李光霽

[摘 要]“工程熱力學與傳熱學”是一門研究熱能的利用和傳熱規(guī)律的課程，概念繁多，理論性較強。為了激發(fā)學生在學習中的主動性和創(chuàng)造性，該論文結合作者的教學經驗提出了以下兩個觀點：第一，用現(xiàn)實的工程問題啟發(fā)引導學生學習熱力學的基本理論，使學生能利用基本理論解決和日常生活密切相關的問題。第二，工程熱力學和傳熱學的研究內容都與熱能有關，但是側重點不同，將兩者的相關概念進行對比講解，有助于學生加深對要掌握的知識點的理解與記憶。

[關鍵詞]工程熱力學與傳熱學；教學方法；課程改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）05-0071-03

工程熱力學與傳熱學是過程裝備與控制工程專業(yè)核心課程之一，它與實際應用結合得非常緊密， 對實際工程實踐中出現(xiàn)的問題進行簡化和具體化形成的理論體系[1]。這門課程主要有以下特點：相關概念特別多， 如[籽] [用]可以分為熱量[籽] [用]、冷量[籽] [用]、物質[籽] [用]、功源[籽] [用]等，而功源[籽] [用]又可分為電力[籽] [用]、水力[] [用]、風力[籽] [用]、地力[籽] [用]、波浪[籽] [用]等；濕空氣熱力過程可分為加熱或冷卻、絕熱加濕、冷卻去濕和增壓冷凝過程等。另外，部分概念、定義較為抽象， 如自由能、自由焓、化學位、活度、相平衡等概念，學生對這些概念和定義往往一知半解、似懂非懂， 進而產生學習畏難情緒。激發(fā)并培養(yǎng)學生的學習興趣，是教學成功的重要環(huán)節(jié)。如何結合本課程特點，利用不同教學方式有效調動學生對工程熱力學與傳熱學知識學習的主動性和創(chuàng)造性，筆者進行了以下改革探索。

一是舉一些生活中與熱力相關的物理現(xiàn)象做例子，并用熱力學知識給予生動的講解，使學生聽課時能集中注意力。用現(xiàn)實的工程問題引導學生主動積極地分析問題，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力與工程師思維能力。比如在講熵的概念時筆者提出問題：物體的溫度升高一定會吸收熱量嗎？大部分學生認為一定吸熱，然后筆者就引入熵的相關知識來解答。用這種方法，既調動了學生的學習積極性，又加深了學生對熵的理解。

二是及時引導學生復習之前學過的知識點，使學生明確之前的知識點和新知識點之間的聯(lián)系，提升其學習效果。如前所述，工程熱力學和傳熱學的知識點多，學生很難在短期內掌握這些知識點，而新的內容又來了，尤其面對大量專業(yè)術語時學生更是一頭霧水，這樣日積月累學生就會逐漸失去對工程熱力學與傳熱學的學習興趣，更不用說學習信心。這往往是很多機械工程專業(yè)的普遍問題。因此，工程熱力學與傳熱學課程應該上慢一點，每堂課都要上實，在上新內容時要及時回顧前面學過的有關知識和概念，幫助學生明確新舊知識的聯(lián)系并加深其理解。比如筆者在講授余隙容積前先給學生復習之前上過的公差配合及工藝的知識，這樣學生就會比較容易接受余隙容積的概念，從而真正掌握余隙容積對壓縮機的實際影響。

三是用統(tǒng)計學觀點探討過程的不可逆性，用熵的熱力學第二定律研究過程進行的方向性。在講解這一定律時，為了讓學生從根本上理解它，筆者用微觀統(tǒng)計學方法進行闡述，以氣體自由膨脹為例，將容器分成容積相等的A、B兩部分，并將不同顏色的4個氣體分子放到容器中。4個分子最初都集中在容器的A部，把隔板抽出后不同顏色的4個分子會向容器的B部擴散并在容器內做無規(guī)則運動。此時，不同顏色的4個分子在容器中所有可能的分布情形如下：4個分子都在A部；3個分子在A部，1個分子在B部；2個分子在A部，2個分子在B部；1個分子在A部，3個分子在B部；4個分子都在B部。每種宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)分別為1種、4種、6種、4種、1種，共有24=16種可能的方式，以均勻分布的微觀態(tài)數(shù)最多，對于實際氣體分子N～1023/mol，全部聚于容器A部的概率為1/2[1023]，發(fā)生的可能性為零。以上分析很好地解釋了熱力學第二定律中機械能會自發(fā)地100%轉化成熱能，而熱能不會自發(fā)地100%轉化為機械能。雜亂運動對應的微觀態(tài)數(shù)多于有規(guī)律運動的微觀態(tài)數(shù)[1]。分子的這種方向性正是從較高品質位能向較低品質位能轉化的。由于機械能能質高于熱能能質，而機械運動總是存在摩擦，機械能總是會有一部分自發(fā)地轉化成熱能，而熱能轉化成機械能則不能自發(fā)實現(xiàn)。此種教學方法能使學生真正理解熱力學第二定律的自發(fā)性和方向性。

四是引導學生學會運用第一定律理論解決學習和生活中遇到的相關問題。工程熱力學理論性較強，涉及的公式繁多，學生普遍感到枯燥難學，和自己的生活聯(lián)系不緊密。針對這種情況，教師上課時要多準備一些和日常生活密切相關的例子，提高他們的學習興趣。比如很多學生學了熱力學第一定律以后覺得沒有什么用，筆者就列舉了兩個與電冰箱相關的問題，然后用第一定律來解答。例題1：一臺電冰箱放在門窗緊閉的房間內，打開冰箱的大門就有一股涼氣撲面而來，那么能否通過敞開冰箱大門降低室內溫度？門窗緊閉的房間視為與外界沒有熱量交換，可看作是絕熱閉口系。當系統(tǒng)內部的電冰箱運轉時有電功輸入系統(tǒng)，即W為負值。根據(jù)閉口系能量方程0=△U+W，△U為正值，即溫度會升高，因而不能達到降溫的目的。例題2：門窗緊閉的房間內安裝空調器后，為啥能起到制冷的作用？房間內安裝空調，雖然門窗仍然緊閉，但是由于空調器安裝在窗上，通過邊界向大氣環(huán)境散熱，此時的房間不再是絕熱的，而是向外界放熱，所以Q為負值。室內空調器仍舊有電功W輸入系統(tǒng)，W為負值。只要Q的絕對值大于W的絕對值，使△U<0就可以使室內空氣溫度降低。這樣用生活實例開展教學可以極大增強學生的學習興趣，加深學生對理論的理解，取得很好的教學效果。

五是講透基本概念，幫助學生深度理解。工程熱力學涉及很多基本概念，對這些基本概念的深刻理解是學好這門課的前提和基礎，如何講好基本概念成為教師首先要思考和解決的問題。我們上課的時候要盡量避免就概念講概念，而是要注重講解概念與實際應用的關系和聯(lián)系，從生活常見現(xiàn)象中引出問題，激發(fā)學生的興趣，使學生能積極主動地思考，提高授課的效果。比如在講授熱力平衡的時候要反反復復強調三點：系統(tǒng)與外界沒有相互作用；系統(tǒng)內沒有勢差（溫度差和壓力差）；系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定，不隨時間變化而變化。學生通常能理解第三點，而對第一、第二兩點總是忽略。針對這種情況，筆者舉了一個例子：一根鐵棒，一端在冰水混合物中，另一端在沸水中，一段時間后，鐵棒會處于平衡態(tài)嗎？ [2]通過教師對例題的講解分析，學生真正理解掌握了這個概念。

再比如學生問：為什么閉口系統(tǒng)能量方程式能用到開口系統(tǒng)中？因為穩(wěn)態(tài)流動是一個開口系統(tǒng)，但是進入系統(tǒng)的質量和離開系統(tǒng)的質量相等，系統(tǒng)內部質量保持恒定，所以穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)是可以應用閉口系統(tǒng)的能量方程式。還有的學生從《蒸汽動力循環(huán)》一章中提到這個問題：乏汽從汽輪機流出，在凝汽器中放熱后重新進入鍋爐循環(huán)，如果乏汽不在凝汽器中對外放熱而是直接進入鍋爐，是不是比較節(jié)能？從理論上看這種假設的確節(jié)能，但是不具有可行性?？梢杂脽崃W第二定律對此做出解釋：如果乏汽不在凝汽器中對外放熱而是直接進入鍋爐，就變成單一熱源做功，根據(jù)開爾文的說法，這種單一熱源循環(huán)做功是不可能實現(xiàn)的。這兩個問題很具有典型性和代表性，通過這樣的啟發(fā)和引導，鍛煉了學生思維的批判性和發(fā)散性，這比起只向學生灌輸知識、學生又只是一知半解的效果好多了。

六是用比較的方法講授工程熱力學與傳熱學相關聯(lián)的內容。工程熱力學和傳熱學的研究內容都與熱能有關，工程熱力學側重于研究熱能和其他形式能間的相互轉換以及能量與物質特性之間的關系，這些能量轉換要服從熱力學基本定律，轉換過程要借助特定工質來實現(xiàn)，也需要通過各種設備實現(xiàn)。因此研究工質的熱力性質，對能量裝置的能量衡算在熱力學教學中顯得至關重要，而傳熱學主要研究熱能傳遞的規(guī)律。

應該指出的是，傳熱學、工程熱力學中均有很多知識點與高中物理熱學部分的知識有一定的聯(lián)系，如工程熱力學中有功與熱量，傳熱學中熱量傳遞有三種基本方式（傳熱、對流與熱輻射）等，其概念相同但其物理意義卻不同，很容易使學生發(fā)生混淆。如高中物理中功的定義式是力乘以沿力的方向上發(fā)生的位移，而在工程熱力學中討論氣體做功，力不是恒定值，在力的方向上產生的位移不容易確定?？梢?，在工程熱力學中用的是氣體的體積變化功公式，而對熱量傳遞的研究，傳熱學要比物理學的相關內容深入得多，然后進一步闡述三種熱傳遞方式在換熱器中的綜合應用。將相同概念不同含義的知識點進行對比講解，有助于加深學生對要掌握的知識點的理解與記憶。

本門課程的研究方法主要有宏觀和微觀兩種方法，而將這些研究方法用來處理實際問題時，必須抽出問題的共性及主要矛盾，而略去細節(jié)和次要矛盾。例如將高溫氣體視為理想氣體，將高溫煙氣及大氣環(huán)境視為恒溫熱源，在分析各種循環(huán)時，把實際上都是不可逆的過程理想化為可逆過程，然后再按照實際中的不可逆程度予以校正。這些思維模式對于學好該課程都是非常重要的。因此在講解相關知識內容時，要用比較的方法將實際問題與理想化設想進行有效對比，這樣有助于學生明確所研究內容的脈絡，減少困擾，加深理解。

傳熱學與工程熱力學均對傳熱過程進行了相關的分析和計算，而且都用到熱平衡方程。此外，工程熱力學還分析了傳熱的方向性，而傳熱學側重于對傳熱中流體溫度分布情況及傳熱壁面內溫度分布的闡述以及對傳熱量的計算[3]，對于這方面的知識在講解時也有必要講清楚其關聯(lián)性。

七是利用多媒體技術形象化展示知識點，提高教學的趣味性。改變傳統(tǒng)工程熱力學比較刻板、晦澀的印象，關鍵是要改變以往填鴨式教學方式。在授課過程中筆者積極采用PowerPoint、Flash 等多媒體制作軟件， 借助多媒體技術將工程熱力學課程的許多工程實際問題制作成Flash短片，以講故事的方式把相應的知識點進行動態(tài)演示，更生動、直觀地體現(xiàn)熱力學在其中的應用，這樣既有助于將教學重難點講清楚講透徹， 又可以活躍課堂氣氛，營造師生積極互動的課堂氛圍， 同時向學生傳遞大量的信息。

在授課時筆者還將最新的學術進展情況融入課程授課之中，既可以加深學生對學術前沿的了解，又開闊了學生的眼界。比如在講授熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)的時候，先給學生講解它們的工作原理及能量方程，再給學生講解相關水源熱泵的知識。水源熱泵利用的是地能（包括土壤或地表水、地下水等），是一種既能供熱又能制冷的高效的節(jié)能空調系統(tǒng)。水源熱泵就是通過少量高品位能源（例如電能）的輸入來實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。地能既可以在冬季作為熱泵供暖，又可以在夏季作為空調的制冷源。筆者通過對水源的講解，讓學生理解并掌握制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)的工作原理，從而對熱力學第二定律有了更為深刻的認識和理解。

八是講解兩大定律背后的科學史，提高學生對科學探索的興趣。工程熱力學的兩大理論支柱是熱力學第一定律和第二定律，這兩大理論在教學過程中占有很重要的位置。這兩大定律的形成和科學史的發(fā)展密切相關，有一些概念（如熵等）還被很廣泛地應用到其他學科中。為了讓學生深入地理解并能熟練運用，避免在學習過程中產生厭學情緒，授課時筆者嘗試增加了相關的科學史知識。例如在講授熱力學第一定律時介紹“熱動說”與“熱素說”的爭論[4-5]，以及許多科學家如倫福德、戴維、牛頓和卡諾等在反駁并推翻“熱素說”、最終確定“熱動說”的貢獻。在講授熱力學第二定律時筆者增加了“熱寂說”的相關知識。這樣既增加了授課的趣味性，也拓寬了學生的知識面。

教學始終是高等學校教育的中心，也是教師的本職工作，需要教師認真地對待。要使學生從難學、苦學轉變成好學、樂學，還有待于教師在實踐中進一步探索。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張輝，張博，潘寧.獨立學院熱能與動力工程專業(yè)基礎課教學探索[J].制冷與空調，2009（6）：83-85.

[2] 任曉利，陳小磚.提高“工程熱力學”課程教學效果的幾點體會[J].中國電力教育，2009（13）：49-50.

[3] 章熙民，朱彤，安青松，等.傳熱學：第6版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

[4] 段雪濤，劉春梅，王學濤.工程熱力學課程教學改革探討[J].制冷與空調，2009（3）：103-105.

[5] 張琴，張慢來，黃天成. 啟發(fā)式教學在《工程熱力學》中的應用[J].科技信息， 2008（28）：486+507.

[責任編輯：龐丹丹]