工程力学专业“工程热力学”课程的教学方法研究
孙宏发龙激波许福
［摘要］面向新工科发展需求，工程力学专业为提高毕业生就业和读研的质量开设了“工程热力学”课程。“工程热力学”课程在工程力学专业教学大纲中作为一门选修课，一般采用短课时教学。然而，“工程热力学”课程具有概念多、内容抽象、学习难度大等特点，本科生在学习过程中普遍较为吃力。针对“工程热力学”课程以短课时教学面临的问题，结合工程力学专业实际，提出了能够学为所用的短课时授课内容以及保障授课效果的学习监督机制，为“工程热力学”课程短课时授课提供一定参考。
［关键词］工程力学；工程热力学；短课时；授课质量
［基金项目］2021年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“‘四新建设背景下跨学科专业基础课短学时班教学方法研究——以‘工程热力学为例”（HNJG-2021-0438）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）10-0125-04［收稿日期］2022-05-20
“工程热力学”课程是一门以气体工质为研究对象，以热力学定律为研究基础，研究能源转换与利用的经典学科。它是暖通空调、热能动力等多个专业本科阶段的专业必修基础课，具有概念多、内容抽象、学习难度大等特点。本科生在学习“工程热力学”课程的过程中普遍较为吃力，以至于这门课程的挂科率偏高。“工程热力学”课程内容主要涉及热力学第一、第二定律及气体热功转换过程的性质等，学习过程需要有较好的数学物理基础，课程内容公式繁多，学生学习起来内容难以把握，做题也是似懂非懂的状态。为有效提高学生学习过程中的兴趣与老师的授课质量，对该门课程进行了一系列教学改革与创新［1-5］。
工程力学专业在国内高校开设十分普遍。大多认为工程力学专业为半工半理类专业，在学习过程中既会涉及工程技术领域，又要学生具备较强的理论知识。因此，它可以作为工程实践与自然科学成功融合的桥梁。工程力学作为一门理工结合的专业，为土木等工程领域培养具有力学理论基础，又具有计算和试验能力强，能在这些工程领域从事与力学有关的科研技术开发、工程设计工作的高级工程科学技术人才。工程力学专业的普遍适用性，也为这门经典学科提供了新的机遇和挑战。新工科要求工程力学专业的毕业生不仅要有扎实的力学理论基础，具备必要的工程实践知识，还要有一定的创新思维和创新能力［6-7］。许多大学工程力学专业都开设了以24课时短学时教学形式的“工程热力学”课程［8］。在达到教学目标的情况下，能够提升工程力学专业毕业生个人发展的竞争力。
一、“工程热力学”短课时授课面临的问题
“工程热力学”短课时授课面临的问题主要有两个：第一，由于“工程热力学”课程内容多且复杂的特点，在以短课时授课时在授课内容上必须有所取舍。应该结合工程力学专业知识体系及毕业生服务对象，以热力学第一、第二定律为核心，辅以气体性质和流动内容展开教学。第二，“工程热力学”课程以短课时授课后学习监督机制如何确立？针对工程力学专业“工程热力学”课程的学习形式，制定出合理有效的学习监督机制，确保课堂的授课效果，学生能够达到预期的学习目标。基于此，在工程力学专业中，学习监督机制的确立成为“工程热力学”课程以短课时形式进行教学的教学方法研究的重要部分。
二、“工程热力学”短课时授课内容
结合工程力学专业知识体系及毕业生服务对象，本项目“工程热力学”课程授课内容主要包括以下五部分。
（一）基本概念
“工程热力学”课程基本概念多而且抽象的特点，让学生在学习过程中不易把握。热力系的概念相对易于理解，就是我們人为设定的研究对象。根据热力系与外界之间的关系分类，可以将热力系分为开口系、闭口系（质量交换）、绝热系、非绝热系（热量交换）、绝功系、非绝功系（功量交换）、孤立系、非孤立系（质量、热量、功量交换）。这些概念的区分上可以利用数学上的集合关系来理解。例如，开口系必定为非绝热系，但是非绝热系不一定为开口系。
“工程热力学”课程学习过程对于状态参数的三个基本特征的运用，包括：（1）状态确定，则状态参数也确定，反之亦然。（2）状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关，也就是状态参数经历一个循环后其变化量为0。（3）状态参数的微分特征：具有全微分。根据状态参数的三个基本数学特征，工程热力学中许多新的状态参数的引入也是利用状态参数的积分特征。例如，熵的引入是根据克劳修斯不等式，也就是可逆过程时工质经历一个循环后与外界交换的热量除以对应换热温度等于0。对于工程热力学中“一般过程”“准静态过程”“可逆过程”三个抽象概论，可以与数学中“一般函数”“函数连续”“函数可导”三个概论对照理解。教学中通过跨学科的知识融合，展现从不同角度描述问题的方法，不仅能使学生重拾即将忘却的知识，还能促进其对工程热力学