热工基础类课程的教学实践

 

热能工程的基础课程包括工程热力学、传热学和热学基础这两门课程组成。热工基础课程在许多理工科专业的人才培养中起着重要的作用，主要设置在能源与动力方面(发电、汽车船舶航空航天)石油化工类、土建类专业。工程热力学研究热能的有效利用和提高转化效率的途径传热学的基本内容是传热的现象和规律以工程热力学和传热学为主要内容的热工基础课程，在欧美已经成为工科学生的必修课，部分学校将此类课程视为工科公共课程。可见，热工基础课程已经越来越受到各相关学科的重视，并将越来越普及。

热工基础课是基础课和专业课的衔接，在专业课的学习中起着承上启下的作用，是学习后续专业课的基石，也为专业领域跨学科的宽度和广度提供了公共平台。课程有很强的逻辑性和抽象性，需要一定的数学基础各部分内容相互交叉，理论与工程实践紧密联系同时把具体的工程问题和设备抽象简化成原理，对教师来说意义重大“教”与学生的“学”都是比较难的课程。因此，如何改革热工基础课的教学，提高课程水平“教”与“学”课程质量是学好这门课，后续专业课和跨专业学习的关键问题。

 

1培养目标

为了培养“学以致用”综合创新型人才，鼓励和发展本科生的发散性思维，培养其对所学知识的深刻理解和运用。在日常生活和工程实践中，传热学和热力学问题有许多有趣和值得思考的地方，在教学中可以适当地加以引用和扩展，这对提高学生的学习和应用能力是很有帮助的学习兴趣，培养发散思维。比如空调房，夏天和冬天室内温度保持在20℃左右人们夏天可以穿短袖衬衫，冬天可以穿毛衣；如果夏天把冰箱门打开，把房间的门窗关上，能不能把房间的温度降下来；微波加热食品的原理；玻璃温室种植热带植物的原理；雪后，为什么立交桥上还有雪，路上却没有雪。以火力发电为目标的同学也可以结合工程实例：锅炉停炉后冲洗，管道保温层可以没有防润湿措施吗；机组正常运行期间保持冷凝器蒸汽侧无不凝气体的原因；容器中液体的温度是用套筒温度计测量的当采用铜和不锈钢作为套管材料时，哪种情况下测量误差小。

开辟第二课堂教学，不仅能提高学生的素质学习热情和创新意识，也进一步扩大学生 思考。学生自己分析问题时，随着问题研究的深入，思维深度是渐进的。在阐述热力学和传热学理论时，强调理论形成的不同方式及其相应的表现形式，有助于开拓思维的深度。课后，安排有一定难度和深度的科研论文，以加强学生 分析问题、解决问题能力。增加自学环节，给学生留下思考和学习的自由空间。在工程热力学和传热学中，新知识与旧知识联系紧密，学生完全有能力自学。比如工程热力学，学生在学习完理想气体的热力学过程后，可以自主学习压缩机和气体动力循环过程的内容，既能巩固之前的知识，又能增强自学能力最后，学生自己在平台上备课可以受益匪浅，老师也可以从中发现不足和困难。教师应该充分相信学生能力并努力去做“放手”让学生自己总结、引申拓展。比如鼓励学生组建学习小组，设计搭建简单的实验平台。在大学生创新项目中，引导学生测量实际热电偶和露点仪，并对其进行改进，进一步申请专利。由于之前的积累，学生在全国大学生节能减排社会实践和科技竞赛中成绩优异。

2课程模块化

在具体的教学实践过程中，根据不同的专业方向，设置不同的热工基础课程作为重点，每个专业都有公共基础模块和专业的模块部分。在教学过程中，按照模块化教学可以分为不同的基础和专业教师分别进行教学和拓展。在欧美大学，工科专业的课程一般分为两个模块[1]，即公共模块和专业模块。公共模块的课程一般涵盖了学校工科所有研究方向的最基本原理，是所有学生的必修课本模块的课程包括热力学和传热学的基本原理；专业模块根据不同的专业方向分为几组课程供学生选择。

在热工课程的教学中，最基本的原理包括所有的研究方向都可以作为公共模块，是所有学生的必修内容；不同专业方向的学生将在专业的模块化部分进行授课或选修。以工程热力学为例，热能工程专业的学生选择蒸汽动力循环和气体-蒸汽联合循环是主要模块内容，内燃机和发动机方向的学生主要选择燃气动力循环，制冷方向的学生主要选择逆制冷循环作为主要模块内容，建筑环境与设备工程的学生主要讲解湿空气的焓湿图及其应用。所有能源与动力专业的公共模块都是热力学第一定律和第二定律。以传热中的火力发电方向为例，针对锅炉详细介绍了燃气辐射，增加了制冷剂的热交换和换热器单元效率法的计算作为暖通空调和制冷的专业模块。设备方面，火力发电专业的学生主要讲解凝汽器和锅炉中的高低温过热器、省煤器和核能发电的同学主要讲解蒸汽发生器，他们常用的设备可以重点讲解电厂实际回路中的表面换热器。专业模块还可以扩展前沿问题，如微尺度传热和涡轮叶片的发散冷却作为专题进行研究和讨论。

在实践中，根据不同老师的专业特长，同一个班的学生可以根据同一个班的不同模块派出不同的老师授课。在教学过程中，学生可以吸收不同老师的知识和教学特点，同时增加课堂的新奇感和趣味性。另外，针对目前我国长期存在的能源问题，在热工基础上建立了一种新的教学方法、先进的能源利用模式(热电冷联产、新能源利用、先进的冷却方式)模块，如何提高超超临界机组循环和燃气轮机的经济性和环保性，也是热工课程积极开发和研究的方向。

目前，我国热工基础课程的实践环节大多还处于验证性实验阶段。美国普渡大学的三位教授对传热学实验提出了如下改革：1)减少传统验证实验，增加学生团队项目。2)添加具有挑战性的工程设计项目。3)提供实践培训机会。4)增加与工程实践的合作项目。5)发展和培养报告和交流项目结论的能力[2]针对实验环节，还设置了模块化实验教学，与传统的验证性实验模块一样，也分为基础模块和扩展模块、挑战工程设计模块。鼓励和引导学生参加大学生创新项目和热工竞赛项目，要求学生自主创新，开发具有挑战性的工程设计课题，为学生提供充分的工程实践和团队合作机会。此外，还可以设置一些综合性的热学实验。为了培养学生热流方向的综合应用能力，综合热力学的建立、传热学、质量传递和流体力学公共实验模块，如卓越工程师综合热流实验模块，要求学生充分利用所学知识设置和开发实验。重视工程应用型人才的培养，实践是关键，热工课程的教学改革一直致力于为学生提供一个学以致用的平台。

3培养方法

为了提高学习兴趣和教学效果，课堂教学模式的研究是热能工程基础改革的重点之一。互动模式贯穿整个教学过程教师概述学生 自学，学生发言，老师最后总结。比如老师讲解完原理和知识点后，列举一两个有代表性的例子让学生在课堂上完成，选择学生上台讲解。热工基础课的特点是习题多做习题时，先让学生自己做，然后老师再讲解学生可以通过思考找出自己不清楚的地方，老师也可以针对学生存在的问题。一方面，它可以活跃课堂气氛，集中学生注意力注意，提高学生 自主学习能力，发现学生 不足之处，进一步加以补充和强化，不仅取得了良好的教学效果，而且锻炼了学生的身心表达能力。比如传热学教学过程中拟定的几个题目：各向异性材料导热系数的确定，翅片的几种作用，热管内空气的两相流动等。采用讨论的方法，让学生分组讨论，鼓励每组派代表向班级汇报，并接受同学的提问。通过提高学生参与课堂教学的比例，让学生真正成为课程学习的主体。

对于一些实际的工程内容，比如换热器，可以组织学生到实验室和锅炉房看一些实物，让他们有一个感性的认识。例如，锅炉、无论是汽轮机结构模型还是核电站系统模型，都为学生提供了直观的理解。讲述太阳能利用、热管、地源(水源)热泵的应用，利用视频加深对科技领域和现实生活中应用的理解。另一方面，利用计算机可以达到无可比拟的教学效果，CAI软件成为加速教学改革的一种手段、提高教学效率的重要手段。目前我们对火力发电系统和核能发电系统的仿真都是充分利用计算机来实现的。开发工程热力学与传热学学习网站，投放教学大纲、教案、上课录像、课后习题解答与分析、历年考研考题是网站的基础资源。同时建立热工基础课程习题库，组织学生参加热工基础知识竞赛，由有趣的日常生活组成、工科实际热学题及适合考试和考研的习题组成竞赛形式可以是试卷考试，也可以是问答(必答、抢答等)通过这样的活动，学生不仅可以激发学习兴趣，还可以巩固基础知识，获得竞赛经验。鼓励教师积极开展双语教学，加强工科学生的双语教学工程技能，提高专业英语水平和综合能力，注重双语教学，循序渐进地进行教学，为学生打好基础未来的专业英语和国际交流。鼓励青年教师到企业或现场工作，提高工程经验和能力，将工程实践有机融入教学，从理论和实践两方面提升知识。
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