1、大工程观下热物理基础课程体系改革研究摘 要：对工程专业学生进行热物理基础课程教学是培养具有热物理工程技术的“大工程观”要求的高等工程人才的唯一途径。然而目前许多高校工程专业在热物理基础课程设置或者教学方面存在较多问题，为此，以“大工程观”教育理念为指导，以理论教学与实践教学结合为基础，以热物理与其他课程交叉渗透为依托，以热物理工程的实践性与培养学生的创新性为核心，以具备合理用能、节能和环保能力的培养为主线对工程专业的热物理基础课程进行适应性改革，探索大工程观背景下工程专业热物理基础课程改革新途径。 关键词：大工程观；热物理基础；教学内容；工程专业；教学改革 中图分类号：G642.0 文献标志码
2、：A 文章编号：1673-291X（2012）36-0300-04 自 20 世纪 70 年代以来，世界性的新技术革命对工程活动产生了巨大影响，工程活动对知识技术、能力综合的需要达到前所未有的程度。从动力生产、能源节约、环境保护以及工业生产过程本身特点来看，工程专业学生应该具备合理用能、节能和环保的意识并懂得其基本的技术，而热物理基础课程的内容是合理用能及节能理论中的最基础与核心的部分。因此，作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热物理基础课程，不仅应是大工程观下能源动力类专业高等工程教育中的重要理论基础课12，而且也应是 21 世纪所有大工程观下工程专业学生的公共理论基础课。 高等
3、工程教育 34 的热物理基础课程教学是培养具有热物理工程技术的“大工程观”要求的高等工程人才的唯一途径。因此，热物理基础课程和教学的改革占据着“大工程”培养观的重要地位，在大工程观下高等工程技术人才的培养方案中，热物理基础课程体系是整个工程专业课程体系的基础，应首先进行改革，为整个培养具有大工程理念的高级工程技术人才打好基础。 一、热物理基础课程体系现状分析 （一）热物理基础课程特征分析 在中国，热物理基础课程一般指工程热力学与传热学两门课程。同时，由工程热力学与传热学组成的热工学 、 热工基础或热物理学也属于热物理基础课程的范畴。高等数学与大学物理是热物理基础课程的前续课程。对于工程专业而言
4、，高等数学与大学物理是基础中的基础，很多学不好热物理基础课程的学生，主要是因为高等数学基础知识或者大学物理基础不扎实所造成的5-6。 工程热力学是一门较完善的课程，已形成较完整的理论体系，并具有完整的理论结构和实际应用内容。 工程热力学课程中的基本概念和理论基础是热力学工程实际应用的基础，若基本概念和理论基础没掌握好，必然导致不能熟练推导出数学公式，从而会致使热力学工程实际应用学习的难度大大增大，甚至会使得学生产生厌学的情绪。与工程热力学不同， 传热学的公式很多是来自于实验的归纳整理，需要记熟背熟。传热学主要是使用其原理或知识进行分析，而工程热力学主要是推导计算。两门课程的共同特点是必须大量做
5、思考题和习题，才能真正掌握，熟练应用。 （二）热物理基础课程体系存在的问题 与大工程观背景下工业先进国家的热物理基础课程教学相比较，还有较大的差距，主要表现为7：（1）轻视实际、脱离实际；（2）人才培养的热物理知识结构体系不够完善，面向实际的热物理工程训练不足，与企业联系不够紧密；（3）办学方向面向热物理工程不够，教学模式和教学方法陈旧，文化陶冶过弱，专业教育过窄，功利导向过重，共性制约过强等。 二、大工程观下热物理基础课程体系构建 针对目前中国高等工程教育中热物理基础课程教学存在的问题，其改革思路是：以“大工程观”教育理念为指导，以理论教学与实践教学结合为基础，以热物理与其他课程交叉渗透为依
6、托，以热物理工程的实践性与培养学生的创新性为核心，以具备合理用能、节能和环保能力的培养为主线对工程专业的热物理基础课程进行适应性改革，探索大工程观背景下工程专业热物理基础课程改革新途径（如下页图 1 所示） 。 （一）大工程观下热物理基础理论课程体系构建 1.统筹规划，合理安排工程专业热物理基础课程体系结构和内容。（1）研究适应各大类工程专业学生培养需要的热物理基础课程结构和内容。根据各大类工程专业学生培养所需要热物理基础知识的不同，各大类工程专业可分成三大类：1）热物理基础课程是该类型专业的重要技术基础课；2）热物理知识是某一大类中部份专业的技术基础，而对另一些专业则关系则要远一些（工业设计
7、）或者热物理知识是某类专业（如材料成型与控制工程）中的某一方向（如铸造、焊接）的主要技术基础课但与另一些方向（如真空技术及设备）关系较远；3）热物理知识与该大类专业的主干技术无直接的关系。因此，可针对此三大类工程专业开设不同结构和内容的热物理基础课课程，并可分为高学时（必修）的工程热力学和传热学 、中学时（必修与选修）的工程热力学 、 传热学或者热物理学和少学时（必修与选修）的热物理学等三种。对于同一大类中的不同类型专业在教学内容上还可有所不同侧重或以专题形式作适当补充。对于中学时（必修与选修）的工程热力学 、传热学或者热物理学 ；和少学时（必修与选修）的热物理学 ，应强调理解基本概念，掌握方
8、法，而不深究公式的推导，通过典型问题的分析，达到举一反三的目的。 （2）热物理基础课程的相互渗透和相互融合。由于热物理基础课程的内容是相互渗透、密切联系的，必然存在交叉、重复部分。经过综合分析，可对那些有益的或是讨论角度不同造成的重复内容进行谨慎处理（如有些内容压缩，而有些内容则须加强） 。其处理原则是：既要考虑课时的有效利用，又要保持热物理基础课程之间的衔接和层次。 （3）拓宽热物理基础课程的工程应用，增强与工程专业的联系。热物理基础课程在工程实际中有广泛的应用，在教学过程中，应突出地反映这一特点。从两个方面着手，首先把每个教学单元划分为基础篇和应用篇，基础篇着重掌握基本概念、定律，应用篇则
9、力求培养分析能力，采用点面结合的方法。所谓点，就是讲清某单元基础知识在工程实际或专业课某方面的应用，其中包括一定数量的例题或习题；所谓面，则是针对教师的科研、技术开发课题或科技论文做专题讨论，综合所学的知识。学生对这种教学方式反映热烈，觉得学有所用。 （4）更新热物理基础课程内容，适应现代发展要求。近代工程技术的发展给本科传热学教学带来了巨大的变化， 工程热力学的教学内容也不同程度地存在类似的情况。例如，二十年前的本科生教材很少有关于火用 分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析工程设备过程的能量利用情况。 相对于传热学 ， 工程热力学的国内外教材的内容显得似乎过于稳定，近年
10、来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如，当前中国的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在“十二五”规划教材上， 工程热力学应该对新的、先进的能源利用方式（联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等）有适当的反映。超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及中国要积极研发的方向，在热物理基础课程新教材和今后的教学中也应有相应的地位。如在这方面予以充分重视，在热物理基础课程新教材和今后的教学中注意扬弃旧的思想、研究方法及其内容，利用一定学时介绍各学科的新方法、新内容，努力使
11、教学内容适应现代科技的发展趋势。 2.热物理基础课程与其他课程交叉渗透。 （1）热物理基础课程与物理课程的交叉。热物理基础课程中的部分内容与大学物理中的热学存在重复。大学物理中，热学内容总学时数为 1214 学时，且热力学两个定律只安排 6 学时。由于物理学主要解决“是什么” 、 “为什么”的问题，而热物理基础课程主要解决“做什么” 、 “怎么做”的问题，因此在热物理基础课程中，应着重讨论热力学系统与环境（外界）相互作用的形式；热平衡态与准静态过程的矛盾与统一；热力学中如何延拓力学中的力、位移、功、热力学能概念；为什么要讨论可逆过程，如何由不可逆过程抽象出可逆过程概念，熵是如何引入的，为什么要
12、定义一个熵函数等等。（2）热物理基础课程与流体力学课程的交叉。例如， 传热学的对流换热部分，有大量的边界层和绕流理论，是重复流体力学的内容。又如，流体力学和热力学中都有气体在管道、喷管中流动的理论。经过综合分析，可以对那些完全重复内容予以削减，或者进行谨慎处理，但要保持热物理基础课程与流体力学课程之间具有较好的衔接性。 （3）整合出新型热物理课程。为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的、新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都存在如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，其中的关键是要减少过程的熵产（或不可逆损失）以及强化传递过程。为此，可开设一门综合工程热力学 、
13、 传热学传质学和流体力学的新课例如可称之为工程装备热流设计与优化 。如果关于“优化”的内容能具体结合一些工程专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。 （二）大工程观下热物理基础实验课程体系构建 从热物理基础课程发展历史来看，实验研究和数学物理方法是并行发展、相互补充、相互促进的；而从教学角度分析，实验是锻炼学生动手能力，培养学生理论联系实际和解决问题能力的重要环节。如何完善和合理组织实验内容将直接影响课堂教学的效果。为此，在热物理基础实验教学中突破以往的传统模式，以配合理论教学、巩固课堂效果为目的，以培养应用型人才为目标，改革实验教学方法，加强实验室建设，有效地发挥了实验室
14、的功能。 1.科学设置热物理基础课程实验项目。实验室应成为理论联系实际，培养学生动手操作能力的场所。为满足这种功能，应增加热物理基础课程实验学时，增设热物理基础课程实验项目，并相应设置演示实验（包括课堂演示） 、验证性实验、应用性实验以及设计性实验。演示、验证性实验是不可缺少的内容，可帮助学生理解抽象概念，印证热物理基本理论和基本定律，巩固课堂学习内容，熟悉各种仪器设备及其操作规程，培养严谨的科学态度。应用性、设计性实验则是一般实验的一个飞跃，其作用更多的是为了培养锻炼学生的综合能力，引导他们的纵向和横向思维以及创新思想。这样，通过多方面、多层次循序渐进的实验过程，以求达到掌握基本技能和提高应
15、用能力的目的。 2.合理组织热物理基础课程实验。以往的热物理基础课程实验模式，大多是学生根据实验指导书给出的原理和步骤等，机械地照搬硬套，做完实验、写出实验报告。这样既束缚了学生的积极性、创造性，也不能满足能力训练的要求。针对弊端，可对热物理基础课程实验方式进行合理组织。根据不同实验的性质，有的安排预习，在实验开始前由指导教师提出问题，让学生回答解决方法，以此评定预习成绩；有的则让学生分组，自己动手组装实验台，做完实验后集中评议，对比优劣，公开评定成绩；设计性实验则完全抛开指导书，代之以设备说明书、实验任务和要求等，让学生自己拟定实验方案，发挥学生的创造力。 3.更新热物理基础课程实验设备和内
16、容。随着科技的进步和学科的发展，热物理基础实验的技术和手段也更加完善，内容不断推陈出新。要适应这种发展，不能仅仅依靠学校的拨款。在有限的财力、物力条件下，调动教师积极性，自行研制、设计新实验，改造原有设备，开发新项目。例如，可以自行设计改造对流传热过程阻力实验的微机采集和处理系统、热管换热器试验台等项目，这样既可节省大量的经费，锻炼了教师队伍，又可保证学生能够在实验中学习新知识、新技术，开拓视野。4.制订严格合理的考核制度。实验成绩的好坏，应有一个合理的考核方法。以往的考核大多以实验报告为依据，而实验报告中大部分内容是从实验指导书上照抄的实验目的、原理、步骤等，考核成绩不能反映学生的实际水平和
17、能力以及相互之间的差别，影响了学生学习的主动性和积极性。为此，可制订一套考核方法，分为纪律情况和学习态度、预习程度、操作和解决问题能力、实验结果、实验报告等多项考核内容，贯穿了整个实验过程，每项内容按 10 分制评定成绩，在统一印制的学生实验卡上反映出来，这样能促使学生在实验的各个环节都认真对待，可提高实验效果。 三、结论 时代在前进、教育在发展、教学工作在改革，包括教学内容也应改革，与时俱进。作为热物理基础，一方面为大工程观背景下各类工程专业学生学习后续专业课等提供预备知识；另一方面通过实验、测试技能训练，提高学生运用理论分析和解决工程实际问题的能力。 从教育改革的发展趋势和培养本科层次的工
18、程技术人才的角度来看，理论与实际相结合，强化技能训练、培养学生的技术应用和开发能力应是技术基础课的重要任务。在大工程观下工程专业热物理基础课改革过程中，兼顾知识结构和能力培养两个方面，使之成为由基础到专业、从理论面向应用的桥梁，确保培养的工程人才具备工程知识能力、工程设计能力、工程实施能力、价值判断能力、社会协调能力和终身学习能力。参考文献： 1 鄂加强，杨蹈宇，崔洪江，唐文武.工程热力学M.北京：中国水利水电出版社，2010. 2 邓元望，袁茂强，刘长青.传热学M.北京：中国水利水电出版社，2010. 3 李培根.工程教育需要大工程观J.高等工程教育研究，2011， （3）：1-2. 4 谢笑珍.“大工程观”的涵义、本质特征探析J.高等工程教育研究，2008， （3）：35-38. 5 黄凯旋，刘建华.热工课程教与学改革探索J.集美大学学报，2001， （3）：73-75. 6 王永川，王胜捷，宁占武，李建新，刘志璋.面向 21 世纪热工课程教学体系及内容的改革J.阴山学刊，2001， （4）：67-68. 7 李桂芬，朱亚珠.热工基础课程教学改革与建设的思考J.廊坊师范学院学报：自然科学版，2008， （3）：94-98. 责任编辑 魏 杰
