高等工科《工程热力学》创新教学模式研究和实践

摘要:《工程热力学》是国内外高等学校理工科专业本科生的核心课程之一,同时也是国内外大学重点资助和教学改革领先的课程。随着国内高等教育《工程热力学》教学向宽口径、多专业、宽学时的教学模式转型,现阶段教学模式存在一系列问题。与传统教学模式中偏重成熟理论与知识的传授相比,创新的教学模式加强工科学生素质教育,加强创新能力、解决实际能力与实践能力的培养,体现在教学理念的革新、教学内容的改进与提升以及现代化教学技术手段的应用,从而充分挖掘课程的教学深度和广度,培养学生的创新能力。

关键词:工程热力学;创新;教学模式

一、创新《工程热力学》教学模式的重要性

《工程热力学》是研究热能有效利用以及热能与其他能量转换规律的科学,是国内外高等学校能源动力、机械、土木、航空航天、低温制冷、食品工程、化学工程、环境工程等工科专业本科生的核心课程之一,同时也是国内外大学重点资助和教学改革领先的课程。其中,美国麻省理工大学和普度大学,德国汉堡工业大学的《工程热力学》课程建设处于国际领先地位。

传统高等工科《工程热力学》教学模式侧重于高等工科能源动力类专业,但是随着国内高等教育《工程热力学》教学向宽口径、多专业、宽学时教学培养模式的转型,此种模式显然不能适应时代发展的要求。特别是不同专业方向需要根据其实际特点调整教学内容和课程体系,从而适应专业学习的需要。

以上问题并非国内高等工科教育独有。2007年,受美国自然科学基金会的资助,美国Connecticut大学举办了名为“传输现象研究和教育前沿:能源系统、生态系统、国家安全、信息技术和纳米技术”的研讨会,会议报告的教育部分特别提到了要改进现有传热传质领域的教学体系,从而保证美国在可再生能源领域的全球领导力。此外,近年来在节能减排和可再生能源开发领域,出现了大量的与《工程热力学》研究领域直接相关的新技术与新成果,包括二氧化碳减排技术、工业节能、新型动力循环、新能源汽车、能量的梯级利用原理等内容,很少在现有的《工程热力学》课程体系中得到及时体现和反馈,从而造成教学和实践的脱节。

因此,建立与时俱进的《工程热力学》创新教学体系及与之密切相关的问题研究就显得尤为突出。正如美国传热学最高奖Max Jacob获得者,杜克大学A. Bejan教授指出的那样:伴随着新世纪的到来,我们正在目睹热力学教学方式革命性的变革。

二、目前工科《工程热力学》教学模式的主要问题

与国外工科大学相比,目前国内高等工科《工程热力学》教学模式的存在如下问题:

1.《工程热力学》作为技术基础课多主要开设在热能动力、空调制冷、低温工程等传统能源与动力类专业,而只有部分高校在食品工程、航空航天、机械工程、材料科学与工程、工业过程(物流)等相关专业开设本课程。从国外大学来看,在高等工程教育中开设《工程热力学》是相当普遍的,覆盖材料、机械、环境、交通、航空航天、力学及生物工程等多个专业。关于境外大学工科专业开设情况的详细情况祥见文献。

2.教学内容相对更新较慢,落后于科学与技术发展。不少较为成熟的科技新进展新成果没有及时地反映到教学中来。以发电技术为例,超临界和超超临界循环是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及我国要积极研发的方向。但是,现行《工程热力学》教材中对此几乎没有反映;新能源的开发与能量的直接转换技术是关系到环境保护与可持续发展的大问题,然而教材和教学中也并没有占有相应的重要地位等等。

3.课程教学方式偏重于知识传授,在创新能力培养方面注意不够,教学方法以灌输式居多,而启发式、讨论式、师生互动式的教学方式则运用较少。

三、创新教学模式的研究与实践

笔者于2004~2009年在哈尔滨工业大学本科生热能工程、航天工程与力学、食品科学与工程等多专业教学实践过程中,采用了创新的教学方式。对食品工程专业,减少热力过程和热力循环的内容,增加食品热物性、食品储存、冷藏与冷冻设备热力学原理的内容;对于航空航天类专业,则需要提高基础热力学理论的授课深度,并结合流体力学和传热学知识,并适当减少热力循环中关于发电的内容,加入火箭发动机和空气动力学的教学内容。与传统教学模式相对比,创新教学模式的细节内容如表1所示。

与《工程热力学》传统教学模式中偏重成熟知识的传授相比,创新的教学模式注重在教学中引入与相关学科和领域的探索性内容及在工程实践中应用的内容,从而充分挖掘课程的教学深度和广度,继而培养学生的创造力。

针对现在本科生英语和计算机应用能力普遍较高的特点,在教学过程中通过让学生多阅读英文专业资料,从而提高外语阅读水平及获取知识的能力,实现原有教学模式中习题求解模式从以手工解题为主到为以计算机求解为主的改变,从而培养学生应用计算机的能力。

此外,结合工程专业的科研活动,通过课程设计和课程论文,让学生自己查阅资料,自己动手分析和解决问题,从而培养他们的创造性思维能力和独立研究的能力,论文题目包括中国可再生能源利用现状调研、日常生活节能方案、教室照明用电浪费情况调查、航天系统能源设备调研等。表2给出了2006年本科生完成的《2006年秋季学期主楼B51教室照明用电浪费情况调查》的主要内容。

四、结论

随着国内高等教育《工程热力学》教学向宽口径、多专业、宽学时的教学模式转型,现阶段教学模式存在一系列问题。本文结合笔者教学改革实践和国内外《工程热力学》教学发展状况,提出的了创新的教学模式,包括教学理念、课程体系、教学内容、教学方法、考试方法和实践教学等多层次多环节的创新。该模式注重在教学中引入与相关学科和领域的探索性内容,结合工程专业的科研实践活动,让学生自己查阅资料,自己动手分析和解决问题,从而培养创造性思维能力和独立研究能力,继而培养学生的创造力。

参考文献:

[1] T.L. Bergman, A. Faghri, R. Viskanta, Frontiers in transport phenomena research and education: Energy systems, biological systems, security, information technology and nanotechnology, International J. of Heat and Mass Transfer, 51, 2008, 4599-4613.

[2] 杨玉顺,张昊春,贺志宏.工程热力学.机械工程出版社,2009.

[3] Marc A. Rosen, Thermodynamics education: Is present coverage of exergy sufficient and appropriate? Exergy, an International Journal, 2, 2002: 207-210.

[4] A. Bejan, New century, new methods, Exergy, an International Journal, 2, 2001.

[5]陶文铨,何雅玲,王秋旺.境外大学工科专业热工类课程的设置. 高等工程教育研究.2000, 7:93-97 .

[6] Kenneth D. Forbus, Peter B. Whalley, John O. Everett, et al, CyclePad: An articulate virtual laboratory for engineering thermodynamics, Artificial Intelligence, 114 (1-2), 1999, 297-347.

编辑/刘文捷

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