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以目标为导引的工程热力学教学思路分析
发布时间:2014年06月12日 09:46 点击: 28 发布:南京航空航天大学
以目标为导引的工程热力学教学思路分析
 
      张净玉   
(南京航空航天大学 能源与动力学院 ,江苏 南京 210016)
 
[摘  要]工程热力学涉及热功转换的相关基础理论、工质热物性、热机工作原理、以及提高热工设备效率的理论途径和方法,是一门能源动力类、航空航天类、机械类等相关专业的重要专业基础课。究其来源和发展都是为了从理论层面抽象出热机工作的循环方式,开展热机循环参数优化研究,进而构建热机设计分析方法。因此,虽然涉及的理论知识和定理定律较多,在开展工程热力学教学的过程中,尤其是面对以各类热机为主要专业目标的工科专业学生时,以热机循环优化为目的,将相关基础理论和储备知识点有机结合,合理分配学时,组织教学内容,使学生不仅牢固掌握繁杂知识点,更具备利用所学热工理论知识解决实际热机循环分析的能力,进而初步具备解决一般工程应用的能力,大幅提升教学效果。
[关键词] 工程热力学;热力循环;循环优化;课程设计
[基金项目] 2019年度南京航空航天大学 公共基础精品课程建设专项“工程热力学”(编号:2019JG0234K)。
[作者简介] 张净玉(1973—),女,贵州平坝人,博士学位,研究方向:航空发动机热端部件冷却技术。
[中图分类号] G642  [文献标识码] A  [文章编号]
人类在生产和日常生活中需要各种形式的能量,自然能源的开发和利用是人类社会进步的起点,而能源开发和利用的程度又是社会生产发展的一个重要标志。人类目前从自然界获得能量的主要形式是热能,因此通常讲的能源利用,主要指的就是热能的利用,热能的合理和有效利用是整个能源利用的核心与主体。热能的转换和利用离不开各种热能转换装置,即通常所说的“热机”,如蒸汽机、内燃机、燃气轮机以及制冷空调装置等。可以说,热机的热效率很大程度上决定了热能的有效利用程度。
1705年,蒸汽机的发明掀起了人类社会的第一次产业革命,是具有划时代意义的革命,使得人类社会从手工业生产逐步发展成为大规模的机械化生产。但直到1770年,瓦特才发明了结构较完善的蒸汽机,而此时的热机效率很低,经济性很差。
而之后出现的热力学,正是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的基础学科,涵盖知识范围非常广,研究方法也多样化。工程热力学是热力学的工程分支,在阐述热力学普遍原理的基础上,着重研究相关原理的技术应用的一门学科,其应用对象主要就是各类“热机”,根本目的是如何最大程度利用能源,提高能源利用的经济性。
随着科学技术和现代工业的发展,在当前高等教育课程体系内,工程热力学是一门能源动力类专业必修的重要基础课,是传热学、流体力学、空气动力学、燃烧原理、航空航天发动机原理、内燃机原理、空气调节、制冷技术、发电技术等专业课的先修专业基础课程。其涉及的热能利用和热机工作原理等科学已覆盖到热能动力之外的机械、化工、环境、电子、航空航天等各个领域,是现代工程技术人才必备的技术基础知识【1】【2】
因此,工程热力学的学习对于相关专业学生,尤其是以各类热机为主要专业目标的工科专业学生,例如热力发电、航空航天动力、内燃机、制冷、空气调节等工程对象明确的专业,是一门非常重要的专业基础课,是敲开专业领域的敲门砖。
一贯公认工程热力学课程具有概念多、公式多、内容抽象等特点,以往的教学改革多集中在知识的呈现方式,如多用图表可化抽象为形象,理论联系实际,提高了知识的趣味性等,这些改革措施的确有效降低了学生接受知识的难度,在一定程度上提高了教学效率【3】。但随着我国高等教育对能源动力类专业的毕业要求的不断提高,目前的教学方式方法仍有待进一步提高。
专业认证中对毕业要求明确提出要掌握力学、热学、燃烧学等专业基础知识,能对能源与动力工程问题的解决方案进行分析,并能尝试改进。目前以知识点为主的教学模式显然难以胜任。
工程热力学发展的起点就是“省煤”,提高能源利用率,之后一直通过理论分析致力于各类热机的热力循环分析、性能参数优化分析研究。因此,教学中以热机循环优化为目的,热力循环建模和分析方法为主线,将相关基础理论和储备知识点有机结合,合理分配学时,组织教学内容,更易使学生掌握一般工程涉及应用的能力,有效提升教学成效,达成毕业培养目标。
一、明确课程目标 解决知识点多而繁复的困扰
传统工程热力学课程涵盖基本概念、基本定律、工质性质、工质的流动、热机工作过程及其热力循环这五个大的部分。每个部分的内容又可以分列出很多内容和知识点。大部分学生在学习初期都会感到工程热力学内容多而繁,甚至杂乱无章。新手老师往往会遇到花了很多时间备课,教学效果欠佳的局面。
如前所述,工程热力学的产生和发展都有非常明确的研究目的和研究对象,涵盖的每部分内容,除了基本的教学知识点,也都有其内在的重点和需要解决的问题。这些问题的解决最终归集到工程热力学的根本研究目的,“提高热机循环热效率”。因此,在整个课程的教学中引入“目标教学”法,明确每一部分知识要解决的问题、整个课程要解决的问题,以及之间内在的联系,不断帮学生梳理目标、工程方法、以及理论之间的关系,在这张清晰的网络中学习,可以有效解决内容多而繁的难题。
二、工程热力学研究系统网络
工程热力学作为一门基础应用科学,究其起源最终目的就是建立各类热机的热力循环,分析探究提高循环热力效率的途径。为学生建立一张工程热力学的学科体系网络图,对于初学者做到心中有数,遇到繁复的知识点,由于事先已经知道其用途,可以更有目的的掌握内容和应用方法途径。简而言之,就是要在绪论课上给学生讲一个主线清晰、人物鲜明的故事。
可将工程热力学知识体系图梳理成图1所示,将工程热力学涉及的知识点分为5个模块。这5个模块分别涉及工程应用、热力循环分析、热力系建模理论、热功转化原理、工质热物性理论。
 
图1 工程热力学知识点系统图
模块1 工程应用
工程应用模块是体系的顶端,明确了研究对象和目标。“热机”是研究对象,基本的研究对象可分为外燃和内燃两大类,具体到用途分类,又可分为蒸汽轮机、内燃机、地面燃气轮机、可归于燃气轮机的各类航空航天飞行器发动机、制冷机、热泵等。如何提高“热效率”和“输出功”是针对不同研究对象的共同研究目标。教学中可以针对不同专业的学生,通过其介绍其专业方向的热机发展历程和前景激发学生的求知热情。
模块2 热力循环分析
工程应用模块给学生指明了已经存在的应用对象和研究对象实体,建立了目标的感性认识。热力循环分析才是工程热力学知识体系集成的核心,是支撑工程应用的直接技术手段。一方面通过对现有热机热力循环方式的分析优化,可以进一步提升循环热效率、挖掘能源利用的潜力;另一方面,在针对已有热机循环分析研究的基础上,可以鼓励学生探索更高效率的新热力循环方式,激发学习兴趣和求知热情,这也是工程热力学实践应用的重要方向。
显然,解决这个问题首先从现有热机入手,了解其工作原理,建立其热力循环模型以及数学表达式,通过数学表达式明确影响热效率和输出功的因素,引导学生用数学解析方法计算获得热机循环在最高热效率时对应的最佳增压比等性能参数、以及最大循环功对应的最佳性能参数。
对于多学时课程,可以针对非单一影响因素,给学生介绍通过优化算法获得目标函数(热效率、输出功)的最优解,这个解或是解集就是指导工程热机总体设计的重要参考和依据,同时也提供构建新型热机和热力循环的指导方向。因此,工程热力学的根本目的也可以说是寻求影响热机性能参数的优化解。这就是系统中模块2需要在教学过程中需要梳理的知识点和解决的问题。
模块3 热力系建模理论
建立热力循环分析里面是需要首先建立相应的数学表达式,涉及到复杂的热力系统建模分析理论。这部分内容往往是在教科书的第一章基本概念里面讲述,看似只是一部分基本概念的描述和定义,实则包含了工程热力学所有理论研究的建模基础,也是学生更好理解理论分析与工程实践之间如何建立联系的最好范例之一。
基本概念部分不是简单介绍热力系统、状态参数、过程、循环、传热和做功等基本概念,重要的是讲述工程热力学的研究方法,如何引入“准静态”这个概念,解决利用平衡态建立的数学模型分析一个变化的热力过程。
模块4 热功转换原理
建立热力系统和研究方法后,掌握热功转换的原理、推导相应的计算公式,是循环过程中热功传递分析的必要工具。主要包括了热力学第一和第二定律,以及从不同角度出发推导的各种数学表达式,课堂教学中有必要互证这些表达式,明确它们阐述的是完全相同的理论。
“熵”的概念是1865年由德国物理学家克劳修斯提出的,是热力学第二定律涉及的重要热力状态参数,自然辨证法将其定义为度量无序状态和混乱程度的物理量,孤立系熵增理论表明孤立系统内部总是有相对有序转变为完全无序的平衡态,由不平衡向平衡发展。这个抽象的物理概念往往是这个模块的最大难点,教学中要避免学生仅仅认识了数字表达式,而对其根本物理含义不能正确理解的现象。
模块5 工质热物性理论
任何热机在实现热功转换的过程中,都离不开各种工质作为传递的媒介。因此,热功转换的计算分析是以工质状态变化的计算为基础。显然,描述工质状态的状态参数及变化规律的计算都需要掌握工质热物性理论。
由此,呈现了一张完整的工程热力学知识点网络图,绪论课将这些章节的关联系统讲述清楚,明确工程热力学的学习和应用目标是“热力循环优化”,所有的知识点和定律都是围绕热力循环的建立和分析,进而得到其优化解集作为改进和设计热机的技术指导。有了这个铺垫,学生在进入每个模块学习前已经明确掌握了工程热力学总体学习目的以及方法,之后的章节教学,可以据此展开更多提问式互动教学,引导学生先思考“要解决什么?”,然后通过课堂授课告诉他们“怎么解决?”。
三、研究式的互动教学
有了目标导引和清晰的知识体系脉络,讲授知识点和传授解决问题的方法仍然是教学的重要目的,所谓“授之以渔”。设计一个好的问题,课堂引领学生展开思考,或是留给学生课后自主寻找答案,是一种非常有效的教学方法。如果能提供不止一种解决方法,会有效拓展学生的思路。
举一个典型的例子。例如讲授热机循环时,总有一些善于思考的学生会有一个疑问,为什么所有的热机循环有要有一个看似多余的压缩过程?以这个问题为切入点,可以先让学生构建一个同温限范围内的没有压缩过程的循环,然后展开对比分析。分析的理论和方法很多,1)性能参数描述的循环热效率表达式;2)基于平均温差法的效率表达式;3)图解法(T-S图);4)能量贬值定律;5)火用分析法。可以以讨论课的形式,逐一引导学生去尝试、讨论和分析,鼓励不同观点的学生展开课堂辩论。显然,通过这个问题的分析讨论,学生不仅解决了问题本身的疑惑,同时将所学的理论知识、公式方程在实践中应用了一次。效果是不仅加深了知识点的理解,同时尝试了理论联系实际的方法手段。
讨论并不止步于此,对于不同的专业领域,这个问题还可以有更深入的工程实践延伸。例如对于航空航天动力专业,在材料许可工作温度的限定内,航空发动机的压缩过程是不是压比越高越好?为什么早起的航空发动机压比与现在的先进高性能发动机相比低很多?由这个工程指向更加明确,同时也更有趣味的问题延伸刚才的讨论,顺势引出最大输出功的概念和参数匹配优化问题。至此,学生自然而然了解了工程热力学要解决的实际工程问题,并初步掌握了解决问题的方法主线。当然,帮助学生强化理解的教学手段也应该是多样的,既要有利用高数中求解极值问题的数学方法,也要有通过状态参数坐标图中循环的直观定性分析方法。
最后,为了强化学生刚刚获得的信息,可以将航空发动机军机发动机的一代机到五代机的基本性能参数展示给学生,进一步加深学生对约束条件下的热力循环参数匹配优化问题的理解。至此,完成了一堂完美的问题引领、目标导向、课堂翻转、多种教学手段辅助的线下课程教学。
四、 结语
学习的目标不同于人生目标,通常比较具体,可以在短时间内实现,增加学习者的兴趣和信心。因此,目标学习法一直都是成功教育的策略之一。教学内容通常都是由众多知识点构成,各知识点之间又存在必然的联系线,指向最终目标,这些联系线交错纵横形成相对独立的知识体系,构成所谓的知识网络图。学习新课程之前,若是已然将整张网络图“成竹在胸”,不仅学习目标明确,更了解课程各知识点在知识网中的位置和重要程度,那么学习的成效自然会成倍提高。
 
[参考文献]
[1] 迟金玲.多学科融合的机械专业工程热力学教学改革探索[J]. 教育教学论坛, 2020, (19): 117-118.
[2] 彭玉,王红艳,张翠珍.机械类专业热工基础课程教学探讨[J].科教文汇,2019(11):64-65.
[3] 田霖. “工程热力学”研究型教学方法改革与探索[J]. 教育教学论坛, 2019, (51): 105-106.
[4] 王春华, 梁凤丽, 杨理理, 等. 面向全校理工科专业的热工基础课程探索与实践[J]. 教育教学论坛, 2017, (46): 135-136
Analysis on the Teaching Ideas of Engineering Thermodynamics Guided by Aim
ZHANG Jing-Yu
(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Jiangsu Nanjing 210016,China)
Abstract: Engineering thermodynamics is an imperative professional course for the related majors of energy and power engineering, aerospace engineering and machinery engineering. It involves the basic theories of heat-working transformation, the thermodynamic properties of medium, the working principle of heat engines and the theoretical method to improve the efficiency of thermal equipment.  The origin and development of this course are abstracting the theoretical cycle mode of the heat engine and making the optimization research of the heat engine cycle parameters, then integrating it into the heat engine design analysis method. Therefore, It’s important to integrate dynamically the basic theory with the reserved knowledge and organize suitable the leaning period and the teaching content by aiming at optimization of heat engine cycles in the engineering thermodynamics courses, especially for the engineering students who specialize heat engines. There are much theoretical knowledge and theorem involved in this process, but the students not only can grasp the complexed theory knowledge, but also possess the ability to use the thermal theory knowledge to solve actual thermal engine cycle analysis, which means they can practice in general engineering applications. The efficiency of education will be increased dramatically.
Key words: Engineering Thermodynamics,thermodynamic cycle,cycle optimization, course design
 

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