工程热力学概念篇1

化工热力学课程是在本科三年级开设的,在此之前学生接触的课程都属于基础课,与中学课程的学习方法相差不大,而化工热力学等专业基础课讲授的是化工生产中的一般规律。由于工程问题复杂多变,采用的是实验研究方法和数学模型法,与基础课中严密的数学分析或逻辑推理有所不同。这是工程学科和基础学科的重要区别,也是学生不能很好的掌握化工热力学课程学习方法的关键。因此要想提高化工热力学的学习效果,使学生树立工程观点,并培养其独立解决实际问题的能力,我们认为在化工热力学的教学过程中应紧紧把握以下几点。

一、精心组织教学内容,注意与相关课程的联系

化工热力学的主要内容是平衡状态下热力学性质的计算,相平衡与化学平衡的计算,化工过程的能量分析和能量有效利用等方面。只有将热力学原理与反映体系特征的模型相结合,才能应用解决实际问题。原理、模型及应用是化工热力学内容的基本组成部分,教学内容的组织要紧密围绕原理、模型及应用三个部分来展开。原理是基础,模型是工具,应用是目的。尤其是目前节能工作的深入开展,更要求学生掌握能量利用过程的原理,并对实际过程中的能量利用情况作出合理的评价。

化工热力学与化学工程与工艺专业的许多其它课程密切相关,它在课程链中起着承上启下的作用,又担负着由基础课到专业课过渡的特殊使命。物理化学是本课程的基础,而本课程又是分离过程、化学反应工程及化工设计等课程的基础。在课堂教学内容组织上要注意前后内容的相互联系,化工热力学公式较多,其推导过程需要高等数学的基本知识,进行结果计算需要用到数值分析的知识,因此对课程中用到的数学知识进行必要的准备有助于新内容的学习。而计算机是方便的计算工具,可以解决热力学复杂的计算问题,可使计算结果更加准确。物理化学中的热力学内容是以建立基本概念为主要目的,而化工热力学是在完善概念的基础上以应用为主要目的,所以化工热力学的教学内容主要体现以应用为目的的特点,因此在教学过程中要特别注意避免与物理化学课程在内容上的重复。同时注意从物理化学到化工热力学课程的几个转变,即:从理想体系、二元体系向非理想体系、多元体系的转变,从隔离体系、封闭体系向敞开稳流体系的转变,而热力学性质的计算从以公式为主转向以热力学图表为主。让学生明确这些转变,可帮助学生掌握经典热力学解决问题的方法,并培养学生应用热力学原理和方法解决实际问题的能力。

二、把握课程内容体系与问题分析方法

化工热力学系统介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法,它以热力学第一、第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,深刻阐述了各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件、状态及组成变化,是化工过程研究、开发和设计的理论基础。课程教学内容包括流体的p-V-T关系及热力学性质、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环、流体的相平衡以及化学反应平衡等方面。其中流体的p-V-T关系及热力学性质是其它内容的基础,流体的相平衡及化学反应平衡内容是热力学和传质、分离、反应工程之间联系的纽带。要让学生正确理解化工热力学所研究和阐述的内容之间不是孤立的,而是相互联系的,理清化工热力学的内容体系与结构层次(见图1),这样才能更好地理解和掌握课程内容及其实际应用。

图1 热力学各内容之间的相互联系

每个学科都有自己的知识体系和独特的解决问题的方法,热力学课程与学生之前接触的课程特点不同,为了使学生能够尽快地掌握热力学,首先要学生清楚热力学研究问题的方法,即理想化的方法、状态函数法和元过程方法,然后指出解决热力学问题的思路,即对于一个热力学问题如何得到需要的结果,具体的步骤见图2,这样就可使学生尽快的适应热力学处理问题的特点,掌握热力学解决实际问题的方法。

三、重视热力学概念教学和思路的引导

化工热力学的最终目的是应用,但是只有理解了热力学的基本概念,以及这些概念的来源、背景和意义,才能够确实掌握热力学课程的基本内容,也才能够更好的应用于实际中。热力学中重要的基本概念很多,如体系、状态函数、广度性质、强度性质、隔离体系、封闭体系、敞开体系、可逆循环、热力学能、焓、熵、Gibbs自由能、偏摩尔性质、化学位、逸度、活度、理想气体、理想溶液、理想功、损失功、火用等等,只有深刻理解其内涵,才能掌握热力学的精华。比如对平衡的两相,其平衡的条件是各组分在两相的化学位相等,或者说各组分在两相的偏摩尔Gibbs自由能相等,对纯物质而言,偏摩尔Gibbs自由能就是摩尔Gibbs自由能,也就是该物质的化学位,而对混合物而言,某组分的偏摩尔Gibbs自由能就是该组分在混合物中的化学位,如果学生对这些概念认识不清楚,常常会导致对相平衡、化学平衡等概念产生错误的理解。

引导学生思路对于教学效果有重要影响。如溶液的热力学性质一章,为找出各种物质在溶液中所“具有”的性质之间的关系,引入“偏摩尔性质”的概念。而偏摩尔性质中常用的是偏摩尔Gibbs自由能、偏摩尔焓以及偏摩尔体积。在这一章中主要讲解偏摩尔Gibbs自由能的计算问题,主要为以后相平衡和化学平衡的计算打基础,为了计算偏摩尔Gibbs自由能引入逸度和逸度系数的概念,对纯气体、气体混合物中的组分以及混合物、纯液体分别讲解逸度的计算方法。但对于液体混合物而言为了计算其偏摩尔Gibbs自由能又引入活度和活度系数,而为了得到活度系数与组成之间的关系,又引入了超额性质的概念,只要知道超额性质与组成的关系即可推导出活度系数模型。这样整个章节的内容就很清晰,使得学生对各概念的来龙去脉能够很好的了解,可以避免学生陷入公式细枝末节的包围中,使得教学效果明显提高,同时对学生搭建热力学知识框架十分有益。

总之,为了提高化工热力学的教学效果,使学生能够确实掌握工程处理问题的方法,了解化工热力学与其它学科各自的特点,以便找到适合的学习方法。这就要求教师在教学过程中不断的引导学生,使其能够尽快地适应工程学科的学习。

参考文献:

[1]夏淑倩,马沛生,陈明鸣,常贺英.让应用实例使《化工热力学》教学更加生动[J].化学工业与工程,2005,22(增刊):98-99.

工程热力学概念篇2

基金项目：本文系南京理工大学教改资助项目“材料专业基础课概念－问题－探究教学模式研究”阶段性成果之一。

摘要：通过对探究式教学目的的反思，以及理工科基础课特点的总结，摸索出适用于理工科基础课的“概念-问题-探究”教学新模式。

关键词：探究式教学；理工科；基础课；核心知识

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1008-2646（2012）01-0082-05

研究型大学的建设对研究性教学提出了日益迫切的要求。在研究性教学的实践中，源于西方的探究式教学受到广泛重视，这种以讨论课(也称Seminar)为载体的课程模式提倡知识学习的自主性与面对未知的探索性，因此从理论上讲与研究型大学的科学研究精神相契合，故近年来相关的研究文章较多，在教改立项中也成为了热门课题。

但是，当我们在实践中真正落实探究式教学时，当这种模式与具体的课程结合时，就会发现探究式教学从理论研究到实际操作，都存在不小的问题，因此需要进一步的反思，以便清除形形的认识误区，从而把握其精神实质，为实践操作奠定坚实的理论基础。

从方法论的角度看，具体问题具体分析是教育研究不二的法则。因此，我们将探究式教学聚焦在理工科基础课上，也就是高等数学、大学物理、大学化学，以及各工程学科的主干基础课，如化工学科的物理化学、化工原理，材料学科的固体物理、材料科学基础，控制学科的电工学、自动控制原理，等等。这些课程是理工科课程体系的真正精髓，对后续课程从知识结构到认知方法都会产生深远影响。因此，探究式教学的真正落脚点应该放在这些课程上。

一、探究式教学的目的与反思

所谓探究式教学(也称探究式学习，Inquiry Learning)通常指从学科领域或现实生活中选择和确立主题，在教学中创设类似于学术研究的情境，学生通过独立自主地发现问题、操作实验、收集与处理信息、表达与交流等探索活动，获得知识，培养能力，发展情感与态度，特别是发展探索精神与创新能力。它倡导学生的主动参与，是一种积极的学习过程。［1］

不难看出，探究式教学以自主与探索为目的，重视学生能力与素质的培养，从理论上完全符合现代教育理念。但是，理论上的完备不等于实践操作的可行，因为理论往往源于具体对象，一旦对象发生变化，理论(特别是教育理论)通常要做出相应的调整，有时甚至是重大调整。以探究式教学为例，目前国内更多地在基础教育中采用这种形式，而理工科基础课中却很难操作。之所以这样，与理工科基础课的特点(见本文第二部分)有关，其中知识的坚实性、系统性与深奥性对传统意义的探究产生了重大影响。因此，应该在理工科基础课的背景下重新审视探究式教学的目的。从知识的坚实性看，现行探究式教学中对于新知识的诉求是不可行的。面对基础课中的核心知识，主要任务是接受、理解，以及理解基础上的应用，而与新知识发现关系不大。从知识的系统性与深奥性看，也与现行探究式教学的目的格格不入，因为深奥、抽象及知识关系复杂，意味着凭借学生自身的认知能力，是无法理解与掌握这些知识的，故老师的作用相对彰显，而这又与现行探究式教学强调学生自主性的诉求相矛盾。如果进一步考虑到大学生都是高中应试教育的“产品”，则探究式教学更是难上加难。这样一来，似乎根本颠覆了传统意义上的探究式教学，因为探索性与自主性都已落空。正因为如此，探究式教学尽管研究得热火朝天，但在高校中真正操作却很少，在理工科基础课中更是如此。

那么，是不是要根本放弃探究式教学的理念呢？理工科基础课中探究式教学是不是真的没有了空间？结论当然是否定的！而新的探究式教学，主要取决于通过反思达成的观念转化，特别是对一系列相关教育教学理念的重新认识。

首先，什么是新知识？一般来说，新旧是有相对性的，但传统教学观念却把新知识当成绝对的事物，即那些从未被人们认识到的知识才是新知识，而相对于学生而言的新知识却不在其中。以热力学第二定律与熵概念为例，一方面它们已经产生了100多年，是耳熟能详的知识；但另一方面，对学生而言它们又是新事物，是需要学习的新知识。对于具有相对性的“新知识”，客观上不存在探索与发现的问题，因为它们都清清楚楚地展现在教材中。因此，探究必须赋予新的含义，即根据知识对于学生的相对新颖性，以及由此产生的认知过程的不完备性，将发现式的探究转变为澄清式的探索，使学生的知识认识由模糊、理解不深，逐步达到较高的认识水平，并最终获得运用知识于具体问题的能力。以高等数学的极限理论为例，学生不是见过极限的定义、学习了几个例题，就能把握该理论的核心，真正认识与理解需要漫长的探究过程，需要学生自主地提出与极限相关的问题，试探性地运用极限理论到其他领域，如物理学、化学，甚至是生活领域，从而在提问、反思、质疑、具体运用中，逐步加深认识。

其次，探究的方向。传统观点认为，探究式教学总是向外的，向着未知的外部世界，特别是自然界。但是，还有一种向内的探究方向，即面向我们自身，面向人的头脑与思想，去探究其中未知，甚至是构建其中的空白。改革开放30年来，人们已经习惯于对外开放，热衷于面对外部世界，特别是西方发达国家，这一点在教育中尤其明显。但是，30年带来的思维惯性使我们忽视了向内这个重要的方向，忽视了自我改造，特别是自身思想观念深层次问题的解决。2008年爆发的金融危机已经从思想方向(注意：不是思想方法)上给我们敲响了警钟，也进一步启发我们在教学中眼睛向内，在探究式教学中努力解决自身的问题，而不是一味地眼睛向外。

最后，探索的自主性。事实上，自主也是一个相对的概念，因此不能绝对化。在传统的探究式教学中，过于强调学生的自主性，老师似乎已经失去了基本地位而变得可有可无。我们认为，至少在理工科基础课中，老师的地位绝不能动摇，知识的基本传承不能因为强调自主探究而丧失。当然，这不是说回归到满堂灌的老路上，而是根据理工科基础课知识深奥、系统等特点，充分发挥老师的作用，特别是在新式探究下的作用，以便调动学生的探究积极性，引领探究的方向，把握探究的尺度(因为过度探究容易钻牛角尖)，使探究式教学真正落实到理工科基础课中。

不难看出，观念转换后的探究式教学获得了新的意义，探究式教学的自主性与探索性诉求有了新的生存空间，这为它的实践操作奠定了基础。

二、理工科基础课教学的特点分析

如果要在理工科基础课中真正实践探究式教学，必须对其特点有深入的认识。尽管理工科基础课的重要性不言而喻，但它们的特点，特别是面向探究式教学时表现出的特点，却并不清楚。根据经典的课程理论，课程是由教材、教师与学生构成的，故分析课程特点也要从这三个维度展开。

1. 理工科基础课教材

教材是学科知识体系的代名词。对于理工科基础课，知识体系往往有以下特征：

(1)核心知识的坚实性

每一门理工科基础课中，都有一批核心知识。它们经历了长期的实践检验，得到了反复的证实，因此不可动摇。例如，高等数学中的极限理论、函数理论，大学物理中的牛顿定律、电学基本公式，物理化学中的热力学定律与动力学理论，材料科学中的结构与缺陷理论、相变理论等等。这些核心知识的坚实性特点对探究式教学会产生重要影响。

(2)知识的系统性

理工科基础课的另一个特点是，其知识经过长期的发展与演化，已经形成了逻辑关系复杂的较为庞大的体系。知识系统性的显性含义是知识庞杂，知识点众多；其隐性含义是，知识结构复杂，具体就是知识点之间的关系众多，而“关系众多”相比于“知识点众多”会带来更大的教学难度。

(3)知识的深奥性

大学知识有着固有的深奥性，而理工科基础课中，知识深奥性表现得更加突出。相对论、量子力学、极限理论、热力学原理、控制理论等一系列理论，量子化、相对性、极限、函数、内能、熵等一系列概念，无一不显示出深奥的品性，它们中的绝大多数远离人们的日常感知，具有极为抽象的特征。

2. 基础课教师

从教师的角度考察理工科基础课的特点是新概念，这方面很少有人涉及。但是，教师毕竟是课程三要素之一，有着举足轻重的作用，因此全面考察教师是很有必要的。

由于基础课在理工科课程体系中的重要地位，基础课教师通常是一个学校教师队伍的中坚力量。他们常年从事教学工作，理论水平较高，教学经验丰富，作风严谨，责任心强。因此，作为传承式的教学，这些教师是完全胜任的。但是，从探究式教学的要求看，基础课教师又存在一些不足。首先，经验丰富与作风严谨使得易于墨守成规，而不敢积极探索教学中的新事物；其次，由于基础课教学任务重，工作量大，这部分教师的科研项目较少，与生产实际的接触远不如专业课教师，加之基础课教师教育理论水平不高，使得基础课中大胆改革的精神不足，教学改革的活力不够。在探究式教学中，必须注意到教师的上述特点，有针对性地做好教师的工作，特别是思想观念的转化工作。

3. 基础课学生

在教学三要素中，最容易忽略的恰恰是学生！从某种意义上讲，学生是三要素中最重要的。尽管学生的作用至关重要，但遗憾的是，学生很可能是探究式教学实际操作中的主要障碍。

理工科基础课通常在第一、二个学年开设，此时学生刚刚从高中考入大学，他们的学习目的、认知习惯、知识结构主要来源于中学，而且以应试教育为主要特点，造成大一、大二学生在面对探究式教学时全方位的不适应。首先，从知识传承的角度看，学生不知道知识以概念为核心，理工科学生往往热衷于公式与计算，因为公式记忆与计算娴熟是应试之本，但这恰恰从根本上偏离了知识的核心；其次，学生普遍缺乏主动意识，且这种缺乏贯穿于学习的全过程，如知识寻找、问题生成、探究讨论，而这些都是探究式教学不可或缺的；最后，学生普遍惧怕不确定，惧怕改变现状，习惯于固守以往的模式。根据我们多年的观察，一些好学生反而在变革时表现得相对保守。

学生状况的不如人意恰恰反衬出教学改革的必要性，以及在理工科基础课中实施探究式教学的迫切性。

三、探究式教学的操作之道

综合以上分析不难看出，在理工科基础课中实践探究式教学，将面临巨大的困难与挑战。从另一方面讲，困难与挑战也意味着其中蕴涵着巨大的价值。正是由于这种巨大的价值牵引，我们通过多年的实践，逐步摸索出一套基础课中探究式教学的操作方法，其核心就是：概念问题探究。

1. 概念

教学中强调概念是老生常谈。但将概念置于理工科基础课的背景下，特别结合探究式教学的要求，则概念的教育意义与教学操作就需要重新认识。前已述及，基础课知识体系具有坚实性，这一特性反映在概念上就是基础性，即这些课程中有一批基本概念。概念的基础性意味着其内涵小而外延大，因此意义深奥，影响深远。从探究式教学的角度看，概念的基础性为新式探究提供了巨大的空间，因为深奥意味着学生不可能马上领悟，他们必须通过不断的思考(即探究)才能逐渐明白概念的深刻内涵；而影响深远意味着基础概念可以与许多事物相结合，从而为概念的反复认知提供大量机会。以物理化学中的系统概念为例，它不仅仅属于物理化学课程，也是控制原理、信号与系统，甚至是高等数学等课程的核心概念。同时，系统也广泛存在于社会科学领域，如经济系统、社会系统、教育系统等。通过系统概念在各个学科领域的广泛应用，学生会逐渐明白系统的层次性，明白系统的物质属性是最为重要的(即唯物主义的基础)，明白系统与环境的相互作用决定了系统发展的外在方向性，等等。这样，对系统概念的认识得到不断深化，属于学生的系统概念的外延逐渐扩大，最终形成一个关于系统的概念体系，从而基本完成对系统概念的认识。

上述概念认知过程启示我们在探究式教学中注意概念建立之初的简洁与形象化。基础课中概念的基础性与深奥性，及这些特性衍伸出的特点(如外延广大)，使得概念的建立不可能一蹴而就。因此，在概念建立之初，就应该努力使概念简洁，即教师通过典型事例展示概念最基本的内涵，而不能面面俱到。我们发现，中国教材在概念引入时，有从一般到特殊的普遍习惯，在理工科基础课中更是如此，似乎先给出了概念的一般定义，就能包罗万象、一劳永逸。但是，无论从学生的认知能力还是实际教学效果看，从一般到特殊并不是概念教学的万能形式，对于基本概念更是如此。以熵概念为例，即使告诉学生它与混乱度有关，即使让学生记住熵S的经典公式，甚至是通过该式做了一些题目，学生对熵概念还是不甚了了。因此，对这类基本概念的认识就应该另辟蹊径，即从特殊到一般，而这里的特殊要求教学中使基本概念变得简洁(尽管这会一定程度影响普遍性)，因为简洁的东西才易于把握；同时，使概念更加形象化，因为形象化是应对基本概念深奥性(从而具有抽象性)的法宝。不难看出，我们主张初学时全力建立简洁清晰的概念，这样能够在学生的头脑中留下鲜明的印象，这为概念的后续学习奠定了坚实的基础。

在概念建立中，特别是概念建立之初，教师的作用是不可或缺的。此时不宜将任务主要交给学生，而是应该以教师为主导，快速高效地建立概念。我们反对在探究式教学中弱化、甚至忽略教师作用，因为这相当于否定知识传承。教师的知识理解、认知水平、思想方法，以及这些背后的态度与精神，对后辈学生都是宝贵的财富，因此绝不能轻易放弃。此外，强调快速高效，是为后续以学生为主体的教学过程预留了时间。

2. 问题

不难看出，上述过程仅仅是教学的初级阶段，要想使学生的概念深化、理解加深，还必须进一步展开教学，而这一阶段的核心是问题的生成。在传统的灌输教学模式中，教学的进一步展开是通过例题，特别是各种各样的计算题目，其目的主要指向公式的记忆与计算的娴熟。但是，概念的认识与理解，特别是概念的应用，有着不同于公式-计算的模式。例如，函数概念的深入理解不可能只通过函数的计算、证明，它必须通过问题，如函数的要素到底是3个还是2个？矢性函数、矩阵函数与普通的函数的异同何在？函数空间与尺度空间的差异是什么？等等。又如，内能的概念不可能仅凭热力学第一定律(即)就能掌握。对于内能，还要进一步区分动能与势能，区分各种场景下动能与势能的具体组成；要追问凝聚态与气态间内能的差异，搞清楚进一步细分成液态与固态时内能的差异；要明确内能在凝聚态化学势中的作用，明确内能是有层次性的，及这种层次性在转变、相变、化学反应诸过程中的体现。不难看出，对于概念的认识及其深化，是以问题为教学手段的，通过问题实现对概念加深认识，因此问题的形成至关重要。

问题的来源分为三种：老师、学生和师生互动。当概念初步建立后，为深化概念认识而生成的首批问题理所当然的来源于老师，因为此时学生还没有入门，还不会提问，特别是结合所学概念的具体问题，这方面的能力缺陷与长期的中学应试教育有很大关系。因此，教师应该首先提出一批问题供学生思考、探索，从而引导学习的方向(以免重蹈公式、计算的覆辙)，特别是通过这些问题诱发学生自身的问题，这一点非常重要，它是探究式教学自主精神在基础课教学中的核心。随着(教师)问题的思考，学生逐渐形成了自己的疑惑、问题，这些问题带有学生认知结构上的缺陷，因此是个性化的，是鲜活的，也是学生最感兴趣的。不难看出，教师问题的真正作用不是拾遗补缺以完善学生的认识不足，而是激发学生在所学概念框架下的思考。由于理工科基础课中概念的基础性、深奥性及系统性等特点，所以学生在思考中一定会想不通、看不透或讲不清，因此能够产生大量属于学生自己的新问题。根据心理学原理，学生对于自己的问题是非常认真的，总是希望解决这些问题，这就给自我探究奠定了基础。另一方面，学生的新问题从相对的角度讲，也算是未知，探索这种未知对提升学生的思维水平与认知能力具有重要意义。问题的最高形式源于师生互动，此时已经无法区分问题的归属到底属于谁，它形成于师生间的讨论过程，是相互启发的产物，这就是所谓的教学相长。

顺带指出，现有理工科教材在提问方面是不符合探究式教学的，因为现行的做法是概念定义之后，马上将教学引向公式与计算。而真正围绕概念，以概念深化理解为宗旨的问题却很少，也缺乏时效性，具体就是没有在概念初步建立后立即提出有利于深化理解的问题，使得学生错误地以为概念的认知状态已经达到要求，殊不知实际差距非常大。

3. 探究

事实上，探究与问题是相互融合的，之所以分开讨论无非是强调同一过程的不同侧重。当概念初步建立后，随着教师问题传递给学生，真正意义的探究正式开始。学生开始思考，学生有了问题，学生需要解惑，凡此种种都离不开探究，它是学生自主参与的思考过程。根据认知心理学，思考过程分为分析、综合、推理、判断，其中分析既是思考中首先进行的过程，也是现代大学生最为缺乏的能力之一，因此理工科基础课探究式教学首先应该重视分析能力的培养。下面用一个实例说明如何通过提升分析能力来强化概念的理解。

热力学第二定律的核心思想是通过如下的克劳修斯不等式表达的dSδQT教材中给出的标准解释是：δQ是实际过程的热效应，T是环境温度(对于可逆过程，环境温度等于系统温度)，dS是伴随过程的熵变，等于号对应可逆过程，大于号对应不可逆过程。记住了这个式子及其条件，熟练地用该式(通过计算)判断具体过程的可逆性，这样是否就算完成了对热力学第二定律的认识？答案显然是否定的，因为如此深奥的物理定律不可能一蹴而就。我们因此设计了这样的问题：dS到底与过程有无关系？由于答案较为复杂也非常专业，因此只介绍答案与分析的关系，该答案主要借助对过程概念的进一步分析，即学生应该将过程分解为：起点、中间过程和终点，这样一来就能分清上式两侧的性质，其左侧只与起点和终点有关，因为dS是状态函数；而右侧只与过程有关，因为δQ/T只与中间过程有关。故克劳修斯不等式的真正含义是，比较同一过程不同侧面的性质，当表示状态性质的dS等于过程性质δQ/T时，该过程就是可逆的，大于时是不可逆的。更进一步，学生们明白了起点与终点固定的前提下，过程是多种多样的，其中有一类过程(可逆过程)是特殊的，其δQ/T=dS，而任何其他过程的都不具备可逆性。显然，不可逆过程不是一类，而许许多多，但可逆只是一类过程，这个概念对于后续的非平衡热力学至关重要。对克劳修斯不等式认识的加深，会促进学生回过头来认识热力学第一定律，它也是起点与终点的状态函数差与中间的过程量之间的关系，只不过此时是与能量有关的诸量，如内能、热与功。这样就从更高层次统一了两大热力学定律。如果延伸这个概念，还能进一步联想到数学中的积分，其中导函数(中间过程)的积分，等于原函数的端点差值！由此可见，真正的概念认识与理解有着强大的“辐射”作用，这为概念应用提供了广阔的空间。

不难看出，我们的教学目的是提升学生的概念认识水平，因为概念是学生今后学习、科研的真正出发点，故概念的认识水平与应用能力至关重要。在概念深化的探究过程中，分析、综合等思考能力随之加强。而上述水平与能力的综合就可以达成理工科基础课探究式教学的主要目的。

参考文献

［1］任长松. 探究式学习［M］. 北京：教育科学出版社，2005：25.（责任编辑、校对：臧莉娟）Reflections on Inquiry-Oriented Teaching of Basic Technical Courses

WU Qiang，GUO Yu

(1. School of Material, Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangsu, 210094;

工程热力学概念篇3

中图分类号：G642.0 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2013）26-0033-02

教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见教高（2006）16号文件中指出，“高等职业院校要积极与行业企业合作开发课程，根据技术领域和职业岗位（群）的任职要求，参照相关的职业资格标准，改革课程体系和教学内容，建立突出职业能力培养的课程标准，规范课程教学的基本要求，提高课程教学质量。改革教学方法和手段，融“教、学、做”为一体，强化学生能力的培养。”可以说高职教育实行课程改革是提高教学效果的必由之路。为此我院对所有课程都进行了课改。

一、《热工技术与应用》课程的特点

城市热能应用技术专业是我院的主干专业，《热工技术与应用》课程是本专业的一门主要专业基础课，在东北地区主要研究制热方向。一方面，它为学生今后学习专业课，如《锅炉原理》、《热工仪表与自动控制》等提供必要的基础理论知识和热工分析与热工计算能力，另一方面，通过实验、测试技能等综合训练，提高学生运用理论分析和解决工程实际问题的能力。但是该课理论性强、概念抽象、公式繁多，是学生公认的较难的课程。尤其对于城市热能应用技术专业（高职层次）教学来讲，由于学生高等数学基础薄弱，很多学不好本课程的学生，主要问题是出现在数学基础上。加上学时（56学时）有限，让初次接触该课的学生难以入门，从而产生畏惧心理。如何使《热工技术与应用》课程化难为易、化繁为简、化抽象为具体，以提高教学效果，在这里做初步研究。

二、课程改革的内容

1.教学内容的改革。本课程主要是研究热功转换及热传递规律的基本原理、概念，以及在热能工程问题上的应用。针对本课程概念多、公式多和线图多、理论性和应用性较强这些特点，在组织教学内容时努力做到：①重视基本概念和理论，精简公式推导，让学生理解基本概念和定理的实质，不必过分强调公式如何推导。②强化实际工程应用，将大量实际热力工程知识引入教学，列举大量工程实例，使学生能用热工知识分析和专业相关的实际问题，突出热工知识在城市热能应用技术专业中的应用，有助于培养学生对知识的理解和分析问题、解决问题的能力。③运用图表分析，紧密联系实际。图表分析是热工课中很重要的一部分内容，无论是工程热力学中的过程、循环、热量与功量分析，还是传热学中的换热分析计算，都以图表分析为基本工具。

2.教学方法和教学手段的改革。教学方法和教学手段的改革目的就是要提高课程教学内容的形象性、生动性和通俗易懂性，提高教与学的效率，提高教学质量。根据本课程的性质和内容，选择切实可行的教学方法，如头脑风暴法、分组讨论法、案例分析法和现场教学法等。充分利用现代化教学手段，制作了实用的多媒体课件；借助计算机多媒体演示，使抽象的概念具体化，复杂的问题简单化，繁琐的内容精炼化，实际问题形象化。①头脑风暴法。在教学过程中，针对基本概念和基本理论内容的讲解，应多引用学生身边的例子、工程应用的实例。教师引出问题，有意识地启发学生思考，让他们积极踊跃回答问题，提出自己的见解和方案。最后老师总结，选取最佳方案。这样既加深了学生对概念的理解，又充分调动了学习的积极性、主动性和创造性，并且提升了学生的工程意识和分析问题、解决问题的能力。比如在讲解圆筒壁导热章节时，向学生提出问题：为什么保温饭盒具有保温性能，并设计几种提高保温性能的方案。引导学生积极思考，最后再引申到工程实际-供热管道保温问题上来。②案例分析法。在《热工技术与应用》的教学过程中，应始终把握理论教学联系实际案例的教学思想，突出热工理论和专业相结合的重要性，让学生体会到本课程是与专业密切相关的，进一步增强学生的学习兴趣。比如讲解热力过程与循环时，联系到热力设备是如何制热的。讲解水蒸气饱和压力与饱和温度对应关系时，联系到锅炉热力设备额定工作压力与温度的调解关系。在讲到传热学稳态导热部分时，提出冬天怎样穿衣服会更温暖等问题。学生往往会反应热烈，感到热工学就在自己身边，热工理论并不是高深莫测的，从而消除了畏惧心理，提高了学习兴趣。然后再从身边的问题引申到工程实例，比如锅炉等动力设备的工作原理、热工计量测试仪器仪表的设计开发等，由浅入深，使学生由被动学习变为主动学习，充分提高的了学习效果。③现场教学法。利用实验实训室、实训基地、校企合作单位等途径，组织学生现场教学，帮助学生更好地理解、巩固所学的理论知识，也可以学到更多课堂上学不到的知识，同时加强了学生实践技能的培养。在实际授课过程中，由于我们学院地处哈尔滨，冬天特别寒冷。学院有自己的供暖锅炉房，夏天正值锅炉维修期间，我们可以带领学生到锅炉房现场讲解锅炉炉墙的组成结构。冬天是锅炉运行的季节，我们可以带领学生到现场体会锅炉炉墙的保温效果，并可以参与锅炉的热工测试全过程。不但提高了教学效果，还培养了学生的职业能力。

3.考试改革。在以往的教学过程中，对学生学习效果的评价，无论考试课还是考查课，主要是通过课程考试来实现，存在评价目标单一、评价内容片面、评价方法简单化的缺陷。所以，应该在评价标准方面做改进，督促学生学习。为了体现学生是否对所学知识真正掌握和使用，克服学生为了考试而学习的弊端，使学生走出死记硬背的学习习惯，应探讨灵活多变的考核形式，发挥学生的学习潜能。通过多种考核方式，来评定学生的成绩，有助于督促学生对基础知识的掌握与巩固，以及分析问题解决问题的能力和实际动手操作的能力。

我院是骨干高职院校，城市热能应用技术专业的人才培养模式不同于其他院校，我院的特色和优势是更加强调对学生实践应用能力的培养，注重对学生应用开发、研究、科学咨询和技术转换能力的训练。因此《热工技术与应用》课程作为城市热能应用技术专业的主要专业基础课程，通过课程改革，更加注重行业化的专业方向、应用化的课程教学方法的实施，达到工程热力学和传热学在课程设置上条理清晰，内容关联性强；充分发挥教师备课的创造性，有效避免照本宣科；更能适应行业就业特点和社会经济的发展需求，更能激发学生学习的兴趣，有利于培养学生独立思考问题的能力。

参考文献：

[1]黄敏.热工与流体力学基础[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]徐红梅.高职热工基础课程的教学改革与实践[M].中国西部科技，2006，（16）.

[3]李广华.关于热工基础系列课程改革的建议[J].装备制造技术，2010，（6）：197.

[4]黄凯旋.刘建华.热工课程教与学改革探索[J].集美大学学报，2001，（9：73.

工程热力学概念篇4

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）34-0049-02

大学作为高素质人才的聚集地，其最主要的任务就是为社会培养各类优秀的专业人才，因此，大学生的课堂学习至关重要。对于工科大学生来讲，他们在本科阶段的学概分为三个阶段：基础的公共课程学习、半基础半专业的专业基础课学习以及比较深入的专业课学习。其中，专业基础课是公共课向专业课过渡的必要途径，占据着非常重要的地位。如果没有专业基础课这一中间环节，直接从公共课跨入专业课的学习，那学生肯定会摸不着头脑，不知道从何学起。专业基础课就像是两层楼之间的台阶，一步步地把学生从基础领域带到专业领域。所以，专业基础课教学质量的好坏，直接影响到学生专业课的学习。因此，对专业基础课教学方法的探讨，是提高学生专业素质的基础。

由于专业基础课是半基础半专业性质的，因此在内容上，它既不像公共课那样涉及范围广泛、讲解层次浅显，又不像专业课对小范围的问题做出深入的讲解，而是两者取其中，对特定专业的基本内容做适当的说明。学习公共课之后，专业基础课其实并不是很难，但对于基础不同的学生来讲，理解程度上会有所偏差，这就导致了他们以后对专业课掌握程度的不同。专业基础课掌握得越扎实、理解得越到位，专业课的学习就会越轻松，进而对学生以后从事相关工作提供很大帮助。但专业基础课往往比较枯燥难懂，提不起学生的学习兴趣。兴趣是最好的老师，在学生没有学习兴趣的情况下，教学质量可想而知。因此，只有采用合理的教学方法来激发学生的学习兴趣，才能让学生加强对专业基础课内容的理解，达到理想的教学效果。

本文就以工程热力学这门专业基础课为例，谈谈提高学生学习兴趣的几种教学方法。

一 工程热力学简介

当今社会，能源工程、航空航天工程、材料工程等很多领域都直接或间接地需要热工研究作为理论基础，这无疑证明了热工研究的重要性与必要性。所以，在大学开设热工类课程是培养相关领域专业人才的必要途径。其中，工程热力学课程是重中之重。工程热力学是热能与动力工程、建筑环境与设备工程、动力机械工程、航空航天工程、化学工程、电力工程、油气储运工程、安全工程、车辆工程类等专业的专业基础课程之一，主要研究的是热能与机械能的相互转换规律及其在工程上的应用。

作为一门重要的热工类课程，工程热力学在这些专业所涉及的多门专业基础课之中，相对来说比较难。它是所有与热工相关学科的理论基础，是一门很重要的课程；它的逻辑性很强，内容又比较抽象，是一门既难教又难学的交叉学科。工程热力学的课程特点大致包括以下几个方面：

1.概念多

工程热力学中会出现大量的概念，学生会很容易将它们混淆。如循环的概念，按热力过程分类，可分为卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环、压缩空气循环、压缩蒸汽循环、热泵循环、吸收式制冷循环八个循环；功的概念，包括膨胀功、推动功、流动功、轴功、内部功和技术功等。学生要想牢固地掌握这些概念，就必须要从根本上理解它们的含义，而不能靠死记硬背。

2.公式多

工程热力学涉及内容广泛，用到的公式自然也非常多。并且，它所要解决的问题基本都与实际工程相关，公式也随着实际问题的变化而变化，这就导致会出现更多、更复杂的公式。比如，稳态问题和非稳态问题、开口系统和闭口系统、定熵过程和定压过程等，在不同情况下要使用符合各自条件的不同公式。如果一类问题都使用同一个公式，那得到的结果肯定会与实际相差很大。因此，同一类问题会因为条件的不同而衍生出更多的公式，这不仅增加了学生的掌握难度，对教师的传授也产生了一定的阻碍。

3.内容抽象

工程热力学中的很多概念和结论都很抽象，仅仅通过文字来描述，学生很难理解其涵义，因此课本上一般都会有公式来辅助。这些公式本来是为了帮助学生更好地理解，但对于基础不好的学生来说，这些公式只会让他们更加茫然。因为有很多公式不仅会用到这一章节或者这本书中其他章节所学的知识，还会涉及之前其他课程的内容，比如高等数学、大学物理等。很多课程之间都是相互关联的，所以，尽管这门课比较难，但还是要尽可能认真听，否则会对以后专业课学习产生更多的阻碍。

以上三个课程特点不仅能够反映工程热力学这一门学科，同时在一定程度上也代表了工科专业基础课共同的特点。

二 实施教学改革，引导学生的学习兴趣

1.强化概念理解

专业基础课一般都有很多的抽象概念，学生在真正理解它们之前，往往容易将这些概念混淆。在概念都没弄清楚的情况下是无法解决实际问题的。因此，教师在教学过程中，首先要帮助学生理解这些概念的真正含义，进而才能引导他们更加深入地分析问题。要想学生稳固地掌握，最有效的办法就是结合实际、化抽象为具体。利用生动形象的实例来描述抽象概念，不仅能让枯燥的课堂变得活跃，引起学生的学习兴趣，而且能让学生在轻松的氛围中理解它的含义，为以后解决专业问题打下良好的基础。

2.强化公式理解

专业基础课中出现的大量公式，必然是令学生头疼的一大部分。如果想通过自己强大的记忆力来记住这些公式的话，刚开始还会觉得有所成效，但慢慢就会发现这是个非常不明智的选择。暂且不说公式的数量之庞大，即使通过死记硬背记住了这些公式，但真正遇到具体问题的时候却不知道如何运用。所以说，公式需要理解记忆。仔细观察就会发现，很多公式之间都是有关联的。在分析同一类问题的时候会出现很多公式，其中基础的就只有几个，其余的都是由这几个基础公式推导而来。所以只需要记住几个基础公式，其余的掌握推导方法就可以了，根本没有必要浪费时间和精力在背公式上，这样既不会出现公式记不住的情况，又可以根据具体问题的条件灵活地选择公式推导的形式，举一反三。所以，老师要教给学生的不是这些公式的形式，而是一种归纳总结的方法。如何从基础公式推导出不同的复杂公式，以及如何运用这些公式，才是这一部分的教学重点。

3.合理应用多媒体技术

要想取得理想的教学效果，不仅要优化教学内容和方法，还要适当转换教学形式。在多媒体技术还没有引入大学课堂的时候，老师只能通过黑板板书和口头表达来给学生传授知识，这对于文科生来说影响不大，但对于理科来讲远远不够。以工程热力学为例，课本中有太多需要理解的内容了，只靠文字和口述根本不能表达出他们的涵义。这时，多媒体的必要性就凸显出来了。随着科学技术的发展，多媒体逐渐在课堂中得到应用，这时老师就可以将书中的抽象概念以及原理通过图片、动画等形式展现出来，让学生能更加清楚、直观地接收信息，大大提高学生的理解能力。同时，在课堂中利用多媒体，让枯燥的课堂变得生动有趣，极大地提高了学生的学习兴趣。

但是，仅仅利用多媒体教学并不是课堂形式的最佳选择，因为这样会使课堂节奏变快，以至于学生还没来得及反应就进入下一环节了，并且不能突出教学重点，让学生分不清主次、重难点。尽管多媒体技术的出现给教学带来了方便，但我们也不能完全丢弃传统的教学形式。黑板板书对于理科课堂来讲确实效果不佳，但它能很好地把握课堂节奏，并且能突出重点内容，这些优点是不能忽视的。所以说，将黑板板书与多媒体技术相结合，在黑板板书的基础上充分显现多媒体的有效性，才是最佳的课堂教学模式。

4.开展课堂互动

课堂教学不是教师单方面的传授过程，学生也是重要的参与者。如果教师只把学生当作是授课的对象，而不让学生参与到课堂教学中来，那么就很难调动起学生的学习积极性，激发学生的学习兴趣。课堂教学的目的就是让学生掌握知识，如果学生没有了听课的兴趣，那么就算是再厉害的教师也不会达到理想的教学效果。所以说，在课堂上老师应该和学生互动，这样不仅能让学生积极地参与进来，激发起他们的学习热情，而且能够及时掌握学生的学习状况，以便合理安排教学内容和时间。

课堂互动的形式多种多样，有课堂提问、小组讨论、答疑等多种形式，不同的互动形式会产生不同的效果，不过它们有一个共同的目的，那就是提高学生的学习兴趣，进而促进他们的学习。采用哪种互动形式能达到最佳的效果，就需要根据课堂具体情况而定了。比如，班级人数较多时，课堂提问的效果就不是很好，既浪费时间又不能体现多数同学的意见，这种情况下采用小组讨论的方式就比较合理，每组提出一个意见，基本能顾及到班里的每个学生。

三 结束语

作为专业课学习的基础，专业基础课教学方法的改善极其重要。在强化概念理解、强化公式理解、合理利用多媒体技术、开展课堂互动等方面实施教学改革，能够激发学生的学习兴趣，加强学生的理解能力。教学工作是一项既科学又系统的复杂工作，要想达到理想的教学效果，需要在教学过程中不断地创新与探索。

参考文献

[1]翟国栋.大学工科专业基础课教学研究与实践[J].机械制造与自动化，2007（2）：61～63

[2]陶颖、祝宝军.基于兴趣培养的工科专业基础课教学探索[J].中国科教创新导刊，2007（13）：17～18

工程热力学概念篇5

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）33-0071-02

面对社会对人才培养的需求，2012年普通高等学校本科专业目录将建筑环境与设备工程专业、建筑智能设施（部分）、建筑节能技术与工程三个专业合并，调整为建筑环境与能源应用工程专业[1]。建筑环境与能源应用工程专业是工学土木类4个本科专业之一，与土木工程、建筑学、环境科学与工程、能源与动力工程等专业交叉，专业范围扩展为建筑环境控制、城市燃气应用、建筑节能、建筑设施智能技术等领域。

在“重基础、宽口径”的形势下，夯实基础、凝练特色、优化课程体系成为专业教学改革的核心问题之一。辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业作为辽宁省普通高校本科重点支持专业，经过多年的发展，形成了“夯实专业基础、强化工程实践、注重创新、培养专业素质高和实践能力强的应用型工程技术人才”的专业特色。笔者所在的传热学课程教学团队在课程内容体系、教学方法改革等方面不断探索、实践。本文以辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业为例，从传热学的课程定位出发对课程内容优化、案例分析的运用、新成果的吸纳、师资力量建设以及教学方法改革措施等进行探讨。

一、课程描述

1.在培养方案中的定位

传热学是建筑环境与能源工程专业的一门主干专业基础课[2]，它建立在专业基础课工程热力学、流体力学之上，主要讲述建筑环境与能源应用工程专业所涵盖的暖通空调、供热工程、制冷技术、锅炉房工艺与设备等工程技术中共同的热量传递规律的科学。学生通过传热学课程的学习，可获得热量传递的基本理论、基本知识和基本技能以及传热计算的基本方法，培养学生的思维能力、分析和解决实际工程问题的能力，为学习后续课程打下必要的基础，并通过设计、实验、实习等实践教学的配合，掌握热工设备设计、提高能效等基本理论和方法，形成初步的工程实践能力。

2.与其他课程的关系

如果把本科生专业知识体系构建过程比作是教学生如何建造房子的过程[3]，那么基础课和专业基础课是教会学生如何打造房子基础的过程，专业课就是教会学生如何在基础上建造各种房子的过程。传热学作为一门核心的专业基础课，其本质是一门科学，内容相对稳定，每一个进步都会带来技术上质的变化。剖析传热学课程与其他课程之间的关系，探讨教学与学生认知过程的契合，是提高教学质量的基础。

（1）与流体力学和工程热力学课程的关系。流体力学和工程热力学是传热学的先修课程。学生通过课程的学习掌握热现象中物质能量平衡的关系及流体流动过程的力学性质和边界特点。通过基本概念、基本理论和实际应用，为学生进入建筑环境与能源应用工程专业课学习打下坚实的基础知识。同时，积极引导学生对物理概念、物理现象本质的理解，培养学生科学的思维方法。

（2）与暖通空调、热质交换原理与设备、供热工程、制冷技术、锅炉房工艺与设备等专业课的关系。这五门课程的共性问题包括热量传递过程、换热设备的类型及适用范围、换热器的设计计算与校核计算、换热过程的强化与削弱等，上述理论知识均涵盖在传热学的教学内容中。在传热学教学过程中，应概述其基本理论在其他专业课中的应用，并结合相关专业工程实例掌握传热学的基本理论，帮助学生正确理解传热学在专业课学习中的重要性。

（3）与认识实习和生产实习的关系。传热学课堂教学安排在认识实习实践环节与生产实习实践环节之间。认识实习环节帮助学生认识各类换热器的形式和功能，生产实习环节安排冷热源系统中换热器运行调试的相关内容，帮助学生巩固课程所学的理论知识，并将理论与实践相结合。

（4）与课程设计和毕业设计的关系。传热学为课程设计和毕业设计实践环节提供围护结构传热计算及各类换热器（如散热器、地埋管换热器、空气处理机组、一次网/二次网换热器、蒸发器、冷凝器、余热回收装置等）设计计算的基本理论和基本方法。通过实际工程案例的引入，使学生体会相关理论和方法的应用过程，帮助学生初步形成分析、计算与解决工程问题的能力。

二、课程建设

在专业课程体系建设中，如果每门课都片面强调自身科学的、系统的、完整的、严密的体系，势必引起专业培养方案学时的不适当膨胀。因此，将整个专业知识结构设计成为一个科学的、系统的、完整的、严密的体系，所涉及的课程服从整个体系的需要，可以使每门课程在专业知识结构中起到恰如其分的作用。在上述思想的指导下，围绕传热学课程建设提出了如下措施：

1.突出建筑环境与能源应用工程专业中传热学共性的提炼

在绪论部分引导学生认识传热学的任务、基本要求及在专业学习中的重要性。通过对传热学功能与作用的阐述，帮助学生在专业知识体系中恰当定位。传热学作为具有百年历史的经典学科，内容极其丰富，也早已自成体系，核心理论包括传热的三大基本理论模块――导热、对流和辐射，外延理论模块包括凝结、沸腾和质交换。课程理论性和逻辑性强，符合学生学习活动的心理逻辑。根据上述特点，以能量守恒定律为主线，串联起导热、对流和辐射三个理论模块，适当涉及到凝结、沸腾和质交换等相关外延理论模块。按照热量传递机理、传热过程计算方法、增强或削弱传热措施等方面归纳三类基本传热方式的共同性与区别，以及在建筑环境与能源应用工程领域的典型应用。

2.提高案例分析在课程内容中的比重

传热学理论分析较多，公式复杂且难以理解，因此在理论教学中通过典型案例来揭示抽象理论更容易被学生接受。可以通过授课中案例导入、小结中典型案例分析应用以及布置大作业等不同的方式开展，使学生深入理解基本概念、原理，并学习如何利用课程理论与方法解决实际工程问题。

3.适时吸纳本学科的创新成果

随着传热学学科的不断发展，许多新成果不断被应用于建筑环境与能源应用工程领域，这些新的知识也逐渐被引入到传热学教学中。例如微尺度传热学、生物传热学，以及螺旋折流板、双斜内肋管、微肋管等新型换热设备。对于本科学生而言，对这些新概念、新现象、新设备的认识和理解有时是比较困难的，但与专业应用关联起来可以有效拓展学生的视野，助力创新性人才培养。

4.加强教师知识和能力

通过学习和研讨，让相关教师具备坚实的传热学、工程热力学、流体力学理论基础;具有专业全局观念，了解专业人才培养模式与规格要求，清楚专业课程体系及各门课程、各实践环节在人才培养方面的作用，掌握所承担的课程与其他课程或教学环节的衔接关系;具有丰富的工程实践经验，理解工程实践对人才能力的需求;了解学科前沿和发展动态，具有工程新技术研发能力。

三、课程教学方法改革

以突出学生主体性和专业学习的实用性为原则，在传热学授课过程中综合运用了启发式教学、案例教学等方法，旨在激发学生学习兴趣、提高教学效果。

1.启发式教学

改变传统专业基础课面面俱到的灌输式教学方法，转向适合学生认知过程的启发式教学方法。从基本概念到原理运用再到技术分析，层层递进，由教师引导学生一起去思考、分析和讨论问题，让学生在主动思考中掌握新知识，同时锻炼运用知识的能力。下面以传热学中“导热微分方程”一讲为例进行分析。

该讲包含大量的偏微分方程，内容抽象，教师在讲授时将重点放在分析导热微分方程及其各项的物理意义、推导的理论基础、如何简化与应用等方面。结合本专业典型的墙体导热过程，提出工程应用问题，即“如何计算在温差作用下由分子热运动产生的热量传递”;引出解决方法，即“物理模型―数学模型―求解”求解数学物理问题的一般方法和应用“能量守恒定律与傅里叶导热定律”的基本原理;阐述导热微分方程推导过程，剖析各项物理意义，例如“为热扩散项，表征的是单位时间内从x方向导入与导出微元体的净热量”;导热微分方程的应用，设定不同的墙体导热工程情景与学生讨论方程的简化条件，例如“导热系数是定值、无内热源、稳态”等等，启发学生建立导热微分方程的简化形式与高等数学中Poisson方程、Fourier方程、Laplace方程等的联系。

用这样一种启发式教学方法，使学生不仅理解了教材中理论性极强的推导过程，还能够使学生清楚为什么导热微分方程会有非稳态项、扩散项、源项以及什么时候可以省略，同时引导学生利用高等数学中的相关知识求解简单的导热微分方程。这样，教学过程不只是简单地教材重现，而是教材的导读与深化。教材是从抽象的概念和原理入门，再落实到实际应用;而教学要从实际问题出发，引出解决问题的方法，逐步掌握正确的概念和原理，进而形成普适性的抽象理念，二者的思路方向是相反的。

2.案例教学

传热学是一门与工程实践紧密联系的科学，有许多从生产实际中抽象简化出来的案例。案例教学可以从两个角度进行，一方面以案例为切入点，引出相关的概念、原理、技术等，可使教学内容更容易被学生接受，例如在“非稳态导热”一讲中可选择高温铁锭退火的案例;另一方面以根据实际案例分析讲解例题，展示给学生如何利用概念、原理、技术等解决实际问题，做到“授人以渔”。例如在“多层平壁导热”一讲中可选择外墙外保温系统传热系数计算及优化为案例。通过案例教学帮助学生举一反三、触类旁通，在有限的学时内达到较好的教学效果。

3.实践教学

实践教学是知识传授、创新能力培养的重要载体[4]，也是传热学教学的重要组成部分。传热学中的实践教学主要体现在专业实验、课程设计、毕业设计三个环节。通过缜密的设计，建立三者之间的有机联系，减少部分验证实验和重复内容，适当增加创新性能力培养的相关内容，使学生尽快将专业知识应用与转化。安排必修实验教学8学时，其中基本型实验4学时、综合型实验4学时，开设选修创新型实验4个。供热工程、制冷技术、暖通空调、锅炉房工艺及设备等课程设计及毕业设计中涵盖了维护结构传热计算、各类换热器选型计算等。此外，鼓励学生参与专业教师的科研课题。通过产学研用的过程帮助学生完成感知、注意、记忆、理解、实践、创新的学习过程。

4.考核机制

课程的考核机制与课程理念是一致的，我们要考查的是学生对基本原理、概念和方法的掌握程度，而不是考查学生的计算能力。单一的闭卷考试模式已不适用，通过弹性的、多样的考核方式才能全面考查学生对概念的理解程度和分析问题的能力。笔者将传热学考核分为闭卷考试（60%）、实践环节（20%）、大作业（10%）和研究性学习（10%）四个部分。闭卷考试主要用于考查学生对课程的基本概念、基本理论和基本规律等基础知识的掌握程度，题目主要包括选择题、名词解释、简答题、计算题等，特别注意避免大段背书、背公式的情况。实践环节主要用于考查学生的动手能力、数据处理能力、团队协作能力等，通过专业实验操作及实验报告质量确定。大作业是案例教学的一部分，通过设计作业内容不仅训练学生对知识的运用熟练程度，还要训练学生的独立思考能力。研究性学习包括选修创新型实验、参与科研课题等形式，将其纳入到考核内容中来，可以调动学生学习积极性和主观能动性，为创新能力的培养提供平台。

5.双语教学

双语教学外语教学与学科内容相结合的体现，顺应高等教育国际化的需求。主讲教师国际化的教育背景为双语教学提供了条件。根据课程的内容、难易程度等因素，笔者选择了“绪论”、“太阳辐射”两讲开展了双语教学。学生对该教学方式比较认可，认为有利于理解专业术语、有利于国际交流和继续深造、学习有挑战性、课堂气氛活跃等，希望增加双语学习的机会。

四、结语

传热学是建筑环境与能源工程专业专业基础课的一枚基石，是学生解决工程实际问题的知识源泉。随着学科的不断发展、专业方向的不断调整，社会对专业人才需求的不断变化，类似传热学这样的专业基础课程的教学改革势在必行。只有在课程建设与教学方法改革的实践中不断摸索、研究和总结，才能使教学体系更科学、结构更合理，不断提高学生的基础知识储备水平，增强学生解决专业实践问题的能力，进而满足社会对人才培养质量的要求。

参考文献：

[1]高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会.高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：1-2.

工程热力学概念篇6

中图分类号：G718 文献标识码：B文章编号：1672-1578（2014）13-0282-02

按照新时期中职教育的要求，教师在课堂上，不仅仅是完成教学任务，更重要的是要求教师能够运用现代化教学手段，合理调整教学内容，调动学生学习的积极性，帮助学生理解掌握深奥难懂的理论知识，教学中要有互动，学生要有发挥想象的空间。面对新时期的新任务，结合以能力为本，以就业为导向的教学目标。可以看出，学生的需求和教学目的的要求是完全统一的。因此，要求我们在金属材料教学中，一定要注重理论联系实际，充分发挥学生的主导作用。铁碳合金相图在金属热加工工艺应用教学内容的处理上，应以理论教学为主线，辅以相图为综合渗透作用，使学生融会贯通，即做到对理论的掌握，又得到能力上的锻炼，故在教学中做了以下尝试。

1.金属材料与机械零件生产工艺是教学基础

因为中职学校培养的学生，毕业后将要直接面对企业的一线生产。理解和掌握金属材料到机械零件整个的生产工艺过程对他们来说是非常重要。也就是说金属材料通过铸造、锻压、焊接 机械加工、热处理等工序的加工制作最后变成零件。在生产中金属加工的工艺过程就显得非常重要。而铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。铁碳合金相图可以帮助学生，根据金属材料的成分推断其组织，由组织定性分析其力学性能，这在铸造、锻造、焊接以及热处理等方面有着广泛的应用。学习铁碳合金相图，可以全面认识碳钢、合金钢和铸铁等常用的黑色材料。

2.利用铁碳合金相图渗透金属热加工工艺的概念

2.1 铸造性能的概念提出。铸造性能的概念提出，首先通过多媒体演示铸件生产工艺过程，通过观看齿轮坯铸件生产过程。最后让学生总结得出:铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型方法。有了铸造性能概念，结合铁碳合金相图，指出ACD区是液相区，确定浇注温度一般在液相线以上150C°左右，并且可选择流动性好的合金，即接近共晶成分的合金,应用最为广泛。因为，其熔点低，结晶温度间隔小，流动性好，组织致密。所以，大型零件、复杂零件均采用铸造加工。

2.2 锻造性能的概念提出。锻造性能方面，通过多媒体演示水压机生产汽轮机转子锻件的生产过程。然后让学生总结得出结论:锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成型加工方法。并且告诉学生在铁碳合金相图AGSE区称为是奥氏体区，高温时的钢为单相奥氏体，强度不高，塑性好，便于变形加工。因此，钢材的锻压或轧制，一般要把坯料加热到奥氏体状态。确定始煅温度1150-1250 C°，终煅温度是750-800C°左右，合金钢是800-900C。重要零件生产都要采用锻造，锻造生产可以使粗大晶粒变成细小晶粒。晶粒愈细小，金属材料的力学性能愈好。但不能加工脆性材料和形状复杂的零件毛坯。

2.3 焊接性能的概念提出。焊接性能概念的提出，同样也是通过多媒体演示焊接工艺过程。在铁碳合金相图中，分析低碳钢、中碳钢、高碳钢随温度变化引起的组织转变。而对焊接专业的学生同时要掌握含碳量对钢的焊接性能的影响，钢的含碳量越高，其焊接性能越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。中碳钢的焊接性能较好，高碳钢的焊接性能较差，铸铁的焊接性能差。

2.4 热处理的概念提出。热处理工艺，是根据铁碳合金相图拟定各种热处理工艺加热规范，在金属加工中有着特别重要的意义。教学中应着重强调退火、正火是预先热处理，而淬火、回火是最终处理。通过多媒体演示让学生掌握普通热处理的基本过程。退火是适当的温度加热，保持一定的时间，缓慢冷却（炉冷）的过程。正火是将工件加热到适宜的温度，保温后在空气中冷却（空冷）的过程，由于正火的冷却速度（空冷）比退火（炉冷）稍快，所以得到的组织更细，其力学性能也有所提高，常用于改善材料的切削性能，对一些要求不高的零件作为最终热处理。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。但若零件形状较复杂，由于正火冷却速度较快，可能会使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，则以采用退火为宜。

淬火：是将钢加热AC3或AC1以上30-50 C°保温一定时间，进行快冷的过程，获得的是马氏体组织的工艺。回火：将淬火后的钢件加热到低于AC1以下的某一适当温度进行保温，再进行冷却的过程。

退火、正火、淬火、回火是普通热处理中的"四把火"，其中的淬火与回火关系密切，淬火后必须回火。 "四把火"随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。通过在铁碳合金相图中将退火、正火、淬火、回火的加热温度加以比较，学生就有了一个十分清晰的热处理工艺的概念。

3.通过实践性教学，进一步的理解和认识铁碳合金相图

为培养学生综合应用知识的能力，在讲授典型零件的热处理时，组织课堂讨论。例如：车床主轴要求轴颈的硬度为HRC56-58 HRC20-24其加工路线：

锻造――正火――机加工――轴颈表面淬火――低温回火――麽削加工。

让学生通过思考并指出：（1）主轴选用何种材料：（2）正火、表面处理、低温回火的目的和大致工艺；（3）轴颈表面处理后的组织和心部组织。

提醒同学：这是一个实际问题，选材是受多方面的因素制约的，但要掌握基本原则。

工程热力学概念篇7

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）27-0137-02

物理学习困难问题一直是国内外物理教育研究者和教育工作者们非常关注的一个难点问题。从上世纪六十年代开始，人们就这个问题从学科特点、教法、学法、学校、家庭、社会环境等多方面多角度地展开研究，并形成了若干教学模式和理论体系。而且这些研究成果用于指导教学实践，也取得了一定的成就。但是，物理学习困难的更深层次问题，还有待研究。在多年的教学实践中，笔者发现：学生不会用物理语言表达物理问题，是导致物理难学的原因之一。在物理教学中，教师要注重强化训练学生的物理语言，学生应该学会用物理语言表达生活、生产和科学技术中的物理问题。怎样训练学生的物理语言，是物理教师应该关注的问题。

一、物理语言对培养学生的思维能力的影响

在物理教学中不论是概念的建立，还是规律的认识，都是培养学生的思维能力的过程，而注重训练学生用物理语言表达物理问题是提高学生思维能力的一条有效途径。

1.什么叫做语言？什么叫做物理语言？对于语言这一概念，很多学者给出过不同的概定，郑晓顺在他的《教师实用语言艺术》中认为“语言是人类用自身发出的不同声音表达意思的符号系统，它由语音和语义构成，是人类用来交流思想、传递信息、传授知识的工具，是人际交往的工具，也是思维的工具。”在王德春的《语言学概念》中把语言定义为：音义结合的词汇和语法体系。语音是语言的“物质外壳”，语义是语言的意义内容，词汇是语言的“建筑材料”，语法是语言的组织规律。而物理学是由物理现象、概念、规律和理论构成的一门学科。在物理学的认识、研究过程中，要能用语言描述出物理现象、概念、规律和理论。那么，能表达物理现象、物理概念、物理规律和物理理论的符号系统就叫做物理语言。

2.思维的定义及类型。思维是人脑对事物间接的、概括的加工过程，它反映事物的本质属性和事物之间的规律性联系。

思维包括动作思维、形象思维和逻辑思维。思维都要借助于某种媒介进行，动作思维是借助实际的动作进行的，形象思维是借助直观的形象和表象进行的，而逻辑思维则是借助语言进行的。

3.逻辑思维的形式和一般方法。逻辑思维是以概念、判断、推理的形式反映现实事物的运动规律，以达到对事物的本质特征及其内在联系进行的认识过程。在形成概念、判断和推理的过程中，常用的方法有：分析与综合法、归纳和演绎法、特殊到一般的方法和具体到抽象等。例如，在初中物理教学中，速度、密度、压强、比热容等概念的建立，欧姆定律、阿基米德定律等规律的认识过程都运用了这些方法。

4.思维与物理语言的关系。语言是人与人交往的最重要的工具，是词汇和语法的总和。思维是反映客观事物一般特征、规律及相互联系、区别的认识过程，是人类大脑的一种机能，人在进行智力活动的时候，不论出声不出声，都有语言动觉，人在沉思默想的时候，也在运用自己的发音器官“说话”，只不过是不出声罢了。人的思维过程是需要语言参与的，而思维的结果需要语言表达出来，概念、判断和推理形成之后，必须用词语和句子把它记录下来，所以语言起着固定思维的作用。例如：比热容的认识过程，首先，通过实验，让学生认识到质量相同的不同物质，在温度变化相同的情况下，吸收的热量不同，从而让学生认识到不同物质具有吸热本领不同的属性，然后，应用分析与综合、归纳与演绎法建立起比热容这一概念。让学生知道，比热容是表示物质属性的一个概念，在比热容概念的建构中，学生如果对“质量相同的物质”、“温度变化相同”、“吸收的热量不同”等语言表达得熟练，那么，学生对比热的理解就会容易些。再比如，对阿基米德原理的认识过程，学生通过实验探究，认识了浸入液体中的物体受到的浮力，等于物体所排开的液体受到的重力。如果学生对“浸入液体中的物体”、“受到的浮力”、“物体所排开的液体”、“受到的重力”这些语言掌握得熟练，那么，学生对这一规律就会掌握得好一些。

语言不仅能固定思维的成果，而且还可以帮助思维条理化，语言可以将思维成果传递给别人。比如，牛顿第一定律是在实验的基础上，通过推理得出：运动的物体在不受力的时候总保持匀速直线运动状态。再经过分析与综合，最后归纳出：一切不受力的物体，总保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。所以，在学习物理知识的过程中，必须加强对学生的物理语言的训练。

二、物理语言对培养学生问题解决能力的影响

在新课程标准中，强调了培养分析和解决问题的能力以及合作交流的能力，在物理学中，问题解决能力就是学生应用所学的物理知识进行思考、探索、解决物理问题的能力。学生在物理学习中，经常会有“听着容易，做着难”的感觉。其主要原因是在阅读物理题时，由于学生对物理语言不熟悉，不理解一些关键语句的意思，因此，不能建构起题目所说的物理情境，分析不出问题所涉及的未知条件与已知条件之间的内在条件，解题时，不知从何入手。在与老师和同学交流的时候，心里想什么，不能用语言表达出来，所以在解决物理问题时就感觉很困惑。常有学生这样说：“老师一讲我们就懂，我们一做就不会。”回想一下，老师也不是天生就会的，只不过是老师除了对中学物理知识已形成了一定的体系，掌握了一些解决物理问题的方法之外，更重要的是能用熟练的物理语言表达物理问题罢了。所以，在教学过程中，我们应该注重训练学生的物理语言，要让他们能熟练的用物理语言表达物理问题，学生在解决物理问题的时候就会轻松一些。

三、训练学生物理语言的策略

物理语言的训练可在以下几个环节进行：

1.在新课讲授前，复习旧课时进行。课堂复习是训练物理语言的好机会，通过老师提问，学生回答，可规范、训练学生的物理语言。

2.在探究式教学的问题提出、做出猜想与假设、分析论证和评估交流时进行。

在提出问题和做出猜想与假设时，可以让学生把自己想到的问题说出来，老师可逐步引导学生用物理语言表达问题。在分析论证和交流评估时，老师可让学生根据实验、推理得出的结论，先用口头语言和书面语言表达出来，再让学生在交流的过程中，讲述整个探究过程的成功和失败之处，这也是训练物理语言的好时机。

3.在复习、讨论课中进行。在复习、讨论课中，在给学生梳理知识脉络、建构知识网络时，可以通过提问的形式、小组讨论的形式，让学生用物理语言复述所学过的知识，也可以对学生进行物理语言的训练。

总而言之，在物理教学中，重视对学生的物理语言的训练，对转变物理难学问题可以起到很好的作用。

参考文献：

工程热力学概念篇8

【中图分类号】O414.1【文献标识码】A【文章编号】1006-9682(2009)12-0069-02

准静态过程和可逆过程是热力学中的两个很重要的概念。目前国内很多教材对这两个概念并不加以明显的区分,很多文献直接冠以准静态过程的功、热量的说法。对这两个热力学过程,笔者有一些自己的看法,在这里和同行们进行共同的探讨。

一、准静态过程的定义

就热力系本身而言,热力学仅对平衡状态进行描述,“平衡”就意味着宏观是静止的;而要实现能量的转换,热力系又必须通过状态的变化即过程来完成,“过程”就意味着变化,意味着平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢?这就需要引入准平衡过程。[1]

《中国大百科全书》(物理卷)中这样定义准静态过程:[2]准静态过程是“热力学系统在变化时经历的一种理想过程,准静态过程的每一个中间状态都处于平衡态”。或者可以更明确的定义:热力学系统状态发生变化时,经历的每一中间状态都无穷接近于平衡态的热力过程称为准静态过程。

尽管实际的热力过程都是在有限的温差和压差下进行的,都是不平衡过程。但如果和弛豫时间相比,热力过程进行的足够缓慢的话,那么系统在实际过程中所经历的状态都十分接近于平衡态,以至我们可用无穷多个势差为无穷小,前后相继的平衡态来描述系统实际经过的热力过程。显然,这是一种理想化了的过程,但是这种与实际偏离、被理想化了的方法,为经典热力学描述系统经历的实际变化过程提供了可能,使得状态变化能够在热力性质图上用热力过程曲线来描述。因此,准静态过程是经典热力中一类极为重要的过程。[3]

二、可逆过程的定义

可逆过程是热力学中从另一个角度定义的一类理想过程。《中国大百科全书》(物理卷)对其这样定义:“一个系统由某个状态出发经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,能使系统回到原来的状态,同时消除了原来的过程对外界所引起的一切影响,则原来的过程就称为可逆过程”。

上述定义实际上包含了两方面的意义。因为定义中的初态和终态是任意的,所以定义的第一个意义是系统经历一个可逆过程后,可以严格地按照原来的途径返回到最初的状态,因此可逆过程必然是准静态过程。该定义的另外一个意义是,可逆过程中不存在任何的耗散损失,因此,在按其反过程返回初态后,没有给外界留下任何的痕迹。

引入可逆过程这个概念后,系统与外界功量和热量的交换能用系统的参数来计算,而无需考虑不知道情况的外界参数,从而使问题简化,而只需要把注意力放在系统,即系统内工质的状态及状态的变化描述上,这正是可逆过程的突出优点;可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失,因而可逆过程可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限;实际过程或多或少地存在着各种不可逆因素,所以实际过程都是不可逆的,为简便起见常把实际过程当作可逆过程进行分析计算,然后再用一些经验系数加以修正,这是可逆过程引入的实际意义所在。

三、准静态过程和可逆过程联系和区别

准静态过程和可逆过程既有区别又有联系,这要从两者的实现条件谈起。我们说,准静态过程中,物系要随时具有力、热和化学的平衡,即处于完全平衡中,这样才能保证准静态过程的实现。而可逆过程的实现则要求过程没有任何不可逆损失。不可逆损失可分为非平衡损失和耗散损失两大类,非平衡损失是由物系的非平衡态所引起的,其中包括力、热的和化学的不平衡损失。从这里可以看出,准静态过程没有不平衡损失。而耗散损失是因为机械摩擦阻力、流体粘性阻力以及电阻、磁阻等的作用产生的不可逆损失。对于不涉及电磁等其它现象的热功转换而言,最重要的不可逆损失是物系做宏观运动时产生的粘性摩擦生热。就热力学而言,耗散损失是一种和物质性质有关的不可逆损失。有无非平衡损失取决于系统的状态是否平衡,而有无耗散损失,损失的大小则视物性而定。

综上所述,如既无非平衡损失又无耗散损失,过程就是可逆的。准静态过程没有非平衡损失,因此是实现可逆过程的前提条件,但准静态过程并不一定就是可逆过程。比如化学纯气体在喷管内做绝热稳定流动时,垂直于流动方向的各截面上气体的压力和温度均匀一致,过程中气体状态随时处于平衡,此时流动是准静态过程,不会有非平衡损失出现。但同一截面上气体的流速并不相等,流束中心的流速大于临近管壁处的流速,因而会有流体的宏观相对运动。由于流体的粘性作用,将使气体的宏观动能一部分转化为热能而产生粘性摩擦生热的损失。这时这个流动过程是准静态过程,而不是可逆过程。反过来说,可逆过程则一定是准静态过程。

准静态过程和可逆过程的区别还在于,准静态过程的引入只是为了对系统的热力过程进行描述,并没有涉及到系统与外界功量和热量的交换。也就是说,尽管所有准静态过程都可以在热力图上表示出来,但准静态过程在p-v上过程曲线下的面积∫pdv并不代表功,把它称之为准静态过程的功是没有意义的。[4]那么,可以从理想气体的两种绝热膨胀过程进行分析。一是理想气体经过绝热的准静态的膨胀,但存在耗散损失;另外一种是理想气体经过绝热可逆膨胀。在这两个过程中,理想气体初态相同,在前一个过程中因为存在耗散,因此将有部分的机械能转化为理想气体的内能,因此其终态温度要高于第二种情况,表现在图上则如图1所示,2′点的温度要高于2点的温度。如果准静态过程曲线下面的面积代表功的话,在这样的情况下,准静态过程的功要大于可逆过程的功(图1中12′3′′31的面积大于123′31的面积),我们说,这是不符合热力学的规律的,因此,准静态过程曲线下面的面积∫pdv并不恒代表功,只有可逆过程曲线下面的面积∫pdv才代表功。这是因为准静态概念的提出侧重于描述过程,并没有涉及功热转换,而可逆过程用于分析外部条件对能量转换的影响。

图1准静态过程和可逆过程绝热过程线

四、结束语

准静态过程和可逆过程是经典热力中两个重要的概念,搞清楚两者之间的真正关系,不仅有助于对热力中两个基本概念的准确理解,澄清涉及这两个概念的一些不正确的习惯观点,而且能明确揭示不平衡自发趋于平衡现象与熵增现象之间的必然联系,对我们用热力学理论解决实际问题有很大的帮助。

参考文献

1 苏长荪.高等工程热力学[M].高等教育出版社,1996:32

工程热力学概念篇9

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理专业是材料科学与物理学的一个交叉学科，专业特点要求在课程设置上既有材料科学方面的课程又要有物理类课程。安徽工业大学材料物理专业于2003年开始进行筹划建设，2005年实现了首次招生。经过几年的探索、规划和实践，基本完成了专业定位和课程体系设置[1]，正逐步完善专业建设。现阶段，保留了量子力学，热力学与统计物理（以下简称热统）和固体物理学作为本专业的物理类必修课程。其中，热力学与统计物理是一门重要的专业基础课，无论对后续的物理类还是材料类课程的学习都起到承上启下的知识连接作用。本课程的设置目的使学生能够熟练掌握热力学和统计力学的基本原理和研究方法，逐步建立分析微观世界的思路和方法，训练学生严格的逻辑思维能力，培养演绎推理能力，提高解决具体问题的能力。

1 热力学与统计物理课程教学中存在的主要问题

热统课程内容由热力学和统计物理两部分组成。其中，热力学是研究热现象的宏观理论，它从若干经验定律出发，通过严密的逻辑演绎方法，最终给出系统的宏观热性质；而统计物理则是研究热现象的微观理论，它从微观粒子的力学规律出发，加上统计假设，获得系统的宏观性质。从内容上来看，热统课程的理论性强，教学内容繁杂。尤其，在当前高校推行素质教育和培养应用型人才的指导下，基础理论课课程教学学时均有不同程度的压缩。我校热统课程安排为40个学时，由此带来了教学学识少和教学内容多的严重矛盾。我们根据我校材料物理专业特色方向和后续课程，在热统教学内容上做出了适当的调整。

现行的热统教材理论性强，较适合理科生使用，缺乏较合适的工科材料类学生使用的热统教材。在组织教学中，我们以汪志诚编写的《热力学・统计物理（第四版）》作为主要参考教材[2]，同时综合了多本经典教材，如：胡承正编著的《热力学与统计物理学》，包景东编著的《热力学与统计物理简明教程》等[3～4]。根据我校材料物理专业培养目标和专业特色方向，本着“先进、有效、有用”的原则，对热统课程的教学内容应该进行认真清理与重构，形成适合本校实际的课程讲义。

在教学方法和考核方式上也应根据我校实际进行相应的改革。热统课程是一个理论性强的课程，其中的物理概念抽象，物理公式繁杂。安徽工业大学材料物理专业是在工科背景下成立并发展起来的，学生的数理基础相对薄弱，在学习的过程中会有些吃力。长期的教学实践告诉我们，如果采取传统的灌输式教学方法，只能使热统课堂教学枯燥无味，学生被动的接受知识，失去了学习兴趣，甚至对后续的专业课学习产生抵触情绪。另外，传统的闭卷考试常造成学生不重视平时的学习过程，期末复习只看教学课件，期待老师划重点，搞突击记忆。

针对上述现状，我们尝试着进行了教学内容，教学方法和考核方式的改革和实践。

2 教学内容的改革

2.1 优化教学内容

热统课程的热力学部分与先修课程，如大学物理、物理化学和工程化学基础的部分内容重复率较高。我们在充分了解本专业学生的先修课程和后续课程的教学内容后，对与其他课程有交叉重叠的部分进行了压缩和删减。比如：热力学部分的热力学基本定律，热力学函数，化学平衡条件，理想气体的化学平衡等都在先修课程里面作为重点内容进行讲授的。在实际教学时，只作复习性的简述或以学生自学的方式完成。但为保证热力学基本概念与规律的严格性与系统性，对重要的基本概念和定律还是进行重点讲解。通过这样的调整，节省了热力学部分的教学学时，加大了统计物理部分的学时讲授。统计物理是从宏观系统的微观结构入手，从内容上与量子力学和固体物理课程联系紧密，也为后续的计算材料学课程，甚至可为本科毕业论文工作提供前期的知识准备。在统计物理教学部分，将在先修课程中学习过的麦克斯韦速度分布率和能均分定理略讲；固体的热容量的德拜理论是固体物理课程的重点教学内容，在热统教学中，这部分只简单提及。经过这样的教学内容优化后，节省了课时，加强了课程之间的联系，提高了教学效率。

2.2 适当引入材料学科前沿内容

创新型人才的培养要求课程内容要体现先进性和现代化。通过合理的补充与热统课程相关的材料学和物理学最新的学术成就与进展，有意识的突出课程的广度，丰富和具体化基本理论内容。增加学科前沿内容，我们从两个方面进行。一方面是在讲授基础理论知识的同时，引入与该知识密切相关的科学技术发展的介绍。例如：在对温度和温标作复习简述的时候，介绍测温仪表和测温技术。电阻温度计，热电偶测温技术，红外测温技术等在后续的材料类课程学习，课程设计和实验及毕业论文工作是非常重要的一部分。在讲授气体的节流和膨胀过程一节时，介绍了获得低温的技术，以及与低温有关的材料性能的变化，超导电现象的发展历史及科研现状等；在讲授单元系的相变时，加强了对二级相变和临界现象的讲授，介绍了磁性材料，超导材料，超流体等方面的最新研究进展；在统计物理部分，介绍玻色-爱因斯坦凝聚的新进展，讲授统计物理部分的金属中的自由电子时，适当介绍计算材料学和计算物理方面的研究现状等。另一方面是通过鼓励学生现场听取相关的学术报告，或者观看相关报告的视频。通过前沿知识的适当引进，开阔了学生的视野，激发了学生的学习和科研兴趣，获得了较好的教学效果。

2.3 注重理论联系实际

材料类专业是应用性很强的专业，要求热统课程教学内容要体现实用性，加强理论与实际的联系。我们鼓励学生通过本科生科研训练计划（SRTP）和大学生创新创业计划的方式参与相关教师的课题研究，或者开设课程设计和实验。如在讲授相变的章节时，为了让学生加深对二级相变的理解，开设了高温超导转变的实验，巨磁电阻材料的相变实验等。组织学生参观学校相关的实验室，如参观计算材料实验室，使学生了解相图的理论计算方法，第一性原理计算及材料设计方法。经过这样的训练，学生对物理概念有了深入的理解，提高学生的应用能力，研究能力和创新能力。

3 教学方法和考核方式的改革

3.1 学生为主体，教师为主导

在组织课堂教学时，认真贯彻以学生为主体，教师为主导的教学思想，加强师生互动，争取使学生由被动接受知识变为主动探索知识。在课前，给学生预留思考题进行课前预习，让学生带着问题去听课，做到有的放矢。在组织教学时，对重点章节进行精讲，适时开展物理基本概念和基本问题的讨论，启发学生思考和推理。对相对容易理解的章节组织学生自学，或者制作成ppt课件，在课堂上讲解，教师在做总结式讲授。课后，要求学生独立完成作业和习题，以期加深对基本概念的理解和应用。

3.2 重物理思想 简化数学推导

在组织教学的过程中，重点讲解基本概念，突出物理思想。借助于多媒体教学，对于较抽象、难理解的概念和原理，可通过制作图文并茂的课件，或者观看相关视频的方式，使抽象的概念形象化，增强学生的感性认识。适当补充基本概念辨析题和思考题以促进学生对基本概念的深入理解和掌握。对于必要的数学推导，使用板书的方式进行详解和推导，留给学生足够的时间思考并跟上教师的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教学过程的主要环节之一，应具有实用性和针对性，并能体现学生的综合素质。我们在考核方面，加大了平时成绩的比例，增加了课堂回答问题，课堂讨论，撰写科研小论文等环节的考核。在期末的闭卷考试中，减少死记硬背的概念题和公式，把考核重点放在学生对基本物理概念的理解和基本理论知识的实际应用上。

4 实践效果

在教学实践中逐步形成了适合我校材料物理专业实际的热统课程讲义。实践证明，改革措施在缓解授课学时与教学内容的矛盾，拓宽学生知识面等方面效果显著。尤其，热统课程作为材料物理专业的前期先修基础课，对后续的课程学习起着承上启下的重要作用。通过上述的教学改革后，学生的学习积极性大大提高，热爱本专业的学习，踊跃参加SRTP和大学生创新创业的计划，甚至部分同学提前加入教师团队的课题组，对未来的工作或者继续深造充满信心。

参考文献

[1] 方道来，童六牛，夏爱林，等.材料物理专业定位及课程体系设置的探索[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2011（23）：104-105.

工程热力学概念篇10

在多年的教学实践中，很多过程装备与控制工程专业的学生对物理化学课程有一些畏难和抵触情绪。他们不理解学习该课程的目的和作用，也不清楚物理化学课程与过程装备与控制工程专业之间的联系。因此本人在教学时首先要解释二者之间的关系。过程装备与控制工程专业主要以过程工业为专业背景，涉及的一些物理、化学过程，主要有传质过程、传热过程、流动过程、反应过程、机械过程、热力学过程等。正是这些物理、化学过程，构成了过程工业的生产过程。物理化学课程就是研究上述化学变化及其相关联的物理变化的各种基本原理和共同规律。正是由于它所研究的是普遍适用于各个化学分支的理论问题，物理化学也被称之为理论化学。物理化学课程是化学、化工、轻工、材料、冶金、农林、医药、地质、生物、热工等学科的理论基础。例如化工原理是过程装备与控制工程专业基础课，要明确告诉学生物理化学课程是化工原理课程的先导课程，学好物理化学课程意义重大。同样工程热力学也是过程装备与控制工程的一门专业课程，其主要涉及物理化学课程的重要组成内容——气体和热力学内容。因此如果没有物理化学课程的讲授，则工程热力学也无从讲起。同样，过程装备与控制工程专业所涉及到的化机设备等课程中有关设备腐蚀与防护等方面的内容，与物理化学课程中的电化学内容密切相关。因此通过以上内容的阐述和解释，就可以理清物理化学课程与过程装备与控制工程专业之间的关系脉络，学生就能明白二者之间的关联性和传承性，对于教学质量的提高就大有裨益。

1.2针对专业特色选择合适的教材制定教学计划

由于课时数的限制，过程装备与控制工程专业学生的化学专业基础知识较为薄弱。物理化学课程概念抽象而复杂，公式推导繁琐，尤其是热力学理论较为抽象，类似度高、易混淆。因此选择适宜的教材才能做到因材施教，学习内容有所侧重。目前化工类专业的物理化学教材选用天津大学第五版物理化学，由高教出版社出版，上下两册。该教材内容全面，注重理论阐述的系统性和严谨性，注意与实际应用的相结合，并保持与时展的与时俱进，是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。但是由于过程装备与控制工程专业教学计划和课时数的限制，所以必须选择少学时的化工类专业(化机、材料、轻工、纺织、制药及环境等)的少学时大本教材才能完成教学大纲的要求。根据这一现状，我们选择了肖衍繁、李文斌编著、天津大学出版社的《物理化学》作为主教材，其主要内容有：气体、热力学第一定律、热力学第二定律、化学平衡、多组分系统热力学与相平衡、电化学、表面现象、化学动力学基础、胶体化学。根据课时数来制定适宜的教学计划，做到科学性、系统性和概括性。另一方面，在每一章中要选择重点掌握的知识点，要求学生重点掌握，其它内容可以让学生自学和阅读。这样做的目的在于不降低课程教学的总体要求的前提下，使学生能够掌握物理化学课程的精髓和灵魂内容，保证学生在可以接受和理解的基础上掌握知识点，过于抽象和复杂的内容则做到一般性了解即可，做到内容讲解精而透、知识点掌握有侧重。

1.3讲好绪论课和物理化学史调动学生学习兴趣

绪论是整个教材的前奏和正文内容的提纲挈领。大部分教师由于课时的限制对于绪论的讲解都是简要叙述或一言以蔽之。对于过程装备与控制工程专业的学生初学物理化学课程时，对于该课程的体系和内容会简单片面的理解为“物理”与“化学”两大课程的拼合，加之学生在化学课程和知识点方面的欠缺，对于物理化学的课程内容的理解是机械和呆板的。如何上好第一课，调动学生的兴趣，做到融会贯通是物理化学课程讲授的一大挑战。因此绪论课的讲授就显得非常重要。在绪论课中，首先要让学生清楚明白课程物理化学的概念、课程体系的内容、物理化学课程与下游专业课程的关联作用等。通过化学现象和物理现象的有机统一来阐述课程的重要性。另外一方面，为了调动学生的兴趣，加强物理化学史的讲述。通过介绍物理化学发展史及一些事件，使学生明白物理化学发展的轨迹和历史沿革，了解物理化学与物理学、化学、数学及其它相关学科之间的纵横关联性，也就使学生对物理化学课程的学习有一个准确的定位。最后，通过绪论课和物理化学史的讲述，引导学生建立良好的学习方法和态度，为后续教学内容的开展奠定良好基础。

1.4强化高等数学知识点和基础概念

由于高等数学的概念繁杂，很多学生考完试后基本都忘却了一些公式和概念。物理化学课程的公式繁多，对学生的数学基础要求较高，很多概念都是通过数学推导引出，尤其对微积分、导数等概念的掌握要求较高。因此在物理化学课程讲授中，抽象概念和原理必须通过繁琐的数学推导才能让学生明白概念的由来及使用限制条件，理解和掌握难度较大，已成为物理化学授课中的一大障碍。本人在授课中对导数、微积分、极限等概念和常规数学方法进行复习和讲解，夯实学生的数学基础，同时要求学生在课外复习高等数学，课堂进行提问和推导，使学生利用短暂的时间回忆起所学的数学知识点，与物理化学课程的教学产生衔接和对应，可以较好的保证物理化学课程的教学，也提高了学生的学习兴趣，克服畏难情绪，避免学生产生消极厌学情绪。

1.5合理利用教学手段

随着科技的发展、教学手段的创新和现代教育手段的普及化，多媒体教学已大规模应用于物理化学教学中。多媒体课件把图形、图片、文字、动画、声音、视频等信息进行高度集成和数字化，突出了信息的形象化和感染力，使得教学内容丰富多彩，形成良好的交互性、可控性，调动了学生的视觉和听觉效果，有利于促进记忆，强化教学效果。由于物理化学课程中内容繁杂，理论抽象，公式推导繁琐，因此借助于物理化学多媒体课件可以使概念形象化、加大信息量传播。教师也可以把精力和记忆集中于重点内容的讲授上，优化了备课效果，提高了教学效率。但是由于物理化学课程的自身特点，公式繁多，概念抽象，数学语言和数学符号较多，如果多媒体课件展示速度过快，导致数学公式的推导过程化弱化，无法体现出数学公式推导中的逻辑性和方向性，导致学生反应滞后，无从思考，不利于学生对课堂教学内容的吸收、消化和理解。因此，要合理利用多媒体资源，在多媒体教学中加强授课技巧，课件内容展示要合理控制节奏，不能拘泥于课件内容的限制，重点和难点内容处利用黑板教学进行推演和讲解，进行启发性讲解，加强与学生的交流互动，激发学生的兴趣，增强了学生的听课效果，提高了教学质量。

1.6结合生活实例与工程实例进行课堂教学

物理化学课程是一门理论化学，其概念和原理的描述严谨、抽象、系统化。师者，所以传道授业解惑也。因此如何将概念和原理内容正确教授给学生，并且使学生能够从深度和广度上加以理解和应用是教师授课中的重中之重。这也就要求教师本人对概念和原理要有深邃的正确理解，对其应用及条件做到触类旁通，不能形而上学、死板教条，否则将会以讹传讹、误人子弟。在授课过程中教学语言朴素化，语言描述简单明了，避免一些生僻硬拗的词汇。对于理论性内容的讲授，在不影响理论内容严谨性的前提下，可以用学生能理解的语言进行转述，同时结合生活实例和工程实例进行讲解，就能够让学生理论结合实际，提高其学习的兴趣。例如，在讲授水的三相点的知识点时，学生往往容易理解一些具体的相态或变化历程，但是对于水的相图分析感到有些困惑。可以通过解释一般冬晚结霜、夏夜凝露的原因来加强学生对水的三相点理论的掌握。从水的相图可知,在水的三相点温度以上,水蒸气才有可能凝结成液体。水气形成霜是gs的凝结过程。从水的相图可知:只有温度低于三相点温度才有可能使水气不经液体而直接凝结成固体霜。所以，只有在冬季晚间温度低于三相点温度,空气中的饱和水蒸气才可能直接形成霜;而在夏天晚间温度都高于三相点温度,故白天的水气在晚间较低温度下达到过饱和而凝结时则形成露。例如，讲解稀溶液依数性理论时，结合讲述新疆冬季混凝土施工中加入无机盐的工程实例来讲解凝点下降加强混凝土抗冻性的道理，从而使学生非常容易理解依数性的相关知识点。又例如，讲解原电池热力学理论时，结合化工设备的腐蚀及防腐等工程实例对原电池电极构成，电极分类及原则，电极反应、电池反应等做系统性介绍，让学生明白化工设备的腐蚀是一种自发的原电池反应，是一种化学能转变为电能的自发过程的产物。在解释清楚原理后，就可以顺理成章的利用已有的电化学知识点来讲解设备的防腐蚀措施。在讲课过程中，尊重学生，注重和学生的交流，培养师生感情。语气要和缓，语言表述要抑扬顿挫，调动学生情绪，活跃课堂气氛。概念和知识点讲授后要和学生积极交流，循循善诱，了解他们的理解程度和正确性。通过多方位、多实例来引导和疏通问题，做到课堂之上就能够解疑释惑，可以增强学生的积极性，提高学习兴趣，减轻学生学习压力。

工程热力学概念篇11

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）23-0076-02

1 引言

食品冷链物流（Food Cold Chain Logistics）是上海海洋大学食品科学与工程专业食品物流工程方向的专业特色。它是以制冷设施与技术作为手段，以食品冷冻冷藏工艺学作为基础的一项低温物流系统工程，过程要求易腐食品在生产、运输、贮藏、销售直至消费前的一系列环节中始终维持在食品规定的低温环境下，以减少食品损耗，保证食品质量。它是随着制冷技术的发展而建立起来的，热工学中有关热能和机械能之间相互转换的基本理论和热量传递规律，正是低温冷链物流实践应用的理论基础，而活学活用热工学的基本理论知识，对学好本专业起着至关重要的作用。

热工学是一门研究热能利用的基本原理和规律，以提高热能利用率为主要目的的课程，包括工程热力学、传热学和热工基础的应用等部分内容。其中，工程热力学和传热学构成热工学的理论基础，热能转换的基本概念、热力学两大基本定律、理想气体和蒸汽的热力性质与热力过程以及湿空气等内容属于工程热力学部分，而热传导、热对流和热辐射等3种热量传递方式的基本理论（包括导热的基本定律及稳态和非稳态导热、对流传热和辐射传热等）是传热学部分主要讲述的内容。目的是使学生掌握热能转换和利用的基本原理和规律，能够对有关热科学问题进行基本计算训练和获得解决相关工程问题的基本能力[1]。但是，学生在学习过程中反映感到困难最多的就是状态参数概念抽象、图表复杂、知识枯燥等。为此，笔者在教学实践中有以下几点体会和认识。

2 多角度分层次学习抽象概念――以熵为例

工程热力学中常用的状态参数有6个：压力、比体积、温度、熵、热力学能和焓。其中，熵的概念学生最难理解。熵是热力学第二定律导出的重要概念，在热学中得到广泛应用，近年来在经济学、生态学等其他学科中也逐渐得到重视和广泛应用[2]。

介绍“熵”这个字的历史由来 我国最初是没有“熵”这个字的，它是由Entropy这个单词根据意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来我国讲学时，我国物理学家胡刚复做翻译，根据Entropy的定义是热量除以温度所得到的商值，而且这个概念与火有关，于是就在商上另加火字旁，创造了一个新字――“熵”。

介绍熵这个概念的历史由来 熵的概念由德国物理学家鲁道夫・克劳修斯在1850年首次提出，用熵来表示能量分布在空间中的均匀程度，越集中的能量空间分布，系统的熵值就越小；而越均匀的能量分布，系统的熵值就越大，当能量完全均匀分布的系统，熵就达到最大值。

介绍熵的定义 熵是描述所有不可逆过程共同特性的热力学状态参数，它是不能再被转化做功的能量的量度。可逆过程中，δQ/T的积分值和热力过程的路径无关，因此可以断定可逆过程的δQ/T一定是某一状态参数的恰当微分，所以取名为熵（S），它的定义式为dS=δQ/T。

介绍熵的特点

1）熵是状态参数，同状态函数焓和热力学能一样，一般只计算状态参数的变化；

2）计算不可逆过程的熵变时，其值仅取决于给定的状态，与达到状态的过程无关；

3）δQ=TdS的量纲是能量，T是强度量参数，Q、S是广延量参数，计算时必须考虑体系的质量。

介绍熵的物理意义 可分为宏观和微观两个方面：从微观上讲，熵反映的是系统的无序度或混乱度；从宏观上

讲，一个热力系熵的变化，可以表示为熵流和熵产之和，对应选定的环境状态，系统熵的变化是系统无效能变化的量度。

重点介绍熵的本质 熵是一个反映自发过程不可逆性的状态参数，自然发展的情况下，系统各部分能量差总是倾向于均衡。在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵值增大，不能减少，极限的情况（可逆过程）保持不变，即孤立系的熵增原理[2]。摩擦生峋褪鞘挂徊糠只械能不可逆地转变为热，使熵增加；让一个热物体同一个冷物体相接触，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。热量由高温物体传至低温物体，整个系统由高温物体和低温物体组成，高温物体的熵减少，低温物体的熵增加，熵总变化是它们的代数和，是增加的；每一次能量从一个较高水平（比如河水下落时，最初处于较高位置）转化到一个较低水平（比如河水落到坝底，处于较低位置），都意味着下一次能再做功的能力减少了。

介绍熵在其他学科上的应用 熵是热力学第二定律导出的重要概念，它不但在热学中得到广泛应用，而且在生命科学、哲学、经济学、系统科学、生态学、历史学、文学、艺术、语言学、宗教学等社会各个领域的应用也得到很多学者的日益重视。例如：探索将生态系统熵量化为能量输出或输入与经济收入或支出之比；以货币流为参数来计算城镇生态系统的熵变；以熵与焓的关系探讨地球的熵增；生物与环境综合为一个生态系统，生命体时刻与外界进行能量、物质、信息的交换，是一个开放的系统，任何真实的系统都不能脱离环境而存在，可以用“生命熵”来独立定义，用熵来分析一个生命体生长、发育、衰老、死亡的全过程。自然界所有的生物利用和环境的能量交换趋于多样、有序、熵减小，最终被环境选择，得以进化。

3 结合应用实例学习图表知识――以焓熵图为例

水蒸气的热力性质图表是热力过程计算中的重要依据。但是对这一部分内容，学生普遍反映图表太复杂，图中等参数线太多，表中数据参数太多，水和水蒸气状态又十分复杂，应用起来很不方便。

介绍水和水蒸气图表实际应用中的优缺点 水和水蒸气的热力性质表优点是数值的准确度高，缺点是数据不连续，需要用内插法计算近似值，使得查表工作十分烦琐。水和水蒸气的热力性质图的优点是查取方便，热力过程分析更直观、清晰和方便；缺点是数值误差较大，在工程应用容许范围内。优先选用的是水和水蒸气的热力性质图，其中，温―熵图（T-s图）和压―容图（p-v图）主要是对蒸汽热力过程进行定性分析使用，而焓―熵图（h-s图）主要用作对蒸汽热力过程的功量和热量进行定量计算，应用更加广泛。

介绍焓―熵图的基本特点 温熵图中以焓为纵坐标、以熵为横坐标，上下界线分别为饱和水和饱和蒸汽线，交点为临界点，饱和水的左侧区域为过冷水区，饱和蒸汽的右侧区域为过热蒸汽区，饱和水和饱和蒸汽线下方为湿蒸汽区域。此外，图中还包括等干度线簇、等压线簇、等容线簇和等温线簇等。在湿蒸汽区，等压线与等温线重合，是一组斜率不同的直线；在过热蒸汽区，等压线与等温线不同，等压线为向上倾斜的曲线，而等温线是弯曲然后趋于平坦；等容线比等压线在向上延伸方向上更抖些，为方便区别，实用的h-s图中，定容线常用红线或虚线标出。然后，让每位学生画出焓―熵图的草图，并标出上下界线、临界点、三种状态及等干度线簇、等容线簇、等压线簇和等温线簇等，使学生掌握焓熵图的基本要点。

结合应用实例练习查图方法和步骤 学生掌握焓熵图的基本曲线及分布规律后，结合实例用焓熵图查水蒸气的参数，并进一步在图中分析水蒸气的基本热力过程。例如：给出水的温度和焓值，查图求熵值；给出压力和温度，求焓值和熵值等。这就使学生能熟练通过查焓―熵图中定温线和定焓线或者定压线和定温线，直接确定水的状态和各参数的值。

同时，为了加深对比，之后又用同样的条件，查饱和水和饱和水蒸气热力性质表和未饱和水与过热蒸汽热力性质表进行求解，使学生通过查图和表，明显感觉到水和水蒸气的热力性质表的缺c：数据不连续，需要用内插法计算近似值，使得查表工作十分烦琐。而水和水蒸气的热力性质图就克服了此缺点，查取方便，热力过程分析更直观、清晰和方便，但缺点是需要个体肉眼观察，所以数值误差较大。水和水蒸气的热力性质表的优点是数值的准确度较高。

通过应用实例，使学生深刻认识到水和水蒸气的热力性质图表的优缺点和使用场合，在工程应用容许范围内，优先选用的是水和水蒸气的热力性质图，让学生在具体的案例中熟悉并牢固掌握本课程的理论知识要点，培养学生活学活用热工学的基本理论的能力。

4 结束语

教学没有固定的模式，一个教师不仅要有渊博的知识、丰富的实践经验，还要积极思考，探讨能让学生容易接受的教学方法。教师除了从事教学以外，一定要参加科研，把握相关的学科知识前沿以丰富自己的学识，提高自己的业务水平，这是搞好教学工作的重要前提。教学中注意采用多种合理教学手段和方法，在课堂上做到深入浅出，激发学生的学习兴趣和热情，使学生加深对课程的内容理解。同时应广泛借鉴国内外先进的教学经验，勇于尝试改革、积累经验，培养学生工程实践和创新意识，这是教学工作者值得不断探索的努力方向。

工程热力学概念篇12

作者简介：衣晓青（1956-），女，山东青岛人，长沙理工大学能源与动力工程学院，教授；石尔（1979-），女，湖南长沙人，长沙理工大学能源与动力工程学院，讲师。（湖南 长沙 410004）

基金项目：本文系2011年湖南省普通高等学校教学改革研究立项项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0069-02

“工程流体力学”、“工程热力学”、“传热学”既是热工理论的三大主干课程，又是能源动力类专业（方向）的主要技术基础课。传统的教学宗旨倾向于各门基础课程自成科学体系，分别独立教学，为后续专业课程打下牢固基础。但是这种传统的教学模式死板，致使学生缺乏学习兴致，不易明确学习目的。建构主义的认知灵活性理论发现了新的教学要素——“案例教学”。按照认知灵活性理论，对以上热工理论三大基础主干课程进行优化整合，以热能动力类专业为场景，建构诸多新的知识点教学，组织全新的热工理论基础课程体系，可以使热工理论基础课教学克服以上不足。

一、打破僵化教学：认知灵活性理论的应用

建构主义教学理论冲破了传统教学模式，克服了“填鸭式”教学把学生作为小绵羊驯服的弊端。[1]作为建构主义教学理论中的一个分支，斯皮罗提出的“认知灵活性”理论很好地解决了“死记硬背”传统与极端建构主义（忽视抽象养成）之间的矛盾。认知灵活性理论的主要思想就是：通过情景（境）展现基本概念和基础理论工具，学生既可以掌握基础理论知识，又可以按抽象思维方式，放开视野寻找新的分析问题的工具。

为了解决传统与极端的冲突，斯皮罗把知识抽象为两种不同性质的结构：良构的与非良构的两种领域。[2]良构的即是指：按照抽象思维，从概念到原理的演绎解析的知识体系，符合科学意义上的正统规范。非良构的即是指：在具体场景（案例）中，隐透出的各种良性结构的知识叠合；这种叠合的基础知识能够解释或解决具体场景问题；不同的场景有不同的良性结构知识叠合的诠释。由此得出结论，良性结构知识就存在于非良性结构知识之中，“认知灵活性”教学就可以让学生通过非良性知识教学获得更加深刻的良性结构的系统知识，而且是积极主动地、生动有趣地接受之。

热工理论是研究热（能）在释放、转换和传递中的流体流动及传热传质等问题的科学，涉及流体运动规律、热（能）转换与传递规律。按照认知灵活性理论的教学观，热工理论基础课教学也可分类为良构性和非良构性。热工理论的三大主干课程“工程流体力学”、“工程热力学”和“传热学”分别作为单独体系教学的基本概念、基本理论和基本知识的层次组织结构，应属于良构性领域，其传统的教学方式就是从概念到概念、从原理到原理、从公式到公式的演绎解析，逻辑性很强，范式文本较固定，程式较稳定，测验作业较死板。

“认知灵活性”教学理论认为，这种教学方式僵化、被动，既不能启动学生的兴趣，也不能启发学生的创造想象力，学生容易落入死记硬背、教条主义的套路，缺乏广泛的知识联系和举一反三的思维训练，更缺乏给学生以另辟蹊径的想象空间。如果以流体介质为对象将热工理论三大主干课程进行优化整合（杂交），并以热工理论应用为主线，将能源动力类相关专业作为场景，构成非良构性知识结构，其所涉及的具体问题具有复杂背景和综合影响因素，能够从问题入手引出综合知识的有机联系，开阔学生发展思路，引导学生融会贯通，指导学生熟知专业背景。这种按照认知灵活性教学理论建立起来的热工理论基础课程的非良构性知识体系会冲破传统的各自为主的单科系统性的课程教学模式，有利于克服“高分低能”的应试教育倾向，培养面对知识时代和信息社会的创新型人才。

二、创建问题教学：热工理论基础三大主干课程的优化整合

认知灵活性理论认为：学习者在建构知识意义的过程中，只有对知识进行多维表征，才能达到对知识的全面理解和灵活运用。这也是指导热工理论基础三大主干课程进行优化整合的基本思想。热工理论基础三大主干课程“工程热力学”、“传热学”和“工程流体力学”是主要以流体介质为研究对象而紧密联系在一起的动力类技术基础性课程，三门课程相互依存，共同构成了热工理论的主干课程体系。其中，工程流体力学是研究流体介质的位置势能、压力势能和动能之间的相互作用的关系；工程热力学是研究热能与机械能之间的相互转换的规律；传热学是研究热量从高温部分传递到低温部分的机理。由此可见，能（热）量转换与守恒定律是热工理论三大主干课程进行优化整合的内在动力。

基础课理论自身系统的完善性使任何改动需求都带有相当大的难度，只有进行优化整合，才能在不断调整和深化过程中发展新的学习要素。例如，“传热和流体流动的数值方法”课程就是将传热学、流体力学知识进行融合后加入到数值计算科学这一更为广泛的学科领域，为热工理论知识的进一步发展奠定了基础。同时，通过这一知识的优化整合，多维表征得以实现，使学生建构起在热科学和流体科学中可以直接迁移和引用的关于热物理方面的知识，超越了封闭、孤立课程所给的单一信息模式。

如果说热工理论的三大主干课程“工程流体力学”、“工程热力学”和“传热学”分别作为单独体系教学是良性结构知识的传授，那么，把“三课”拆分，再按照具体能量转换的场景问题有机组合，这种教学模式就属于非良性结构教学。乔纳生等人的研究把前者称作低阶学习阶段，把后者称作高级学习阶段。[3]高级学习阶段优于低级学习阶段的实质就是变公式学习为问题学习。问题学习对于热工基础理论教学来说，打破其三大主干课程的各自理论体系是必然的，是要针对具体的场景问题而进行知识交叉组合。值得注意的是：根据认知灵活性教学理论，这种知识体系重组，必须避免极端建构主义干扰，必须遵循“专业问题、溯本求源、知识联系”三原则，才是优化的、高级的教学模式。

三、重复多变教学：能源动力类专业问题逆向渗透于热工理论基础课程

非良构的知识体系与良构性知识体系的区别就在于：一是前者比后者建立的概念庞大、复杂，它往往是多个不同学科孤立概念的交集；二是前者比后者建立的概念有很大的多变性，这是由问题教学场景多变性所决定的。热工理论基础知识在航天、航空、热能动力、化工、核热工、低温工程、冶金热工、微电子技术、材料和建筑等各个领域都有具体的应用，从知识体系的角度来看，其展现的知识点都是非良性的。实际上，在能源动力类相关专业的不同场景下，其呈现的非良性知识结构也存在着很大的差异性。例如，工程热力学中的热经济性指标在热机循环中的应用是热效率，而在制冷循环中的应用是制冷系数。这说明热经济性概念在实际应用过程中具有复杂性。又如，流体力学在电厂中的应用以管内流动、物体绕流为主，而在建筑环境与设备工程专业中的应用以室内外环境通风、换气的流动为主。传热学中对于散热器来说需要强化传热效果，对于建筑物屏蔽掩体则要抵制传热。

在针对能源动力类专业的热工理论基础课程进行新的建构中，按照认知灵活性教学理论，必须将原有良性结构体系的知识与专业场景结合起来。这种有专业针对性的知识渗透，有学者称其为专家知识学习阶段，属于更高层次。[2]比如，把能源动力类专业（方向）的“流体力学”、“泵与风机”两门课程整合为热工理论基础课“泵与风机的流体流动”一章，以流体力学知识为基础，反映了流体力学基本原理在流体机械中的具体应用场景，通过多媒体教学课件可以使学生建构泵与风机工作原理和结构的多维图式，达到对流体力学基础理论知识全面理解和灵活运用的目的。

按照斯皮罗的认知灵活性理论规范，对应专家知识学习阶段的教学模式即“随机通达教学法”，它的主要特点就是针对专业的众多场景链，反复从不同问题视角，以不同的基本知识、基本公式、基本理论的多样组合，不断给予学习者良性知识的刺激，这会使学习者通过反复的从各种变式到抽象的过程，不断加深对良性结构知识的各种理解，而且有助于学习者历练分析问题和解决问题的能力，发挥创造性思维，为今后在专业上有所建树打下坚实的学习基础。贯穿于这一思想的新的“热工理论基础”课程体系，组织“锅炉工质流动与热交换”、“汽轮机流体流动与功能转换效率”、“热力发电厂工质循环与热效率”等章节，探讨基于专家知识学习理念的非良构知识领域的显性建构，加入热能动力类专业知识对热工理论基础课的反向渗透，有效增加课程教学的深度和广度这一结果就自然生成了。

除了书本专业知识的反向渗透以外，通过与科研、生产单位合作的科研课题的有机结合，也是专家知识学习阶段的案例来源。例如，教师通过某钢铁公司锅炉尾部烟道声学振动问题的科研活动，向学生们提出卡门涡街产生机理、影响因素以及卡门涡街产生后对设备及系统的危害和消除卡门涡街的措施等诸多学科问题，从而认知基本理论。

参考文献：