新能源专业“工程热力学”教学方法探讨

孙红闯 侯 峰 吴晓亭

（郑州轻工业大学<能源与动力工程学院>，河南 郑州450001）

1 课程背景

随着能源危机和环境问题日益突出，对能源领域的发展又提出了新的要求，需要在现有技术的基础上不断革新、不断进步，提高能源的综合利用率，开发利用新能源。为完成能源变革，需要源源不断地供给人才，才能保证后续的发展，满足时代需求。要实现这一目标，必须培养新能源领域的专业人才。因此，完善新能源领域的教学大纲，改进教学方法，改革教学理念，才能培养出符合时代需求的新能源领域人才[1]。

工程热力学作为能源动力类的一大支柱，是能源科学领域的一门基础理论课，涉及的专业包括热能动力工程、制冷与低温工程、飞行器动力工程以及新能源科学与工程等。工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的基本理论，以提高热能利用完善程度，为学习有关专业课程和解决热工领域的工程技术问题奠定基础[2]。工程热力学具有抽象概念多、专业术语多、基础公式多、综合计算多、工程应用广泛、系统性强等特点。现实生活中有很多工程热力学的应用，如温度计测温、水的沸腾过程、汽车发动机、热力发电厂等，可以直观能够观察到热力学过程；但也有熵、火用、可逆过程、平衡状态、孤立系等现实中无法直观感受的抽象概念或理想模型。工程热力学作为能源领域的基础，也是新能源领域人才必须打好的专业基础，需要有牢固的基础知识，熟练的动手能力，以及敏锐的科学思维，充分培养学生的综合素质。

2 教学内容及考核方式

郑州轻工业大学新能源科学与工程系采用沈维道、童钧耕编著的工程热力学（第五版）为教材，除绪论外共有十三章的主要内容[3]，从热力学基本概念和定义入手，按照点—线—面—体的关系逐步深入开展。热力学状态是以基本概念为基础构成的点，工质从一个状态点变化到另一个状态点构成热力过程线，这些热力过程线遵循热力学定律，具体变化过程由工质的热力学性质和流动状态决定；多个热力过程线组合可构成热力循环，从原理上实现热功转换；再与测控等辅助系统相结合得以工程应用。

工程热力学安排在第3学期，共56个学时，包括52教学学时和4实验学时。在教学实践中发现，学生在实验课上最为活跃，更容易接受所学的内容，记忆也更加深刻，这在二氧化碳p-v-T实验和综合制冷制热实验上都有体现，其原因在于学生亲身参与到了教学内容当中；但当学习抽象的热力学概念时，明显感觉同学们很吃力，比如，热力学第二定律中开尔文表述与克劳修斯表述等价性的证明。因此，笔者认为在热力学的教学过程中应当增加实验学时或实践环节，完成热动力循环、制冷循环、喷管流动等内容的学习，来提高教学效果。

工程热力学目前的考核方式仍以考试为主，占总成绩70%，考查学生对基本概念、基本原理的掌握情况，对基本热力过程和重要循环的图解能力，以及对实际问题的分解剖析能力。考试题目形式包括：名词解释、简答题、作图题及计算题。如喷管流动，需要学生掌握喷管的类型及选择依据、设计步骤，且需要熟练掌握基本公式，以计算题形式方能全面考察。除此之外，还关注学生的平时表现，如出勤、上课表现、作业情况、实验课表现、课外阅读等。由于新能源的专业特征，实验环节具有更好的教学效果[4]，故而笔者认为应提高平时成绩的比例，以此来激发学生平时学习的热情，参与到实验当中，体会科研的乐趣。

3 产学研相结合教学方法探讨

工程热力学一直有学生难学、老师难教的特点，其主要原因是抽象的概念多[5]，单靠课堂讲授难以满足学生的需求，需要采用多元化教学方式，吸引学生兴趣，提高课堂效率。首先，教学内容须有侧重，重点知识需精讲细讲、重复讲解；其次，要注意理论与实际案例相结合，充分利用实验平台、视频资源、生活实例，引导学生多动手、多查阅、多思考；最后，引导学生自主学习，教师线上答疑，把问题解决在平时。

工程热力学中的很多内容是在实际的基础上加以理想化所建立，目前仍然有很多学者致力于工程热力学的研究中，从理论上、方法上、工程技术上探索提高系统效率，提高能量利用率的途径。在大力呼吁节能环保的当下，更多学者希望从热力学基本原理这一根本上解决节能环保的问题。于是，开发利用新能源成为现如今热门的研究课题。新能源的开发利用涉及能源、材料、机械、化工等多门学科的技术变革，需要多学科交叉培养。在热力学课程上让学生更好、更快得认识热力学的基础概念、基本原理、基本公式、基本过程，在此基础上，加深实践能力、提升创新能力，将产品革新与学习和研究融合到一起，提高学生的凝聚力和创造力。

新能源大力发展太阳能、生物质能、地热能、以及工业余热利用，属于热力学研究的范畴，这些热能有一共同点，就是温度偏低，属于低品位热能，从卡诺效率的角度来看，中低温热源用于发电效率不高，利用成本相对较高，因此，尽管中低温热源储量很大，但研究很少，在近10年才成为热门方向。从基本原理上讲，中低温余热发电大多仍采于蒸汽动力循环，因此，在蒸汽动力循环的教学环节可增加这一内容，以有机物为工作流体，结合有机工质的特性和中低温热源的特性，基于热力学第一、第二定律，研究有机朗肯循环的基本原理、循环构成、影响因素、性能指标等内容，掌握中低温热源朗肯循环性能提高的要点，提出可行的措施，并加以实验验证，为中低温热源发电技术的进步提供理论支持。实际上，中低温热源发电的研究目前已有很多，将产品研发与教学科研结合在一起是培养综合型人才的一种有效途径。

4 结语

为满足新能源领域的发展，需要源源不断培养新能源领域的综合型人才，具有扎实的基础知识，熟练的动手能力，以及敏锐的创新意识，为未来新能源的技术进步和产品研发奠定基础。工程热力学作为能源领域的基础理论课，在新能源领域人才教育方面有着至关重要的作用，但与传统能源又有显著的差异，其教育方式也应当有显著的区别，增加实验学时，课堂教学与线上答疑同步进行，在保证基础内容牢固的前提下，充分发挥学生的动手能力和想象力，在实践中发现新问题，提出新思路，并通过科学实验巩固所学，为新能源技术的进步奠定基础。