解析行业类高校工程热力学教学质量提高方法论文

  工程热力学是研究能量转换,特别是热能和机械能的相互转换的规律和方法,以及提高能量转化效率途径的一门课程。在基础课、专业基础课、专业课的培养体系中处于承上启下地位。然而工程热力学是一门逻辑性强,理论和概念多,内容交叉渗透,且概念非常抽象深奥的课程,会造成老师不易教、学生不易学,不易学深和学透的普遍现象。

  上海电力学院是一所电力行业类高校。本校能源与动力工程专业学生的就业基本都是面向发电行业。而电厂本身就是一个将热能转换成机械能的热能动力装置,因此在本校的能源与动力工程专业培养过程,工程热力学的教学更要针对学生的就业方向和后续课程而展开。

  本课程组在教学过程中,针对教学中普遍存在的问题,提出应对教学措施,为在电力行业类高校中提高工程热力学教学质量提供保障。

  一、教学中存在问题

  1. 学生学习积极性不高。工程热力学概念多、抽象、内容互相穿插渗透,学生在接触该课程时,感觉不容易入门,不理解学习本课程的目的和意义,影响学生学好这门课的热情和信心,因此学习积极性普遍不高。

  2.理论体系不清。对初次接触工程热力学的学生,由于学习积极性不高,很难在课程学习过程中进行及时的复习,因此学生很难从宏观的角度建立本门课的整体理论体系框架,不利于课程的整体理解和学习,影响学习效果。

  3.基本概念不清。工程热力学的系统、工质、理想气体、实际气体、过程、状态参数、熵变、熵流、熵产等基本概念抽象,难以理解。例如很多学生会认为可逆过程熵变为零、不可逆过程熵变大于零,这里混淆了熵变和熵产的概念;对于状态参数是状态的函数的概念,不能够引申理解状态参数的变化只跟初终态有关而跟过程无关,并且在工质经过循环后状态参数的变化量为零。

  4.核心定律不理解。热力学第一定律和热力学第二定律是工程热力学的核心定律。热力学第二定律在人类的能源利用过程中的地位非常重要,是课程最重要的核心理论,但是学生对热力学第二定律的理解不够透彻和深入。很多同学无法理解热力学第二定律揭示的过程方向性是能质降低的过程;能质的降低是由于热力过程的不可逆性造成的,不可逆因素的存在产生了熵产,因此孤立系统在没有质量交换和热量交换而产生的质熵流和热熵流的基础之上,其孤立系统会由于不可逆因素的熵产而带来熵变,因此孤立系统熵增原理也是热力学第二定律的另外一种说法。

  二、教学措施

  1.讲好绪论引导学习兴趣

  为了提高学生学习本门课的兴趣,作为课程教学的第一课,绪论就显得尤为重要,绪论课要达到如下目的:帮助学生认识工程热力学的重要性,激发学生对新课程的向往和学习热情,使学生产生学习的动力,从而主动学习。因此在绪论课中结合我校能源与动力工程专业学生就业多面向电力行业为引子,让学生思考热电厂的工作过程,引入课程的教学内容,指出其是后续专业课的基础理论。

  2.搭建知识结构

  本课程内容多,各部分内容相对独立又相互关联。如果课程的理论框架不理解,在学习的过程中就会出现知识点分散,无法统筹理解和学习,从而达不到较好的教学效果。为此课程组参考关教材和论文将工程热力学的理论体系进行梳理,整理。点明了课程主要内容之间的联系和作用。首先热力学第一定律和热力学第二定律是热能与机械能转换需遵守的定律;而实现热能和机械能的转换需要通过工质在装置中完成循环,并在循环中发生状态变化过程来实现的,即循环是由不同的热力过程组成;同时由于借助工质完成能量转换,则工质的热力性质也是本课程的重要组成部分。

  3.应用实例,加强概念和基本定律的理解

  为了便于学生理解课程的概念,课程组在涉及到概念的讲述时尽量避免对概念的平铺直叙,而是注重对概念物理意义的解释,引用工程实践和日常生活中发生的现象来引出问题,分析问题,解析概念,引导学生积极思考。如在讲授状态参数时,以热力发电厂的工质经过在锅炉里吸热,汽轮机做功,凝汽器放热和给水泵升压后完成一个循环又恢复到初始状态,工质本身没有任何变化,来让学生理解状态参数沿闭合路径积分为零的概念;针对热力学第二定律,举热力发电厂的例子。如单从热力学第一定律的角度理解,电厂中最大的能量损失发生在凝汽器中水蒸汽凝结而被循环冷却水带走的热量上。然而如从热力学第二定律的角度来分析,循环冷却水所带走的热量由于其温度品位很低,其可用能损失非常小;锅炉中炉膛温度和水的平均吸热温度之间传热温差很大,温差越大,同样的热量在发生交换后可用能的损失越大的角度来分析出实际热力发电厂的最大能量损失是发生在工质的吸热过程中。这就解释了不可逆因素是造成能质降低,产生熵产的原因。此外举例热力发电厂中必定有凝汽器的存在,从而工质需要将一部分热量放给低温热源来说明将热能转换成机械能的能质提高过程必需由放热这样的能质降低的过程做补偿。

  4.多种教学手段的运用

  (1)多媒体教学的引入。“工程热力学”的基本概念和基础理论部分内容较多,涉及的公式、图表也比较多,传统的“黑板板书”的教学手段不能够很好地展示相关的教学内容和信息。近些年计算机辅助教学技术的发展,可以使我们的教学内容更具有生动性、直观性和简明性。而且很多教学改革和教学经验类文章也指明了多媒体教学的重要性和直观性。为此课程组以教材为蓝本制作了多媒体电子课件。完成的电子课件具有以下特点:教学内容详尽,重要的知识点和推导过程全覆盖,有利于学生对内容的深入理解;穿插各种演示图片,加强学生对工程热力学有关现象的感性认识;递进性的电子课件播放,教师讲到哪里,内容显示到哪里,使学生能够紧跟教师的讲课思路。

  (2)加强实践性教学环节。课程实验是课程教学的重要部分,在课程的学习过程中利用实验巩固和加强所学的理论知识,培养学生的动手能力和运用所学知识进行实际问题的分析能力,实现对课堂教学内容深化理解的目的。课程的实验包括水蒸气饱和压力和温度关系,喷管实验等,同时计划引入二氧化碳pvt关系测定和空气比热测定的实验。

  (3)网络教学资源。对于工程热力学这样的内容多,难以理解的专业基础课程,仅依靠课堂教学,学生通常不能很好地掌握,需要学生课后反复复习、勤学勤练。但通常书本内容枯燥无味,无人辅导,学生开展学习的阻力较大。基于此,利用现在网络信息的便利性和学生的喜闻乐见性,课程组引入网上教学作为日常教学的重要补充与延伸,建立了本课程教学网页。网页信息主要包括:课程介绍、师资队伍、教学文件、教学课件、教学录像和互动交流等板块。教学文件中包含教学大纲、教学进度表和课堂教学教案,使学生了解课程学习的要求、难点重点以及课程学习的时间安排。教学课件为上课中使用的多媒体电子课件,使学生在课后可利用课件回顾和复习课堂内容;互动交流为老师和学生提供课后学习交流平台,学生遇到疑问可以在交流平台上提出,老师和学生均可参与讨论和解答,加深内容的理解。

  三、总结

  课程组在多年的针对电力行业类高校的“工程热力学”教学过程中存在的普遍问题进行了剖析和总结,并就主要教学问题通过多年的教学实践提出了相应的教学措施。笔者希望通过教学经验的总结和教学措施的实施,不断提高教学能力,紧跟行业发展前沿,使“工程热力学”在电力行业类高校的能源与动力工程专业的教学效果上更上一层楼。

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