“工程热力学与传热学”教学内容和方法的优化与实践

摘要：针对安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学内容、教学特点和目前教学中存在的典型问题和不足，分析了“工程热力学与传热学”教学内容和教学策略改进和优化的必要性，提出了该课程教学改革和优化的思路和具体改进实施方案，包括具体优化教学内容、具体教学方法设计和学生实践应用能力培养策略。

关键词：工程热力学与传热学；安全工程专业；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0041-03

“工程热力学与传热学”是一门与工程实际联系紧密、应用性很强的热科学基础课，它源于矿业、石油、冶金、化工、机械、环境、航空航天等工程领域中的实际工程问题，也发展、应用于解决实际工程问题，在理工科本科生教育中占有重要地位，为理工科专业技术课的学习提供重要的理论基础。近年来，随着人类社会的进步和科学技术水平的提高，实际工程领域所面临的热科学问题更加复杂，这使得“工程热力学与传热学”课程传统的教学模式及授课内容已面临社会发展和学科发展的严峻挑战，存在较多问题和不足。[1]作为中国矿业大学（北京）（以下简称“我校”）“工程热力学与传热学”课程的主讲团队，笔者结合近年来科研工作中关于热力学与传热学的问题和多年对该课程的教学经验，对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践进行了一些探索，并得到了一些粗浅的体会和认识。

一、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革的必要性

1.该课程对安全工程专业本科教育的重要性

安全工程专业是一个涉及理、工、文、法、管等学科的综合交叉工科专业，目前国内开办安全工程专业的高等院校的类型很多，有矿业、石油、化工、军工、土木、交通、环境、经济等。“工程热力学与传热学”是安全工程专业必修的一门专业基础课程，在安全工程专业的培养计划中有非常重要的地位。根据安全科学基本理论，事故是能量失去控制而意外释放所造成的，而“工程热力学与传热学”正是研究能量转化与传递过程的基本规律，由此可见该课程对安全工程专业本科生培养的重要性，其教学水平直接影响安全工程专业本科生的培养质量。

2.目前该课程教学中存在的问题和难点

（1）教学学时少，但教学内容多，造成教与学矛盾。随着21世纪国家人才培养战略逐渐向拓宽专业口径、培养复合型人才方向发展，安全工程专业本科教育的培养计划和培养目标也不断调整，更加重视大安全“通才”教育。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我国多数高校对“工程热力学与传热学”课程学时都进行了缩减。比如我校，由起初64学时调整为48学时，虽然学时减少，但主体教学内容并未删减，这导致教学进度不得不加快。然而热力学和传热学理论性、专业性强，因为教学进程加快，使得学生不能深入透彻理解重要知识点，造成教学效果较差，引起教与学的矛盾。

（2）课程概念多、公式多、理论性强，降低了学生学习兴趣。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，尽管有些概念和公式在“大学物理”和“物理化学”课程中学习接触过，但运用这些抽象概念和基本公式解释、推导热物理规律时，多数学生都会感觉到比较吃力，因为这要求学生具有扎实的数理基础和较强的抽象思维能力。另外，该课程中一些概念比较抽象且比较相近，容易发生混淆，比如可逆过程与准静态过程的联系与区别，技术功、轴功、容积功区别，导热系数、传热系数、导温系数的联系与区别等。同时，“工程热力学与传热学”中繁多的公式的关联性极强，推导过程复杂。上述理论性和专业性很强的概念、公式及其之间的复杂关系，大大地降低了学生学习的兴趣和动力。

（3）教学内容及参考教材安全专业应用案例较少，学生专业实践应用能力培养不足。随着科学技术的快速发展，热力学与传热学领域一些新的概念和理论不断涌现，目前多数新出版的“工程热力学与传热学”教材内容丰富，知识面力求新颖和广博，只配有少量简单应用案例。这对目前压缩学时的安全工程专业本科教学来说不合适，不利于学生在有限学时内深入学习和掌握重要热力学和传热学理论，而且不能使学生深入了解热力学和传热学理论在安全专业的应用，从而造成专业实践应用能力培养不足。因此，针对安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学，应有所侧重，补充该专业应用案例，强化学生学习兴趣和动力。

3.该课程教学内容和教学方法优化的必要性

随着经济的快速发展和社会的不断进步，人们对安全的要求越来越高，近几年来安全学科发展迅猛，“安全科学与工程”已成为工学门类下第37个一级学科，安全学科涉及面越来越广，已深入到矿业、石油、冶金、化工、环境、土木、交通等多个工程领域。“工程热力学与传热学”作为安全工程专业重要专业基础课，面临社会科技发展和安全科学发展的新形势，特别是教学学时压缩情况下，其传统的教学模式、授课内容、教学效果已充满挑战，存在较多问题和不足，其教学情况，在一定程度上影响安全专业人才在实际工程中解决相应问题的能力。因此，在有限学时内，对该课程教学内容和教学方法进行改进和优化是非常必要的。通过教学改革，提高该课程教学水平，才能使其充分发挥对安全专业技术课学习应起到的桥梁和铺垫作用，从而在一定程度上提高安全工程专业本科生的培养质量。[2]

二、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革思路及实施

1.该课程教学内容调整和优化

（1）根据安全专业方向和学时分配，强化和弱化部分教学内容。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我校对“工程热力学与传热学”课程学时由起初64学时缩减为48学时。为在有限学时内完成教学计划和提高教学质量，笔者选用的参考教材为张学学教授主编的《热工基础》，该书基本内容由工程热力学和传热学两部分组成。[3]该书侧重于热力学和传热学基础，有助于学生对基本理论知识和方法的理解和掌握，但对于安全工程专业基础教育来说，其部分章节教学内容不重要，比如工程热力学篇的第六章内燃机和燃气轮机动力循环装置和第七章制冷装置循环等内容，因此在教学过程中对上述内容可以弱化。该书第五章中作为了解内容的湿空气性质及其热力学过程，是通风安全理论的基础，对安全工程专业来说就特别重要，因此在教学中对该部分内容应强化。总的来说，对该课程的教学应因材施教，根据安全工程专业方向和教学计划分配，灵活调整和优化教学内容和重点，使得学生能深入透彻理解重要知识点，避免引起教与学的矛盾。

（2）扩充传热学数值计算知识及应用算例，增强学生对基本公式及理论知识应用方面的理解，激发学生学习兴趣和动力。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，通过实验教学可以加深学生对热力学与传热学理论知识的理解和掌握，但受于学时和实验条件限制，目前该课程实验教学课时还比较少。近年来随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，数值计算（或称数值实验）为热力学和传热学研究开辟了一个新途径。目前“工程热力学与传热学”课程教学中，只在导热部分对数值计算基础进行了简要介绍，为了使学生能较系统地了解和掌握数值计算在传热学的应用，也需要对流换热部分的数值解算进行补充。考虑到本科生对数值计算涉及的数学推导和偏微分方程求解等知识的理解和掌握比较吃力，在课程教学中对MATLAB软件在传热学数值计算中应用进行介绍，并引入相关传热问题解算案例进行讲解。MATLAB是一套综合性的高性能数值计算和可视化软件，借助MATLAB软件不仅能使学生较快掌握传热学数值计算的应用，同时借助其强大的计算和绘图功能，也可以使学生对热力学和传热学中的许多公式和热物理规律推导进行图像化展示，这有助于学生对热力学和传热学基本理论知识的理解和掌握。[4]

（3）建立安全专业应用案例库，细化到具体章节教学内容中。“工程热力学与传热学”与工程实际联系紧密，应用性很强，它源于工程实际，并应用于解决实际工程问题。因此，若要提高“工程热力学与传热学”课程教学质量，在课程教学过程中应将实际工程案例作为教学素材，引导学生对特定的教学案例问题进行分析，并借助热力学和传热基本理论提出解决方案。针对安全工程专业说，工作中会遇到各种各样的危险情景，引入专业案例教学非常重要，比如应该补充讲授热力学能量传递、烟气对流和辐射复合传热方面的案例、热力学与传热学在事故演变分析中的应用案例。通过案例教学不仅可以使学生对热力学和传热学知识有深刻的理解和掌握，也有利于拓展学生的思维模式，激发学生的创新意识，更重要的是培养学生的专业应用和实践能力，对工作中危险情景问题应该怎样借助热力学和传热学理论来分析和解决会有较好的把握。因此，笔者近几年来特别重视对安全专业应用案例库的建设，对各个案例根据教学内容进行分类，基本贯穿于各个章节的教学中。

2.该课程教学方法改进和优化

近几年来随着国家对人才培养战略的调整以及工科类专业培养目标的改革，为了保证和进一步提升“工程热力学和传热学”课程教学质量，笔者对该课程教学方法进行了一些探索和改进。

（1）以科研与工作实践促进教学。大学教学不同于中学教学，大学是培养人才和创造知识的重要平台，在大学教学过程中要讲授传播高深前沿的专业技术知识。只有通过科研历练和工作实践，大学教师才可以逐步提高专业素养和综合素质，才能紧跟进而较好地把握本专业科技前沿。“工程热力学和传热学”课程作为工科类重要专业基础课，该课程任课教师更应立足于科技前沿，通过科研工作不断提高自身业务素质，并将科研成果转变为专业理论知识渗透到教学过程中，这样才能克服教材内容滞后于最新专业科技知识的不足，保证教学质量，同时通过“工程热力学和传热学”课程教学也能拓宽学生的科研视野和提升学生专业知识水平。为此，笔者在教学过程中穿插介绍了课题组在采空区自然发火、矿井降温等领域与热力学和传热学有关的研究成果。

（2）设立课程助教和网络讨论课堂，增强课程教学答疑和交流。为了及时解答学生学习过程中遇到的问题，在“工程热力学和传热学”课程教学过程中笔者安排了助教，助教一般由青年教师或高年级研究生担任，主要负责课程作业批改和答疑，并不定时开展相关专题讨论班，加强学生对重要章节的学习和理解。另外，在课外，笔者还充分利用网络资源，建立了网络讨论课堂（QQ群）。针对课程学习疑难问题、课程建设及改进建议等问题学生都可以在课程讨论群中提出，助教或任课教师基本每天都会登陆讨论群回答学生提出的问题。通过设立助教和建立网络讨论渠道，较大程度上增进了课堂教学以外老师和学生的交流，提升了该课程的学习质量。

（3）借助现代多媒体教育技术丰富教学手段。近年来，随着计算机科技和互联网技术的快速发展，多媒体技术成为教育教学过程中一个非常重要和便利的工具。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和图表非常多，采用多媒体技术可以显著节省教师对一些公式和图表的板书时间，不仅能提高教学效率，并且采用图文并茂的PPT可以形象具体地展示教学内容，利于学生理解。然而，对于比较重要的教学内容，比如导热微分方程、对流换热方程等数学描述的推导，笔者仍采用传统板书方式，详细分析和讲解重要定律和公式的提出和推导过程。另外，要充分利用多媒体技术的多种媒介形式，包括多种形态的文字、图片、动画、录像等。[5]目前笔者已经制作和收集了一些图片和视屏（热电偶等测温器件、肋片、换热器传热过程Flash、煤自燃实验录像等），在课堂教学实践中取得了较好的效果，大大激发了学生的学习兴趣和热情，也加深了学生对传热学在科技生产领域中应用的认识。

（4）改革和优化考核方式。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和准则特别多，有些公式较难记忆和推导，因此任课教师在闭卷考试命题时不得不压缩范围，这导致一些同学在考试复习时会忽略一些教学内容。为了使学生能对热力学和传热学基本理论知识有一个整体的把握和思考，特别是对该课程基本理论的应用有较深刻的认识和理解，笔者采用多元化考核方式。多元化成绩评定包括三部分：第一，课后习题作业、出勤、课堂表现、课下网络讨论表现情况；第二，专题大作业完成情况，专题大作业主要是基于热力学和传热学基本理论开展相关产品设计或数值模拟等；第三，闭卷考试成绩。采取这种多元化考核方式，不仅能促进学生对热力学和传热学理论知识的深入学习和掌握，也能提高学生的学习能动性，提升实践应用能力，有助于培养高素质人才。

3.学生实践应用能力培养引导

为了进一步提高学生的实践应用能力和培养学生的创新意识，笔者在“工程热力学和传热学”课程教学过程中通过多种形式对学生进行引导或提供多种实践渠道进行学习。

（1）设置热力学和传热学专题大作业。在教学过程中，笔者精心选取了多个与热力学和传热学密切相关的专业问题，让学生分组协作，首先对这些问题进行调研，然后开展实验设计和数值模拟分析，并写出相应的总结报告。最后，利用讨论课时间，组织各组以PPT形式进行汇报，通过提问和讨论意见进一步完善作业成果。专题大作业的成果作为期末考试总成绩评定的一部分。在课堂教学过程中增加学生参与的比重，使学生成为课程学习的主体，能为培养学生的实践创新能力创造有利条件。[6]

（2）利用大学生创新计划项目。目前，我校积极响应国家、北京市有关开展大学生创新训练的政策和工作安排，每年都组织设立大学生创新训练计划项目近300项，这为我校大学生参与科研工作、开展创新活动提供了重要的平台和良好的条件。我校“工程热力学和传热学”课程刚好在大学生创新训练项目立项这学期开课，在教学过程中，笔者鼓励学生应用热力学和传热学基本理论进行选题，并在开展研究工作过程中给予方法和技术指导。

（3）利用校外实践基地现场实习交流。为了提高学生的实际工作能力和教学质量，培养高素质复合型人才，以尽快适应社会发展的人才需求，和加强本科实践环节的教学，我校资源与安全工程学院积极开展校企合作实践教学，目前已建立了39个校外实习和实践教学基地。在“工程热力学和传热学”课程教学过程中，笔者穿插介绍了安全工程专业相关应用案例，同时，也经常给学生灌输实践学习的思想，鼓励学生好好利用实践基地这个很好的学习平台，到实践基地去实习或社会实践时现场观察、学习热力学和传热学的应用实例。通过现场学习能较大程度上拓展学生实践应用思维和激发学生创新意识。

三、结语

“工程热力学与传热学”课程在理工科本科生教育中占有重要地位，它源于工程实际问题，也发展、应用于解决实际工程问题。为能使热力学和传热学知识适应社会发展需要和满足现代社会对信息型、复合型人才的需求，“工程热力学与传热学”教学内容和教学方法需不断改进和优化。

本文以安全工程专业“工程热力学与传热学”教学为例，针对该课程教学内容、教学特点和目前教学中存在的典型问题和不足，提出了该课程教学改革和优化的思路和具体改进实施方案。该课程教学改革在安全工程专业教学中实践结果表明，新的人才培养目标和培养模式下“工程热力学与传热学”课程教学质量有较大改观，学生理论知识学习情况、分析解决问题能力、实践应用能力都得到较大提升。笔者对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践，希望能为国内其他高校理工科“工程热力学与传热学”课程教学改革提供思路借鉴。

参考文献：

[1]于靖博，董丽娜，赵兰英.《工程热力学与传热学》课程教学改革与实践[J].广州化工，2013，41（11）：259-260.

[2]林日亿，梁金国，黄善波，等.安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革[J].中国电力教育，2010，（167）：93-95.

[3]张学学，李桂馥，史琳.热工基础[M].第二版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]丁鹏.MATLAB在高校“传热学”教学中的应用与实践[J].中国电力教育，2011，（196）：149-150.

[5]闫洁，戴秋莲，沈剑云.“流体力学与传热学基础”课程教学改革探索[J].中国电力教育，2010，（160）：68-69.

[6]黄雨，刘铖玮.工程数值法教学改革研究——以“地质工程数值法”为例[J].高等建筑教育，2013，22（4）：81-84.

（责任编辑：王意琴）