[出处] 教育教学论坛_2022年第17期

梁凤丽 张净玉 杨理理

[摘 要] 《工程热力学》教材的编写与使用一直是国内外各高校非常关注的问题。中外高校所使用的教材有着明显的区别，教学方法和教学大纲也相差较大。通过对中美使用的《工程热力学》主流教材和教学大纲的总结，对比分析了教学形式、讲解顺序、例题搭配和紧跟科技前沿等方面的差异。国内外工程热力学的教学理念和体系，除了有明显差异外，也有共同点，如均注重培养学生实践动手能力和分析解决问题的能力。秉承求同存异的原则，提出了一些看法和观点，希望能够对国内《工程热力学》教材的编写和教学提供一定的帮助与借鉴。

[关键词] 《工程热力学》;中外教材;中外教学大纲;教学资源;自主学习

[基金项目] 2021年度军委科技委173计划基金重点项目“一体化氨燃料微管式SOFC-GT混合动力航空发动机设计技术”（2021-JCJQ-JJ-0339）

[作者简介] 梁凤丽（1982—），女，山东郓城人，博士，南京航空航天大学能源与动力学院副教授，主要从事燃料电池关键技术、电解制氢技术、混合动力系统集成研究。

[中圖分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）17-0029-04 [收稿日期] 2021-12-01

引言

热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。工程热力学的基本任务是通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。伴随能源结构和体系的变革，热力学教学方式也在不断探索创新[1]。而教材作为课程的核心教学资源，其重要性不言而喻。所以，国内外各高校都对“工程热力学”课程十分重视，对《工程热力学》教材的编写和使用也非常关注。

市面上中外著名大学的《工程热力学》主流教材有上百种，本文从中选取了使用比较广泛的中美高校主流教材各一本进行了比较。在此基础上，结合使用不同教材的国内外大学的教学大纲和教学方法进行对比，笔者总结出一些观点，以期能够对教材的编写及教学研究提供一定的借鉴。

国内选用的教材是沈维道、童钧耕主编的《工程热力学》第四版，全书共13章，以能量传递、转移过程中数量守恒和质量蜕变为主线，讲述了工程热力学的基本概念、基本定律、气体及蒸汽的热力性质、各种热力过程和循环的分析计算，以及热力学在化学过程中的应用等内容。

Thermodynamics： An Engineering Approach（9th ed.）是国外“工程热力学”课程一系列教材中最常用的版本，是全球200余所大学的通用工程热力学领域的教材。全书900余页，是美国内华达大学的Yunus A. Cengel教授和北卡罗莱纳州立大学的Michael Boles教授合著的。该系列的教材一直在革新，迄今为止已更新至第十版。

以下就本文选择的两本中外教材的内容特色、难度差异和教学方法三个方面进行对比分析。

一、中外教材内容对比

（一）中国教材

沈维道、童钧耕主编的《工程热力学》是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”中“热工课程教学内容和课程体系改革的研究与实践”项目的研究成果，是教育部热工课程的重点教材[2]。该书第四版有430余页，是国内普通高校“十一五”国家级规划教材、国家级精品教材。目前已出版到第五版，它是在第四版的基础上，总结近年来的教学研究和教学改革成果，并根据学习者的意见进行修订，两个版本差异不大，因此本文选用第四版。该教材满足了工程热力学的教学要求，讲述了关于热现象的宏观理论，研究方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律为推理的基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行了研究。把与物质内部结构有关的具体性质当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构做任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。

该书的主要章节有十三章，加上“绪论”一共十四章，每章都有分节内容讲解、本章小结、思考题和习题几个部分。前五章基本包含了热力学的全部基础概念和定律知识，包括热力学定律、物质的热力学性质、相变、多元系的平衡及不可逆转换过程。从第六章开始讲述了实际气体、湿空气等，讲解了理想工质到实际工质的热力过程，以及压气机的热力过程、气体动力循环、蒸汽动力装置循环等实际应用。该书章节安排合理，内容从理想定律到实际热力过程，从易到难，逻辑层次清晰。

可以看出，国内热力学教材的结构合理有序、内容充实新颖，突出了我国精品教材鲜明的特色，而且对于该书所要用到的一些数学知识，在对应的习题册中都给出了详细的解答。与国外教材不同，国内教材的习题都在章节结束后，考查学生对所学理论知识的综合理解应用，且习题的选取紧扣对应章节的内容，难度适宜，有利于学生对章节知识的理解和前后知识的贯穿。在内容编排方面，每章节内容的结尾处列出了本章的小结内容，有利于学生对本章内容的重点进行回顾并加深理解。参考文献列于相关章节的最后，方便学生对相关文献的检索。

与外国教材相比，我国教材内容侧重经典理论的深入学习，强调教学中思维的深刻性，要求学生必须在教师的引导下主动学习。学生在阅读教材的同时，如果没有主动而积极的思考，很难将内容理解透彻。同时，我国教材注重引入最新的学科发展成果，秉承了我国高等教育注重专才培养、严谨务实的特点。需要指出的是，我国教材特别注重对基础性概念与定义的正确理解和运用，完整地将每个概念词条的物理背景、应用和实例整合起来，增进了学生对细节问题的深入认识。

（二）外国教材

外国教材Thermodynamics： An Engineering Approach出版较早，出版后经过多次重版，被国外高校作为主流教材，并得到广泛好评。该系列书的第九版承接了热力学的基础知识，又联系了当时的最新发展，深入浅出地讲解了热力学的各知识点。该教材将近1000页，所以教材的内容非常丰富，取材也很广泛。全书图文并茂，并配有大量的工程和生活实例，比较容易吸引读者。另外，教材插图简洁、直观，各种线形分明，书中公式的表达也很简洁，参数说明非常准确。该书最大的特色之一在于理论讲解结合工程实际应用，鲜明地介绍了热力学的基本概念，以及循序渐进的内容层次，让广大读者可以更好地学习热力学，理解热力学的基本概念。该书的主要核心内容有十八章，涵盖了热力学的全部基础概念、开闭口系统基本定律，包括物质的热力学性质、相变、多元系的平衡及不可逆转换过程。从第十三章开始，讲述了混合气体热力过程、化学反应热力学、化学过程与相平衡热力学，以及各类太阳能、风能等可再生能源的热力学等内容。由此可见，该书内容紧凑、充实、新颖，结构安排合理，对学生学习能力的锻炼和科学素养的提高有很大的作用。该书给出了社会生活中出现的热力学部分，还给出了大量的习题和解答。例如第二章有147道习题，其他章节每章也都提供了120～180道习题，来用帮助学生加深理论知识的理解，并检验学生的学习效果。另外，该书给出了许多用热力学处理问题的经典例子，配以大量的例题来辅助详细的推导过程，这有助于学生更好地理解相应章节的内容和贯穿前后的知识体系。例如第四章热力学第一定律的推导用了10个公式、10个图和4个示例及详细解答进行阐述。该书的另一大特色是所有章节都配有大量、生动、形象的图形去解释或说明相应的知识内容，全书有图片3000余张，这对于学生理解相应内容是非常有帮助的，这也能间接激发学生的学习兴趣，以及对所学知识的深入理解。

二、中外教材难度差异

（一）中国教材

我国的《工程热力学》教材按照从易到难的编排思路，理论知识深刻，对一些基本概念讲述得非常清楚，让人一目了然。该书例题、习题都给出了详细的解答，这让学生能够更加明白作者的解题思路。附录索引中给出了目录中没有的术语和概念，方便学生去查询。该书是第四版，根据学科的发展及当前的教學实际，修订时保持了之前版本简明、流畅和便于教学的优点，增删了部分内容，并对个别不足、不妥之处进行了补充和修改，使教材的科学性、教学适用性和先进性有了进一步的增强，教材的整体质量有了新的提高。该书作者具有足够的执教经验，这使得该书相对容易阅读。每一章节后面都附有习题，可以很好地引导读者深入思考，或者做进一步阅读和自学研究。从语言上来看，本教材简单易懂、表达准确，在注重通俗易懂的同时关注内在的逻辑性。从实例和图表的运用来看，该教材对实例和图表的运用灵活自如;从原理和计算公式来看，该教材给出了简洁明了的原理解释。该书由于面向多学科的研究者，所以在数学背景、化学背景等方面要求较低，有利于初学者的掌握。该书的数学公式简洁，公式中涉及的各种物理参数说明详细准确。

（二）外国教材

国外的教材非常丰富，系统性也很强，使用的方法或者观点非常新颖，也更加简洁易懂，所以国外的教材具有非常强的耐读性，更能激发读者的兴趣与求知欲。另外，国外的很多教材更多地倾向于实际应用，读者能够在其中找到很多书本理论应用于实际生活的范例，这就使得抽象的物理更加贴近实际，贴近读者。对于适用教材者需要具备的知识基础，以及教材所适合的专业方向都有比较明确的说明，所以国外教材一般在内容上都会为更深层次的知识做一定的铺垫。

国外教材为了培养学生的科学思维和创新能力，在每章结尾都会给出推荐的阅读资料和文献，鼓励学生自己动手查阅文献，进行探索式学习。同时，教材中有大量的习题，包含了超过3000道按内容分层次排列的练习题，以及一些开放式习题。这些习题大部分有着实际的工程应用背景，涉及与工程热力学相关的能源利用、经济和国家安全等多个学科和领域。同时，这些习题涵盖了概念辨析、文献综述、计算机求解、工程设计和论文撰写等多种形式，有利于培养学生解决实际问题的能力。从语言上来看，该教材简单易懂、表达准确，在注重通俗易懂的同时关注内在的逻辑性。从实例和图表的运用来看，对实例和图表的运用灵活自如;从原理和计算公式来看，本教材给出了简洁明了的原理解释。另外，由于该教材是面向多学科的研究者，所以在数学背景、化学背景方面要求较低，有利于初学者的掌握。

三、中外教学方法和教学大纲对比

（一）中国教学

与外国教学相比，我国的教学形式主要是靠教师讲，是个体到系统的过程，很少有教学侧重于个别方面，这就使得我国的工程热力学教学都很全面。由于国内的热力学课程讲解详细，内容要求比较多，以复习为主，综合而言，我国的教材更加适合于国内的教学模式与课程设置。国内教材的讲授方法虽然非常实用，但是比较传统，很少有新颖、独特的教材冲击学生的兴趣与求知欲。虽然国内教材不能做到像国外教材多样、详细、特点突出，但是可以多编写出版一些具有特色、偏重某方面的参考书籍，丰富学生的课后阅读。从教学方法来看，注意引导学生掌握科学的学习方法，真正达到从学会到会学;注重培养学生的独立思考能力和创造能力，较快进入科学发展的前沿，养成辩证唯物主义的世界观和方法论。

（二）外国教学

国外教材特别注重对学生能力的培养，特别强调以教学过程为载体，培养学生的综合素养和解决实际问题的能力。教材主编Yunus A. Cengel教授提出[3]了学习任何一门科学都要做到以下几步：第一步是学习最基本的理论，掌握基础知识;第二步是让学生通过各种测试来掌握基础知识，并在此基础上，鼓励学生与生活实践相结合，动手解决实际问题。由于该教材内容非常丰富，系统性很强，涉及面非常广泛，而不仅仅是偏重某些方面;所以，该教材个性很强，使用的方法或者观点非常新颖，也简洁易懂，具有非常强的耐读性，能激发读者的兴趣与求知欲。国外教材一般都比较适合自学，教材很厚，内容很详细，从而有助于学生自学。以昆士兰大学化工学院的教学大纲为例，48学时的课程历经12周，每周两次课，课前任课教师会将下周上课的PPT课件和知识要点下发给学生预习，准备几个知识点对应的问题。在每周的4个学时课程中，1个学时是主讲教师讲授，1个学时是助教对知识点讲解，另外2个学时是助教习题解答，基本是以问和答的形式自主学习。

結语

国外教材具有如下特点：一是采用大量且精美的插图来直观展示基本概念和基本过程，使所有学生都能很舒服地阅读教材;二是教材中所涉及的内容非常广泛，包含了大量的与热力学相关的内容，结合了大量的实际工程应用面临的问题，既有基础理论，也有实验数据，为学生配有内容丰富的学习光盘和教学网站，为教师配备手册和习题解析，代表了国际工程热力学领域的最高水准;三是关于能源与环境、气候变化、可再生能源开发与利用等非传统经典教学内容在教材中所占的比重越来越大;四是每次版本的更新都伴随着内容组织、习题、编排体系和教学工具的显著变化，表明编书的人能将科学研究与教学的最新进展及时反馈在教材中，彰显了教材直接与未来的工程师们以一种简单而精确的方式对话，遵循了让学生读起来感兴趣并有热情的编著宗旨。

可见，中外《工程热力学》教材各有各的特点与适用情况，这也表现在不同的教学方法和教学模式上。作为国内工程热力学的教育工作者，我们可以从外国著名高校教材中汲取值得借鉴的优点，不断修改、完善、丰富国内的教材，为培养更具创新能力的新世纪工程人才打下坚实的基础。