机械类热工基础课程教学改革研究与实践

时间：2024-08-31

蔡佳佳，袁银梅，张超，李海金，谢谦

(1.安徽工业大学能源与环境学院；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243002)

热工基础是机械设计制造及其自动化、车辆工程和机械工程专业的专业必修课程。课程分为工程热力学和传热学两部分内容，先修课程有高等数学、大学物理。本课程的教学目的是通过学习，掌握能量转换与传递的基本规律，并能正确运用所学内容理论联系实际地对热工设备进行热力过程、热力循环的分析和计算，并具备一定的分析问题，解决在设备与系统的研究、设计、开发、生产、工程管控等领域中相关问题的能力，是培养复合、创新型工程技术人才素质的必备环节[1-3]。

热工基础的工程热力学部分主要研究对象是在热能间接利用中热能与机械能相互转换的规律；传热学部分主要研究对象是在热能直接利用中热量传递的规律，所以本门课程涉及的知识面较广、理论性较强、概念较抽象、公式较多、计算复杂。学生在学习过程中存在对课程没有兴趣或兴趣不足、课前不预习、课上开小差、课后不复习等问题，导致学生的学习效果较差。为了能使学生更高效、更透彻地掌握课程内容，在教学过程中我们以理解掌握概念、理论联系实际为教学重点，进行如下方面的尝试，获得了良好的教学效果。

一、重视绪论课的教学效果

绪论课是正式开始教学的前沿课，具有启发和培养学生学习兴趣、宏观了解课程整体内容的主要作用[4]。通过充分组织教学内容、研究教学方法，认真备课，针对授课对象实际，采用由浅入深、理论联系实际的方式，将晦涩难懂、生疏的内容用浅显易懂的方式娓娓道来。

比如，工程热力学主要研究热能与其他能量(主要是机械能)之间相互转换的规律及其应用，本部分内容着重介绍了通过热力设备，如内燃机、汽轮机等将热能转换为机械能的过程中涉及到的基本概念、理想气体的性质与过程、热力学第一定律、热力学第二定律及热力循环等。其中热力学第一定律说明了能量在传递和转换过程中在数量上的守恒，是能量守恒定律在热力学方面的应用，相对比较容易理解。但介绍热力学第二定律内容时(从能量品质角度看，自发过程是具有方向性)，由于内容比较抽象，难于理解，这时可通过列举方式加以说明，如不同种类的气体放在一起会自发地扩散混合，但混合气体不能自动分离，这便充分说明了自发过程是具有方向性的。在介绍热力循环时，可结合日常生活中常见的小轿车(汽油机)、大货车(柴油机)的特点，分析内燃机不同循环方式的优缺点，如汽油机压缩比大都在5～10的范围，由于压缩比相对小，因此循环热效率低，但如果增大压缩比，汽油机中的空气-燃料混合气体会“爆燃”(也称“爆缸”)使得发动机不能正常工作。由于将空气-燃料分开，柴油机可以实现高的压缩比，所以热效率提高，但由此导致设备体积增大不利于机械效率的提高。通过上述结合生活实际的对比分析，提高了学生学习兴趣。

再如，介绍传热学内容部分，其目的是使学生了解热量传递的几种基本方式，通过结合物理学基础和数学工具，对导热、对流和辐射的传热特点进行理论推导和分析，掌握对传热过程进行计算的初步思路和方法；掌握热流密度、热阻和传热系数的分析方法及步骤。为了更好地帮学生实现对传热内容的掌握，在介绍传热方式时，可以实际生活中使用的太阳能热水器为例，其工作过程涵盖了三种基本的热传递方式，太阳能对热水器表面的加热过程属于辐射换热、热水器内外管壁之间的传热过程属于导热、内管壁与水之间的传热过程属于对流换热。再比如，生活中用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍安然无恙。而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就被烧坏，其原因是什么？通过简单的实例便可更直接、客观地介绍课程内容，更有利于学生掌握知识点。

此外，在绪论课中需讲清以下几方面内容：首先，明确课程的性质、任务及重要性；其次，课程的内容与前导课程和后续学习的关系，强调本门课程的重点内容及重要性。最后，根据课程特点介绍学习的主要方法，如第二章热力学第一定律中的概念较多，需要重点理解各种概念以及他们之间的相互关系；第三章理想气体的热力性质及过程的特点是公式较多，需要提醒学生会利用公式的特点理解性地记忆公式，而不是死记硬背。这样会让学生学习的针对性更强，收到事半功倍的学习效果。

二、合理运用多种教学手段

针对热工基础课程内容理论性较强、部分概念较抽象的特点，采用设计好的板书以体现出教材的精髓、框架结构，用简明扼要的文字概括出课程内容的重点、难点。在讲述理想气体状态方程时，鼓励学生回忆高中学过的知识内容，通过板书的形式推导出通用气体常数(R)的具体数值及其与气体常数(Rg)之间的换算关系。

同时，为达成教学目标、增大课堂信息量，可采用多媒体教学，以图片、动画等形式可以将抽象、难于理解的内容形象、生动、高效地呈现出来。在讲授换热器工作原理时，通过播视频动画，更加形象地展示了间壁式换热器、回热式换热器等工作过程和换热原理，加深了学生对换热器的理解、激发了学生的学习兴趣，为后面的课程设计奠定扎实的理论基础，同时视频动画中优美的机械设计也为机械类专业学生开阔眼界。

此外，将案例教学法引入日常的课堂中，充分发挥其启发性、实践性，开发学生思维能力，提高学生的判断能力、决策能力和综合素质。在教师的指导下，由学生对代表性案例进行有针对性的分析、审理和讨论，做出自己的判断和评价。如在介绍余隙容积与压气机耗功量的影响时，让学生根据实验室需要压力为5 Mp的压缩空气，设计压气机，在设计过程中是采用一级压缩还是二级压缩？如果用二级压缩，中间压力应为多少？通过这个方法，可以拓宽学生的思维空间，掌握压气机的原理及设计思路，增加学习兴趣，提高了学生的综合能力。

简言之，将板书、多媒体等教学手段有机结合案例教学方法，不仅可以取长补短，还增加了学习的趣味性，更有利于发挥教学手段在热工基础教学中的作用，从而获得良好的教学效果[5]。

三、结合教学内容，采用互动教学方法

课堂上，通过精心设计提问，增强教学中教与学双方交流、沟通，激发学生学习兴趣、启迪学生思维、锻炼学生表达能力，最终提高教学效果[6]。如在讲解热力循环中，提出经济指标表达方式，如下：

根据热机循环(正循环)的特点，教师启发学生判断在热机工作中得到的收益和付出的代价分别指的是什么、工作系数的取值范围、工作系数是越大越好还是越小越好。通过集体讨论，结论为在热机循环中，得到的收益是循环对外做的功、付出的代价是系统从高温热源获得的热量，热机循环经济有效性指标的取值范围大于0、小于100%；工作系数越大代表能量利用率越高。接着介绍热能利用的重要性以及我国热能利用的技术水平与世界上发达国家还有很大差距的现状，最终强调掌握热工基础的课程内容对高效、经济地利用热能、促进国民经济发展的重要性。同时采用对比的教学方式，让学生思考：在逆循环中，如制冷循环、制热循环中的经济有效性指标中，何为收益，何为代价，其经济有效性指标的取值范围是多少？在冬天，我们用空调取暖和用电暖气取暖，哪个更经济？利用启发式、对比、讨论贴近生活式的精心教学设计提问，集中学生注意力，促进学生的自主思考，鼓励学生多参与课堂互动，进而提高学生分析、解决问题的能力[7-8]。

采用学生主动参与的方式实现教学目标，如在介绍活塞式内燃机三种循环混合加热循环(Sabathe，萨巴德循环)、定压加热循环(Diesel，迪塞尔循环)、定容加热循环(Otto，奥托循环)的比较时，请学生积极到黑板前画出三种热力循环过程，并对具有相同最高压力、最高温度情况下，循环热效率大小进行比较。如有不对之处，其他学生可以进行修改，若存在争议，开展全班讨论、各抒己见，最后教师点评。提高了学生自主学习、专心听讲效果，增加师生互动频率，更好地实现教学目标。

为在课后加强师生间互动，更好地复习和巩固课上内容，可以通过网络搭建交互讨论平台，促进教师与学生、学生与学生间的交流与互动。在教学过程中，我们设置了热工基础课程QQ群，学生可以在QQ群中随时提问题，由教师或是同学进行解答，这样既可在学生之间形成讨论互助模式，也方便师生沟通，尤其在考试前紧张复习中，学生遇到问题时可及时得到解答，提高了复习效率。此外，教师还可以通过QQ群平台共享电子教材、习题集、授课视频、课后作业等教学资源，为学生自主学习提供丰富的参考资料。

四、全面提升教师的教学能力和综合素质

要提高热工基础课程的教学质量，教师的教学水平也很关键。由于热工基础包含两个篇章，分别是工程热力学和传热学，这就要求教师既需要扎实的理论知识功底，也需要丰富的实践经验，同时还要掌握相关领域的进展，这样就要求任课教师多参与工程热力学、传热学相关的学术会议、多与行内专家及相关企事业人员进行交流，这样不但可以增强自身知识水平还有助于在课堂上丰富教学内容，以便针对社会需求培养出更为优秀的机械类人才。此外，也要重视教学语言艺术水平对教学效果和教学效率的影响，鼓励任课教师多参加教学辅导班、讲课比赛等活动，多向有经验的教师请教、学习，充实自己的知识储备。在热工基础课程当中由于理论内容枯燥乏味，使得学生听课兴趣不浓厚，教师如果面对这样的教学内容能旁征博引，把枯燥的理论讲得妙趣横生、引人入胜，也会收到很好的教学效果。此外，还可以将“课程思政”有机融入到教学内容中。可根据热工基础的课程体系和教学内容，寻找相关德育元素，通过典型的教学案例、教学内容等有效地传递给学生。与此同时，可以从专业知识后的人文故事入手，以人类发现自然规律的过程为例，启迪学生体验科学的思维方法、创新意识等，引导学生树立正确的人生观和价值观。在搜集整理课程思政内容材料的时候，可以丰富教师的知识储备、提升教学能力、促进教学效果的提升。