会在激发学生学习兴趣的同时，将知识组成一个有机整体，大大提高教学效果。教学中形成“疯狂的知识大转轮”，不断拓展教学深度、广度，鼓励学生多做思维导图进行总结归纳。精心准备，上好第一堂课，对课程教学极其重要。

（二）知识与实际应用相结合，目标导向型教学

比如讲授湿空气部分内容时，可从生活中找实例。典型例子：夏天遇到雷阵雨天气状况，驾驶汽车时会发现车内玻璃上出现雾气，即产生结露现象，严重影响车辆行驶安全。根据现象提出问题：什么原因导致雾气产生？顺利转入课程学习中，通过大气温度、相对湿度、露点温度、湿空气焓等知识点讲解，学生会迅速掌握要点。此时，学生联想到各种生活中的实例：将售卖机里取出的可乐放置在桌上后，飲料罐表面会形成许多小水滴;冬天，进入食堂后镜片上会形成水雾;秋天早上，室内窗户玻璃内表面上、清晨的树叶上也能发现水珠等。实例引起共鸣，显著提高教学效果。此时，可让某位学生打开手机中天气预报栏，在黑板上记录下此刻的温度和湿度。下一步，请学生们计算一下：（1）房间内的水蒸气质量、干空气质量各为多少千克;（2）如果室内湿空气参数维持不变，室外降温到多少摄氏度，教室窗户玻璃内表面上会出现水滴。完成上述两项任务，本次授课目标就较好地实现了，也为下一节课讲授湿空气热力过程做好铺垫。结合生活实际，活学活用，使得教学效果令人满意。

（三）采取针对性教学

受学时所限，教师向学生灌输过多知识点，会使得学生学习压力陡增，难以及时消化吸收知识。最终，很可能事倍功半。教师必须结合学生专业特点，精心选择授课内容并加以组织提炼，实现针对性教学，在讲述重点内容时要写黑板。比如在讲授动力装置循环时，如果选修学生来自内燃机专业，应从内燃机装置基本构造开始，详细讲授：（1）实际循环简化为理想循环的假设条件;（2）将循环各热力过程在p-v图和T-s图上用不同颜色粉笔画出来，通过结合图线，将热力状态变化形象生动地展示出来，使得热力参数计算变得简洁明晰，从而避免死记硬背公式;（3）通过画图分析法比较各种内燃机循环，让学生掌握利用T-s图进行循环效率分析的技能，明白循环分析的目的;（4）结合当前汽车发动机技术现状与趋势，引导学生进一步深入学习，对燃气轮机循环理论仅作简要介绍。反之，如果学生主要来自叶轮机械专业，应先重点讲授燃气轮机循环装置组成（即压气机、燃烧室及燃气轮机）、各装置对应热力过程、定压加热理想循环。然后，结合燃气轮机装置中气流流量大、工作温度高、排气温度高等特点，引出燃气轮机装置定压加热实际循环。最后，讨论影响循环效率的因素，讨论提高循环效率的措施。授课过程中，可将飞机发动机、燃气轮机发电机组图片在屏幕上展示出来，同时将热力循环在黑板上画出来，让学生在教师的引导下，达到概念清晰、目标明确。而对内燃机循环则适当简化。

（四）实施科研性教学：教师要多利用仿真建模，结合科研进行授课

讲解理想气体流经喷管时，由于本科生对于可压缩流体缺乏了解，可利用流体仿真技术，动态展示喷管内流体温度、压力、速度的变化。同时仿真流场呈现出激波面、漩涡，让学生发现教材中将气流作一维绝热流动处理，忽略气流与管壁摩擦存在明显不足，也深刻体会到了不可压缩流体与可压缩流体流动的差别。通过观察仿真模型参数变化对流场的影响，使得教学形象生动。讲解压气机时，结合自身参与过的西门子多级压气机项目研究经历，展示详细的三维模型，通过专业软件将叶轮式压气机工作过程中的仿真流场呈现在屏幕上，让学生切实感受到教学与科研紧密相连。教师也应积极带领学生参加“节能减排大赛”“动力装备设计大赛”“石油工程设计大赛”等大学生科技竞赛，让学生有机会学以致用，一展身手。

（五）角色互换重塑作业讲评

作业讲解环节，随机选择学生讲解习题解答过程。通过该项锻炼，学生能更好地掌握知识点，提高自身语言表达能力，也能很好地督促学生独立完成作业。教师能够实时掌握并及时纠正讲解过程中暴露出的问题。当学生站上讲台时，教师处于“听众”的角度，也能更真实感受到学生对于课程理解，反思自身在教学中存在的不足。作业讲评能力对于学生的要求其实较高，要求学生能将所学知识正确运用于解决问题，并将其条理清晰地表述出来，能促进学生对知识的深入理解。

（六）采取鼓励性教学

教师应努力成为学生的良师益友，将自身学习经验与学生共享，让学生明确热力学课程的学习对化工原理、锅炉原理等后续课程学习的重要性。并引导学生多读外文教材，培养积极阅读文献的能力。外文教材图文并茂，对于某些概念的解释更直接、更清晰，让初学者受益匪浅，而文献阅读能力的提高，让学生在今后的学习和工作中终身受益。力争营造较为宽松、友好的学习氛围，并在课程考核中将平时成绩在总评成绩中的占比提高至40%～50%，更注重学习过程，让学生更积极有效地学习。

（七）進行课程思政

《高等学校课程思政建设指导纲要》指出专业教育课程思政，要深度挖掘专业知识体系中蕴含的思想价值和精神内涵，使得课程既有知识性，又有人文性，提升引领性、时代性和开放性。当前，我国正处于全面建设社会主义强国的关键阶段，正在从制造大国迈向智能制造强国。核电站、航空母舰、高铁、大飞机、航空航天装置等大型动力装备的自主设计制造，与国民经济发展密切相关，对保障国家安全意义重大。“工程热力学”知识直接为上述领域装备研制提供理论基础。

纵观当前国内外形势，教学中进行课程思政势在必行。该工作可结合先进人物事迹展开。通过对创立“叶轮机械三元流动理论”、开创我国工程热物理领域的吴仲华院士科技报国之路的介绍，让压气机、汽轮机的教学有血有肉;通过介绍“航天之父”钱学森爱国之路及其对中国航天事业的贡献，让气体超音速流动教学更引人入胜;通过对“80后”航母副总设计师王硕威的介绍，让学生体会到当代科技工作者的爱国敬业。这些科学家都具有强烈的爱国心、事业心，他们无私奉献、自力更生、勇于担当、协同合作的优秀品质，激励了无数科研工作者，也一定能激励当代大学生成为爱国奋斗的好青年。

大学的任务是为国家建设培养高质量的人才，课程思政让学生体会到个人发展与国家发展是命运共同体，明确自身使命职责。只有充满爱国热情，才能更认真地学习，更努力地工作，为中华民族复兴贡献更多力量。

三、结语

“工程热力学”课程教学需要根据专业、学时的不同，设置不同的教学方案，教学中做到与时俱进，才能真正达到高效。尤其是对短学时班的教学，应做到精心组织、目标明确、有的放矢、重点突出、科学引领、积极鼓励，不断丰富和变革教学方式，增强教师、学生间的情感与友谊，并结合课程思政增强学生的学习动力，这样才能切实提高教学效果。

参考文献

[1]林国庆，高艳丽，时黛，等.过程装备与控制工程专业“工程热力学”课程教学与改革探讨[J].吉林化工学院学报，2020，37（6）：41-44.

[2]王有镗，何芳，郑斌，等.工程热力学课程与创新方法融合的教学模式探索[J].教育教学论坛，2020（20）：273-274.

[3]余才锐，沈冬梅，汪万芬，等.关于《工程热力学》教学中几个概念难点的一些思考[J].教育教学论坛，2020（12）：362-363.

[4]许伟伟，黄善波，张克舫.工程热力学形象化教学方法探讨与实践[J].实验室研究与探索，2018（5）：191-194.

[5]许津津，姚寿广，冯国增.基于微信公众平台的工程热力学教学研究和实践[J].高等工程教育研究，2019（S1）：139-141.

Teaching Exploration on Short-term Course of Engineering Thermodynamics

QIAN Zhong， CHEN Fu-jiang

（School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213164， China）

Abstract： Engineering Thermodynamics， as a classic subject that studies energy conversion and utilization， is a basic compulsory course for majors， such as energy and power， chemical machinery， and aerospace. The course is characterized by many concepts， abstract contents and difficult to learn. In the short-term course teaching， “teaching” cannot go deep， and the time for “learning” is extremely tight. Aiming at the problems in teaching practice， and combined with years of teaching experience， this paper puts forward new strategies to solve practical teaching problems. The teaching quality can be improved via changing teaching ideas， reconstructing knowledge， linking to practical application， making reasonable choices， combining with scientific research， improving homework evaluation， and introducing “curriculum ideological and political education”.

Key words： Engineering Thermodynamics; short-term; new teaching strategies; “curriculum ideological and political education”