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篇(1)

關鍵詞：工程熱力學與傳熱學；安全工程專業；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0041-03

“工程熱力學與傳熱學”是一門與工程實際聯系緊密、應用性很強的熱科學基礎課，它源于礦業、石油、冶金、化工、機械、環境、航空航天等工程領域中的實際工程問題，也發展、應用于解決實際工程問題，在理工科本科生教育中占有重要地位，為理工科專業技術課的學習提供重要的理論基礎。近年來，隨著人類社會的進步和科學技術水平的提高，實際工程領域所面臨的熱科學問題更加復雜，這使得“工程熱力學與傳熱學”課程傳統的教學模式及授課內容已面臨社會發展和學科發展的嚴峻挑戰，存在較多問題和不足。[1]作為中國礦業大學（北京）（以下簡稱“我校”）“工程熱力學與傳熱學”課程的主講團隊，筆者結合近年來科研工作中關于熱力學與傳熱學的問題和多年對該課程的教學經驗，對該課程在安全工程專業本科教育中的課程改革和教學實踐進行了一些探索，并得到了一些粗淺的體會和認識。

一、安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革的必要性

1.該課程對安全工程專業本科教育的重要性

安全工程專業是一個涉及理、工、文、法、管等學科的綜合交叉工科專業，目前國內開辦安全工程專業的高等院校的類型很多，有礦業、石油、化工、軍工、土木、交通、環境、經濟等。“工程熱力學與傳熱學”是安全工程專業必修的一門專業基礎課程，在安全工程專業的培養計劃中有非常重要的地位。根據安全科學基本理論，事故是能量失去控制而意外釋放所造成的，而“工程熱力學與傳熱學”正是研究能量轉化與傳遞過程的基本規律，由此可見該課程對安全工程專業本科生培養的重要性，其教學水平直接影響安全工程專業本科生的培養質量。

2.目前該課程教學中存在的問題和難點

（1）教學學時少，但教學內容多，造成教與學矛盾。隨著21世紀國家人才培養戰略逐漸向拓寬專業口徑、培養復合型人才方向發展，安全工程專業本科教育的培養計劃和培養目標也不斷調整，更加重視大安全“通才”教育。為滿足安全工程專業培養計劃改革和課程體系設置需要，我國多數高校對“工程熱力學與傳熱學”課程學時都進行了縮減。比如我校，由起初64學時調整為48學時，雖然學時減少，但主體教學內容并未刪減，這導致教學進度不得不加快。然而熱力學和傳熱學理論性、專業性強，因為教學進程加快，使得學生不能深入透徹理解重要知識點，造成教學效果較差，引起教與學的矛盾。

（2）課程概念多、公式多、理論性強，降低了學生學習興趣。“工程熱力學與傳熱學”課程概念多、公式多、圖表多，盡管有些概念和公式在“大學物理”和“物理化學”課程中學習接觸過，但運用這些抽象概念和基本公式解釋、推導熱物理規律時，多數學生都會感覺到比較吃力，因為這要求學生具有扎實的數理基礎和較強的抽象思維能力。另外，該課程中一些概念比較抽象且比較相近，容易發生混淆，比如可逆過程與準靜態過程的聯系與區別，技術功、軸功、容積功區別，導熱系數、傳熱系數、導溫系數的聯系與區別等。同時，“工程熱力學與傳熱學”中繁多的公式的關聯性極強，推導過程復雜。上述理論性和專業性很強的概念、公式及其之間的復雜關系，大大地降低了學生學習的興趣和動力。

（3）教學內容及參考教材安全專業應用案例較少，學生專業實踐應用能力培養不足。隨著科學技術的快速發展，熱力學與傳熱學領域一些新的概念和理論不斷涌現，目前多數新出版的“工程熱力學與傳熱學”教材內容豐富，知識面力求新穎和廣博，只配有少量簡單應用案例。這對目前壓縮學時的安全工程專業本科教學來說不合適，不利于學生在有限學時內深入學習和掌握重要熱力學和傳熱學理論，而且不能使學生深入了解熱力學和傳熱學理論在安全專業的應用，從而造成專業實踐應用能力培養不足。因此，針對安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學，應有所側重，補充該專業應用案例，強化學生學習興趣和動力。

3.該課程教學內容和教學方法優化的必要性

隨著經濟的快速發展和社會的不斷進步，人們對安全的要求越來越高，近幾年來安全學科發展迅猛，“安全科學與工程”已成為工學門類下第37個一級學科，安全學科涉及面越來越廣，已深入到礦業、石油、冶金、化工、環境、土木、交通等多個工程領域。“工程熱力學與傳熱學”作為安全工程專業重要專業基礎課，面臨社會科技發展和安全科學發展的新形勢，特別是教學學時壓縮情況下，其傳統的教學模式、授課內容、教學效果已充滿挑戰，存在較多問題和不足，其教學情況，在一定程度上影響安全專業人才在實際工程中解決相應問題的能力。因此，在有限學時內，對該課程教學內容和教學方法進行改進和優化是非常必要的。通過教學改革，提高該課程教學水平，才能使其充分發揮對安全專業技術課學習應起到的橋梁和鋪墊作用，從而在一定程度上提高安全工程專業本科生的培養質量。[2]

二、安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革思路及實施

1.該課程教學內容調整和優化

（1）根據安全專業方向和學時分配，強化和弱化部分教學內容。為滿足安全工程專業培養計劃改革和課程體系設置需要，我校對“工程熱力學與傳熱學”課程學時由起初64學時縮減為48學時。為在有限學時內完成教學計劃和提高教學質量，筆者選用的參考教材為張學學教授主編的《熱工基礎》，該書基本內容由工程熱力學和傳熱學兩部分組成。[3]該書側重于熱力學和傳熱學基礎，有助于學生對基本理論知識和方法的理解和掌握，但對于安全工程專業基礎教育來說，其部分章節教學內容不重要，比如工程熱力學篇的第六章內燃機和燃氣輪機動力循環裝置和第七章制冷裝置循環等內容，因此在教學過程中對上述內容可以弱化。該書第五章中作為了解內容的濕空氣性質及其熱力學過程，是通風安全理論的基礎，對安全工程專業來說就特別重要，因此在教學中對該部分內容應強化。總的來說，對該課程的教學應因材施教，根據安全工程專業方向和教學計劃分配，靈活調整和優化教學內容和重點，使得學生能深入透徹理解重要知識點，避免引起教與學的矛盾。

（2）擴充傳熱學數值計算知識及應用算例，增強學生對基本公式及理論知識應用方面的理解，激發學生學習興趣和動力。“工程熱力學與傳熱學”課程概念多、公式多、圖表多，通過實驗教學可以加深學生對熱力學與傳熱學理論知識的理解和掌握，但受于學時和實驗條件限制，目前該課程實驗教學課時還比較少。近年來隨著計算機技術和數值計算方法的快速發展，數值計算（或稱數值實驗）為熱力學和傳熱學研究開辟了一個新途徑。目前“工程熱力學與傳熱學”課程教學中，只在導熱部分對數值計算基礎進行了簡要介紹，為了使學生能較系統地了解和掌握數值計算在傳熱學的應用，也需要對流換熱部分的數值解算進行補充。考慮到本科生對數值計算涉及的數學推導和偏微分方程求解等知識的理解和掌握比較吃力，在課程教學中對MATLAB軟件在傳熱學數值計算中應用進行介紹，并引入相關傳熱問題解算案例進行講解。MATLAB是一套綜合性的高性能數值計算和可視化軟件，借助MATLAB軟件不僅能使學生較快掌握傳熱學數值計算的應用，同時借助其強大的計算和繪圖功能，也可以使學生對熱力學和傳熱學中的許多公式和熱物理規律推導進行圖像化展示，這有助于學生對熱力學和傳熱學基本理論知識的理解和掌握。[4]

（3）建立安全專業應用案例庫，細化到具體章節教學內容中。“工程熱力學與傳熱學”與工程實際聯系緊密，應用性很強，它源于工程實際，并應用于解決實際工程問題。因此，若要提高“工程熱力學與傳熱學”課程教學質量，在課程教學過程中應將實際工程案例作為教學素材，引導學生對特定的教學案例問題進行分析，并借助熱力學和傳熱基本理論提出解決方案。針對安全工程專業說，工作中會遇到各種各樣的危險情景，引入專業案例教學非常重要，比如應該補充講授熱力學能量傳遞、煙氣對流和輻射復合傳熱方面的案例、熱力學與傳熱學在事故演變分析中的應用案例。通過案例教學不僅可以使學生對熱力學和傳熱學知識有深刻的理解和掌握，也有利于拓展學生的思維模式，激發學生的創新意識，更重要的是培養學生的專業應用和實踐能力，對工作中危險情景問題應該怎樣借助熱力學和傳熱學理論來分析和解決會有較好的把握。因此，筆者近幾年來特別重視對安全專業應用案例庫的建設，對各個案例根據教學內容進行分類，基本貫穿于各個章節的教學中。

2.該課程教學方法改進和優化

近幾年來隨著國家對人才培養戰略的調整以及工科類專業培養目標的改革，為了保證和進一步提升“工程熱力學和傳熱學”課程教學質量，筆者對該課程教學方法進行了一些探索和改進。

（1）以科研與工作實踐促進教學。大學教學不同于中學教學，大學是培養人才和創造知識的重要平臺，在大學教學過程中要講授傳播高深前沿的專業技術知識。只有通過科研歷練和工作實踐，大學教師才可以逐步提高專業素養和綜合素質，才能緊跟進而較好地把握本專業科技前沿。“工程熱力學和傳熱學”課程作為工科類重要專業基礎課，該課程任課教師更應立足于科技前沿，通過科研工作不斷提高自身業務素質，并將科研成果轉變為專業理論知識滲透到教學過程中，這樣才能克服教材內容滯后于最新專業科技知識的不足，保證教學質量，同時通過“工程熱力學和傳熱學”課程教學也能拓寬學生的科研視野和提升學生專業知識水平。為此，筆者在教學過程中穿插介紹了課題組在采空區自然發火、礦井降溫等領域與熱力學和傳熱學有關的研究成果。

（2）設立課程助教和網絡討論課堂，增強課程教學答疑和交流。為了及時解答學生學習過程中遇到的問題，在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中筆者安排了助教，助教一般由青年教師或高年級研究生擔任，主要負責課程作業批改和答疑，并不定時開展相關專題討論班，加強學生對重要章節的學習和理解。另外，在課外，筆者還充分利用網絡資源，建立了網絡討論課堂（QQ群）。針對課程學習疑難問題、課程建設及改進建議等問題學生都可以在課程討論群中提出，助教或任課教師基本每天都會登陸討論群回答學生提出的問題。通過設立助教和建立網絡討論渠道，較大程度上增進了課堂教學以外老師和學生的交流，提升了該課程的學習質量。

（3）借助現代多媒體教育技術豐富教學手段。近年來，隨著計算機科技和互聯網技術的快速發展，多媒體技術成為教育教學過程中一個非常重要和便利的工具。“工程熱力學和傳熱學”課程涉及的公式和圖表非常多，采用多媒體技術可以顯著節省教師對一些公式和圖表的板書時間，不僅能提高教學效率，并且采用圖文并茂的PPT可以形象具體地展示教學內容，利于學生理解。然而，對于比較重要的教學內容，比如導熱微分方程、對流換熱方程等數學描述的推導，筆者仍采用傳統板書方式，詳細分析和講解重要定律和公式的提出和推導過程。另外，要充分利用多媒體技術的多種媒介形式，包括多種形態的文字、圖片、動畫、錄像等。[5]目前筆者已經制作和收集了一些圖片和視屏（熱電偶等測溫器件、肋片、換熱器傳熱過程Flash、煤自燃實驗錄像等），在課堂教學實踐中取得了較好的效果，大大激發了學生的學習興趣和熱情，也加深了學生對傳熱學在科技生產領域中應用的認識。

（4）改革和優化考核方式。“工程熱力學和傳熱學”課程涉及的公式和準則特別多，有些公式較難記憶和推導，因此任課教師在閉卷考試命題時不得不壓縮范圍，這導致一些同學在考試復習時會忽略一些教學內容。為了使學生能對熱力學和傳熱學基本理論知識有一個整體的把握和思考，特別是對該課程基本理論的應用有較深刻的認識和理解，筆者采用多元化考核方式。多元化成績評定包括三部分：第一，課后習題作業、出勤、課堂表現、課下網絡討論表現情況；第二，專題大作業完成情況，專題大作業主要是基于熱力學和傳熱學基本理論開展相關產品設計或數值模擬等；第三，閉卷考試成績。采取這種多元化考核方式，不僅能促進學生對熱力學和傳熱學理論知識的深入學習和掌握，也能提高學生的學習能動性，提升實踐應用能力，有助于培養高素質人才。

3.學生實踐應用能力培養引導

為了進一步提高學生的實踐應用能力和培養學生的創新意識，筆者在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中通過多種形式對學生進行引導或提供多種實踐渠道進行學習。

（1）設置熱力學和傳熱學專題大作業。在教學過程中，筆者精心選取了多個與熱力學和傳熱學密切相關的專業問題，讓學生分組協作，首先對這些問題進行調研，然后開展實驗設計和數值模擬分析，并寫出相應的總結報告。最后，利用討論課時間，組織各組以PPT形式進行匯報，通過提問和討論意見進一步完善作業成果。專題大作業的成果作為期末考試總成績評定的一部分。在課堂教學過程中增加學生參與的比重，使學生成為課程學習的主體，能為培養學生的實踐創新能力創造有利條件。[6]

（2）利用大學生創新計劃項目。目前，我校積極響應國家、北京市有關開展大學生創新訓練的政策和工作安排，每年都組織設立大學生創新訓練計劃項目近300項，這為我校大學生參與科研工作、開展創新活動提供了重要的平臺和良好的條件。我校“工程熱力學和傳熱學”課程剛好在大學生創新訓練項目立項這學期開課，在教學過程中，筆者鼓勵學生應用熱力學和傳熱學基本理論進行選題，并在開展研究工作過程中給予方法和技術指導。

（3）利用校外實踐基地現場實習交流。為了提高學生的實際工作能力和教學質量，培養高素質復合型人才，以盡快適應社會發展的人才需求，和加強本科實踐環節的教學，我校資源與安全工程學院積極開展校企合作實踐教學，目前已建立了39個校外實習和實踐教學基地。在“工程熱力學和傳熱學”課程教學過程中，筆者穿插介紹了安全工程專業相關應用案例，同時，也經常給學生灌輸實踐學習的思想，鼓勵學生好好利用實踐基地這個很好的學習平臺，到實踐基地去實習或社會實踐時現場觀察、學習熱力學和傳熱學的應用實例。通過現場學習能較大程度上拓展學生實踐應用思維和激發學生創新意識。

三、結語

“工程熱力學與傳熱學”課程在理工科本科生教育中占有重要地位，它源于工程實際問題，也發展、應用于解決實際工程問題。為能使熱力學和傳熱學知識適應社會發展需要和滿足現代社會對信息型、復合型人才的需求，“工程熱力學與傳熱學”教學內容和教學方法需不斷改進和優化。

本文以安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”教學為例，針對該課程教學內容、教學特點和目前教學中存在的典型問題和不足，提出了該課程教學改革和優化的思路和具體改進實施方案。該課程教學改革在安全工程專業教學中實踐結果表明，新的人才培養目標和培養模式下“工程熱力學與傳熱學”課程教學質量有較大改觀，學生理論知識學習情況、分析解決問題能力、實踐應用能力都得到較大提升。筆者對該課程在安全工程專業本科教育中的課程改革和教學實踐，希望能為國內其他高校理工科“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革提供思路借鑒。

參考文獻：

[1]于靖博，董麗娜，趙蘭英.《工程熱力學與傳熱學》課程教學改革與實踐[J].廣州化工，2013，41（11）：259-260.

[2]林日億，梁金國，黃善波，等.安全工程專業“工程熱力學與傳熱學”課程教學改革[J].中國電力教育，2010，（167）：93-95.

[3]張學學，李桂馥，史琳.熱工基礎[M].第二版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]丁鵬.MATLAB在高校“傳熱學”教學中的應用與實踐[J].中國電力教育，2011，（196）：149-150.

篇(2)

關鍵詞：數學物理；工程熱力學；教學

作者簡介：高蓬輝（1979-），男，山西興縣人，中國礦業大學力學與建筑工程學院，副教授；張東海（1977-），男，江蘇徐州人，中國礦業大學力學與建筑工程學院，副教授。（江蘇 徐州 221116）

基金項目：本文系中國礦業大學青年教師教學改革資助項目（項目編號：2001207）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0087-02

“工程熱力學”為能源工程、機械工程、化學工程、材料工程以及航空航天工程等多門學科的發展奠定了基礎，熱工理論的研究與應用直接決定能源轉化效率、節能技術及環境保護實施的成效，對于人類社會的可持續發展具有重大意義。因此，作為高校工科專業的重要基礎課，加強“工程熱力學”的教學效果就尤為重要。我國近兩百所高校開設建筑環境與能源應用工程專業，全部將“工程熱力學”課程設置為主干專業基礎課之一。“工程熱力學”課程不僅是后續專業課程學習的理論基礎，同時直接為學生今后的科研和工作實踐提供理論指導，具有重要的學習意義和實際應用價值。[1]

筆者根據自身在“工程熱力學”課程教學過程中的切身體會和經驗，指出應注重將基礎數學、物理理論知識融會于“工程熱力學”課程講授過程中，促進學生對熱力學中抽象概念和過程的深入理解，達到提高和改善教學效果的重要作用和目的。

一、基礎數學物理知識在熱力學理論中的體現

熱力學的先修課程主要有高等數學和普通物理等課程，在教學中發現許多學生高等數學知識薄弱，需要在課堂教學中講解大量的高等數學知識，才能使課堂教學質量得到保證，然而卻浪費了“工程熱力學”課程自身的教學時數，因此探索基礎數學、物理知識體系與熱力學之間合理的聯系以及有機過渡的教學方法成為熱力學教學中必須重視的問題之一。

熱力學作為一門非常系統且抽象的學科，其科學性、嚴謹性主要是通過各個章節中貫穿其中的數學體系來構建而成的。如何科學、深入理解這些繁雜這些概念和數學結論，成為課堂教學活動中非常關鍵的一環。以下我們將例舉熱力學中非常重要的一些基于數理知識的基本概念和理論推導過程。

1.狀態參數

在熱力學的教學過程中，我們把系統中瞬間表現的工質熱力性質的總狀況，稱為工質的熱力狀態，簡稱為狀態。[2]熱力狀態反映了工質大量分子熱運動的平均特性，描述工質狀態特性的各種物理量稱為工質的狀態參數。而狀態參數是熱力系統狀態的單值函數，與熱力過程無關，狀態參數的這一特性的數學特征為點函數，表示為：

（1）

循環積分為：

（2）

在教學活動中，應將微分的理念融入到狀態參數概念的講解中，并通過全微分將熱力系統狀態參數為點函數的特性進一步闡述，使學生深入理解熱力狀態參數的特殊性。

2.微變量dh與變化量h的區別

在熱力學第一定律的學習過程中，對于焓有兩個非常相似的公式：

（3）

（4）

上式（3）和（4），從外形來看，非常相似，且學生在學習過程中，也容易忽視其細微差別。從數學角度來看，在教學過程中應對其進行區分。式（3）為焓的微分計算表達式，dh為焓的微變量值；式（4）為焓的改變量計算表達式，h為焓的變化量，即式（4）是通過對式（3）進行積分后得到的。這些細微概念上的差別，帶來完全不同的熱力學分析。通過上述的詳細講解和區別，可以加深學生對熱力學中相關公式和計算過程的理解。

3.卡諾循環與極限的概念

卡諾循環解決了在一定的高溫熱源T1和低溫熱源T2間，熱功轉換最大效率的問題。由于卡諾循環是典型的可逆循環，在整個熱力轉換過程中，沒有熵產，即沒有不可逆因素所引起的做功能力的損失，因此，該循環熱效率ηtc=1-T2/T1成為兩熱源T1、T2之間工作熱機的最大循環熱效率。

在課堂講解中，聯系實際工業生產和生活中的熱力機械，指出實際熱力機械的熱功轉換效率都低于卡諾循環熱效率ηtc，原因在于卡諾循環作為可逆循環，是一理想熱力循環，其熱效率為實際生產、生活中熱力循環效率的極限。[3]因此，實際生產和生活中的熱力循環效率只能小于卡諾循環的熱效率，不可能大于卡諾循環的熱效率。這樣從數學極限的角度也解釋了為什么卡諾循環效率是一定高、低溫熱源間工作熱機的最大效率的問題，使學生更加容易理解卡諾循環這節的相關概念和理論。

4.音速

研究流體在管道內流動時，我們提出了音速α，并且對定熵流動中音速用下面的公式進行計算：

（5）

在得到音速與溫度之間的函數關系時，指出理想氣體定熵過程方程式：

（6）

對式（6）進行變形，得到 （7）

在將式（7）代入式（5）時，遇到與是否等效的問題，從形式看，一為偏微分關系，另一為全微分關系。但從變量與因變量的角度來看，同樣反映出變量與因變量間的函數變化關系，在課堂教學過程中，需要對這一細微差別進行講解，以促進學生對物理過程以及數學關系的理解，不可一帶而過，從而造成學生概念以及數學關系理解上的斷層和缺失。

二、構筑基礎數理知識與“工程熱力學”課程有機結合的教學方法

“工程熱力學”課程的一個重要特點是基本理論多，基本概念抽象。為此，在課堂教學中針對基本理論部分，把講解重點放在基本理論和基本概念的深入理解上，如狀態參數、可逆過程、熱功轉換、熱力學第一、二定律、卡諾循環、卡諾定律、熵等，這些一定要詳細講解、分析透徹。特別是熱力學第二定律的課堂教學中，因為該部分內容概念抽象、原理費解，又不能用實驗來演示，所以學生學習非常困難，但熱力學第二定律作為“工程熱力學”課程的核心內容之一，非常重要。凡此種種，筆者作為“工程熱力學”課程的講授教師，在教學活動中，認為通過將基礎數理知識與“工程熱力學”課程有機結合的教學方法，可以提高和改善課堂教學效果，促進學生對“工程熱力學”課程內容的掌握和理解。教學活動中可以采取以下的方法，以實現將基礎數理知識與“工程熱力學”課程結合的教學：

1.課程準備階段

在“工程熱力學”課程的備課階段，先將本章節內容難以理解的概念、定理以及公式推導過程摘出來，同時考慮這些部分與哪些基礎數學、物理知識相關，并將這部分數理知識作為課堂講授內容的鋪墊部分準備到“工程熱力學”課程的課堂教學活動中，即將這部分基礎數理知識寫入課堂講義、PPT教學幻燈片中。

2.課堂講授階段

在“工程熱力學”課程的課堂講授過程中，將熱力學基本概念、原理和公式的推導與基礎數理知識結合起來，在講授過程中，實現熱力學本身內容與基礎數學、物理知識的互動講解，從而達到改善教學效果、使學生易于理解和掌握的教學目的，實現學生對復雜、難懂內容的系統把握和理解。

3.課后反饋階段

課后可以與學生圍繞課程教學內容進行溝通，對課堂教學不足之處進行查漏補缺，一方面可以掌握學生的掌握情況，另一方面可以對教學方法不斷改進，起到再次升華的作用。

三、結論

“工程熱力學”作為能源、機械和化工等眾多學科領域方面的一門基礎專業課，其重要性不言而喻。如何改進已有的教學方法，改善和提高現有的課堂教學效果，成為各高校“工程熱力學”課程教師所共同關注的關鍵問題之一。本文從筆者自身的教學體會出發，根據“工程熱力學”課程內容的特點，提出將基礎數理知識融入到“工程熱力學”的教學活動中，并給出了實現將基礎數理知識與“工程熱力學”課程結合的教學方法和途徑，為“工程熱力學”課程的講授提供了新的思路和方法，對其他課程的教學改革也有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]歐陽琴，寇廣孝.建筑環境與設備工程專業“工程熱力學”課程改革探索[J].教育教學研究，2011，（12）：191-192.

篇(3)

關鍵詞 工程熱力學與傳熱學；輪機工程專業；網絡課程

中圖分類號：TK122 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X（2012）33-0095-02

工程熱力學與傳熱學課程主要包括工程熱力學和傳熱學兩部分內容，主要向學生介紹熱功相互轉換規律及熱傳遞規律的基本概念、基本原理以及在熱能工程問題上的應用，是輪機工程專業的基礎課程，也是后續專業課程學習的基礎平臺。一般說來，工程熱力學和傳熱學是能源動力類的主要專業基礎課，兩門課程單獨開設，教學課時較多。而整合成工程熱力學與傳熱學課程之后，兩部分內容仍是以獨立的篇幅出現，學時卻大大縮減。

對于輪機工程專業的學生來說，長期以來因概念抽象、難點多、計算關聯式多，且學生缺乏相應的工程概念和工程背景，而使這門課程一直被認為既難教也難學，學過之后又很難將學到的理論知識和相關的工程實際結合起來，初次接觸該課的學生往往較難入門，對該課程的學習產生畏懼心理。針對如何使該課程化繁為簡，化難為易，化抽象為具體，本文結合輪機工程專業工程熱力學與傳熱學課程的教學實踐進行初步探討。

1 根據專業特點調整課程教學體系，提倡教學內容彈性化

由于輪機工程專業開設的專業課程較多，因此將工程熱力學和傳熱學兩門課的課時數適當刪減，合并為一門68學時的工程熱力學與傳熱學。但是由于教學內容并未減少，這就造成課程進度快，章節小結和習題課的課時壓縮量大，處理不好反而使學生產生畏難心理，感覺本課程很難學。

針對這一問題，在實際的授課過程中提倡教學內容彈性化，該措施可以給學生創造自由發展的更大空間，提高學生掌握知識和解決工程實際問題的能力。教師要靈活駕馭教材，科學設計教學內容，在學生認知規律的基礎上，刪去或從略處理學生通過自學就可以了解的內容，盡量突出最主要、最本質的教學內容。該門課中含有大量的數學推導內容，教師在講解時可以刪去，或者僅在課堂上點一下，詳細的推導或其他細節則留給學生課后自學[1-2]。教學內容彈性化一定程度上可能會給學生增加課外的壓力，但是對培養學生獨立工作的能力大有好處。

在教學實踐中發現，輪機專業的學生由于尚未接觸專業知識，因此對船上的有關機械等內容充滿好奇。為調動學生學習的積極性，為以后的專業學習做鋪墊，盡可能地在每章節的講解中聯系船舶工程實例。比如在講到氣體和蒸汽流動時，可以將噴管和擴壓管在柴油機渦輪增壓系統中的實際應用作為例子，將原本抽象的概念具體化。通過加強工程熱力學與傳熱學及后續專業課的聯系，來激發學生的學習熱情，從而增強教學效果。另外，時代的發展使得教材內容有所滯后，所以在教學中需要補充豐富的具有時代氣息的學習材料來激發學生學習的積極性，尤其是跟輪機工程專業有聯系的工程應用實例[3]。將許多來源于大量熱工技術的知識融于教材，使學生能用工程熱力學與傳熱學的知識分析和專業相關的實際問題。突出這些知識在輪機工程專業中的應用，有助于培養學生理解和分析問題、解決問題的能力。

2 采用啟發式教學、師生互動，營造寬松愉悅的學習環境

結合以往的教學經驗，針對以往學生反映的工程熱力學與傳熱學知識抽象和難理解的情況，教師在講解各章節時，應盡量聯系生活和工程中遇到的熱力現象，合理設置問題情景，啟發學生積極思維，使抽象的理論具體化，可以大大增強教學效果[4]。

在講授章節新內容時，教師可以先通過日常生活或工程實際中的典型事例引出，學生會覺得這些事例就在自己身邊或非常實用，這樣就能一下子抓住他們的注意力。比如在講解肋片的穩態導熱這一章節內容時，首先以一杯熱騰騰的咖啡圖片吸引學生注意，然后拋出問題：“同學們在喝咖啡時要接觸杯子的哪部分把咖啡端起？杯身還是杯把手？為什么？”經過一系列的問答，通常可以調動學生的熱情，學生感到熱工學就在自己身邊，工程熱力學與傳熱學理論并不是深不可測的，一定程度上消除畏難心理。但是值得注意的是，在設計問題時教師要注意問題的難易程度，問題太難或過于簡單，都會使學生失去學習的興趣。

授課后注意提出有一定深度的問題讓學生思考。比如在講解完肋片穩態導熱這一部分內容后，可以設置“如何提高熱電偶測溫的精度？套管材料用銅還是鋼”以及“從傳熱學角度解釋為什么耳朵大的人冬天更容易生凍瘡”這兩個問題，讓學生利用本節課剛學過的知識內容進行分析，不僅可以鞏固課堂上所學知識，還可激發學生的思維能力，同時可以作為本堂課的教學反饋環節，了解學生知識掌握的程度如何。

3 傳統教學與圖像、文字、動畫并茂的多媒體技術結合，增強教學效果

現代信息技術的發展為改進和豐富教學手段提供了有力的保證。但在多年的工程熱力學與傳熱學教學中，多媒體教學也暴露出諸多不足之處。目前，課程組主要采取傳統教學手段和多媒體教學相結合的方式，充分發揮二者的優勢，將課堂教學提高到新的層次上，促進學生學習的積極性，從而增強課堂教學效果。

在課堂講授中，通常將純理論推導的部分以傳統講授（板書）方式為主，使公式推導條理化，通過教師邊板書邊講解的過程，學生掌握較容易，在記筆記的同時加深印象[5-6]。同時，本著將知識以易于接受的最佳方式傳授給學生的原則，輔以多媒體課件，多媒體以生動、活潑的語言將抽象的東西具體化，通過引進國內工程熱力學和傳熱學國家精品課程的課件、教學錄像以及動畫等素材，把抽象的概念和熱力裝置的工作原理、熱力過程形象、生動、直觀地呈現出來，并將鮮活的科研和工程實例引入課堂，將文字、圖形、圖像、視頻、動畫等多種媒體信息在不同的界面上進行有機的整合，來豐富完善現有的多媒體教學課件，使抽象的教學內容變得直觀、形象和生動，一方面降低授課難度，另一方面增加知識的信息量，可以激發學生的學習興趣。

4 利用網絡技術手段，建立互動式網絡課堂，引導學生自主學習

在教學實踐過程中，課題組建立工程熱力學與傳熱學課程網站，實現教學資料的上網。網絡課堂改變了傳統的教師單一授課的教學方式，實現了以學生為主體的現代教學模式。網絡課堂的開設，使得學生可以不受時間、地點的限制，按照學生自身的條件安排課程的學習，也可以根據個人的掌握情況選擇自己的學習內容，直到掌握為主。同時充分利用校園網絡優勢，開發網上答疑系統，實現全天候答疑，方便教師和學生隨時互動地教與學。使學生通過視、聽手段增加學習興趣，及時地了解自己的知識欠缺部分，并且可以按要求不斷調整學習，極大地提高學習效率。同時不定期地公布最新教學動態，更新網絡課程，反映最新學術動態。

在網絡課堂模塊中增設思維導圖模塊。由于這門課程概念太多，學生較難了解課程的整體框架，理不清各章之間、各節之間以及章節內部知識點的關系。因此，將思維導圖引入工程熱力學與傳熱學教學中，思維導圖加強了教學的條理性、邏輯性。思維導圖將整門課的條理脈絡給學生列出來，讓學生在學習之前就對這門課有一個整體的把握。比如從工程熱力學的幾個定義拓展開來，讓學生認識整個工程熱力學研究的內容。另外，要在條理性的基礎上進一步強調各個項目的邏輯關聯，促使學生從整體上把握知識，避免平鋪直敘，使學習效果達到知識點由點及線到面的程度。

另外增設網絡測驗模塊，評價形式不僅包括客觀題和問題簡答型的主觀題，同時增加基于案例的題目，考查學生分析和解決實際問題的能力。網絡測驗鞏固了課堂知識，增強了學生的綜合分析能力，使課堂講授達到比較好的教學效果。

5 結論

工程熱力學與傳熱學是一門應用性極強的專業基礎課程，與各工程領域、各專業關系密切，通過上述教學實踐活動探討，使教學過程趨于完善，一定程度上提高了教學質量，使學生奠定了堅實的理論基礎。同時，工程熱力學與傳熱學課的講授中也將傳統教學與多媒體技術相結合，形象化地闡釋理論和描述熱力設備的工作過程，豐富了教學內容。另外提供網絡課程、網絡討論、網絡測驗等，不定期地公布最新教學動態，安排網上輔導答疑，方便教師和學生隨時互動地教與學。

參考文獻

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篇(4)

關鍵詞：工程熱力學;雙語教學;課程體系

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0069-02

隨著我國本科教學水平的不斷提高和國際化交流與合作的廣泛開展，就業市場對本科畢業生的知識結構和外語應用能力有了新的要求，專業外語應用能力成為21世紀國際化專業人才的必備專業素養，直接影響本科畢業生的就業趨向和未來發展。[1-4]我國教育部對本科生的雙語課程教學十分重視，2001年教育部在《關于加強高等學校本科教學工作，提高教學質量的若干意見》中提出，要采用英語等外語進行公共課和專業課教學，要求各高校在三年內開設5%～10%的本科雙語課程。[5]2005年，教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中又指出：要提高雙語教學課程的質量，繼續增加雙語教學課程的數量。2007年，教育部在《關于進一步深化本科教學改革，全面提高教學質量的若干意見》中指出，要鼓勵開展雙語教學工作。教育部2004年8月開始試行的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》中，雙語教學被列為主要評估點之一。雙語教學的水平已經成為衡量高等學校辦學水平的一項重要指標。我國高校在本科生課程雙語教學的實踐過程中，近年來取得了實質性的進展，也突顯了課程體系構建不合理、重點內容設置不當、教材建設相對滯后、雙語教學師資不足、雙語學習氛圍較差、課程考核評價方法有待改革等問題。為了使“工程熱力學”在校級精品課程的基礎上進行雙語教學，需要對“工程熱力學”雙語教學的課程體系進行合理構建和重點內容進行設置，以期把該課程建設成為高質量的雙語教學課程，為提高本科畢業生的整體質量和英語應用能力奠定良好的基礎，以適應國家化人才市場的需要。

一、“工程熱力學”雙語教學的課程體系構建與實施

“工程熱力學”作為能源、環境、機械、化工等大類工科專業的專業基礎課，兼有理論性、實踐性和工程性，它起到承上啟下、從基礎課程到專業課程的橋梁作用，是本科生專業課程體系中不可或缺的骨干專業基礎課，在上述專業本科生的培養過程中具有重要的核心地位。“工程熱力學”課程內容具有概念多、基本理論抽象、富含哲學思維和理念、工程應用領域廣泛等特點，要實現該課程的高質量雙語教學就要對該課程體系進行合理構建，為保證教學效果奠定良好的基礎。該課程經過多年的建設、教學改革和教學經驗的積累，已成為校級精品課程，在教師團隊建設、師資英語水平、多媒體課件及相關網絡資源、課堂教學方法及課程評價方法等方面均具有良好的條件，為“工程熱力學”雙語教學課程體系的合理構建做了較為充分的準備。“工程熱力學”課程教學團隊認真研究了國內高校開設雙語課程的案例，確定了“工程熱力學”雙語教學課程體系主要由教學模式、教學團隊、教學內容（如課程大綱、授課計劃）、多媒體課件、課堂教學實施、多層次啟發式教學方法、網絡資源、課程成績評價方法等內容組成，認為教學模式、教學團隊和教學團隊是保證“工程熱力學”雙語教學質量的關鍵因素。

雙語教學模式對課程體系的構建起到關鍵性影響，首先要確定雙語教學模式。近年來我國高校開展的雙語教學模式主要可概括為全外語型、混合型和部分外語型三種。

（1）全外語型。采用外文教材，直接用外文授課。這種模式要求師生均應具有較高的外語水平。

（2）混合型。采用外文教材，混合外文與漢語授課。與全外語型相比，學生較易掌握課程內容，適合學生接觸雙語教學的初級階段，也適合多數任課教師的外語水平。

（3）部分外語型。采用外文教材，用漢語講授。這種模式適合外語知識和接受能力較弱的生源。結合“工程熱力學”課程多年的教學實踐，結合現有的師資英語水平和學生的實際英語水平，建議對“工程熱力學”采用混合型雙語教學模式。

教學團隊是實施“工程熱力學”課程體系的人力資源保證，教學團隊的建設是關鍵。經過多年的建設，“工程熱力學”課程已形成了年齡結構、學歷層次、學緣結構等較為合理的教學團隊。老教師具有豐富的教學經驗，青年教師具有較高的英語應用水平，為“工程熱力學”雙語教學的實施提供了良好的師資力量。

教學內容是一門課程知識面寬窄、程度深淺、系統性完善度的體現，也是體現課程整體質量的重要組成部分。“工程熱力學”在建成校級精品課程的過程中，在教學大綱、教學計劃、課程的重點和難點、多媒體課件制作和網絡資源建設等方面積累了豐富的素材與資源，為“工程熱力學”雙語教學的教學內容規劃與設置奠定了扎實的基礎。

在上述條件下，“工程熱力學”課程教學團隊經過認真調查研究，并結合現有的師資條件、課程教學資源、學生的實際英語水平構建了“工程熱力學”雙語教學的“三段一改”課程教學方法，“三段”即課前階段、課堂教學階段、課后檢驗階段;“一改”即改革課程考核和評價方法。現就“三段一改”課程教學方法的實施構想簡要介紹如下：

（1）課前階段。課前階段所做的工作重點是確定雙語教學模式、選定中文教材和外文教材、編制中英文教學大綱和授課計劃、確定課程的主要知識點和重點與難點內容、制作多媒體課件、建立習題與思考題庫，并將教學大綱、授課計劃、多媒體課件和習題與思考題庫在學校的畢博網絡平臺開放，供學生結合各自的時間、興趣和特點進行課前預習與課后復習。教師在課堂講授前預習要求，以保證學生的預習效果。

（2）課堂教學階段。課堂教學階段是將課程內容傳授給學生。授課語言采用中文和英文，英文講授不低于50%。教學方法采用啟發式、討論式、課堂提問等方式激發學生的學習興趣。多媒體課件分別有中文和英文版本，課程的重點內容有中英文對照。課堂教學針對不同英語水平的學生分為三個不同層次，即最高層次、平均層次和低層次。最高層次要求學生以英文教材和英文多媒體課件為主，作業用英文完成;平均層次要求學生以中文教材和英文多媒體課件為主，英文教材為輔，對課程的主要內容能用英文和中文同時掌握，作業以中文為主;低層次要求學生以中文教材和中文多媒體為主，英文教材和英文多媒體為輔，對課程的重點內容能用英文理解和掌握，作業可全部用中文完成。課堂教學的目標是以平均層次為主要教學對象，逐步積累經驗后過渡到以高層次為主。

（3）課后檢驗階段。課后檢驗階段主要包括課程作業批改、網上答疑和討論、課程實驗等環節，不僅可以檢驗課堂教學效果，鞏固課堂講授的知識，還可以檢驗學生對知識點的掌握情況，積極征求學生對本課程教學的意見，及時發現教學過程中出現的問題，改進教學方法，提高教學質量。

（4）改革課程考核和評價方法。雙語教學的課程考核和評價方法應考慮到雙語教學的特點，把英語的應用能力作為課程成績的重要組成部分，把學生的英語作業、課堂英語提問和交流納入課程平時成績，并加大平時成績的權重，以引起學生對英語應用能力的重視，激發用英語思考和學習的主動性，保證雙語教學質量。

因此，合理構建雙語教學的課程體系，由任課教師在課堂教學中分層次加以有效實施，并提高學生的自主性和積極性，可確保雙語教學取得較好的教學效果。

二、“工程熱力學”雙語教學重點內容的設置與教學要求

“工程熱力學”雙語教學重點內容的合理設置是保證“工程熱力學”雙語教學質量的重要組成部分，重點內容的設置應該基本與中文教學的內容相同，同時應吸納經典英文教材中的新概念和工程應用，與國際先進水平接軌，滿足人才市場的國際化要求。“工程熱力學”的內容可分為基本概念和理論、工程應用、常用圖表三大部分。結合該課程教學團隊多年教學經驗的積累，建議將如下內容作為“工程熱力學”雙語教學的重點內容：

在基本概念和理論方面，主要包括：熱力系如閉口系、開口系、絕熱系、孤立系;狀態參數如壓力、溫度、比容、內能、焓、熵、火用;熱力過程如可逆過程、準靜態過程、不可逆過程;熱力循環如正循環、逆循環;不可逆因素如溫差傳熱、摩擦耗功、自由膨脹;熱力學基本定律如熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學第三定律;不同形式的實際氣體方程;熱效率、制冷系數、火用的概念、常見形式能量的火用、火用效率、火用損失、生成焓、理論燃燒溫度、平衡常數、相對濕度、含濕量、干球溫度、濕球溫度、露點溫度、馬赫數;卡諾定理、孤立系統熵增原理、克勞修斯不等式;卡諾循環熱效率，一般熱效率表達式等。[6， 7]

在工程應用方面，主要包括：實際應用案例，氣體動力循環如狄塞爾循環、奧托循環;制冷循環如空氣壓縮制冷循環、蒸汽壓縮制冷循環、噴射式制冷循環、吸收式制冷循環;蒸汽動力循環如郎肯循環、再熱循環、回熱循環;燃氣-蒸汽聯合循環;燃料電池;燃料電池-燃氣-蒸汽聯合循環等;濕空氣的加熱、冷卻與干燥等。

在常用圖表方面，主要包括：水蒸氣表、水蒸氣焓-熵圖、常用制冷工質的熱物性圖表、濕空氣的焓-含濕量圖等。

上述內容是不同層次學生必須掌握的“工程熱力學”課程內容基本知識點，對不同層次的學生，主要體現在英語應用能力的要求不同。最高層次同學能夠熟練閱讀英文原版教材和相關的英文資料，能在課堂上用英語與老師和同學進行流利口頭交流，在課后能用英語完成作業，熟練地應用英文多媒體課件進行課后復習;平均層次同學能讀懂上述內容相關的英文原版教材內容的相關內容，能用英語在課堂上與老師和同學進行交流，能用英語寫作部分作業題，能用英文多媒體課件進行課后復習;對低層次同學，能基本看懂英文原版教材中上述相關課程內容，基本能用英語在課堂上與老師和同學進行溝通，掌握上述課程內容的英文詞匯和表達方法，能看懂英文多媒體課件中的上述課程內容。在雙語教學中要強調學科的專業性，絕不能把雙語教學變成專業外語教學。

三、結論

合理構建“工程熱力學”雙語教學課程體系和設置課程內容知識點，采用“三段一改”的教學方法，改革課程考核與評價方法，對不同層次的學生提出不同的英語應用能力要求，把學科內容作為課程教學的重點，并在實際教學過程中不斷總結經驗，改革教學方法，有望使“工程熱力學”雙語教學的教學質量不斷得到提高，把“工程熱力學”建成高水平的雙語教學示范課程。

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篇(5)

熱經濟學起源與20世紀50年代末期，創始人為美國的Tribus。他在其指導的博士論文“能量系統的火用分析”中,第一次將經濟因素引入到了火用分析之中,并首次提出了通過系統逐個尋優達到全局最優的目的。到20世紀60年代中期,熱經濟學初步有了完善的體系，并被學術界命名為thermo-economics。Tribus的學生R.Evans還發表了熱經濟學孤立化原理的數學論證。隨后，美國的另一學派代表人物R.Gaggioli，他以代數為主要數學計算模式，進而發展了代數模式的熱經濟學。德國的Beyer，結構系數模式經濟學發展為符號經濟學，也稱矩陣模式熱經濟學（因為西方國家習慣稱矩陣為符號），矩陣模式代表了熱經濟學的成熟階段。到了1995年,王加璇等科學工作者開始在我國推行國際上各種流派的火用經濟學的先進理論。部分學者根據我國的具體國情對其研究應用,并且已經取得了一定的成就，逐漸形成了各自的流派。

2熱經濟學的原理與優勢

目前存在的能量評價方法包括以熱力學第一定律為基礎的能量分析法。這種分析法雖然操作簡單，且已經被廣泛應用，但評價值側重于“量”而沒有評價“質”。另一種是以熱力學第一定律和第二定律和火用平衡理論為框架的火用分析法。這種方法在對能量系統進行綜合分析優化的時候，得出的結果往往無法顧及經濟因素。目前最為科學全面的分析是法是本文研究的將熱力學分析與經濟因素綜合分析的熱經濟學分析法也稱火用經濟學分析法。這種方法結合了工程經濟學、系統工程、最優化技術以及決策理論等基本思想，兼顧能量使用的“量”與“質”，并將系統的火用流價格數據化，能夠評估兼顧能量使用效率與經濟價值的綜合結果，這種分析法在復雜的工程分析、診斷、優化、改進中，都有重大作用，技術優勢非常明顯。熱經濟學的分析能夠全面輔助系統的優化，它的基本原理是在進行系統優化時，確定考慮的變量及變量之間的關系，然后選擇約束條件和決策變量，最后用數學手段描述出目標函數與約束方程，進行求解。求解答案能夠對項目設計提供重要參考資料，包括對可行方案的選擇、對改進措施的評價、對成本的真實計算以及單元系統的維護與更替。

3熱經濟學的應用

熱經濟學是分析現代工程系統中一切與能力相關的系統的熱力學方法，一般來說，從原則上區分，可以分為兩大類方法，一是在卡諾和克勞修斯研究框架中，利用系統能平衡概念分析的系統各項技術、經濟指標的完善程度，通過把被研究系統與卡諾循環理想循環系統進行對比，從它們之間的接近的程度判定系統的完善程度。二是以吉布斯理論為框架，采取熱力學勢概念的分析方法，分析系統中能量轉換過程，以熱力學勢為分析重點，進而分析各種形式之下功的數值。從這一原理出發，我們可以評估被分析系統任意一點上的物流與能流所做功的性能。這一點能夠無視系統的機構復雜程度而直接對系統性能進行評估，所以，我們可以充分利用這一方法的特點，分析得到需要的全部信息。這種方法，首先在化學熱力學領域被廣泛應用，而其他領域一般仍沿用第一類方法。在我國熱經濟學分析法被引入到熱力系統，我國學者首先主要通過概念模型來分析熱力系統，并實際通過繪制結構圖對實際操作進行了指導，熱經濟學理論并且被用于分析復雜的能量體系，模擬故障診斷，并用于計算成本。在系統的優化方面，熱經濟學被用于對系統進行分析，分析的內容包括燃料、產品流的成本，和最紅產品的形成過程，在此過程中，通過計算編輯火用成本的變化能夠建立能量損耗分析模型，實現了在線診斷系統性能的目標，隨后熱經濟學概念引入到火電機組，建立了加熱器故障診斷指標的通用數學模型，實現了加熱器故障診斷的可能性。還有學者通過研究火用流的計價和費用分配問題，對把輸入的火用流進行拆分,提出了基于能級相近最大化相供的火用流計價策略，并將此原理應用于熱電聯產熱力系統之中。生態系統的求解問題通常會遇到非線性問題和Lyapounov含義的穩定問題，對這類問題進行求解，必須使用微分幾何與張量代數、步驟較為繁瑣，且這些方法難度較大。再忽略精度細微誤差的前提之下，我們可以使用網絡熱力學方法去求解，網絡熱力學分析法是近年來發展并逐漸成熟的計算方法，雖然目前仍有待完善，但是前景光明。

4結語

篇(6)

平衡為基礎的分析法。本文定性分析了兩種方法的區別，并通過對某電廠鍋爐系統的熱力學分析，定量得出能分析和分析的區別。文中詳細論述了進行系統熱力學分析的意義，歸納了熱力學分析的方法、內容及步驟。

關鍵詞：能分析 分析 能效率 效率 損失

0 引言

隨著人們節能意識的不斷提高，為了獲取更大的經濟效益，人們將熱力學原理應用于工程實際各能量系統的分析中。能量系統的熱力學分析是根據熱力學原理對各種能量系統進行研究分析，以明確系統各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標，對所研究的系統進行客觀評價。

1 熱力學分析的方法、內容

熱力學分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎的叫做能分析法，它是傳統的分析方法，依據熱力學第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對熱力系統進行分析。而以平衡為基礎的叫做分析法，是近些年發展起來的一種方法，依據熱力學第二定律，是對能量“質”的分析[1][2]。

1.1 能分析法

能分析法是以熱力學第一定律為基礎，應用熱平衡原理，并以熱效率為基本評價準則，分析、評價系統能量有效利用狀況的方法。它依據能量系統建立熱力學模型，進行能量平衡計算，得出系統的熱效率和各項熱損失，得到系統熱損失的分布，從而找出系統中熱損最大的薄弱環節和部位，為改進設備和系統的用能狀況提供技術依據。

1.2 分析法

分析法是以熱力學第二定律為基礎的熱力學分析法。它是依據能量中的平衡關系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統或裝置的利用效率。

分析法的主要內容有[3]：

①進行物流、熱量衡算，確定輸入、輸出體系中各種物流量、熱流量、功流量以及各物流的狀態參數（如溫度、壓力、組成等）。

②流計算。

③由平衡方程確定過程的損失。

④確定效率。

參與用能系統的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統內流。

①輸入流類：是指由外界的源，物流穿過系統邊界而進系統的。

②輸出流類：是指由系統通過邊界向外輸出的。

③系統內部類：是指系統的輸入于輸出之差的部分。

1.3 兩種熱力學分析法的比較

兩種熱力學分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統的總損失，進而確定損失的分布。并通過計算出的效率有效利用率來評價系統的完善程度。但能分析法只是從不同質的能量在數量上的守恒來計算損失，因而只計算外部損失而忽視了內部損失，其評價指標也只是計算了被利用部分能的數量和輸入能的數量而忽略了其質量的變化，即忽略了過程的不可逆性所帶來的損失。而且能效率的分子分母常常是不同質的對比，不能準確地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解決上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科學、更深入也更全面，它能準確地揭示損失的原因、部位以及指出改進方向等。分析方法既可以進行系統分析，又可以進行優化綜合，它可以很便捷地進行系統優化，與經濟因素結合后還可作設備全壽期成本統計等[4]。

隨著節能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動力、制冷技術、石油化工和冶金等許多領域得到了廣泛的應用。目前，有些國家已經將方法用于熱力系統的熱經濟分析當中，而我國火電機組熱力系統的分析方法實際上都是基于熱力學第一定律的分析方法，其存在的缺點是不能揭示內部不可逆性大小，不能反映能質的蛻變情況，不能體現不可逆性對經濟性造成的影響。因此對熱力系統進行研究分析，根據分析結果所提出的問題采取相應的措施提高熱力系統的熱經濟性，具有十分重要的現實意義[5][6]。

2 鍋爐系統的熱力學分析

2.1 原始數據

某電廠鍋爐，其出口蒸汽壓力為p=13.72MPa，溫度為330℃，給水溫度tw=215℃，尾部排煙溫度為135℃，過熱蒸汽量為410t/h，空氣預熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過剩空氣系數為1.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發熱量QL=18636

kJ/kg，全水分ω=4.9%。環境溫度為19℃，依據上述數據分別對此鍋爐系統進行能分析和分析。

2.2 分析計算

設圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質量流量；而ha、hs、hg分別表示相應物質的焓，QL為燃煤的低位發熱量，QB是損失的熱量；ef、ea、es、eg和ew表示相應各物質流的比，IQ為向環境散失熱量而引起的損失。由題設得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考慮鍋爐排污損失mw=ms=410000kg，由已知溫度查表得：

ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/（kg?k） hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/（kg?k），hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/（kg?k），ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/（kg?k）

圖1 鍋爐的能量平衡

圖2 鍋爐的平衡

按照圖1所示的鍋爐能量平衡關系，得出能量平衡方程：

mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB （1）

其中QB、mghg為損失的能量，而mshs-mwhw=ms（hs-hw）為有效利用的能量，則該鍋爐的能效率為：

η=

=

=1.91（2）

按照圖2所示的鍋爐平衡關系，可以寫出下面的平衡方程：

mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）

式中IB表示整個鍋爐內部過程總的損失。考慮到mw=ms，則鍋爐內部過程總損失為：

IB=mfef+maea-ms（es-ew）-mgeg-IQ（4）

該鍋爐的目的效率η應為：

η= （5）

由于es=（hs-h0）-T0（Ss-S0），ew=（hw-h0）-T0（Sw-S0）兩式相減得：

es-ew=（hs-hw）-T0（Ss-Sw） （6）

用（5）對應除以（2）可得：

η=η （7）

將（6）式代入上式，則有：

η=η（1-T0） （8）

代入數據得：

ea=（ha-h0）-T0（sa-so）

=（509.4kj/kg-292.25kj/kg）-292.3（7.2245-6.6732）

=56.01

η=η（1-T0）

=0.91（1-）

=0.69

3 結論

從以上的計算結果可以看出，雖然是對同一臺鍋爐進行效率計算，但能效率和效率相差很大，能效率為91%而效率僅為69%，能效率的計算主要取決與鍋爐排煙向外界散熱的多少，主要考慮的是能量“數”的變化。但效率則不同，它不僅考慮了鍋爐燃燒過程中的外部損失，而且考慮了燃燒、傳熱等鍋爐內部各個過程所造成的不可逆損失。實際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項就是燃料燃燒和傳熱造成的損失，所以雖然從能效率即能量的數量上來看鍋爐損失的不多，但這部分能量都是高品位的能量，價值都很高[7][8]。

由此可見，效率比能效率更能完善地反映鍋爐的熱經濟性。所以，通過系統分析計算，找出損高的部位，采取相應措施進行改善。對目前我國火電機組熱力系統分析具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]鄭體寬.熱力發電廠.中國電力出版社，2001.

[2]郭民臣，魏楠.電廠熱力系統矩陣熱平衡方程式及其應用[J].動力工程，2002，22（2）：1733-1738.

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篇(7)

關鍵詞 熱力學 統計物理 課程教學 教學策略

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Explorations of Thermodynamics and Statistical Physics Teaching

ZHANG Jin

（Mathematics and Physics Department of Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract The paper analyzes some teaching problems of Thermodynamics and Statistical physics， carries on research of effective teaching， has discussion of teaching content， teaching approaches and teaching methods for improvement in teaching quality of Thermodynamics and Statistical physics.

Key words Thermodynamics; statistical physics; course teaching; teaching strategies

作為大學物理專業的四大力學之一――熱力學與統計物理是一門學生感覺難學，教師感覺難教的課程。學生總體感覺這門課程公式和概念較多、對高等數學的要求較高、與日常生活又比較脫離，不知道學了之后有什么用。而教師普遍感覺內容較為零散，與其他物理課程重復內容又較多，因此往往感覺較難將課程前后融會貫通，將公式和概念講得淺顯易懂又具有一定深度。本文對熱力學與統計物理課程的現狀進行分析，分別對教學內容、教學方法、教學手段進行了探討，以激發學生的學習興趣，提高教學質量。

1 課程內容的優化

熱力學與統計物理中的部分內容與其他物理專業課程有一定的重復。例如第一章熱力學的基本規律，該部分內容在前期課程熱學中基本都已學過。因此在講解該部分內容時，學生難免會感到沒有新鮮感。但是這部分內容對熱力學與統計物理后面章節的內容又非常重要，是后期內容的基礎，尤其是熱力學三定律，如果理解不透徹，后面章節的內容就更難以理解。同時第一章熱力學的基本規律又不完全等同于熱學課程所學。例如對溫度的理解，熱學強調溫度是冷熱程度的度量，而在熱統中則更著重于強調溫度是一個態函數。總體來說熱學強調熱的本質，熱究竟是什么，怎樣發生等問題，而熱統則是研究熱的傳遞和循環等過程，與熱學相比更側重于動態的研究。因此對于和熱學重復的內容部分，既不能完全不講，也不能細枝末節地詳細講述，而應當重點講述一些重要概念不同于熱學的理解方式。

另外，對于熱統后半部分統計物理學，學生是首次接觸統計物理，并且統計物理與前面部分熱力學研究方法上又完全不同，所以學習這部分內容時學生會覺得很吃力。因此對統計物理前半部分內容要在合理安排課時的前提下盡可能講得詳細透徹，使學生能聽懂，能理解和掌握，后半部分內容處理方法和前面基本相同，因此可以相對簡單地講解。同時熱力學和統計物理并不是完全分割獨立的兩部分，實際上它們相輔相成，互為補充，統計物理的很多結論回歸到熱力學的結果。因此統計物理這部分內容也應著重強調和熱力學內容的相互呼應。使學生感覺到這兩部分是整體，而不是零散、毫不相關的內容。

2 教學方法的幾點建議

2.1 公式的講解

熱統這門課程難學的一個重要原因就是公式非常多，而且很多涉及偏微分甚至有的還不是完全微分。例如內能的微變量用，是個全微分，而微功用表示，不是個全微分，而一個公式里面往往可能既涉及全微分也有不完全微分，因此一定要區分和解釋清楚。比如內能要強調是態函數與過程無關，因此用表示，而做功與過程密切相關，因此不是全微分。這些一定要講解清楚，否則學生非常容易搞混淆。熱統這門課程里的公式的另一個特點是多而且近似，例如麥氏關系，單純地背下來實際十分困難，因此需要尋找公式的規律，甚至可以編一些順口溜等，便于學生的記憶。另外，講清楚公式從何而來，又有哪些應用，往往對公式的記憶和理解也很重要，進而也能讓學生搞清楚這門課程的學習到底有什么用，而這離不開習題的講解，因此對于難以理解的公式，適當的習題有助于學生對公式的學習。

2.2 概念、定理和定律的講解

熱統書中也涉及到很多物理概念、定理和定律，而教材中往往因為篇幅有限并沒有一一交待這些概念、定理和定律的來龍去脈。例如卡諾定理，學完熱力學第二定律后緊跟著下一節就是卡諾定理，但教材中只介紹了卡諾定理的具體內容和簡單推論，學生學起來就覺得很茫然，不知道為什么要學卡諾定理，和熱力學第二定律有什么關聯，興趣也就不大。往往教師費勁講了半天，學生聽得一知半解。這時候如果在講卡諾定理之前，先講清楚為什么提出了卡諾定理，卡諾當年是在什么情況下提出，遇到了哪些困難，他對熱機的發展有了什么推動作用，也就是略微講解部分卡諾定理提出的科學史，這樣既可以吸引學生的興趣，而且對于這個定理，學生能夠知其然且知其所以然，同時也啟迪了學生勇于創新的精神。這樣才能真正讓學生感受到熱統這門課的魅力，體會它的思想和方法，真正意義上培養學生的思維能力和創新能力。

2.3 前沿科技知識的引入

大學生教學不同于高中教學，學生不僅應該掌握基本的理論，對一些科技前沿也應當有適當了解。這要求教師不僅能很好地把握教材內容，同時也要常了解相關的科研動態。前沿科技知識介紹不僅能提高學生的學習興趣，而且啟發學生的思維能力，甚至于對學生在以后考研選擇方向時也有很大益處。

3 教學手段的改進

目前很多高校基本都具備多媒體教學條件，提倡板書和多媒體結合。板書多用于復雜公式的推導，誠然公式的推導需要板書的幫助，但是板書應該不僅僅用于枯燥的公式推導，有時候將整堂課的主體框架，甚至大的標題之間的聯系寫在板書上，這樣學生感覺邏輯性會更強，環環相扣，有利于學生整體知識框架的構建，和對課程內容有更好的理解。而多媒體教學中幻燈片可以適量減少文字部分，圖文并茂、生動活潑的PPT很容易吸引學生，有些部分內容如果輔助動畫演示或者視頻將可以達到更好的效果。比如玻爾茲曼分布，玻色分布和費米分布，三種分布的區別和聯系，如果完全靠教師的講解，有時候會有理解上的困難，但如果輔助了動畫，學生一目了然，更容易理解，也更容易記憶。但是也非動畫和視頻越多越好，過多的情況下，反而讓人感覺重點不突出，本末倒置，因此板書和多媒體的有效結合十分重要。這就需要教師很好地把握教材，課下須花大量精力搜集豐富的課外材料，做好備課工作。

4 結語

總之，要教好熱統這門課并非易事，需要教師對課程內容進行優化，對教學方法和教學手段進行研究，尋找合適的方法和手段，這需要教師也要不斷學習和反思，不斷改進，在熱統的教學過程中和學生一起共同學習成長，實現熱統教學的真正目的。

參考文獻

[1] 包景東.熱力學“時間之箭”.大學物理，2011.30（10）.

[2] 林宗涵.熱力學與統計物理學.北京大學出版社，2007.