能源与动力工程专业热工系列课程改革实践

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摘要：热工系列课程作为能源与动力工程专业的专业基础课，旧的课程体系已不适应时展，故需要进行一定范围的改革。提出了混合式教学方式，并将课程的教学内容进行优化，教学效果良好。

关键词：能源与动力工程；网络教学平台；混合式教育

作者简介：代乾（1981-），男，河北沧州人，天津城市建设学院能源与安全工程学院，讲师；王泽生（1964-），男，天津人，天津城市建设学院能源与安全工程学院，教授。（天津 300384）

基金项目：本文系天津城市建设学院2012年度教育教学改革与研究项目（项目编号：JG-1207）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0074-02

2012年9月，教育部颁布实施新的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》，热能与动力本科专业更名为能源与动力工程专业。由专业名称可见该专业的内涵更加广阔和深远，从而也说明随着能源动力科学技术的飞速发展和新问题地提出，社会对人才的培养提出了新的要求。目前，大约有170多所高校设置了热能与动力工程专业。[1]随着经济的发展，能源与环境逐渐成为世界各国所面临的重大科技和社会问题。培养高素质的具有创新意识的能源工程专业人才是本学科义不容辞的责任。而热工系列课程作为重要的专业基础课程，其重要性不言而喻。合理的课程体系是体现教育教学理念的重要载体，是实现专业培养目标、构建学生知识结构的中心环节，建立适应社会主义市场经济发展需要、体现热能动力技术学科内在规律、科学合理的课程体系极为重要。[2]为了使该课程适应新的要求，非常有必要对其进行一定的改革，以培养适应21世纪社会发展需要的人才，同时对推动我国可持续发展战略具有重要的意义。

一、实施混合式教育方式

开发混合式学习方案的关键因素在于确定适当的时机，使用适当的混合方式，为适当的学生施行教学。而教师想要运用适当的混合方式需要考虑学习地点的设置、信息传输技术及时间的安排、教学策略和绩效援助策略等。[3]混合式教学模式一般可分为以下几个阶段：[4-6]

1.前期分析

学生作为学习活动的主体是有认知、有情感的，学生本身的知识水平、学习能力和社会特征都对学习的信息加工过程产生影响，教师进行学生特征分析有助于了解学生的学习准备和学习风格，从而为后面的学习环境设计和媒体的选择提供依据。

2.混合式教学的组织与管理

教师应按照教学进度有针对性地选择和设计教学活动，同时要参照已经设计好的课程目标、课程内容及其呈现形式，将其与具体的章节知识点相关联。教学活动的作用在于为学生创造具体的学习情境，并加强师生、生生之间的交流互动，因此恰当的教学策略对于教学活动的顺利展开尤为重要。

3.网络教学平台及教学资源建设

网络的对于教学来说不应当只是教学内容，而更多的应该是支持教学交互、教学评价和教学管理，教学交互、教学评价和教学管理是保证教学质量的重要环节，这就需要有一个集教学内容与管理、课堂教学、在线教学交互、在线教学评价、基于项目的协作学习、发展性教学评价和教学管理等功能于一体的网络教学平台来支撑混合式教学。本校对“工程热力学”、“传热学”、“工程流体力学”原有的教学网站进行了全面改版，并于2010年先后投入运行。其中“工程热力学”课程教学网站主页如图1所示。网站按照省部级精品课程的要求制作，网上教学内容详实，包括课程的概况、教学文件、习题及答案、实验实践教学等各种资源。学生可通过浏览网站学习更多的知识，这对课堂教育来说是一个非常有益的补充，并有助于实现教与学的互动。

二、教学内容优化

“工程流体力学”是理解能源动力系统工质流动与流量、能量分配的基础。“工程热力学”是研究如何充分和有效利用能量的学科，其基本内容是热力学基本定律和工质热物性、热过程的研究，是理解能源动力系统中能量转换基本规律和提高系统能源利用效率的理论基础。“传热学”研究热量传递的基本规律，是理解和控制能源动力系统热量传递过程的理论基础。“热工学”集成了“工程热力学”、“传热学”的基本理论和核心内容，为能源动力类安全工程专业等提供必要和少量学时的热工理论基础教育，也是其他非能源动力类专业节能技术及应用的理论基础课程。“热工测量技术”和“流体热工基础实验”课程则是关于“工程流体力学”、“工程热力学”、“传热学”的实验理论的技术基础课程，旨在揭示相关课程的实验研究目标、原理、方法以及应用。

1.热工系列课程间内容关联性分析

（1）“工程流体力学”与“工程热力学”在教学内容的关联性之处主要体现以下两个方面：“工程流体力学”中的一维无粘性重力流体流动能量方程（伯努利方程）与“工程热力学”中的热力学第一定律稳态稳流能量方程式具有相同的理论基础，后者是普遍适用的能量方程式，而后者是前者在一维无粘性重力流体条件下的特例和不同的表达方式；“工程流体力学”中的可压缩流体流动基础与“工程热力学”中的气体和蒸汽的流动研究对象及理论基础完全相同，只不过研究的侧重点不同，前者强调流动特性，后者注重能量传递与转换过程。

（2）“工程流体力学”与“传热学”课程在教学内容方面具有紧密的关联性和延续性，主要体现在“工程流体力学”中粘性流动方面与“传热学”中对流换热方面的相关内容，具体为：

1）研究对象均为传递现象，“工程流体力学”研究的是动量的传递，而“传热学”研究的则是热量的传递，其规律及分析方法具有类比性。首先，传递驱动力分别为速度差和温度差；其次，传递方式均为分子扩散和对流扩散，其中对于分子扩散基本规律两者具有类似的形式，即牛顿摩擦定律及傅里叶定律，也均有描述传递能力的物性参数，即运动粘度（m2/s）和热扩散系数（m2/s），而且流动边界层与热（温度）边界层具有相似的定义和相同的边界层结构；最后，描述传递现象的控制方程，即动量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程，也具有相似的形式。这也是“传热学”中动热类比分析方法（类比律，即将阻力实验结果直接用于表面传热系数的计算）的理论基础。

2）如果粘性流体流经壁面且具有与壁面不同的温度时，就会同时发生动量传递和热量传递现象。此时“工程流体力学”与“传热学”研究的是同一现象的不同方面的特性，即阻力特性和传热特性。一般阻力特性是传热特性研究的基础，某些特殊情况（流动及对流换热具有耦合特征）下两者相互影响，如流体外掠平板的层流与紊流流动及对流换热、圆管内层流与紊流流动及对流换热、外掠圆柱的层流与紊流流动及对流换热、各类自由流动及对流换热等等。显然在此类教学内容中，“工程流体力学”是“传热学”的基础。

3）具有相同的分析、计算方法。正是由于动量方程和能量方程具有相似的形式，理论分析法（包括微分方程组求解及积分方程组求解）、模化实验方法（相似原理）、数值计算方法均可应用于阻力特性和传热特性的研究，甚至同一数值计算商业软件（如FLUENT、ANSYS、PHINICS等）可同时分析求解同一现象的阻力特性和传热特性。因此在研究方法上，“工程流体力学”与“传热学”是并行的或者说是相同的。

（3）“工程热力学”与“传热学”课程在教学内容具有关联性之处主要体现以下两个方面：“工程热力学”中有关热量传递只是讨论热力过程中热量传递的量，而“传热学”研究的是热量传递的机理、方式、影响因素、计算方法。在“热力学”中热量的单位是q（J/kg），而“传热学”中热量（热流密度）单位是q（W/m2），可见后者强调的是热量传递的速率及能力，而后者以前者的理论（即热力学第一定律—能量守恒规律）为基础；“工程热力学”中有关湿空气焓及含湿量变化规律与“传热学”中的热质交换有着内在联系。如电厂冷却塔中，“工程热力学”讨论了其工作原理及状态参数的变化，而“传热学”则讨论了其热湿交换的具体方式和传递速率。

2.热工系列课程教学内容体系优化原则

依据培养方案，流体热工系列课程时间安排顺序是“工程流体力学”—“工程热力学”—“传热学”（或“热工学”）—“热工测量技术”，“流体热工基础实验”课程与上述课程并行安排。因此，热工系列课程教学内容体系优化按照以下原则进行：

（1）安排在前的课程。教师除完成本课程教学内容外，须根据上述各课程之间知识点的关联性，有意识地为后续课程涉及的内容打下牢固的理论基础。“工程流体力学”课程的教师需要向“工程热力学”、“传热学”课程任课教师了解相关的内容，如一元绝热稳定流动的能量转换规律、相似原理等等，在“工程流体力学”的教学中兼顾这些内容的教学需求。

（2）安排在后的课程。教师依据上述各课程之间知识点的关联性分析，在相关内容的教学过程中，须了解前面课程任课教师的授课内容和方法，精选授课内容，避免不必要的重复，使该课程与前面课程有机衔接，且注意采取比较教学法，让学生更容易掌握课堂知识。

（3）“热工测量技术”和“流体热工基础实验”课程。课程任课教师应了解和引用其他理论课程相关教学内容，使实验教学与理论教学内容有机结合。如温度测量，教师除加强温度测量原理、仪表、标定及使用方法教学外，对于高速气流温度测量，需引用“工程热力学”中气流一维绝热流动能量方程以及滞止温度和气流温度的关系等相关理论知识，说明气流速度对温度测量误差的影响；而对于高温气流温度测量，需引用“传热学”的辐射换热相关理论，说明辐射对测温误差的影响以及消除误差的措施；而对于铠装热电偶或在加温度计套管情况下，还需引用“传热学”的通过肋壁导热的相关理论，说明套管的存在对温度测量误差的影响以及消除误差的措施。

三、结束语

经过一定时间的教学体验和学生的反馈表明，该教学模式使教学效果得到很大提高。笔者认为在以后的教学当中，要把这种模式继续深化并推广到其他课程的教学当中，热工系列课程的教学改革也必然会取得成功。

参考文献：

[1]宋文武，符杰，李庆刚，等.关于构建“热能与动力工程”大专业多方向课程体系的思考——基于培养复合型应用人才的视角[J].高等教育研究，2011，28（4）：44-48.

[2]战洪仁，张建伟，李雅侠，等.热能与动力工程专业人才培养模式及课程体系探讨[J].化工高等教育，2008，99（1）：19-21.

[3]Matt Donovan，Melissa Carter.Blended Learning：What Really Works[J].CLASTD，2004，（2）.

[4]Driscol1 M.Blended learning：Let’s get beyond the hype[J].learning and Training Innovations[R].2002.

[5]Rebecca Launer.混合式学习获得成功的重要因素：五种假设[J].现代远程教育研究，2011，（1）：57-60.

[6]黄荣怀，周跃良，等.混合式学习理论与实践[M].北京：高等教育出版社，2006.