以目标为导引的“工程热力学”教学思路分析

[摘 要] “工程热力学”涉及热功转换的相关基础理论、工质热物性、热机工作原理，以及提高热工设备效率的理论途径和方法，是一门能源动力、航空航天、机械相关专业的重要专业基础课，主要是从理论层面抽象出热机工作的循环方式，开展热机循环参数优化研究，进而构建热机设计分析方法。虽然涉及的理论知识和定理定律较多，但在开展“工程热力学”教学的过程中，尤其是面对以各类热机为专业目标的工科专业学生时，以热机循环优化为目的，将相关基础理论和储备知识点有机结合，合理分配学时，组织教学内容，使学生不仅牢固掌握繁杂的知識点，更具备利用所学热工理论知识解决实际热机循环分析的能力，进而初步具备解决一般工程应用的能力，大幅提升教学效果。

[关键词] 工程热力学;热力循环;循环优化;课程设计

[基金项目] 2019年度南京航空航天大学公共基础精品课程建设专项“工程热力学”（2019JG0234K）

[作者简介] 张净玉（1973—），女，贵州平坝人，博士，南京航空航天大学能源与动力学院副教授，主要从事航空发动机热端部件冷却技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）25-0112-04   [收稿日期] 2021-01-13

人类在生产和日常生活中需要各种形式的能量，自然能源的开发和利用是人类社会进步的起点，而能源开发和利用的程度又是社会生产发展的一个重要标志。人类目前从自然界获得能量的主要形式是热能，因此通常讲的能源利用，主要指的就是热能的利用，热能的合理和有效利用是整个能源利用的核心与主体。热能的转换和利用离不开各种热能转换装置，即通常所说的“热机”，如蒸汽机、内燃机、燃气轮机及制冷空调装置等。可以说，热机的热效率很大程度上决定了热能的有效利用程度。

1705年，蒸汽机的发明掀起了人类社会的第一次产业革命，是具有划时代意义的革命，使得人类社会从手工业生产逐步发展成为大规模的机械化生产。但直到1770年，瓦特才发明了结构较完善的蒸汽机，而此时的热机效率很低，经济性很差。之后出现的热力学，正是一门研究物质的能量、能量传递和转换，以及能量与物质性质之间普遍关系的基础学科，涵盖知识范围非常广，研究方法也多样化。工程热力学是热力学的工程分支，在阐述热力学普遍原理的基础上，是着重研究相关原理的技术应用的一门学科，其应用对象主要是各类“热机”，根本目的是如何最大限度地利用能源，提高能源利用的经济性。

随着科学技术和现代工业的发展，在当前高等教育课程体系内，“工程热力学”是能源动力类专业必修的重要基础课，是“传热学”“流体力学”“空气动力学”“燃烧原理”“航空航天发动机原理”“内燃机原理”“空气调节”“制冷技术”“发电技术”等专业课的先修专业基础课程。其涉及的热能利用和热机工作原理等科学已覆盖热能动力之外的机械、化工、环境、电子、航空航天等各个领域，是现代工程技术人才必备的技术基础知识[1，2]。因此，工程热力学的学习对于相关专业学生，尤其是以各类热机为主要专业目标的工科专业（例如热力发电、航空航天动力、内燃机、制冷、空气调节等工程对象明确的专业）学生来说，是一门非常重要的专业基础课，是专业领域的敲门砖。

一贯公认“工程热力学”课程具有概念多、公式多、内容抽象等特点，以往的教学改革多集中在知识点的呈现方式上，如多用图表可化抽象为形象、理论联系实际、提高知识的趣味性等，这些改革措施的确有效降低了学生接受知识的难度，在一定程度上提高了教学效率[3]，但是随着我国高等教育对能源动力类专业毕业要求的不断提高，目前的教学方法仍有待进一步改进。

专业认证中对毕业要求明确提出要掌握力学、热学、燃烧学等专业的基础知识，能对能源与动力工程问题的解决方案进行分析，并能尝试改进。目前以知识点为主的教学模式显然难以胜任。

工程热力学发展的起点是“省煤”，提高能源利用率，之后一直通过理论分析致力于各类热机的热力循环分析、性能参数优化分析研究[4]。因此，教学中以热机循环优化为目的，以热力循环建模和分析方法为主线，将相关基础理论和储备知识点有机结合，合理分配学时，组织教学内容，更易使学生掌握一般工程涉及应用的能力，有效提升教学成效，达成毕业培养目标。

一、明确课程目标，解决知识点繁杂的困扰

传统“工程热力学”课程涵盖基本概念、基本定律、工质性质、工质的流动、热机工作过程及其热力循环五个部分。每个部分的内容又可以分列出很多内容和知识点。大部分学生在学习初期会感到内容多而繁，甚至杂乱无章。新手教师往往花了很多时间备课，但是教学效果欠佳。

如前所述，工程热力学的产生和发展都有非常明确的研究目的和研究对象，涵盖的每部分内容，除了基本的教学知识点外，还有其内在的重点和需要解决的问题。这些问题的解决最终归集到工程热力学的根本研究目的——提高热机循环热效率。因此，在整个课程的教学中引入“目标教学”法，明确每一部分知识要解决的问题、整个课程要解决的问题，以及它们之间内在的联系，不断帮学生梳理目标、工程方法及理论之间的关系，在这张清晰的网络中学习，可以有效解决内容多而繁的难题。

二、工程热力学研究系统网络

工程热力学作为一门基础应用科学，究其起源最终目的就是建立各类热机的热力循环，探究提高循环热力效率的途径。为学生建立一张工程热力学的学科体系网络图，对于初学者做到心中有数，遇到繁复的知识点，由于事先已经知道其用途，可以更有目的地掌握内容和应用方法的途径。简而言之，就是要在绪论课上给学生讲一个主线清晰、人物鲜明的故事。

可将工程热力学知识体系梳理成图1，将工程热力学涉及的知识点分为5个模块。这5个模块分别涉及工程应用、热力循环分析、热力系建模理论、热功转化原理、工质热物性理论。