结合空天技术前沿的“高等工程热力学”教学方法探索
柏立战庞丽萍
［摘要］“高等工程热力学”是工程热物理及热能工程专业研究生的必修课之一。在航空航天类院校开展“高等工程热力学”课程教学，对高等工程热力学基础理论和专业知识进行系统讲授的同时，需要紧密结合航空航天技术发展前沿，培养学生的学习兴趣，增强其学习动力和主动性。通过对“高等工程热力学”课程教学现状进行分析，指出了目前存在的“重知识，轻能力”的问题。针对上述问题，从教学方法、教学实践方面给出了结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程教学改革实施方案，并对某教学实例进行细致分析，切实提升教学质量。
［关键词］高等工程热力学；航空航天；发展前沿；课程教学
［基金项目］2020年度北京航空航天大学研究生精品课程建设项目“高等工程热力学教学改革项目”
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）22-0120-04［收稿日期］2022-05-13
高等工程热力学是一门具有较强的工程实用性和多学科交叉性的科学，它以热力学第一定律和第二定律为基础，主要研究能量守恒与转化规律，特别是热能与机械能之间的转化规律，对热力过程的完善度进行科学评价与分析，对节约能源和合理用能具有重要的指导意义［1-2］。通过系统学习高等工程热力学的基础理论和专业知识，对具体工程实例进行理论分析，学生能够更加深入地理解高等工程热力学的基础思想、知识体系和应用领域，并能增强理论联系实际和知识运用的能力，对于提高学生的理论水平和解决实际问题的能力具有积极意义。
基于学以致用的理念，北京航空航天大学作为航空航天领域的普通高等学校，所讲授的“高等工程热力学”内容应主要服务于航空航天领域的应用场景。其中，飞行器能量与热管理系统始终是高等工程热力学重点研究的内容。随着世界范围内航空航天技术的飞速发展，航空航天飞行任务的复杂性决定了飞行器所面临的内外部热环境极其复杂。此外，随着现代科学技术的迅猛发展和对飞行器性能要求的不断提高，大量先进机载系统应用于飞行器，尤其是大功率电子装备以及定向能武器的搭载，使得飞行器内部热载荷剧烈增加，呈现热流密度高、瞬间发热功率大、发热功率动态变化的特点。特别是对于近年来世界航空航天大国竞相发展的高超声速飞行器，包括高超声速巡航导弹、高超声速飞机和航天飞机等，作为抢占空中和空间战略优势的利器，成为目前航空航天领域的研究热点和技术前沿。对于这类飞行器，由于飞行马赫数达5以上，将产生很强的气动热效应，热障始终是亟待解决的核心问题，对热管理提出了严峻的挑战，成为高超音速飞行器发展必须攻克的关键技术之一。
一、课程现状分析
（一）“高等工程热力学”课程教学现状
“高等工程热力学”课程内容涉及热力学的基本概念和基础理论，包括热力系统、状态参数、平衡状态、热力过程、热力循环、热力学第一定律、熱力学第二定律、熵和熵产、?和?损等基本概念。同时还介绍流体工质的热力性质，包括热力学函数的一般关系式、实际气体状态方程、工质热力性质的计算等。除了纯工质外，还包括多组分系统的热力学基础，包括多组分单相混合物系统、多组分系统的相平衡等内容。此外，还包括化学反应和燃烧的热力学、热力循环、不可逆热力学等内容。“高等工程热力学”内容丰富、理论性强，部分内容比较抽象，理解难度大。由于大部分内容只是纯理论讲授，教师通常无法开展实验教学的内容。
目前在“高等工程热力学”课程教学实践中，主要存在的问题是缺乏有效培养研究生工程实践能力的教学模式和考核机制［3］。首先，“高等工程热力学”教材内容主要偏重于基础理论，关于前沿科研成果和最新技术应用的内容很少。同时，传统教学模式过于强调理论知识的灌输，忽视了对学生科学视野和工程能力的培养。在这种教学模式下，学生对热力学的概念和理论的认知多数停留在背概念、解方程和做习题上，很难有效建立起书本知识与实际工程问题之间的联系，学生的科学视野和创新思维也受到限制。其次，课程的考核方式和评价标准单一。现阶段高校专业基础课程考核通常采用闭卷笔试的形式，以期末考试成绩作为评价学生成绩的主要标准。这种“重知识，轻能力”的考核方式只能考查学生的知识记忆和解题技巧，无法评价学生的实践能力和创新能力［4］。为了应对最终的考试，经常出现部分学生围绕所谓的考试重点“临时抱佛脚”、死记硬背、做题刷分等不良现象。这些学生即使在考试中取得了不错的分数，对知识的理解仍然比较肤浅，仅仅停留于纸上谈兵，依然不具备灵活运用所学理论知识解决航空航天实际工程问题的能力。这些问题极有可能对研究生的培养和未来的职业发展造成不利影响。
（二）结合航空航天技术发展前沿展现“高等工程热力学”教学的重要性
航空航天作为战略高科技产业，一直以来受到世界各国的高度重视。在人