西南科技大学5高教研究6 2006年第4期(总第81期)关于5工程热力学6课程教学心得王 令 潘成君(西南科技大学土木工程学院 四川绵阳 621010)摘要:5工程热力学6是热力学最先发展的一个分支,它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换规律及应用,是充满生机的经典学科,是建筑环境与设备工程的重要基础学科,也应是培养21世纪工科学生科学素质的公共基础课。针对通过5工程热力学6课程的特点,对近几年教学工作进行了总结,从四个方面阐述了5工程热力学6课堂教学的经验,提出了重视基本概念教学、培养提高学生思维能力和创新能力的教学方法。关键词:工程热力;教学改革;数学方法
热现象是自然界最普遍的现象,工程热力学以热现象作为研究对象,主要讨论热能与机械能相互转换的规律,热能的有效、合理的利用技术,即热能与机械能及其他形式能量之间的转换与传递规律,从而找到提高能量利用经济性、以及合理有效利用热能的途径和方法。工程热力学是研究热能有效利用的一门学科。我国现阶段所开发的能源中有95%来自天然矿物燃料,通过燃烧和核裂变把储藏在燃料中的能量转换成热能,热能可以被直接利用,也可以被转换成其他形式的能量。而一切热能的利用过程都是通过热量在相应的热力设备中的一系列转换与传递过程来实现的。同时,日常生活及各个技术领域中的各种其他形式的能量,最终也大都是以热能的形式耗散于环境之中。在1994年公布的/中国21世纪议程)))中国21世纪人口、环境与发展白皮书0中,提出了/可持续发展0总体战略政策。要贯彻可持续发展的战略,在能源利用上必须走资源节约型的道路。目前我国单位产值的能耗是发达国家的数倍,在能源利用方面具有很大的节能潜力。掌握能量转换、传递及控制的规律和方法,对于促进国民经济的持续发展具有重要的意义。工程热力学的基本任务是:通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究,改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环,提高热能利用率和热功转换效率。工程热力学属于应用科学的范畴,是工程科学的重要领域之一,是综合性很强的理论与实践并重的课程,它从工程的观点出发,研究物质的热力性质、热能与其他形式能量间的转换规律、热能的直接利用等问题。它不但与热机、制冷、热泵、空气调节等传统工程有关,而且正逐步发展到许多新领域中。工程热力学采用宏观的研究方法,它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础,通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为,对宏观现象和热力过程进行研究。这种方法,把与物质内部结构有关的具体性质,当作宏观真实存在的物性数据予以肯定,不需要对物质的微观结构作任何假设,所以分析推理的结果具有高度的可靠性,而且条理清楚、逻辑严谨,正是这门学科的独特特点。由此可见,工程热力学是一门逻辑性强,各部分内容交叉渗透的课程,而且它所涉及的概念非常抽象,针对这门课程特点,为了提高教学质量,教师在教学过程中,需要一定的教学方法和技巧。通过近几年来工程热力学课程的教学实践,就一些主要的教学改革思路及方法和大家进行探讨。
54 一、教学内容的调整为了进一步适应/宽口径0培养本科生高层次人才的需要,在课堂教学的时候,结合多种教材,依托现有的教材内容,适当地对教学内容进行了必要的调整。主要的调整工作如下:1.热力学第一定律内容的补充现有的教材中,热力学第一定律都是建立在能量守恒与转换定律基础上,主要以描述热能和机械能转换为中心展开。能量是运动的度量,能量的形式是多种多样的,在教学中,为了拓宽学生的思路,不仅重点讲授了热能与机械能的转换,同时还分析了热能与电功、磁功之间的转换规律,并针对不同的系统,分别建立了能量方程。2.工质种类的拓宽工质是实现热工转换的媒介物质,工质的性质影响热工转换的效果。现有教材都是主要讲述气体工质的性质,但是能量的载体除了流体,还有固体,所以在工质性质的讲述时适当加入固体工质的数据和规律,如固体比热等。3.实际气体性质内容调整把现有教材以描述实际气体性质计算思路和热力学一般关系式为重点,调整为以实际气体性质的变化规律为主,突出了工质气液固相图的讲解。4.增加热力设备的描述建筑环境与设备工程专业的学生以后在专业课的学习中会大量运用换热器、喷淋室等热工转换装置,因此在讲述热力循环时,加入了热力设备结构和工作原理的详细描述。比如在绪论里介绍动力装置和制冷装置的时候,不止是让学生理解工质在循环中是如何实现能量转换的,同时还分别介绍了工质在锅炉、气轮机、压缩机、膨胀机、换热器里面的工作情况,并且针对不同的设备,建立不同的能量方程式。5.增加一些一般机械工程的基础知识对于建筑环境与设备工程、安全、过控等非机械类专业的学生而言,他们缺乏诸如金属工艺、公差配合等一般机械工程知识,在讲课中根据具体情况,适时地添加相关的基本知识。例如在讲授压缩机余隙容积前,先给学生简单介绍了公差配合及制造工艺的基本知识,使没有学过这些课程的学生能够比较自然地接受余隙容积的概念,从而能够真正理解掌握余隙容积对压缩机的影响。又如在讲授燃气轮机、内燃机循环时,补充了一些金属蠕变、材料刚度等内容,使学生对实际燃气轮机循环为何不采用卡诺循环的理解不仅限在工质性质而拓展到工程实际的可能性上。让他们既加深了对卡诺循环、燃气轮机实际循环的理解,又增加了工程知识。
二、教学内容注重突出主线,削枝强干 工程热力学的主线是能量传递和转移过程中其数量守恒但是其质量不断衰退。通过本门课程的学习,使同学们树立起在各种不同的实际机器或过程中应尽可能降低能量质量衰退的思想。因此,在安排授课计划的时候,把较多的学时放在热力学第一定律、第二定律、气体流动、循环等章节上,并通过大量的例子从各个侧面突出了不同类型的过程中,能量在数量上守恒而在质量上下降的共同特性,引导学生积极思维,从而真正认识到能量质量下降的根本原因是过程中的耗散效应,即不可逆性。
三、注重基本概念的教学
在授课的过程中,涉及到很多基本概念,这些概念构成了工程热力学独特研究方法的基础。在讲述的时候,避免对概念的平铺直叙,而是注重物理意义的阐述,用日常生活中发生的现象引出问题,分析问题,精选一定的例题,同时让学生提问,引导学生积极思考,提高课堂效率。例如,在讲述热力平衡的概念时,反复强调三点,一是系统与外界没有任何相互作用,二是系统内部没有势差,三是系统的状态参数不随时间发生变化。一般学生在理解热力平衡概念时,总是理解了第三点,而忽略了第一点和第二点。针对这种情况,给了一道例题:/铁棒一端在沸水中,一端在冰水混合物中,经过一定时间以后,铁棒是否处于平衡态?0通过对这道例题的分析讲解,让同学真正掌握了这个概念。又如在讲述可逆过程膨胀功的时候,首先复习了力学中功的概念,然后从概念入手,对于一个微元过程,给出了膨胀功的定义式,9w=Qsurdv(Qsur是外界压力,v是比容),接着,根据可逆过程的特点,Qsur=Qsys(Qsys表示系统内部压力,通常用Q表示),说明克服外力的膨胀功可以用系统内部的参数来表达,即:9w=Qsysdv(Qdv,那么对于热力过程,则有:w=Q21Qdv。这两个公式都说明了55可逆过程的膨胀功是过程量,不同的过程,Q、v之间的关系不一样,那么在Q-v平面坐标图上,曲线的形状不一样,因此,膨胀功的大小也不一样。为了进一步加强学生理解,给出了一道例题,/某种工质从初态1出发可逆膨胀到终态2,膨胀过程中,工质的压力服从:(a)Q=5-2v,(b)Qv2为定值;(c)Qv为定值,试分别求出这三个过程中气体的膨胀功,并定性在Q-w平面坐标图上表示出来0。膨胀功是过程量,和状态量有本质差别,在课堂上并不是单纯讲解这道例题,而是让同学们一起动手做,然后进行讨论,这样一来,同学们就完全理解了膨胀功,能正确地理解概念的含义,又能逐步学会熟练地利用他们来分析问题,而且印象深刻,为下面学习可逆过程的热量奠定了基础。这种先引出概念,然后阐述,然后用实例来加强理解的方法在教学过程中取得了很好的效果。 四、注重学生创新能力和应用能力的培养 在工程热力学的教学工程中,在启发学生创造性方面给予了充分的注意。课堂上随时采用问题教学法,启发学生思维。在课后布置习题的时候,常常布置一些和实际生活相关的或者没有唯一答案的题目。这些题目的范围十分广泛,内容不完全限于课堂上讲授的知识。例如:/试分别举例说明热力学第一定律和第二定律对生产活动(或日常生活)的指导作用0。又如/摄氏零度的冰在大气中融化,求其做功能力的损失0;/某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作,试判断循环是热机循环还是制冷循环,可逆还是不可逆?0。再如/闭口系统经历一个放热过程,分析系统熵变有哪几种可能性,为什么?0。通过对这些题目的分析求解,学生的综合思维能力得到了锻炼,不但使学生形成思考问题的习惯,而且也活跃了学习的气氛。另外,也注意将新的学术动态融入本门课程之中,提高学生学习的兴趣和目的性,让他们学会了如何利用基本知识解决本专业的实际问题。例如,在讲制冷循环和热泵循环时,详细阐述了两个循环的工作原理及能量方程以后,又给他们介绍了关于热泵的前沿信息,即:有关水源热泵的信息。水源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量/取0出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。通过对水源热泵的了解,同学们不仅可以熟练掌握理解热泵循环和制冷循环的工作原理,而且还对热力学第二定律所阐述的关于能量有品质高下之分有了更深刻的认识。
五、结束语
高等学校的根本任务是培养人才,教学始终是学校的中心,是每一位教师的核心工作,是每一位教师的终身事业,需要不断地追求。教学是一门艺术,需要不断地探索。不断提高教学效果是每一位教师不懈的追求目标。但是,教学没有固定的模式,要真正做到因材施教、因人施教,并不是一件很容易的事,因此,教师必须不断改进自己的教育教学方式和方法,不断提高自己的业务水平,随时吸收前沿知识,使自己的教学过程能够真正地吸引学生。学生如果对本课程有了兴趣,就会很自然地去学习,而对一个相应领域问题的解决,会使他们产生很大的成就感,这就能进一步提高其学习兴趣,使本门课程从苦学、难学变成了乐学、好学。
参考文献[1] 中国21世纪议程编制领导小组.中国21世纪议程)))中国21世纪人口、环境与发展白皮书[M].中国环境科学出版社,1994[2] 何雅铃,陶文铨,王秋旺.热工系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践[J]挑战、探索、实践,2001:425~429