工程熱力學基本概念模板(10篇)

導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇工程熱力學基本概念，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

作者簡介：高蓬輝（1979-），男，山西興縣人，中國礦業大學力學與建筑工程學院，副教授；張東海（1977-），男，江蘇徐州人，中國礦業大學力學與建筑工程學院，副教授。（江蘇 徐州 221116）

基金項目：本文系中國礦業大學青年教師教學改革資助項目（項目編號：2001207）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0087-02

“工程熱力學”為能源工程、機械工程、化學工程、材料工程以及航空航天工程等多門學科的發展奠定了基礎，熱工理論的研究與應用直接決定能源轉化效率、節能技術及環境保護實施的成效，對于人類社會的可持續發展具有重大意義。因此，作為高校工科專業的重要基礎課，加強“工程熱力學”的教學效果就尤為重要。我國近兩百所高校開設建筑環境與能源應用工程專業，全部將“工程熱力學”課程設置為主干專業基礎課之一。“工程熱力學”課程不僅是后續專業課程學習的理論基礎，同時直接為學生今后的科研和工作實踐提供理論指導，具有重要的學習意義和實際應用價值。[1]

筆者根據自身在“工程熱力學”課程教學過程中的切身體會和經驗，指出應注重將基礎數學、物理理論知識融會于“工程熱力學”課程講授過程中，促進學生對熱力學中抽象概念和過程的深入理解，達到提高和改善教學效果的重要作用和目的。

一、基礎數學物理知識在熱力學理論中的體現

熱力學的先修課程主要有高等數學和普通物理等課程，在教學中發現許多學生高等數學知識薄弱，需要在課堂教學中講解大量的高等數學知識，才能使課堂教學質量得到保證，然而卻浪費了“工程熱力學”課程自身的教學時數，因此探索基礎數學、物理知識體系與熱力學之間合理的聯系以及有機過渡的教學方法成為熱力學教學中必須重視的問題之一。

熱力學作為一門非常系統且抽象的學科，其科學性、嚴謹性主要是通過各個章節中貫穿其中的數學體系來構建而成的。如何科學、深入理解這些繁雜這些概念和數學結論，成為課堂教學活動中非常關鍵的一環。以下我們將例舉熱力學中非常重要的一些基于數理知識的基本概念和理論推導過程。

1.狀態參數

在熱力學的教學過程中，我們把系統中瞬間表現的工質熱力性質的總狀況，稱為工質的熱力狀態，簡稱為狀態。[2]熱力狀態反映了工質大量分子熱運動的平均特性，描述工質狀態特性的各種物理量稱為工質的狀態參數。而狀態參數是熱力系統狀態的單值函數，與熱力過程無關，狀態參數的這一特性的數學特征為點函數，表示為：

（1）

循環積分為：

（2）

在教學活動中，應將微分的理念融入到狀態參數概念的講解中，并通過全微分將熱力系統狀態參數為點函數的特性進一步闡述，使學生深入理解熱力狀態參數的特殊性。

2.微變量dh與變化量h的區別

在熱力學第一定律的學習過程中，對于焓有兩個非常相似的公式：

（3）

（4）

上式（3）和（4），從外形來看，非常相似，且學生在學習過程中，也容易忽視其細微差別。從數學角度來看，在教學過程中應對其進行區分。式（3）為焓的微分計算表達式，dh為焓的微變量值；式（4）為焓的改變量計算表達式，h為焓的變化量，即式（4）是通過對式（3）進行積分后得到的。這些細微概念上的差別，帶來完全不同的熱力學分析。通過上述的詳細講解和區別，可以加深學生對熱力學中相關公式和計算過程的理解。

3.卡諾循環與極限的概念

卡諾循環解決了在一定的高溫熱源T1和低溫熱源T2間，熱功轉換最大效率的問題。由于卡諾循環是典型的可逆循環，在整個熱力轉換過程中，沒有熵產，即沒有不可逆因素所引起的做功能力的損失，因此，該循環熱效率ηtc=1-T2/T1成為兩熱源T1、T2之間工作熱機的最大循環熱效率。

在課堂講解中，聯系實際工業生產和生活中的熱力機械，指出實際熱力機械的熱功轉換效率都低于卡諾循環熱效率ηtc，原因在于卡諾循環作為可逆循環，是一理想熱力循環，其熱效率為實際生產、生活中熱力循環效率的極限。[3]因此，實際生產和生活中的熱力循環效率只能小于卡諾循環的熱效率，不可能大于卡諾循環的熱效率。這樣從數學極限的角度也解釋了為什么卡諾循環效率是一定高、低溫熱源間工作熱機的最大效率的問題，使學生更加容易理解卡諾循環這節的相關概念和理論。

4.音速

研究流體在管道內流動時，我們提出了音速α，并且對定熵流動中音速用下面的公式進行計算：

（5）

在得到音速與溫度之間的函數關系時，指出理想氣體定熵過程方程式：

（6）

對式（6）進行變形，得到 （7）

在將式（7）代入式（5）時，遇到與是否等效的問題，從形式看，一為偏微分關系，另一為全微分關系。但從變量與因變量的角度來看，同樣反映出變量與因變量間的函數變化關系，在課堂教學過程中，需要對這一細微差別進行講解，以促進學生對物理過程以及數學關系的理解，不可一帶而過，從而造成學生概念以及數學關系理解上的斷層和缺失。

二、構筑基礎數理知識與“工程熱力學”課程有機結合的教學方法

“工程熱力學”課程的一個重要特點是基本理論多，基本概念抽象。為此，在課堂教學中針對基本理論部分，把講解重點放在基本理論和基本概念的深入理解上，如狀態參數、可逆過程、熱功轉換、熱力學第一、二定律、卡諾循環、卡諾定律、熵等，這些一定要詳細講解、分析透徹。特別是熱力學第二定律的課堂教學中，因為該部分內容概念抽象、原理費解，又不能用實驗來演示，所以學生學習非常困難，但熱力學第二定律作為“工程熱力學”課程的核心內容之一，非常重要。凡此種種，筆者作為“工程熱力學”課程的講授教師，在教學活動中，認為通過將基礎數理知識與“工程熱力學”課程有機結合的教學方法，可以提高和改善課堂教學效果，促進學生對“工程熱力學”課程內容的掌握和理解。教學活動中可以采取以下的方法，以實現將基礎數理知識與“工程熱力學”課程結合的教學：

1.課程準備階段

在“工程熱力學”課程的備課階段，先將本章節內容難以理解的概念、定理以及公式推導過程摘出來，同時考慮這些部分與哪些基礎數學、物理知識相關，并將這部分數理知識作為課堂講授內容的鋪墊部分準備到“工程熱力學”課程的課堂教學活動中，即將這部分基礎數理知識寫入課堂講義、PPT教學幻燈片中。

2.課堂講授階段

在“工程熱力學”課程的課堂講授過程中，將熱力學基本概念、原理和公式的推導與基礎數理知識結合起來，在講授過程中，實現熱力學本身內容與基礎數學、物理知識的互動講解，從而達到改善教學效果、使學生易于理解和掌握的教學目的，實現學生對復雜、難懂內容的系統把握和理解。

3.課后反饋階段

課后可以與學生圍繞課程教學內容進行溝通，對課堂教學不足之處進行查漏補缺，一方面可以掌握學生的掌握情況，另一方面可以對教學方法不斷改進，起到再次升華的作用。

三、結論

“工程熱力學”作為能源、機械和化工等眾多學科領域方面的一門基礎專業課，其重要性不言而喻。如何改進已有的教學方法，改善和提高現有的課堂教學效果，成為各高校“工程熱力學”課程教師所共同關注的關鍵問題之一。本文從筆者自身的教學體會出發，根據“工程熱力學”課程內容的特點，提出將基礎數理知識融入到“工程熱力學”的教學活動中，并給出了實現將基礎數理知識與“工程熱力學”課程結合的教學方法和途徑，為“工程熱力學”課程的講授提供了新的思路和方法，對其他課程的教學改革也有一定的借鑒意義。

參考文獻：

篇2

熱力學是一門具有專業技術的基礎課程，但是它又包含了專業課程的特色，是進行后期深入研究學習的理論和基礎，它還有很強的技術性和實用性。熱力學相關的熱力技術和節能環保問題日益凸顯，所以需要在教學中深入教學創新，激發學生自主學習的熱情。本文就如何在教學中引導學生掌握課本知識和應用作出了分析。

一、熱力學的含義與其構架

熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質與其建立能量的關系，以及物質狀態發生變化時與外界相互作用（包括能量傳遞和轉換）的一門學科。因為能量轉變的普遍性，所以熱力研究的成果被運用于各個領域之中。

從宏觀角度來看，熱力學在其的發展過程中，針對其內容可以分為兩個不同的結構體系，首先可以從它的基礎理論來進行講學，其次可以結合所學從實際出發進行應用教學；如果從熱力學的教學體系來劃分，卻可以將其教學劃分為三大點，首先是它的概念，然后是它的運動規律，最后是對它的性質和實際操作進行劃分。

在教學中教師要保證學生對其意義有一定的認知，引導學生掌握熱力學的基本概念，幫助他們重建熱力學的知識構架，要做到這一點就必須要從以下幾個方面入手，進行知識的梳理。

（一）對熱力學的概念進行分析，包括它的公式和運動規律（熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學第三定律等）

（二）對熱力學的中的基本熱力（包括理想氣體；實際氣體；水蒸氣；濕空氣；制冷工質）性質進行研究分析。

（三）從熱力學研究的實際操作過程中分析計算工質在設備中的數據變化，分析影響能量轉換效率的因素，尋求轉換效果更高的有效途徑。

二、熱力學教學方法

（一）結合實際教學

在教學中對日常生活中的一些熱力學現象，用專業化的熱力學知識進行分析，對其作出科學合理的解釋。通過這樣的教學讓學生充分體會到課堂知識與平常的生活息息相關，促使他們對老師的教學產生濃厚的興趣和學習熱情，以此來達到提高教學效率的目的。如在教學中向學生提出與生活相關的問題：空調與冰箱的工作原理是否相同？等，在課堂上應該做到適時的穿插一些與生活有關的問題，培養學生自主思考的能力。還能在教學中介紹一些熱力學在生活中應用的著名例子，如低溫實驗室的創始人卡末林?昂內斯利用范德華方程式創造出了液態氣體，對人類科學的進步作出了巨大的推動，讓學生在切身體會中感受化工熱力學對實際生活中的指導作用。

（二）加強對基礎理論的教學

熱力學是一門非常嚴謹的課程，又可以說它是完美的學科，因為其理論和公式都是經過認真演算的，因此在教學中要著重對公式和理論進行論述，幫助學生掌握和理解熱力學。

教師上課過程中對基本的概念、含義、公式中的相關數據要做出一定的分析和解釋，讓學生從根本上明白公式所要表達的意義，同時在引用理論和實際例子時，保證它的準確性和代表性，讓學生對熱力學的概念有一個清楚的認識。

公式的演算和推導也不需要將所有的數據都拿出來分析講解，為了減少推導量，只需對影響推導結果的關鍵部分著重講解就行，其他的推導過程可以簡單略過，這樣既保證了課堂進度還提高了課堂教學的效率。

學生必須具備合理運用熱力學公式的能力，由上文可以看出，公式的運用對熱力學的理解是密切聯系的，因此教師在教學過程中一定要幫助學生深入理解公式內涵，引導他們在實踐中應用。

（三）多樣化教學

在教育中教師不僅僅是需要傳授知識還需要引導他們自主去學習，“授人以魚，不如授人以漁”就說明了這個道理，傳統的教學多以“填鴨式”教育進行，僅僅依靠老師通過課本單方面的講學已經無法滿足現代教育的需求，學生在學習過程中需要有熱情才有不斷學習的內驅力，所以在教學中我們要充分的利用多媒體信息技術，做到在課堂外沒有老師進行指導的情況下也能進行自主學習，根據自身的接受度選擇熱力學相關的資料進行學習，對課堂上老師講授的知識進行一個擴充和完善，教師也能通過網絡在線解答學生的問題，拉近師生之間的距離，在不是不覺中營造出了一種良好的教學氛圍。

（四）結合實際教學

熱力學雖然是一門具有很強理論性的專業性學科，但是在生活中，熱力學其實離我們很近，因此教師在教授一些基本概念的時候，可以思考一下是否能舉出與生活相結合的例子以此來幫助學生更好更快的理解和記憶，可以在介紹熱力第二定律的時候，為了讓學生明白熱力傳導的過程，舉出生活中常見的例子，如高壓鍋，煮各種難以煮熟的食物的時候，通過加壓的方法，讓鍋內溫度超過100℃，加速高壓鍋的工作效率，還有熱力過程具有方向性這一特點也能舉出相關例子，如啟動的汽車在沒有外力的作用下，能將車胎轉動的動能轉換成熱能停止下來，但反過來，汽車車輪不可能吸收空氣中的熱能將其轉換成動能再旋轉起來，通過這樣的教學方式，在教授基本理論知識的同時又激發了學生的學習熱情，促進學生的學習，通過實例幫助學生加深對熱力學基本概念的掌握和應用。

（五）研討式教學

確立學生為主體原則進行教學，充分了解學生原有的熱力學知識基礎水平，貼近生活的教學，在進行基本概念的講說時，遵循由易到難、由簡到繁的教學順序，能夠讓學生更好的進入學習狀態，充分調動他們的積極性，提高他們的學習興趣，針對學生個體的差異，進行不同層次的教學。

熱力學具有抽象性的特點，導致學生對其主要問題認識不夠深刻，對它失去了學習的興趣。

三、創新教學的具體內容

1、結合熱點問題

在教學中教師應該結合當前熱工領域的一些備受矚目的問題進行講學，如當前的熱點，環境資源問題、降低能源消耗和日本核電站事故等問題，就此問題在課堂上開展討論，充分調動學生的積極性。同時還能在課上給學生實驗的機會，通過動手實驗更深入的理解問題，分析問題，激勵學生進行自我總結。

2、課堂活動與常規教學相結合

信息技術的飛速發展，教師也應該在現有知識的基礎上不斷完善自我，主動吸收新知識，上網搜集相關信息，在課堂上對書本上的知識進行擴充，對課本材料進行詳細的閱讀，對其內容進行合理科學的規劃，根據最近信息整合調整，將老舊之后的成本知識優化，通過多媒體教學課件為學生提供一個多樣化、多視角的教學信息。

同時對課本中的重點難點要構建相應的練習題型，讓學生在寫作業的時候自主回顧重難點，多布置一些與和生活有關的問題，引導學生自主學習，上課前通過課前提問對舊的知識進行回顧，再導入相關新知識。

3、培養學生解決問題的能力

當代教育要求學生不光要學會學習還要有自主分析、解決、總結問題，在教導熱力學課程的時候，讓學生把這門課程當成需要解決的問題去對待，形成良好的學習習慣。

四、結束語

綜上所述，熱力學在教學中作為一個理論性較強的科目，但是由于它又與實際緊密結合，所以老師在講授知識的時候可以舉出實例，讓學生更為直觀的理解教師所講授的知識，這就要求教師在教學中不斷改進教學方法，培養學生的學習興趣，運用創新的教學方法，不僅有利于學生形成自主行動、思考、分析問題的能力，還有利于在教學中培養學生的認知能力，所以要在課堂教學中將基礎理論結合實際進行教學，讓熱力學的教學變得更為輕松有效，這樣的教學方法不僅僅對熱力學教學具有重大的意義，還能幫助學生學習其他課程。

參考文獻：

[1]馮國增，聶宇宏，夏莉等.“工程熱力學”教學過程中大學生綜合素質培養的研究和實踐[J].制冷與空調（四川），2012（01）

[2]彭陽峰，施云海.淺談化工熱力學課程中“合理用能”章節的教學體會――以化工單元過程為教學案例的能量分析[J].化工高等教育，2012（06）

[3]尹海英，鄧建梅，舒明勇.熱力學第一定律在化工熱力學教學中的應用[J].中國化工貿易，2012（04）

[4]馮新，陸小華，吉遠輝等.化工熱力學中從生活中來到生產中去的實例[J].化工高等教育，2009（01）.

篇3

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0097-02

一、前言

《工程熱力學》是能源動力、化學工程、航空航天等眾多工程類專業的一門重要專業基礎課，是培養在涉及能源特別是與熱能相關的各領域中具有創新能力人才的基礎。該門課程學習的好壞將直接影響到后續專業課的學習效果，從而最終影響學生的專業綜合水平。與其他課程相比較，《工程熱力學》課程具有公式較多、邏輯性和理論性較強、概念多而抽象、應用條件較復雜等特點，因而很多學生反映這是一門較難學的課程。甚至有些學生在剛接觸這門課時便感覺學習困難，產生了抵觸情緒。

二、《工程熱力學》課程的研究內容及目前教學現狀

《工程熱力學》主要研究與熱能工程相關的熱能和機械能相互轉換的規律，它著重應用熱力學兩個基本定律分析熱能過程中有關的各種熱力過程及熱力循環，從理論上研究提高熱能和機械能轉換有效程度的途徑。其內容包括熱力學的基本概念、熱力學第一定律、理想氣體的熱力學能等基本參數的計算、理想氣體的熱力過程、熱力學第二定律、氣體的流動、壓氣機的壓氣過程、氣體動力循環、制冷循環等，其主要特點是理論分析、實驗研究和工程實際應用緊密結合，分析推理的結果具有高度的可靠性，條理清楚，邏輯性強[1]。《工程熱力學》課程具有的特點使得學生反映難學，教師反映難教，最終導致教學效果不佳，學生對知識點掌握不夠，考試不及格率較高。傳統的教學以理論傳授為主，但對于一些以應用型培養為定位的新建本科院校來說，更重要的是要培養工程背景下學生利用所學理論知識去分析、解決實際工程問題的能力，因此深入開展《工程熱力學》的教學研究顯得十分必要。

三、《工程熱力學》課程的教學措施

1.上好緒論課。很多學生誤認為緒論課中沒有涉及到具體的、重要的知識點，而且也不屬于課程的主要考試內容，因此覺得它不重要，上課也不認真聽講和記筆記。事實上，緒論課作為《工程熱力學》課程的第一課，在教學中具有特殊的教學地位和重要意義[2]。緒論課中教師可以講授熱能動力工程的重要地位，介紹一些典型的能量轉換裝置工作過程（例如蒸氣動力裝置、內燃機、燃氣輪機裝置以及蒸氣壓縮制冷裝置等）、《工程熱力學》的研究對象及研究方法（宏觀法和微觀法）等內容。通過緒論課，教師不僅可以讓學生初步建立起《工程熱力學》的基本概念，使學生掌握本課程的思維方式和基本理論體系，而且能使學生明白本專業為什么要開設《工程熱力學》、《工程熱力學》的主要學習內容、學習方法以及學好這門課的注意事項，從而激發學生學習《工程熱力學》課程的興趣和愛好，堅定學習該門課程的決心。

2.充分調動學生的主動性和積極性。由于《工程熱力學》課程公式多、概念多，計算復雜，學生學習起來有一定難度，有些學生在剛開始接觸這門課時就有抵觸情緒，這就需要充分調動學生的主動性和積極性。首先，必須要求教師課前充分備好課，合理組織教學過程，恰當運用有效的教學方法；做到教學內容精煉充實，重難點突出，邏輯嚴密，使學生易于接受講解的知識點。學生只有在聽懂課的前提下才會對課程產生興趣，從而調動他們的主動性和積極性，激發他們的潛能。其次，在上課過程中可以適當引入一些生活中常見的實例，通過對這些實例進行分析，把枯燥乏味的理論知識運用到具體的實際問題中，并采用啟發式教學培養學生獨立思考問題的能力，提高他們學習的主動性。第三，教師應結合當前工程熱力學領域的相關熱點問題[3]，如提高熱機效率、節能降耗、低碳環保以及核電事故等，開展課堂討論和專題研討，通過這些熱點問題培養他們對《工程熱力學》的興趣。

3.在知識難點上完善教學方法。以熱力學第一定律為例[4]，在學習該定律時，不少同學對熱力學第一定律的兩套符號的掌握有困難，經常混淆教材提供的兩個公式。這種情況下，教師就應在課本的基礎上，進一步完善教學方法。例如授課時可以在教材提供的知識點的基礎上進一步延伸，將熱力學第一定律在形式上概括總結成：體系內能的增加等于體系增加的能量（Q）減去體系消耗的能量（W）。當假設體系從環境吸入熱量時，公式中的Q自然就為正；而當環境從體系吸入熱量時，Q自然就為負；同理，體系對環境做功，W為正，環境對體系做功，W為負。關于Q和W數值的正負號選取時只要注意下列原則即可：實際發生的情況和定義一致則取正，和定義相反則取負。例如當W定義為環境對體系做功時，若環境確實是對體系做功，則W的數值取正，否則W取負值；Q在數值上的正負號取法同W。這樣一來就避免了學生對公式中Q和W的正負號以及Q和W數值的正負號不能很好把握的問題，可以幫助學生更好地掌握并運用熱力學第一定律。

4.正確對待公式的記憶與推導。《工程熱力學》課程的公式比較多，學生反映記不住，而且有的公式在形式上相類似，很容易記混淆。其實要讓學生記住所有的公式一是不現實，二是也沒必要，這就需要在教學過程中理清哪些公式需要記憶，哪些可以根據記憶的公式現場推導。例如閉口系統能量方程的四個式子可以要求記憶，一是比較簡單，二是這四個式子非常重要，講解后面的知識點時需要用到。但理想氣體的各種過程（包括定容、定壓、定溫）中比熵的變化就不需要記憶，完全可以根據比熵的原始定義再結合閉口系統能量方程直接推導而得到，如果同學對基本概念和基本公式的掌握足夠熟練，對這些推導會形成條件反射，不需要借助草稿紙直接在腦海中就可完成整個推導過程。這樣無形之中就減少了很多公式的記憶，但需要用到的時候又能立刻得到。

5.采用現代化教學手段。隨著現代信息技術的發展，多媒體教學越來越廣泛地應用于教學領域。利用多媒體教學中圖像、動畫、聲音等元素的優勢，既進一步豐富了教學內容，又使教學過程更加形象生動，加深學生對知識點的理解，便于學生接受。例如在講解活塞式壓氣機的壓氣過程時，如果利用板書在黑板上講解壓氣過程，學生會感覺比較抽象，但如果利用flash制作的動畫來演示時，學生對壓氣機的壓氣過程就會一目了然，感覺更直觀，更加便于理解和接受。另外在講解壓縮過程、平衡態等一些相對抽象的過程和概念時，如果借助于多媒體技術也會起到事半功倍的效果。

6.注重學生工程意識的培養。全日制大學生一般對工程常識較缺乏[5]，針對這一特點，教師授課時可以以課程為載體，適時向學生介紹所學理論知識在實際熱工設備中的應用。例如授課時可以多舉一些例如鍋爐、熱水器、散熱器、渦輪機、壓氣機、噴管等典型熱工設備的例子，分析這些設備在實際工作工程中消耗的軸功、系統和外界交換的熱量、能量轉換關系等。通過分析這些實際工程設備的工作工程，能夠使學生掌握不同設備的能量轉換關系和特點，并了解在哪些情況下，可以將工程實際問題進行簡化，從而建立他們的工程意識。

《工程熱力學》作為眾多工程類專業的一門重要專業基礎課，學生接觸較早，對他們后續學好其他專業課會產生一定的影響。如何上好這門課，是每一位《工程熱力學》教師應仔細思考的問題。只有在教學實踐中不斷豐富和調整教學內容，不斷改革和探索教學方法和教學手段，才能達到較好的教學效果。

參考文獻：

[1]印洪浩.基于建構主義理論的工程熱力學教學研究與實踐[J].航海教育研究，2007，（2）：53-55.

[2]王志軍，高保彬，宋文婷.工程熱力學緒論課的重要作用及其課堂教學設計[J].教育教學論壇，2012，（9）：237-238.

[3]耿凡，王迎超.工程熱力學課程的研討式教學改革[J].中國電力教育，2013，（5）：76-77.

篇4

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0039-02

“工程熱力學”是能源與動力工程專業的一門重要專業基礎課，其教學與研究的主要對象是熱能與其他形式能之間的轉換關系、轉換規律及應用。它不僅是相關專業課的基礎，而且是在涉及能源、化工和冶金等領域，特別是能源轉換與利用的各領域中深入研究、開發和創新的基礎。該課程的概念性比較強，涉及的理論也較為抽象，同時與生產實際又有十分密切的聯系。在教學過程中，對該課程老師和學生都有“難教難學”的感受。如何提高“工程熱力學”課程的課堂教學質量，一直是相關專業教師長期探索的目標。

案例教學法是由哈佛法學院院長朗代爾于1870年最先采用的，在法學教育中發揮了極大的作用，并被推廣至醫學、管理學等實踐性和應用性較強的學科的教學中普遍應用。科研案例教學法在案例教學法的基礎上，從分析課程特點及課程教學現狀入手，在教學內容上嘗試選用專業任課教師及課題組已完成的應用到該課程基礎知識的科研項目，將其設計、組織并呈現于課堂，使學生在“工程熱力學”課程中通過對具體科研案例的討論、分析、表達等活動，讓學生在具體的科研案例中牢固掌握該課程的理論知識，形成理論結合實際的教學方法。在此基礎上促使學生積極思考，主動探索，提高自主學習能力、實踐能力和創新能力，并能夠將“工程熱力學”這門課程靈活應用到今后的專業學習和實際工作中。

一、“工程熱力學”教學改革研究現狀

目前，“工程熱力學”教學改革研究主要集中在以下幾個方面：第一，教學內容的設置和優化，主要以課程的設置、教學內容的側重點和更新點作為重點改革內容。[1]第二，實驗課教學的改革，主要對實驗課的比重、實驗教學的方式、實驗考核方式以及實驗課與科研相結合的教學方式進行了探討。[2]第三，新方法新技術在“工程熱力學”教學中的應用。隨著現代技術的發展，多媒體技術、網絡技術、視頻技術等也被引入“工程熱力學”教學中，成為教學改革研究的方向之一。[3-5]

案例教學法在“工程熱力學”教學中已有應用，[6，7]但科研案例教學法在工科生“工程熱力學”教學中卻鮮有報道。在“工程熱力學”教學中，授課老師往往采用最多的是“舉例”，“舉例”雖然有助于理論知識的形象化，但其局限性是僅僅解決了某個獨立的知識點，而對知識的整合性較差。而科研案例教學法不同于“舉例”的最大區別在于側重了知識面的涵蓋，在具體應用時設定了比“舉例”更為復雜的科研案例情境，應用專業術語將不同章節知識點加以整合，形成系統且相對完整的案例，貼近實際，應用性更強。科研案例教學法利用任課老師的科研課題，將已成熟的科研案例設計組織后呈現給學生，能夠更好地為學生的專業學習和“工程熱力學”課程培養目標服務。

二、科研案例教學法意義及應用價值

將科研案例教學法應用在工科生“工程熱力學”課程教學中的意義主要有：一是通過具體的科研案例，增強學生對理論課程的興趣，培養學生在思考中掌握此學科的基本概念和理論知識。二是通過科研案例教學，可在一定程度上代替部分實驗教學，解決經費及設備不足造成的實驗難以開展的問題。三是通過針對性強且典型的的科研案例，引導學生思考，加深對知識的理解和記憶，培養學生的自主學習能力、實踐能力、創新能力、分析問題和解決問題的能力，為其獲得終身學習的能力奠定基礎。四是通過科研案例教學，使得科研為教學服務的同時，為學生進一步掌握專業技能和提高實踐能力打下堅實基礎。五是通過科研案例教學，引導和促進教學老師積累科研案例，從事科研工作，起到科研促進教學，教學促進科研的雙重作用。六是通過科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程中的應用，進一步完善了工科生“工程熱力學”教學方法的改革。

三、科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程教學中的應用

1.科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程實踐教學中的應用

“工程熱力學”課程教學的目的就是培養學生掌握熱力學基本概念及其基本定律，理想氣體的熱力性質（包括實際氣體），研究熱能與機械能之間的相互轉換，分析各種熱力循環過程、計算與應用熱力循環，培養學生獨立解決實際熱力工程問題的能力。

例如在動力裝置循環一章中，通過對蒸汽動力裝置循環的過程及效率的學習，研究提高循環效率的方法。那如何讓學生更有效地掌握這些方法呢？科研案例教學法應是一個較好的嘗試。授課老師通過講解課題組承擔的電廠鍋爐改造及其煙氣余熱回收利用的科研項目，將其問題提出，結合本章基礎知識分析解決問題的方法，將完整過程呈現給學生，增強學生對本章知識點的興趣，同時引導學生自己提出解決方法，教師加以點評，使之在思考中加深對基本概念和理論知識的理解，從而提高其分析問題和解決問題的能力，進而加強科研能力的培養，充分將教學和科研有機地結合起來。

2.科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程理論教學中的應用

由于“工程熱力學”課程基本概念及基本定律較多，對于學生來說，如此廣泛的知識體系難以在短時間內掌握，學生對于“工程熱力學”課程的理論知識感覺枯燥，導致教學效果不理想。所以設想在工科生“工程熱力學”的教學過程中如果通過典型且含有問題的科研案例，使得抽象的理論變得生動具體，又與實踐相結合，既提高了學生的積極性，又使得知識點容易被理解。在講解熱力學第二定律時，介紹了狀態參數――熵。同學們對這個參數覺得很難理解，為此引入了課題組承擔的住宅中節能技術應用的問題研究。介紹利用熵權理論來確定住宅節能技術評價中各個影響指標的權重，并在此基礎上對方案進行優化，從而更直觀準確地判斷和選擇住宅節能方案。因而科研案例不僅有助于實踐教學，又有助于理論教學的實施。

3.科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程其他方面的應用

此外，工科生“工程熱力學”教育中還存在實驗難以開展等問題。而科研案例教學法的開展將在很大程度上解決這些問題。科研案例教學中引入實際問題，存在實驗過程和實驗方案設計。該教學法突出了工科生“工程熱力學”的專業特點，突破了教材的局限，使學生緊緊圍繞教學重點，通過選擇針對性強且典型的科研案例，突出工科生“工程熱力學”的專業特點，還可解決因經費及設備不足等造成的工科生“工程熱力學”實驗難以開展等問題。

四、科研案例教學法在工科生“工程熱力學”課程的實施

1.開課前問卷調查

設計課前問卷，問卷涉及項目可行性、案例選擇的依據、案例選擇側重的專業方向、案例呈現的方式以及教學效果評價方法等等。

2.收集科研案例

教師收集教研室歷年來承接或參與的科研項目，以及文獻資料中可用于工科生“工程熱力學”課程教學的科研案例（收集的科研案例其內容是公開的，或經課題負責人同意，可用于教學）。

3.科研案例的選擇和組織

根據教學內容和學生的興趣特點，對案例進行精心的概括、組織。案例的設計一是要緊扣教學大綱的知識點，將知識點融入到案例的呈現過程中；二是要具有代表性、針對性、可討論性。授課章節需選擇代表本章重點的科研案例，并針對專業特點做重點選擇；三是要具有綜合性，是指案例的設計可以在實例基礎上進行加工或整合，較全面地向學生展現知識點。同時，案例的選擇還需考慮學生的興趣點，讓學生在興趣盎然的學習過程中，不僅掌握知識，還鍛煉科研思維能力。

4.案例呈現和討論

教師可以通過將文字描述、多媒體手段、圖表等多種手段呈現案例，或者將幾種手段相結合，引入教學案例。教師呈現案例后，要根據教學目標來一步步地、循序漸進地啟發、引導學生積極思考，展開師生之間的對話，充分的溝通能夠豐富學生的見識，開拓學生的視野。學生可以分小組合作對案例中的各種問題進行分析和討論，碰撞思維的火花，發現和探索解決案例問題的方法，體驗理論如何應用于實踐，實踐中如何提煉出理論。

5.案例總結

案例總結是科研案例教學中的最后一個環節，也是最重要的一個環節。在這個環節，教師要將討論中碰撞出的各種觀點和看法進行系統的總結，將案例背后蘊含的理論知識進行歸納。在對工科生“工程熱力學”課程科研案例的總結中，不僅鞏固了案例討論的成果，也擴充了學生的實踐知識和理論知識體系，加深了學生對于理論知識的理解，促進學生理論聯系實際能力的發展。此外，教師還要對本次案例教學進行反思――對案例的有效性反思，對教學的過程反思，對教學的效果反思，不斷完善對于科研案例教學法的掌握和運用。

6.教學效果評價

主要采用考試和問卷調查的形式進行教學效果評價。通過與以往教學方式后的考試成績進行比較，同時，采用課前、課后問卷調查的形式共同分析學生學習效果和教師的教學效果。

工科生“工程熱力學”課程一般由各工科院校能源與動力工程專業承擔，因能源與動力工程專業每年承接或參與多項科研項目，其中大多是國家級和省級科研項目，具有較高的科研水平和參考價值。科研案例教學在工科生“工程熱力學”教學中的應用，一定程度上完善了當前工科生“工程熱力學”教學中存在的不足，將科研工作的積累服務于教學，使學生在學好這門課的同時，為其進一步掌握專業技能和提高實踐能力打下堅實基礎。同時還可提升教師的教學水平、科研能力和綜合素質，做到真正意義上的教研相長。

教學有一定的規律，但沒有固定的模式。合理采用多種教學手段，激發學生的學習熱情，培養學生理論聯系實際的作風和創新意識，將是工科生“工程熱力學”教學改革的長遠目標。

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1.熱力學第一定律

熱力學第一定律是工程熱力學教學內容的重點，主要講授閉口系統與穩流開口系的熱力學第一定律能量方程式的表達式及應用。在本課程中，進一步強調熱力學第一定律的一般表達式即：“進入系統的能量-離開系統的能量=系統總儲存能的變化”的正確靈活應用，重點介紹如何分析、列出非穩態充、放氣熱力過程的能量方程式，幫助學生進一步增強利用第一定律進行能量分析的能力。同時，通過對節流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等熱力過程分析來幫助同學們對第一定律的局限性有更為深入的理解。

2.熱力學第二定律熵分析法

熱力學第二定律是工程熱力學教學內容的重點與難點，主要講授熱力學第二定律的數學表達式，具體包括：卡諾循環+卡諾定理、克勞修斯積分不等式、閉口系及開口系統熵方程、孤立系統熵增原理。在本課程中，考慮到判斷一個熱力循環是否可行、可逆的數學判據容易理解而且是熱力過程的特例，故重點講述閉口系及開口系熵方程、孤立系統熵增原理。在該部分從以下四個方面進行介紹：對于狀態參數熵的辨析：辨析熵是狀態參數與過程無關，強調判斷一個熱力過程能否進行、可逆的參量不是過程熵變而是過程熵產，引出后面由熵方程及孤立系統熵增原理計算過程熵產的知識點；重點講授熵方程的一般表達式，即：“進入系統的熵-離開系統的熵+過程熵產=系統熵變化”，通過典型例題幫助同學能夠利用熵方程列出閉口及開口系熵方程，并求取過程熵產；重點解析孤立系統熵增原理的實質及解題特點，并通過典型例題幫助學生認識到孤立系統熵增原理與熵方程的一致性：孤立系統熵增即熵方程中的熵產；作功能力損失方面除了介紹計算公式、通過計算熱力過程熵產及作功能力損失，還著重結合對節流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等具體熱力過程分析讓學生體會第一定律與第二定律之間的聯系及第二定律的獨有貢獻。

3.熱力學第二定律分析法

由于學時有限并且概念抽象難以理解，分析法在工程熱力學中屬于選講內容，即便講授，也多是簡要介紹。本課程中，分析法是授課重點，從以下四個方面進行講授：第一，概念及計算公式，包括機械、熱量（冷量）、內能、焓和化學。第二，重點講授方程的一般表達式“進入系統的-離開系統的-過程損=系統變化”，通過典型例題幫助同學能夠利用方程列出閉口及開口系方程，并求取過程損。同時，在分析典型例題時，引導學生同時用熵分析法來計算過程的作功能力損失，讓學生自覺地認識到分析法中所得到的損失即熵分析法中計算的作功能力損失、體會兩種分析法的一致性及分析法的優勢。第三，效率、損系數的概念及公式，以及在典型熱力設備、過程及熱力循環中的計算。第四，針對本學科領域典型的火力發電裝置、燃氣輪機發電裝置和低溫制冷裝置、LNG液化裝置、天然氣凈化裝置、油田聯合站等，設置工程背景很強的案例，教師與同學們一起分析循環裝置及各組成設備的效率、損失及損系數等，讓同學們認識到分析法在進行系統能量分析時的重要性及提高利用該方法解決實際工程問題的能力。

4.新發展起來的能量系統分析與優化方法

介紹能級分析法、經濟學、夾點技術、全生命周期分析法、能值理論等新發展起來的能量系統分析與優化方法的基本理論及應用，鼓勵學生查閱相關文獻獲取更多知識。這部分內容與留給學生的學習報告緊密相關，將在下文介紹。目前還沒有適合于本專業本科教學的系統節能方面的教材，本課程教學內容主要參考自沈維道等主編《工程熱力學》、朱明善等編著《工程熱力學》、傅秦生編著《能量系統的熱力學分析方法》和馮霄編著《化工節能原理與技術》、何雅玲主編《工程熱力學精要分析典型題解》等教材及專著，結合教學團隊多年來收集整理的工程案例編寫成講義供教師及學生使用。

二、教學方式改革

教學中的主體是學生，調動學生學習主動性，提高其學習興趣和學習效果是教學方式改革的目的。學生們對于國際上最新的、與未來工作緊密相關及實用性強的知識以及確實能提高自身素質與能力的教學環節更感興趣。

1.采用多媒體與板書有機結合的教學模式

充分利用多媒體教學信息量大，圖像、視頻生動形象的特點，同時結合傳統板書講解復雜推導更容易被學生掌握的優點以提升教學效果。這種授課方式既可以增大授課信息量、有效吸引學生注意力，同時又能使學生通過與老師一起板書推導對所學重點、難點有更為深刻的認知。

2.提高課堂教學吸引力

通過針對每一個重要概念及知識點設計的系列典型例題、思考題吸引學生注意力，激發學生學習興趣，引導其積極參與到教學中來。而且教學團隊經過多年的教學和科研積累，收集并提煉出與石化工程緊密關聯的工程案例，通過案例的討論和分析，增強學生學習理論知識的興趣，提升課堂教學的互動效果，增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力。

3.布置作業形式靈活多樣

對于重要的基本概念，以讀書筆記的作業形式激發學生學習興趣。本課程涉及眾多抽象概念和公式，追溯熱量、溫度、熵、熱力學第二定律、等重要基本概念的由來、發展歷程，可使學生在搜集資料的過程中對這些概念有一個直接的感性認知，同時也有助于學生認識到這些知識在本學科發展中的重要作用。要求學生組成2~3人的學習小組，除常規課下作業外，課上作業以小組為單位完成。課上作業為教師針對每次課的重點和難點內容設計的多為填空、選擇和問答形式的練習題，課前打印好分發給每個學習小組。在講課過程中，留出適合時間讓學生及時完成。教學實踐表明課上作業非常利于學生把握住和消化吸收重難點知識，且能提高學生學習的注意力，達到良好的教學效果。

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一、師資隊伍建設

教師是完成教學的根本，因此建立一支穩定、有較高教學和學術水平的教師隊伍是課程建設的關鍵。針對青年教師較多的實際情況，充分發揮骨干教師和具有豐富教學經驗老教師的“傳、幫、帶”作用，讓青年教師和老教師“師徒結對”。為了讓“師徒”間的交流落到實處，學院專門出臺了相關文件，對“師傅”和“徒弟”進行雙向考核，促進青年教師的成長，提高他們的業務水平。在青年教師正式走上講臺前，還需要過“試講關”。通過老教師和同行聽課，對青年教師進行現場指導，進一步促進他們的成長。通過這些措施的實行，目前工程熱力學教學團隊共有5名成員，其中教授1人，副教授2人，講師2人，成員中具有碩士學位的教師占100%，博士學位的教師占80%。教學團隊所上的工程熱力學課程受到同行和學生的一致好評。

二、教材的選擇

工程熱力學作為一門歷史悠久的能源動力類專業基礎課，教材的選擇面較寬。目前可選用的教材有面向“二十一世紀”系列課程教材、“十一五”國家級規劃教材等。面對眾多的教材，如何選用適合教學對象的教材，是課程建設的重要內容。經過幾十年的發展，目前可選用的教材有沈維道等人編寫的《工程熱力學》（第四版）“十一五”國家規劃教材，曾丹苓等人編寫的面向21世紀《工程熱力學》課程教材、陶文銓等人編寫的《工程熱力學》面向21世紀課程教材、廉樂明等人編寫《工程熱力學》“十一五”國家規劃教材、、鄂加強編寫的《工程熱力學》21世紀高等學校精品規劃教材等。由于各種教材的側重點不同，因此要根據各專業的不同的培養目標，選擇適合學習對象的教材。熱能動力工程和油氣儲運工程屬于能源動力類專業，根據其培養目標，選擇了沈維道等人編寫的《工程熱力學》作為其授課教材。建筑環境與設備工程屬于土木與建筑學科，選擇了中國建筑工業出版社出版、廉樂明等人編寫的《工程熱力學》作為教學用書。過程裝備與控制工程和材料成型及控制工程專業屬于機械類，選擇了陶文銓等人編寫的《工程熱力學》作為其教學用書。

三、教學內容與教學手段

1.教學內容。確定好教材后，教學內容的選擇成為課程建設的重要內容。根據各個專業特點，在保證教學內容基本完整的前提下，還需要對教學內容進行簡化和補充。工程熱力學內容可以分為兩大部分。一部分是基本理論和基本概念，包括熱力過程和熱力參數，還有一部分是與實際相聯系的綜合應用。熱能與動力工程的相當一部分學生畢業以后從事有關內燃機、燃氣輪機的工作，還有部分學生在火力發電廠工作。因此在教學中要加強氣體與蒸汽的流動、壓氣機的熱力過程、氣體動力循環和蒸汽動力循環等部分的教學，而對制冷循環、濕空氣等內容可適當簡化。但對于建筑環境與設備工程的學生情況就不同了，該專業畢業的學生大部分從事采暖、通風、制冷和空氣調節等方面的工作，在教學中要加強制冷循環、濕空氣及氣體流動等部分的教學，而對于動力循環的內容可作適當簡化。

2.教學手段。工程熱力學是一個有機的整體，在工程熱力學的教學過程中要抓住熱力學第一定律和第二定律這兩條主線，把它們貫徹到實際應用中去。（1）在教學中，要采用“啟發式”的教學手段。啟發式提問，重在“善誘”，貴在啟發學生心志，培養其思維，既不能“一語道破天機”，也不能讓人“望塵莫及”，所以還要講究合理設問[2]。如熱力學第二定律的開爾文說法和理想氣體定溫膨脹的區別，還有“耗散掉的功”和“做功能力損失”這兩個概念的區別。引導學生綜合利用所學的概念和原理，對所提問題展開思辨。所提問題既不過于簡單，也不太難，給予學生一點思考的空間。另外，再如：“定熵過程和可逆絕熱過程是否等價呢？”在實際教學中筆者發現有相當一部分的同學認為兩者等價，即定熵一定是可逆絕熱，可逆絕熱也一定為定熵。事實上，定熵和可逆絕熱這兩個概念并不等價。可逆絕熱一定為定熵，這個說法是正確的。因為絕熱意味著系統與外界的換熱量為零，可逆過程保證能取等號，那么把絕熱過程的帶入等式可得熵變為零，即等熵過程。但定熵一定是可逆絕熱這個說法是錯誤的，閉口系統熵方程中熵變主要由兩個因素決定，其一為熵流，它與系統是否吸、放熱有關，熱力學中規定吸熱熵流為正，放熱熵流為負，絕熱熵流為零。其二為熵產，熵產是由于不可逆過程中，由于耗散效應把一部分機械能耗散成為熱，該熱又被工質吸收，引起熵的增加。因此，熵產是非負的。當過程是可逆時，熵產取為零。只要系統放熱，使熵產正好和負的熵流相加為零，就可以是等熵過程，但由于有熵產，因此不是可逆絕熱過程。在提出問題后，讓學生討論，教師最后作總結，給出正確答案。（2）工程熱力學中概念相當多，也比較抽象，還可以利用對比啟發式的教學手段。以內燃機、燃氣輪機和蒸汽動力裝置為例，盡管它們構造不同，工作特性不同，但吸熱、膨脹做功、排熱對任何一種熱能動力裝置都是共同的，也是本質性的，這樣就透過現象抓住了本質性的東西。還有“功”的比較。工程熱力學中有體積變化功，技術功，內部功，流動功、推動功等。通過對比，不僅使教學由縱向向橫向展開而縱橫交錯，還可增強教學的關聯性和生動性。如熵增原理與孤立系統的熵增原理比較。熵增原理的知名度很高，但是要注意，熱力學中熵不一定是增加的。在一個閉口系統中，總熵變為熵流加熵產。系統只要向外界多放熱，使得負熵流大于熵產，那么這時總熵變就是負的，熵變小了。只有加上的定語“孤立系統”，熵才是增加的，孤立系統中系統與外界的換熱量為零，也即熵流為零，熵產非負，當然總熵不可能變小。熵增原理和孤立系統的熵增原理是不相同的，故條件“孤立系統”非常重要。再如，把準靜態過程和可逆過程這兩個概念進行對比，它們的區別是什么？首先定義不同，準靜態過程是一系列平衡態所組成的過程，而可逆過程是如果系統完成某一熱力過程后，再沿原路徑逆向進行時，能使系統和外界都返回原來狀態而不留下任何變化的過程。其次，要求條件不同，可逆過程要求系統與外界隨時保持力平衡和熱平衡，且不存在任何耗散損失，在過程中沒有任何能量的不可逆損失；靜準態過程的條件僅限于系統內部的力平衡和熱平衡，在進行中系統與外界可以有不平衡勢差，也可能有耗散效應的發生，只要系統內部能及時恢復平衡，其狀態變化還是準靜態的。再次，可逆過程是針對過程中所引起的外部效果而言的，準靜態過程是針對系統內部狀態變化而言的，因此可逆過程一定是準靜態過程，而準靜態過程不一定是可逆過程。實際過程總是在溫差、壓差作用下變化的，實際過程是偏離可逆過程的準靜態過程。學生對概念必須全面理解，切不可斷章取義，一知半解。（3）開展以“網絡課堂”為補充的教學手段。由于學生個體的學習能力存在差異，部分“尖子生”希望老師的教學內容再深入一些，而部分基礎較差的學生希望把基本內容再復習、鞏固。利用網絡課堂，不僅可以很好地兼顧各類學生的需要，而且可以在網絡上跟老師進行交流。利用網絡課堂可以方便地進行網上答疑，網上討論。如“經過一不可逆循環后，熵變大還是變小？”，這個問題許多學生搞不清楚。教師在網上答疑時，要講清楚兩點：其一，循環的概念；其二，熵是狀態參數。通過網上講解，網絡課堂架起了學生和老師溝通的“橋梁”。

四、實驗教學

實驗教學是課程建設的重要組成部分，是課堂教學的應用、補充和實踐，同時它還有助于提高學生的動手能力。工程熱力學課程有“二氧化碳P-V-T關系測定”和“氣流通過噴管的實驗”兩個實驗。通過實驗，學生不僅鍛煉了動手能力，而且加深理解了課堂所學知識。同時還建立了開放實驗室。實驗室對學生完全開放，學生可以在實驗室做課程中規定的實驗，也可以根據自己的想法去實施自己感興趣的實驗。

工程熱力學課程建設是一項綜合性工程，需要持之以恒，不斷探索。它涉及到師資隊伍建設、教材的選擇、教學內容和教學手段的選擇、實驗教學等方方面面。對于不同的專業，工程熱力學教學的側重點不同。我們將始終以提高教學質量為目標，把握好課程特點，進行針對性的探索，以期望把工程熱力學的課程建設提高到更高水平。

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中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0069-02

隨著我國本科教學水平的不斷提高和國際化交流與合作的廣泛開展，就業市場對本科畢業生的知識結構和外語應用能力有了新的要求，專業外語應用能力成為21世紀國際化專業人才的必備專業素養，直接影響本科畢業生的就業趨向和未來發展。[1-4]我國教育部對本科生的雙語課程教學十分重視，2001年教育部在《關于加強高等學校本科教學工作，提高教學質量的若干意見》中提出，要采用英語等外語進行公共課和專業課教學，要求各高校在三年內開設5%～10%的本科雙語課程。[5]2005年，教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中又指出：要提高雙語教學課程的質量，繼續增加雙語教學課程的數量。2007年，教育部在《關于進一步深化本科教學改革，全面提高教學質量的若干意見》中指出，要鼓勵開展雙語教學工作。教育部2004年8月開始試行的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》中，雙語教學被列為主要評估點之一。雙語教學的水平已經成為衡量高等學校辦學水平的一項重要指標。我國高校在本科生課程雙語教學的實踐過程中，近年來取得了實質性的進展，也突顯了課程體系構建不合理、重點內容設置不當、教材建設相對滯后、雙語教學師資不足、雙語學習氛圍較差、課程考核評價方法有待改革等問題。為了使“工程熱力學”在校級精品課程的基礎上進行雙語教學，需要對“工程熱力學”雙語教學的課程體系進行合理構建和重點內容進行設置，以期把該課程建設成為高質量的雙語教學課程，為提高本科畢業生的整體質量和英語應用能力奠定良好的基礎，以適應國家化人才市場的需要。

一、“工程熱力學”雙語教學的課程體系構建與實施

“工程熱力學”作為能源、環境、機械、化工等大類工科專業的專業基礎課，兼有理論性、實踐性和工程性，它起到承上啟下、從基礎課程到專業課程的橋梁作用，是本科生專業課程體系中不可或缺的骨干專業基礎課，在上述專業本科生的培養過程中具有重要的核心地位。“工程熱力學”課程內容具有概念多、基本理論抽象、富含哲學思維和理念、工程應用領域廣泛等特點，要實現該課程的高質量雙語教學就要對該課程體系進行合理構建，為保證教學效果奠定良好的基礎。該課程經過多年的建設、教學改革和教學經驗的積累，已成為校級精品課程，在教師團隊建設、師資英語水平、多媒體課件及相關網絡資源、課堂教學方法及課程評價方法等方面均具有良好的條件，為“工程熱力學”雙語教學課程體系的合理構建做了較為充分的準備。“工程熱力學”課程教學團隊認真研究了國內高校開設雙語課程的案例，確定了“工程熱力學”雙語教學課程體系主要由教學模式、教學團隊、教學內容（如課程大綱、授課計劃）、多媒體課件、課堂教學實施、多層次啟發式教學方法、網絡資源、課程成績評價方法等內容組成，認為教學模式、教學團隊和教學團隊是保證“工程熱力學”雙語教學質量的關鍵因素。

雙語教學模式對課程體系的構建起到關鍵性影響，首先要確定雙語教學模式。近年來我國高校開展的雙語教學模式主要可概括為全外語型、混合型和部分外語型三種。

（1）全外語型。采用外文教材，直接用外文授課。這種模式要求師生均應具有較高的外語水平。

（2）混合型。采用外文教材，混合外文與漢語授課。與全外語型相比，學生較易掌握課程內容，適合學生接觸雙語教學的初級階段，也適合多數任課教師的外語水平。

（3）部分外語型。采用外文教材，用漢語講授。這種模式適合外語知識和接受能力較弱的生源。結合“工程熱力學”課程多年的教學實踐，結合現有的師資英語水平和學生的實際英語水平，建議對“工程熱力學”采用混合型雙語教學模式。

教學團隊是實施“工程熱力學”課程體系的人力資源保證，教學團隊的建設是關鍵。經過多年的建設，“工程熱力學”課程已形成了年齡結構、學歷層次、學緣結構等較為合理的教學團隊。老教師具有豐富的教學經驗，青年教師具有較高的英語應用水平，為“工程熱力學”雙語教學的實施提供了良好的師資力量。

教學內容是一門課程知識面寬窄、程度深淺、系統性完善度的體現，也是體現課程整體質量的重要組成部分。“工程熱力學”在建成校級精品課程的過程中，在教學大綱、教學計劃、課程的重點和難點、多媒體課件制作和網絡資源建設等方面積累了豐富的素材與資源，為“工程熱力學”雙語教學的教學內容規劃與設置奠定了扎實的基礎。

在上述條件下，“工程熱力學”課程教學團隊經過認真調查研究，并結合現有的師資條件、課程教學資源、學生的實際英語水平構建了“工程熱力學”雙語教學的“三段一改”課程教學方法，“三段”即課前階段、課堂教學階段、課后檢驗階段;“一改”即改革課程考核和評價方法。現就“三段一改”課程教學方法的實施構想簡要介紹如下：

（1）課前階段。課前階段所做的工作重點是確定雙語教學模式、選定中文教材和外文教材、編制中英文教學大綱和授課計劃、確定課程的主要知識點和重點與難點內容、制作多媒體課件、建立習題與思考題庫，并將教學大綱、授課計劃、多媒體課件和習題與思考題庫在學校的畢博網絡平臺開放，供學生結合各自的時間、興趣和特點進行課前預習與課后復習。教師在課堂講授前預習要求，以保證學生的預習效果。

（2）課堂教學階段。課堂教學階段是將課程內容傳授給學生。授課語言采用中文和英文，英文講授不低于50%。教學方法采用啟發式、討論式、課堂提問等方式激發學生的學習興趣。多媒體課件分別有中文和英文版本，課程的重點內容有中英文對照。課堂教學針對不同英語水平的學生分為三個不同層次，即最高層次、平均層次和低層次。最高層次要求學生以英文教材和英文多媒體課件為主，作業用英文完成;平均層次要求學生以中文教材和英文多媒體課件為主，英文教材為輔，對課程的主要內容能用英文和中文同時掌握，作業以中文為主;低層次要求學生以中文教材和中文多媒體為主，英文教材和英文多媒體為輔，對課程的重點內容能用英文理解和掌握，作業可全部用中文完成。課堂教學的目標是以平均層次為主要教學對象，逐步積累經驗后過渡到以高層次為主。

（3）課后檢驗階段。課后檢驗階段主要包括課程作業批改、網上答疑和討論、課程實驗等環節，不僅可以檢驗課堂教學效果，鞏固課堂講授的知識，還可以檢驗學生對知識點的掌握情況，積極征求學生對本課程教學的意見，及時發現教學過程中出現的問題，改進教學方法，提高教學質量。

（4）改革課程考核和評價方法。雙語教學的課程考核和評價方法應考慮到雙語教學的特點，把英語的應用能力作為課程成績的重要組成部分，把學生的英語作業、課堂英語提問和交流納入課程平時成績，并加大平時成績的權重，以引起學生對英語應用能力的重視，激發用英語思考和學習的主動性，保證雙語教學質量。

因此，合理構建雙語教學的課程體系，由任課教師在課堂教學中分層次加以有效實施，并提高學生的自主性和積極性，可確保雙語教學取得較好的教學效果。

二、“工程熱力學”雙語教學重點內容的設置與教學要求

“工程熱力學”雙語教學重點內容的合理設置是保證“工程熱力學”雙語教學質量的重要組成部分，重點內容的設置應該基本與中文教學的內容相同，同時應吸納經典英文教材中的新概念和工程應用，與國際先進水平接軌，滿足人才市場的國際化要求。“工程熱力學”的內容可分為基本概念和理論、工程應用、常用圖表三大部分。結合該課程教學團隊多年教學經驗的積累，建議將如下內容作為“工程熱力學”雙語教學的重點內容：

在基本概念和理論方面，主要包括：熱力系如閉口系、開口系、絕熱系、孤立系;狀態參數如壓力、溫度、比容、內能、焓、熵、火用;熱力過程如可逆過程、準靜態過程、不可逆過程;熱力循環如正循環、逆循環;不可逆因素如溫差傳熱、摩擦耗功、自由膨脹;熱力學基本定律如熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學第三定律;不同形式的實際氣體方程;熱效率、制冷系數、火用的概念、常見形式能量的火用、火用效率、火用損失、生成焓、理論燃燒溫度、平衡常數、相對濕度、含濕量、干球溫度、濕球溫度、露點溫度、馬赫數;卡諾定理、孤立系統熵增原理、克勞修斯不等式;卡諾循環熱效率，一般熱效率表達式等。[6， 7]

在工程應用方面，主要包括：實際應用案例，氣體動力循環如狄塞爾循環、奧托循環;制冷循環如空氣壓縮制冷循環、蒸汽壓縮制冷循環、噴射式制冷循環、吸收式制冷循環;蒸汽動力循環如郎肯循環、再熱循環、回熱循環;燃氣-蒸汽聯合循環;燃料電池;燃料電池-燃氣-蒸汽聯合循環等;濕空氣的加熱、冷卻與干燥等。

在常用圖表方面，主要包括：水蒸氣表、水蒸氣焓-熵圖、常用制冷工質的熱物性圖表、濕空氣的焓-含濕量圖等。

上述內容是不同層次學生必須掌握的“工程熱力學”課程內容基本知識點，對不同層次的學生，主要體現在英語應用能力的要求不同。最高層次同學能夠熟練閱讀英文原版教材和相關的英文資料，能在課堂上用英語與老師和同學進行流利口頭交流，在課后能用英語完成作業，熟練地應用英文多媒體課件進行課后復習;平均層次同學能讀懂上述內容相關的英文原版教材內容的相關內容，能用英語在課堂上與老師和同學進行交流，能用英語寫作部分作業題，能用英文多媒體課件進行課后復習;對低層次同學，能基本看懂英文原版教材中上述相關課程內容，基本能用英語在課堂上與老師和同學進行溝通，掌握上述課程內容的英文詞匯和表達方法，能看懂英文多媒體課件中的上述課程內容。在雙語教學中要強調學科的專業性，絕不能把雙語教學變成專業外語教學。

三、結論

合理構建“工程熱力學”雙語教學課程體系和設置課程內容知識點，采用“三段一改”的教學方法，改革課程考核與評價方法，對不同層次的學生提出不同的英語應用能力要求，把學科內容作為課程教學的重點，并在實際教學過程中不斷總結經驗，改革教學方法，有望使“工程熱力學”雙語教學的教學質量不斷得到提高，把“工程熱力學”建成高水平的雙語教學示范課程。

參考文獻：

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中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.04.039

Teaching of the First Law of Thermodynamics and

the Second Law of Thermodynamics

WU Hequan， XIE Wenhong

（College of Automative and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410114）

Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics， the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting， improving the quality of teaching.

Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem

0 引言

“工程熱力學及傳熱學”課程是主要研究熱能與機械能互相轉換以及熱量傳遞規律的一門學科。“工程熱力學及傳熱學”圍繞能量轉換與傳遞這一主線，是對工程熱力學及傳熱學兩個研究方向的綜合。其特點是涉及內容廣，知識點多，主要包括熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力過程計算、傳熱學的基本概念、換熱器熱計算等。它在社會生活中的應用是非常廣泛的，在很多領域包括現代工業、農業、交通運輸和國防建設等。雖然熱機發展一百多年，已經非常完善，很多熱力學理論已經在實踐中得到了應用。但是在面對如今國際社會能源短缺、環境污染等問題中，推進熱力學的研究，提高能源的利用效率是解決這些問題的一個關鍵。而熱力學第一和第二定律是熱力學基礎，學好并掌握這些基本理論，才能更好地研究熱能傳遞和轉換的規律并把它轉化成實際成果應用到社會生產生活之中。

1 熱力學第一定律概述

熱力學第一定律實質是能量守恒定律在熱現象上的應用。能量守恒定律可以表示為：自然界的一切物質都具有能量，能量有多種不同的表現形式，可以從一種形式轉化為另外一種形式，也可以從一個物體傳遞給另外的物體，在轉化和傳遞過程能量保持不變。熱力學第一定律則可以表述為：熱可以變為功，功也可以變為熱;當一定量的熱消失時，必產生等量的功;消耗一定量的功時，必產生與之相應數量的熱。表達式為： = +。熱力學第一定律否認了能量的無中生有，正因為如此那種不需要任何動力和燃料就能持續做功的第一類永動機只能是幻想。

能量轉換與守恒定律首先是從力學中以“活力守恒”的形式提出來的。系統吸熱，內能應增加;外界對系統做功，內能也增加。若系統既吸熱，外界又對系統做功，則內能增加等于這兩者之和。熱力學第一定律就是能量轉化和守恒定律。十九世紀中期，在長期生產實踐和大量科學實驗的基礎上，它才以科學定律的形式被確立起來。著名物理學笛卡爾在1644年就提出了“運動守恒”的概念，隨后德國數學家萊布尼茲引入了“活力”的概念，意大利物理學家伽利略研究斜面問題和擺的運動，斯蒂芬研究杠桿定理。伯努利的流體運動方程實際上就是流體運動中的機械能守恒定律，1834年愛爾蘭物理學家哈密頓《論動力學的普遍方法》，提出了哈密頓原理。至此能量守恒定律及其應用已經成為力學中的基本內容，為能量守恒定律的建立準備了條件。1841～1843年，德國科學家邁克爾和英文物理學家焦耳提出了熱能與機械能相互轉換的觀點，為熱力學第一定律的建立奠定了基礎。

熱力學第一定律的確立，突破了人們關于物質運動的機械觀念的范圍，從本質上表明了各種物質運動形式之間相互轉換的可能性，說明運動形式相互轉換的能力也是不滅的，是物質本身固有的。

2 熱力學第二定律

熱力學第一定律說明了熱能是可以轉換的，可以由熱能轉換成機械能，也可以由機械能轉換成熱能，而且能量不會消失。但是如果僅僅只是這樣，那有很多現象是解釋不了的。比如一輛小車給它一定動能，讓它在路上行駛，走了一段路程后，由于小車和路面有摩擦，小車速度逐漸減小，最后停止。原來的動能全部轉化為摩擦產生的熱能，然而反過來，這些熱能能還給小車，再重新讓它動起來嗎？再比如一個燒紅了的鍛件，放在空氣中便會慢慢冷卻。顯然，熱能從鍛件散發到周圍環境中了;周圍環境獲得的能量等于鍛件放出的熱量。反過來，這個已經冷卻了的鍛件能從周圍環境中收回那部分散失的熱量，重新赤熱起來嗎？這樣的過程都不違反熱力學第一定律。然而，經驗告訴我們，這是不可能的。

所以在熱能轉換為機械能這一問題中，除了要遵循熱力學第一定律，還要滿足其它約束條件。這就是熱力學第二定律的研究內容。熱力學第二定律的實質就是指出了一切自然過程的不可逆性，也就是說自然界中的過程具有方向性。過程總是自發地朝著一定的方向進行。機械能總是自發地轉變為熱能;熱量總是自發地從高溫物體傳向低溫物體等等。這些自發過程的反向過程（稱為非自發過程）是不會自發進行的。這種不可逆的過程可以用熵來描述。自然界的一切自發過程都是朝著熵增大的方向進行的。只有可逆過程，系統的熵保持不變。這就是熵增原理，這是熱力學第二定律的其中一種表述方式。

在熱力學第二定律告訴我們能量轉化具有方向性。即機械能可以百分之百的轉化為熱能，但熱能轉化為機械能的效率不可能達到百分之百。那么熱機的效率最高能達到多少呢？1824年，法國工程師卡諾提出了一種熱效率最高的循環――卡諾循環。它包括兩個等溫過程和兩個絕熱過程。如果把高溫熱源的溫度記為，低溫熱源的溫度記為，通過熱力學計算可以得到卡諾循環的熱效率表達式 = /。當高溫熱源的溫度足夠高，而低溫熱源的溫度足夠低的時候，卡諾循環的熱效率理論上可以無限的接近1，因此可以說卡諾循環的熱效率最高。從中可以得出以下結論：（1）卡諾循環的熱效率只決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度，也就是工質吸熱和放熱時的溫度;（2）增大，減少，可以提高卡諾循環的熱效率;（3）卡諾循環的熱效率只能小于1，不能可能等于1。因高溫熱源的溫度不能等于無窮大，低溫熱源的溫度也不可能等于零。這就表明熱能不可能全部轉變為機械能;（4）當 = 時，卡諾循環的熱效率為零。這表明，在沒有溫差存在的熱力系統中，熱能不可能轉變為機械能。或者說，單熱源的熱機，即第二類永動機是不可能造成的。

在卡諾定理的基礎上，人們總結出了熱力學第二定律的兩種主要表述方式。克勞修斯說法：熱量不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。開爾文說法：不可能從單一熱源取熱使之完全變成有用功而不產生其它任何他影響。它們都說明了自發過程的不可逆性，可以證明這兩種表述方式是等價的。那種設想把海洋或空氣當作單一熱源，從中吸收熱量并完全轉化為有用功的第二類永動機是不可能實現的。

熱力學第二定律的意義實際已經遠遠超出了熱機熱效率的范疇，它指出了自然過程進行的方向性，說明了能量品質的高低。

3 結語

熱力學第一定律和熱力學第二定律是人們在日常社會生產實踐中總結出來的普遍規律，它們被許多實驗和具體實踐證明是正確的。熱力學第一定律和熱力學第二定律的建立，奠定了工程熱力學與傳熱學的理論基礎，也徹底了永動機的幻想。大學生在學習熱力學第一定律和熱力學第二定律時應該理解它的內容，實質，掌握它的重點和難點。了解熱力學第一定律和熱力學第二定律的發展過程，要學會自我歸納總結，做到獨立思考。教師應該把精力放在提高熱力學第一定律和熱力學第二定律的教學深度以及加強實踐應用上。熱力學第一定律和熱力學第二定律是自然界的普遍法則，蘊含了大道理，驗證了辯證唯物主義思想，所以教師應該把事物發展的科學道理在這一章充分展現出來。熱力學第一定律和熱力學第二定律是“工程熱力學及傳熱學”課程的重要內容，也是理工科學生必須掌握的基本知識，因此對它們進行深入研究有利于提高課程的教學質量。相信對熱力學第一定律和熱力學第二定律的研究一定會推動社會的進一步發展。

基金項目：長沙理工大學教改課題項目

參考文獻

[1] 李岳林，劉志強，武和全.工程熱力學與傳熱學[M].北京：人民交通出版社，2013.

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化工熱力學是化工類學生的專業必修課程之一，主要講述熱力學定律在化學工程領域的應用，包括化工過程中各種形式的能量之間相互轉換規律及過程趨衡的極限條件等。它是培養學生分析和解決實際化工問題思維方法的重要專業理論基礎課[1-3]。然而該課程的課程內容抽象、計算繁瑣，學生感到非常難學又缺乏實際應用，在課程學習過程中學生產生恐懼和厭學心理，達不到良好的教學效果，因此，我們對該課程的教學內容和教學方法進行一些改革和嘗試，希望激發學生學習的興趣，進而更好地掌握這門課程，為后續專業課程的學習夯實基礎。武漢大學2013年新開設的能源化學工程專業是由1958年原武漢水利電力學院開辦的“電廠化學”專業發展而來，主要面向電力行業及高效潔凈能源領域(包括超臨界火電、核電、生物質能、氫能、新型化學電源等)，培養掌握化學與化工基礎理論及能源化學專業知識和技能的未來行業發展的領軍人物。目前，本專業主要有水處理、材料腐蝕與防護、化學監督與控制、能源化學四個主要研究方向。為了適應學校對新專業發展和一流學科建設的要求，2015年在本專業大三學生中新增設了《化工熱力學》這門化工類專業的專業基礎課程。如何調動學生的課堂積極性，培養學生的創新能力，夯實學生的專業基礎，使他們在54學時的學習過程中理解并掌握本門課程的基本概念，并且將抽象的理論與實際的能源化學過程聯系起來是本課程的核心教學任務。本文結合我校能源化學工程專業的培養目標，淺談《化工熱力學》的教學體會，著重對教學方式進行了探索和實踐，為培養能源化學工程領域的領軍人物奠定基礎。

1明確教學內容與課程主線

結合我校《化工熱力學》課程以工程應用為中心、專業研究方向覆蓋面廣等特點，我們選用了朱自強等編著、化學工業出版社出版的《化工熱力學》作為教材[4]，同時，也鼓勵學生使用部分參考教材(《化工熱力學》，馮新等編，2008；《化工熱力學(第二版)》，陳鐘秀等編，2000；《化工熱力學導論(原著第七版)》，J.M.史密斯等編，劉洪來等譯，2007)[5-7]。化工熱力學發展時間較長，已形成較完整的知識體系，如何在54學時內有效地把關鍵知識點教授給學生是本課程教學實踐的關鍵。由于本專業學生在大二《物理化學》課程中已經系統學習了理想氣體相關的狀態方程及其應用，因此在本課程教學中不再贅述，而是重點介紹工程實際應用較多的二參數狀態方程、化工熱力學分析、溶液熱力學、流體相平衡和化學反應平衡等。在教學實踐中，首先，詳細分析《化工熱力學》教材結構，圍繞主線內容合理編排知識點；其次，建立好各知識點之間的邏輯關系，讓學生在大腦中建立化工熱力學框架圖；最后，根據能源化學工程專業的需要，適當刪減補充了教材內容，結合學科動態，增強化工熱力學的應用能力，如燃料電池開路電壓的計算、水/二氧化碳共電解制合成氣過程中氣體組成的計算等。

2改變單一課堂教學模式，培養學生自主學習能力

化工熱力學課程設計的公式多而繁雜，學生在開始學習階段容易產生恐懼厭學心理，傳統的單一課堂教學模式具有“教師主導學生學習”的特點，與本課程“教師引導學生學習”的教學目的存在較大偏差。因此，應改變傳統單一課堂講授模式，充分采用“啟發式”和“參與式”相結合的教學方法。首先，教師在課前預習階段設疑(提出問題)，促使學生思考，復習舊知識，預習新知識；其次，教師在教學實踐過程中采用多媒體和板書相結合的教學方式解疑(解決問題)，并通過對例題和習題的講解加深學生對化工熱力學原理、方法和應用的理解，同時，教學過程中應避免陷于抽象的說教和枯燥的公式推導之中，重點講述化工熱力學知識點的應用條件和物理意義；最后，課堂教學結束后，教師主動與學生面對面交流答疑(探討問題)，并設置思考題讓學生查閱相關資料。通過“設疑—解疑—答疑”的漸進式教學方法達到對關鍵知識點舉一反三的目的，同時，吸引學生注意力，培養學生自主學習能力，提高學生學習的積極性和主動性。

3課堂教學與工程實踐密切結合，培養學生初步的工程觀點

化工熱力學由于理論性較強、基本概念多且抽象，而且本科生在學習過程中接觸科研課題及工程實踐的機會較少，將課堂教學內容與科研課題及工程實踐緊密結合起來，建立“以應用為中心”、“探究式”的特色教學模式，緊密聯系我校在能源化學工程領域(特別是超臨界火電、核電、生物質能、氫能、新型化學電源等方面)開發利用的化學工程實際問題，把學科前沿領域的科研成果帶入課堂，可以使他們強化科研思想、激發聽課興趣、培養創新能力；同時，可以讓學生獲取利用化工熱力學基本原理解決工程實際問題提供思路和方法，培養學生初步的工程觀點。

4考核方式方法研究

傳統的期末一張考卷為準的考試方式不利于學生能力的培養，也不能全面地體現學生對所學知識的掌握程度，為了更加系統全面地評價學生對課程內容的認識情況，我們對課程的考核方式方法進行了改革探索。目前，課程成績總評包括平時成績和期末成績兩部分，其中平時成績包括學生的課堂綜合表現、課程預習、平時作業三個部分，各占10%；期末考試采用開卷方式考試，考試的題目偏重于對知識點的理解和其在能源化學過程中的應用。然而由于該課程的課程內容抽象、計算繁瑣，教學過程中發現仍有部分學生存在畏懼厭學心理，因此，在今后的教學實踐中應考慮進一步激發學生的學習興趣，增強學生的主觀能動性，在課堂教學中引入分組討論，開展導向性的專題研究，將課程內容與能源化學過程(特別是學科動態)相結合，培養學生查閱資料和分工協作的能力，為學生下一步學習專業課程夯實基礎。

5結束語

在《化工熱力學》課程的教學實踐和嘗試中，首先要明確教學內容與主線，打破單一的學生被動聽講的模式，理論聯系實際應用，調動學生學習的積極性和主動性，激發學生對教學內容的興趣，并且在教學的過程中對教學方法進行改革創新，因材施教，為學生下一步學習更專業的能源化學工程知識和從事新能源行業工作奠定扎實的基礎。

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篇10

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0076-02

1 引言

食品冷鏈物流（Food Cold Chain Logistics）是上海海洋大學食品科學與工程專業食品物流工程方向的專業特色。它是以制冷設施與技術作為手段，以食品冷凍冷藏工藝學作為基礎的一項低溫物流系統工程，過程要求易腐食品在生產、運輸、貯藏、銷售直至消費前的一系列環節中始終維持在食品規定的低溫環境下，以減少食品損耗，保證食品質量。它是隨著制冷技術的發展而建立起來的，熱工學中有關熱能和機械能之間相互轉換的基本理論和熱量傳遞規律，正是低溫冷鏈物流實踐應用的理論基礎，而活學活用熱工學的基本理論知識，對學好本專業起著至關重要的作用。

熱工學是一門研究熱能利用的基本原理和規律，以提高熱能利用率為主要目的的課程，包括工程熱力學、傳熱學和熱工基礎的應用等部分內容。其中，工程熱力學和傳熱學構成熱工學的理論基礎，熱能轉換的基本概念、熱力學兩大基本定律、理想氣體和蒸汽的熱力性質與熱力過程以及濕空氣等內容屬于工程熱力學部分，而熱傳導、熱對流和熱輻射等3種熱量傳遞方式的基本理論（包括導熱的基本定律及穩態和非穩態導熱、對流傳熱和輻射傳熱等）是傳熱學部分主要講述的內容。目的是使學生掌握熱能轉換和利用的基本原理和規律，能夠對有關熱科學問題進行基本計算訓練和獲得解決相關工程問題的基本能力[1]。但是，學生在學習過程中反映感到困難最多的就是狀態參數概念抽象、圖表復雜、知識枯燥等。為此，筆者在教學實踐中有以下幾點體會和認識。

2 多角度分層次學習抽象概念――以熵為例

工程熱力學中常用的狀態參數有6個：壓力、比體積、溫度、熵、熱力學能和焓。其中，熵的概念學生最難理解。熵是熱力學第二定律導出的重要概念，在熱學中得到廣泛應用，近年來在經濟學、生態學等其他學科中也逐漸得到重視和廣泛應用[2]。

介紹“熵”這個字的歷史由來 我國最初是沒有“熵”這個字的，它是由Entropy這個單詞根據意譯而來的。1923年，德國物理學家普朗克來我國講學時，我國物理學家胡剛復做翻譯，根據Entropy的定義是熱量除以溫度所得到的商值，而且這個概念與火有關，于是就在商上另加火字旁，創造了一個新字――“熵”。

介紹熵這個概念的歷史由來 熵的概念由德國物理學家魯道夫?克勞修斯在1850年首次提出，用熵來表示能量分布在空間中的均勻程度，越集中的能量空間分布，系統的熵值就越小；而越均勻的能量分布，系統的熵值就越大，當能量完全均勻分布的系統，熵就達到最大值。

介紹熵的定義 熵是描述所有不可逆過程共同特性的熱力學狀態參數，它是不能再被轉化做功的能量的量度。可逆過程中，δQ/T的積分值和熱力過程的路徑無關，因此可以斷定可逆過程的δQ/T一定是某一狀態參數的恰當微分，所以取名為熵（S），它的定義式為dS=δQ/T。

介紹熵的特點

1）熵是狀態參數，同狀態函數焓和熱力學能一樣，一般只計算狀態參數的變化；

2）計算不可逆過程的熵變時，其值僅取決于給定的狀態，與達到狀態的過程無關；

3）δQ=TdS的量綱是能量，T是強度量參數，Q、S是廣延量參數，計算時必須考慮體系的質量。

介紹熵的物理意義 可分為宏觀和微觀兩個方面：從微觀上講，熵反映的是系統的無序度或混亂度；從宏觀上

講，一個熱力系熵的變化，可以表示為熵流和熵產之和，對應選定的環境狀態，系統熵的變化是系統無效能變化的量度。

重點介紹熵的本質 熵是一個反映自發過程不可逆性的狀態參數，自然發展的情況下，系統各部分能量差總是傾向于均衡。在孤立系統中，實際發生的過程總是使整個系統的熵值增大，不能減少，極限的情況（可逆過程）保持不變，即孤立系的熵增原理[2]。摩擦生峋褪鞘掛徊糠只械能不可逆地轉變為熱，使熵增加；讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止。熱量由高溫物體傳至低溫物體，整個系統由高溫物體和低溫物體組成，高溫物體的熵減少，低溫物體的熵增加，熵總變化是它們的代數和，是增加的；每一次能量從一個較高水平（比如河水下落時，最初處于較高位置）轉化到一個較低水平（比如河水落到壩底，處于較低位置），都意味著下一次能再做功的能力減少了。

介紹熵在其他學科上的應用 熵是熱力學第二定律導出的重要概念，它不但在熱學中得到廣泛應用，而且在生命科學、哲學、經濟學、系統科學、生態學、歷史學、文學、藝術、語言學、宗教學等社會各個領域的應用也得到很多學者的日益重視。例如：探索將生態系統熵量化為能量輸出或輸入與經濟收入或支出之比；以貨幣流為參數來計算城鎮生態系統的熵變；以熵與焓的關系探討地球的熵增；生物與環境綜合為一個生態系統，生命體時刻與外界進行能量、物質、信息的交換，是一個開放的系統，任何真實的系統都不能脫離環境而存在，可以用“生命熵”來獨立定義，用熵來分析一個生命體生長、發育、衰老、死亡的全過程。自然界所有的生物利用和環境的能量交換趨于多樣、有序、熵減小，最終被環境選擇，得以進化。

3 結合應用實例學習圖表知識――以焓熵圖為例

水蒸氣的熱力性質圖表是熱力過程計算中的重要依據。但是對這一部分內容，學生普遍反映圖表太復雜，圖中等參數線太多，表中數據參數太多，水和水蒸氣狀態又十分復雜，應用起來很不方便。

介紹水和水蒸氣圖表實際應用中的優缺點 水和水蒸氣的熱力性質表優點是數值的準確度高，缺點是數據不連續，需要用內插法計算近似值，使得查表工作十分煩瑣。水和水蒸氣的熱力性質圖的優點是查取方便，熱力過程分析更直觀、清晰和方便；缺點是數值誤差較大，在工程應用容許范圍內。優先選用的是水和水蒸氣的熱力性質圖，其中，溫―熵圖（T-s圖）和壓―容圖（p-v圖）主要是對蒸汽熱力過程進行定性分析使用，而焓―熵圖（h-s圖）主要用作對蒸汽熱力過程的功量和熱量進行定量計算，應用更加廣泛。

介紹焓―熵圖的基本特點 溫熵圖中以焓為縱坐標、以熵為橫坐標，上下界線分別為飽和水和飽和蒸汽線，交點為臨界點，飽和水的左側區域為過冷水區，飽和蒸汽的右側區域為過熱蒸汽區，飽和水和飽和蒸汽線下方為濕蒸汽區域。此外，圖中還包括等干度線簇、等壓線簇、等容線簇和等溫線簇等。在濕蒸汽區，等壓線與等溫線重合，是一組斜率不同的直線；在過熱蒸汽區，等壓線與等溫線不同，等壓線為向上傾斜的曲線，而等溫線是彎曲然后趨于平坦；等容線比等壓線在向上延伸方向上更抖些，為方便區別，實用的h-s圖中，定容線常用紅線或虛線標出。然后，讓每位學生畫出焓―熵圖的草圖，并標出上下界線、臨界點、三種狀態及等干度線簇、等容線簇、等壓線簇和等溫線簇等，使學生掌握焓熵圖的基本要點。

結合應用實例練習查圖方法和步驟 學生掌握焓熵圖的基本曲線及分布規律后，結合實例用焓熵圖查水蒸氣的參數，并進一步在圖中分析水蒸氣的基本熱力過程。例如：給出水的溫度和焓值，查圖求熵值；給出壓力和溫度，求焓值和熵值等。這就使學生能熟練通過查焓―熵圖中定溫線和定焓線或者定壓線和定溫線，直接確定水的狀態和各參數的值。

同時，為了加深對比，之后又用同樣的條件，查飽和水和飽和水蒸氣熱力性質表和未飽和水與過熱蒸汽熱力性質表進行求解，使學生通過查圖和表，明顯感覺到水和水蒸氣的熱力性質表的缺c：數據不連續，需要用內插法計算近似值，使得查表工作十分煩瑣。而水和水蒸氣的熱力性質圖就克服了此缺點，查取方便，熱力過程分析更直觀、清晰和方便，但缺點是需要個體肉眼觀察，所以數值誤差較大。水和水蒸氣的熱力性質表的優點是數值的準確度較高。

通過應用實例，使學生深刻認識到水和水蒸氣的熱力性質圖表的優缺點和使用場合，在工程應用容許范圍內，優先選用的是水和水蒸氣的熱力性質圖，讓學生在具體的案例中熟悉并牢固掌握本課程的理論知識要點，培養學生活學活用熱工學的基本理論的能力。

4 結束語

教學沒有固定的模式，一個教師不僅要有淵博的知識、豐富的實踐經驗，還要積極思考，探討能讓學生容易接受的教學方法。教師除了從事教學以外，一定要參加科研，把握相關的學科知識前沿以豐富自己的學識，提高自己的業務水平，這是搞好教學工作的重要前提。教學中注意采用多種合理教學手段和方法，在課堂上做到深入淺出，激發學生的學習興趣和熱情，使學生加深對課程的內容理解。同時應廣泛借鑒國內外先進的教學經驗，勇于嘗試改革、積累經驗，培養學生工程實踐和創新意識，這是教學工作者值得不斷探索的努力方向。