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關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué)；教學(xué)改革；教材；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0199-02

《工程熱力學(xué)》是高等院校機械工程類、能源與動力類等專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程主要研究熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及合理有效利用熱能的基本理論，對培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新性思維和實踐能力，以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)都將起到奠基的作用。通過《工程熱力學(xué)》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)員掌握熱力學(xué)的基本概念和基本規(guī)律，并能正確運用這些規(guī)律進(jìn)行熱力過程、熱力循環(huán)分析和計算；培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)分析和邏輯思維能力。養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索、刻苦鉆研的科學(xué)作風(fēng)。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)建設(shè)，《工程熱力學(xué)》課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、實驗保障設(shè)施、師資隊伍建設(shè)等方面進(jìn)行了大量的建設(shè)和改革，取得了顯著的效果。

一、教材和教學(xué)內(nèi)容改革

在教材和教學(xué)內(nèi)容方面，課程組近年來開展了《工程熱力學(xué)》“立體教材”體系的建設(shè)工作。以課程教學(xué)為基本形式，以綜合能力的培養(yǎng)和提高為基本目標(biāo)，利用多種教育化教育手段，構(gòu)建新穎教材、網(wǎng)絡(luò)課程、多媒體課件、教學(xué)輔導(dǎo)書等組成的內(nèi)容豐富、功能齊全的《工程熱力學(xué)》綜合性立體化教學(xué)資源。從而使教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率大為提高。在人才培養(yǎng)方面，取得了豐碩的教學(xué)成果。多年來不斷更新選取適合本科人才培養(yǎng)和專業(yè)需求的高水平教材，以滿足課程標(biāo)準(zhǔn)的要求?！豆こ虩崃W(xué)》目前采用華自強等主編的《工程熱力學(xué)》第四版，由高等教育出版社2009年11月出版。該教材是國家“普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材”，被眾多院校廣泛采用。該教材還有配套習(xí)題，方便學(xué)員進(jìn)行課后復(fù)習(xí)和自測。此外，課程還指定了多部教材和教學(xué)輔導(dǎo)書，供學(xué)員學(xué)習(xí)和研究使用，包括清華大學(xué)出版社2011年6月出版，朱明善主編的《工程熱力學(xué)（第2版）》；高等教育出版社2007年6月出版，童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答》；McGraw-Hill2005年出版的由Yunus A.Cengel主編的《Thermodynamics An Engineering Approach the 4th edition》等。針對授課專業(yè)增多，內(nèi)容增加，學(xué)時減少及面向裝備擴大和發(fā)展的實際，在對后續(xù)專業(yè)課程需求和部隊需求深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，著眼當(dāng)前需要和未來發(fā)展，從以下三個方面入手進(jìn)行了課程內(nèi)容體系的優(yōu)化重組。

1.突出重點內(nèi)容，貼近裝備實際，針對裝備特點突出與動力系統(tǒng)工作原理密切相關(guān)的熱力學(xué)知識。弱化蒸汽的熱力性質(zhì)及其動力循環(huán)方面的內(nèi)容。

2.以計算機網(wǎng)絡(luò)為平臺，結(jié)合《工程熱力學(xué)》理論在武器裝備上的具體應(yīng)用和實驗室發(fā)展，引入了計算機編程求解和虛擬實驗等現(xiàn)代教學(xué)實踐內(nèi)容。

3.利用自主研制的和虛擬實驗軟件，以及課程組成員科研項目多的優(yōu)勢，引入了創(chuàng)新實驗等研究性教學(xué)內(nèi)容。優(yōu)化重組后的新課程內(nèi)容體系，以經(jīng)典《工程熱力學(xué)》內(nèi)容為主體，科學(xué)處理了經(jīng)典與現(xiàn)代的關(guān)系，引入了新知識和新技術(shù)，強調(diào)了知識的綜合運用和實踐訓(xùn)練，保持了課程教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、科學(xué)性和前沿性。

二、教學(xué)設(shè)施建設(shè)

《工程熱力學(xué)》課程在教學(xué)設(shè)施方面取得了明顯的進(jìn)步。特別是近年來，本校充分利用各種科研項目成果，進(jìn)一步完善本課程實驗設(shè)備，更新了多套空氣定壓比熱測試設(shè)備。對噴管流動演示實驗的硬件平臺進(jìn)行改造，設(shè)計編制了具有虛擬實驗和在線分析的分布式噴管流動演示實驗網(wǎng)絡(luò)平臺。保障實踐環(huán)節(jié)均能以實物操作為教學(xué)的主要手段，實驗教學(xué)水平達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。為使學(xué)員在課堂以外能夠及時的復(fù)習(xí)和總結(jié)，補充課堂教學(xué)內(nèi)容的不足，針對課程的特點設(shè)計并完成了《工程熱力學(xué)》的網(wǎng)絡(luò)課程。該網(wǎng)絡(luò)課程集教學(xué)指導(dǎo)、教學(xué)實施、自主學(xué)習(xí)、測試考試等功能于一體。目前已經(jīng)完成本課程的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，學(xué)員可以在校園網(wǎng)上觀看課程授課的視頻錄像，課程內(nèi)容的在線學(xué)習(xí)和測試，該網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)豐富了學(xué)員的學(xué)習(xí)途徑，對于促進(jìn)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果發(fā)揮了積極的作用。通過多年來的建設(shè)，課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境建設(shè)成效顯著，形成了以教材、多媒體為主和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境為輔，集理論教學(xué)和實踐教學(xué)于一體的課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特色。從畢業(yè)學(xué)員反饋的情況來看，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，不僅顯著地增加了課堂的信息量，而且有效改善了教學(xué)效果。利用新技術(shù)更新了實驗平臺，培養(yǎng)學(xué)員實踐、創(chuàng)新能力的新做法。通過自主設(shè)計、研制的噴管流動演示虛擬實驗軟件平臺，該虛擬實驗平臺具有良好的開放性、自主性、綜合性，而且突破了實驗受設(shè)備、場所、環(huán)境、時間的限制，有效提高了學(xué)員的實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

三、教學(xué)方法改革

教學(xué)改革是提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的根本保障，多年來課程組一直十分注重加強和深化教學(xué)改革，并取得了一定的成果，具體做法如下。

1.課堂教學(xué)采用啟發(fā)交流式，實現(xiàn)單向知識傳輸模式向師生交互模式的轉(zhuǎn)變。利用自主研制的功能完備，界面友好，集授課、自學(xué)、測試、管理等功能于一體的《工程熱力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程》，依托校園網(wǎng)和多媒體教室等，構(gòu)建了教學(xué)互動，適合自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、相對寬松的雙語多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)了教員主導(dǎo)作用和學(xué)員主體作用的和諧統(tǒng)一，在提高教學(xué)效果的同時，培養(yǎng)了學(xué)員主動、有效地獲取知識的意識和能力。

2.在教學(xué)方法上，改進(jìn)課堂講授方式，采用“研究型”的教學(xué)模式。針對課程特點，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)員掌握理論、應(yīng)用和試驗三個方面的知識與能力：《工程熱力學(xué)》的理論，《工程熱力學(xué)》基本理論和概念的掌握，培養(yǎng)理性思維和分析能力；《工程熱力學(xué)》的應(yīng)用，面向裝備和工程實踐，熟悉了解實際《工程熱力學(xué)》問題，培養(yǎng)應(yīng)用原理解決問題的能力；《工程熱力學(xué)》的實驗，通過綜合性試驗培養(yǎng)學(xué)員的動手能力和科研工作素質(zhì)。

3.注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。結(jié)合課堂教學(xué)，開展科技創(chuàng)新活動，使學(xué)生綜合素質(zhì)能力獲得提高。

4.根據(jù)學(xué)員的反饋不斷完善教學(xué)文件。對已有的教學(xué)計劃、教學(xué)大綱、優(yōu)秀的教材進(jìn)行及時的更新和完善，并作為素材之一放在教學(xué)網(wǎng)站上，作為學(xué)習(xí)的參考資料供學(xué)員下載學(xué)習(xí)使用?？偨Y(jié)：筆者經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，對《工程熱力學(xué)》進(jìn)行綜合的教學(xué)改革，收效明顯。教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率得到很大提高，在培養(yǎng)新型專業(yè)人才方面，取得了豐碩的教學(xué)成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚羽非，趙金輝.工程熱力學(xué)立體化教材建設(shè)與實踐[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2010，（2）.

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關(guān)鍵詞 工程熱力學(xué) 教學(xué)方法 教學(xué)質(zhì)量 實踐

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research and Practice of Teaching Method on "Engineering Thermodynamics"

ZHANG Yong, LIU Yiwen, FU Lijuan

(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)

Abstract Engineering thermodynamics the basic course is to train engineering students' scientific quality in the 21st century, but also important technology-based course of heat and power engineering and related fields. Articles with "thick foundation, wide caliber" of education reform ideas, the teaching practice, from the curriculum, teaching content, teaching methods and means of performance evaluation, etc., made a number of reform ideas and methods. Teaching should be a clear learning objective, integration of knowledge structure, and update course content to highlight and to grasp the dynamic interdisciplinary research, focusing on integrating theory with practice, to strengthen the practice of teaching, in order to facilitate a comprehensive evaluation of teaching quality.

Key words engineering thermodynamics; teaching methods; teaching quality; practice

工程熱力學(xué)是一門以熱力學(xué)普遍原理為基礎(chǔ)，講述熱能與其他形式能量（主要是機械能）之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律及其工程應(yīng)用的基礎(chǔ)學(xué)科，是動力、能源、機械、材料、航空航天、生物（醫(yī)學(xué)）、化學(xué)以及環(huán)境工程等專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)21世紀(jì)工科學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的公共基礎(chǔ)課。

然而長期以來，由于工程熱力學(xué)的概念抽象、理論深奧，對知識的理解和掌握有一定的難度，造成教師不易教，學(xué)生也不易學(xué)。學(xué)生對很多概念似懂非懂，缺乏學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果欠佳。顯然，如何教好“工程熱力學(xué)”，使學(xué)生掌握熱力學(xué)基本原理及其工程應(yīng)用，已成為該課程教學(xué)的關(guān)鍵。

1 課程特點及學(xué)習(xí)中存在的問題

工程熱力學(xué)是以熱力學(xué)普遍原理為基礎(chǔ)，針對具體問題采用抽象、概括、簡化和理想化的方法，建立分析模型，推導(dǎo)出一系列有用的公式，得到若干重要結(jié)論，并用這些公式和結(jié)論指導(dǎo)和解決工程實際問題。其顯著特點如下：

1.1 概念多且抽象難懂

工程熱力學(xué)不但概念多，并且概念的物理意義在不同使用條件下又有不同的引申，學(xué)習(xí)中很容易混淆。例如，功的概念，有體積變化功、有用功、排斥大氣功、推動功、流動功和技術(shù)功等等。熱容的概念，既可從定義出發(fā)分為質(zhì)量熱容、摩爾熱容、體積熱容；又可按熱力過程的不同分為比定壓熱容和比定容熱容；還可以根據(jù)熱量計算方法的不同分為真實比熱容、平均比熱容和定值比熱容等。熱力系統(tǒng)的概念、熱力過程的概念和循環(huán)的概念等也是如此。

工程熱力學(xué)的概念、定律和分析過程較為抽象，都不涉及物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu)，初學(xué)者很難深入領(lǐng)會。而且工程熱力學(xué)的很多概念和結(jié)論都是用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)的，且推導(dǎo)過程并沒有結(jié)合具體的物理過程，而僅僅是通過數(shù)學(xué)關(guān)系式間的變換得出其物理結(jié)論。例如，從熵的定義式來看，熵應(yīng)該與換熱量和系統(tǒng)溫度有關(guān)，但定義式又是怎樣反映熱過程進(jìn)行的方向、限度和條件呢？由于學(xué)生以前很少接觸用數(shù)學(xué)語言描述物理概念的方法，普遍感覺熱力學(xué)的概念抽象難懂。

1.2 內(nèi)容相互交叉且難理解

工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容也很多，主要包括熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)等基本概念，熱力學(xué)第一、第二定律等基本定律，常用工質(zhì)的性質(zhì)，過程和循環(huán)的分析及計算方法，化學(xué)熱力學(xué)等等。有些章節(jié)的內(nèi)容還可以單獨成為一門學(xué)科方向，如研究燃?xì)鈩恿ρh(huán)的內(nèi)燃機學(xué)，研究氣體流動的空氣動力學(xué)等。

可見，這些具體的研究內(nèi)容，即與熱力學(xué)的基本原理相關(guān)聯(lián)，又引伸出許多復(fù)雜的公式和結(jié)論，還有自己相對獨立的結(jié)構(gòu)體系。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生普遍感覺課程的內(nèi)容繁多，應(yīng)付不暇，難于理解，顧此失彼。

1.3 公式應(yīng)用條件復(fù)雜且難記憶

工程熱力學(xué)與工程實際問題聯(lián)系密切，涉及面廣，公式很多。即使同一個公式，在不同的應(yīng)用條件下，也有很多不同的表達(dá)形式。例如，熱力學(xué)第一定律對于閉口系和開口系有兩種不同的表達(dá)式；對于可逆過程也有不同的表達(dá)形式；對于理想氣體的可逆過程還有不同的表達(dá)形式。這么多不同形式的公式，許多學(xué)生很難吃透公式的物理意義和具體的應(yīng)用條件，在遇到熱工實際問題時，往往無法確定選用哪一個公式，靈活應(yīng)用就更不用說了。

2 明確學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

興趣是學(xué)習(xí)的動力源泉之一，教學(xué)成功的關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可以從多個方面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，但最重要的就是在第一堂課上讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目的。教師除了要對工程熱力學(xué)的發(fā)展歷史，主要研究對象、內(nèi)容和方法作一個常規(guī)的介紹外，還應(yīng)對課程的開設(shè)情況、課程的實用價值和重要作用進(jìn)行深入細(xì)致的闡述。首先，熱現(xiàn)象幾乎是每一個工程領(lǐng)域中都會碰到的物理現(xiàn)象，能量的有效與合理的利用幾乎是每一個工程師都需要解決的問題。在一些領(lǐng)域中，熱現(xiàn)象的規(guī)律還是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。所以，在境內(nèi)外的高等工程教育中，傳熱學(xué)、熱力學(xué)與流體力學(xué)課程的開設(shè)相當(dāng)普遍。其次，無論從工業(yè)生產(chǎn)過程來看，還是從節(jié)約能源消耗來看，理工科學(xué)生都應(yīng)該具備合理節(jié)能、用能的意識，并懂得其基本的應(yīng)用技術(shù)。而熱工類課程的內(nèi)容就是合理用能及節(jié)能理論中的最基礎(chǔ)與最核心的部分。最后，還應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)和生活中的實例，讓學(xué)生明白學(xué)到的熱力學(xué)知識可以解決和解釋很多實際問題，特別要強調(diào)專業(yè)與課程的聯(lián)系，和實際問題在課程中的理論基礎(chǔ)。這樣，才能使學(xué)生明確學(xué)習(xí)《工程熱力學(xué)》的專業(yè)目的性，對學(xué)習(xí)該門課程充滿期待。

3 教學(xué)方法的改革與實踐

實踐證明，提高課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵是改進(jìn)教學(xué)方法。針對工程熱力學(xué)課程的特點，經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)，實行啟發(fā)式教育，在課堂上加強互動，就一兩個中心問題展開討論，讓學(xué)生在思考中吸收新知識。先進(jìn)的教學(xué)方法既可活躍學(xué)生的學(xué)術(shù)思想，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，又可顯著提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

3.1 整合知識結(jié)構(gòu)，優(yōu)化課程體系

調(diào)整后的新專業(yè)所牽涉的知識結(jié)構(gòu)比以前廣泛的多，要求學(xué)生掌握的知識面也比以前更寬。從培養(yǎng)復(fù)合型人才考慮，在不增加學(xué)時數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對課程體系進(jìn)行優(yōu)化和整合。

教學(xué)內(nèi)容應(yīng)提高起點、后移重點，簡化大學(xué)物理熱學(xué)中已涉及的部分內(nèi)容，并略去繁瑣的公式推導(dǎo)。強調(diào)課程體系中理論與應(yīng)用的有機結(jié)合和相互滲透，注意培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的觀念。同時，適當(dāng)?shù)亟榻B新型制冷循環(huán)、新型節(jié)能材料的工質(zhì)熱物性等，本學(xué)科的最新研究成果及其應(yīng)用，以擴大學(xué)生的知識面，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。另外，注意與其它課程之間的協(xié)調(diào)，上掛高等數(shù)學(xué)、理論和材料力學(xué)等基礎(chǔ)課程，下掛內(nèi)燃機原理、鍋爐原理、供熱工程、制冷工程等專業(yè)課程，保證其作為技術(shù)基礎(chǔ)課程能為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、今后的工作和進(jìn)一步的研究奠定扎實的理論基礎(chǔ)。

3.2 突出重點，精講多練

在課堂教學(xué)中，根據(jù)工程熱力學(xué)的特點和教學(xué)改革的要求，應(yīng)采用精講多練的教學(xué)方法。這是因為，課程的內(nèi)容多而課時少，教學(xué)中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中還會應(yīng)用，授課時應(yīng)有所側(cè)重，實行“精講”；課程有諸多應(yīng)用條件復(fù)雜的公式，只有通過多做練習(xí)，才能深入理解公式的物理意義、變換規(guī)律及具體應(yīng)用條件，做到融會貫通，靈活的應(yīng)用它們來分析解決工程實際問題。

3.3 正確應(yīng)用圖表，化抽象為形象

圖表具有直觀、形象、方便的特點，在工程熱力學(xué)中有其特殊的作用，應(yīng)用也是經(jīng)常性的。因為有些熱力過程或循環(huán)十分復(fù)雜，一般的分析計算根本不可能，只能憑借各類繪制的圖表進(jìn)行計算；借助圖表還可利用計算機進(jìn)行數(shù)值計算和模擬。所以，引導(dǎo)學(xué)生正確使用圖表是工程熱力學(xué)教學(xué)中應(yīng)該特別重視的。

在剛開始接觸簡單的P-V圖、T-S圖時，為了給理解水蒸氣和濕空氣的圖表奠定基礎(chǔ)，就應(yīng)提醒學(xué)生注意圖表的作用和細(xì)節(jié)，如怎樣在圖上區(qū)分吸熱、放熱，對內(nèi)、對外作功；怎樣在圖上表示熱過程的方向等等。在介紹水蒸氣的h-s圖和濕空氣的h-d圖時，應(yīng)重點說明它們的構(gòu)圖原理，并通過各種等值線簇的繪制，講解各參數(shù)的變化規(guī)律。另外，為了讓學(xué)生掌握各種圖表的使用方法，還應(yīng)安排一定數(shù)量的、通過圖表進(jìn)行熱力計算的習(xí)題。

3.4 利用計算機輔助教學(xué)，促進(jìn)師生互動

工程熱力學(xué)課程內(nèi)容含有許多抽象的工作原理圖、系統(tǒng)循環(huán)圖。常規(guī)的板書教學(xué)浪費時間效果也不太理想。如果把這部分內(nèi)容制作成集聲、光、色、圖、文于一體的多媒體課件，既直觀形象，又新穎生動。不但可加強授課的生動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可加大教學(xué)信息量，增加單位時間內(nèi)授課內(nèi)容的深度和廣度，有利于學(xué)生理解和記憶課程內(nèi)容。例如，我們可以用多媒體課件演示各種熱過程曲線的生成，還可以利用計算機繪制水蒸氣的各種圖線，免除查圖、查表的麻煩。

總之，在課堂上進(jìn)行形象直觀的教學(xué)，充分利用計算機輔助教學(xué)，發(fā)揮多媒體的作用，可以幫助教師有效地提高教學(xué)效果和教學(xué)效率，也可以改變學(xué)生死記硬背和被動接受知識的學(xué)習(xí)方式。

3.5 加強實踐教學(xué)，理論聯(lián)系實際

工程熱力學(xué)有較強的工程應(yīng)用背景，在加強基礎(chǔ)理論教學(xué)時，還要注意緊密聯(lián)系工程實際，吸收當(dāng)今熱工科技的新成果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

實驗教學(xué)具有直觀性強的特點，可以很好地配合課堂教學(xué)。除了開設(shè)“空氣絕熱指數(shù)的測定”、“飽和蒸汽P-T曲線關(guān)系的測定”等驗證性試驗外，還開設(shè)了綜合設(shè)計性試驗，要求學(xué)生根據(jù)試驗?zāi)康?，自己設(shè)計試驗方案，寫出詳細(xì)的試驗，并選擇試驗設(shè)備和用具，經(jīng)教師審查合格后，方可開始試驗，最后還要進(jìn)行實驗誤差分析。通過試驗，一方面加深了學(xué)生對熱力學(xué)基本原理的理解和認(rèn)識，另一方面也鍛煉了學(xué)生的動手能力和獨立分析問題、解決問題的能力。

在課堂教學(xué)中，還應(yīng)注重理論聯(lián)系實際，把抽象的理論知識與生動的工程實際問題相結(jié)合，用熱力學(xué)理論剖析自然現(xiàn)象，做到學(xué)以致用。一方面，可以采用案例教學(xué)法。例如，用相對濕度的概念來解釋為什么陰雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用熱效率的概念來解釋為什么用電爐取暖比用電驅(qū)動熱泵取暖浪費等等。另一方面，結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容適時地向?qū)W生介紹學(xué)科的最新研究成果及其應(yīng)用。例如，在講解動力循環(huán)時，可以選擇介紹目前內(nèi)燃機利用蘭金循環(huán)回收廢熱能量，提高整機效率的方法。實踐證明，把教學(xué)內(nèi)容與工程實際問題密切聯(lián)系的教學(xué)方法，可以加強課堂教學(xué)的前瞻性和趣味性，能有效調(diào)動學(xué)生的求知欲，使其由“被動接受學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃友芯繉W(xué)習(xí)”，對提高教學(xué)效果大有幫助。

4 強化考試對教學(xué)的推動作用

考試作為檢驗學(xué)生對課程內(nèi)容掌握程度的標(biāo)尺，關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量和效果。為了使考試成績能科學(xué)、客觀、公平地反映學(xué)生對工程熱力學(xué)知識的掌握和應(yīng)用能力，同時調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，可采用學(xué)生普遍認(rèn)可的綜合評定成績的方式，即平時成績占10%、考勤占10%、實驗占10%、期末考試占70%。

為了有效避免學(xué)生死記硬背概念、定律和公式，教師應(yīng)綜合運用選擇題、判斷改錯題、計算題和綜合分析題編制試卷，靈活考察熱力學(xué)的基本原理及應(yīng)用。這是因為實際問題往往非常復(fù)雜，需要學(xué)生靈活應(yīng)用多方面的理論知識才能做出正確解答。對于那些基礎(chǔ)知識不扎實的學(xué)生，只是簡單記住了書本上概念、定律和公式，面對各種似是而非的敘述也會舉棋不定，做出錯誤判斷也不足為奇。

5 結(jié)束語

工程熱力學(xué)是一門充滿生機的經(jīng)典學(xué)科，大量的經(jīng)典內(nèi)容仍是現(xiàn)代學(xué)子為培養(yǎng)創(chuàng)新能力必須掌握的重要基礎(chǔ)。由于課程具有概念多且抽象、知識點多且相互交叉、公式多且應(yīng)用條件復(fù)雜的特點，教師要把這門課講得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程熱力學(xué)”的教學(xué)質(zhì)量、解決學(xué)生難學(xué)、教師難講的問題，是值得長期研究的課題。

針對我校熱能與動力工程專業(yè)課程體系的教學(xué)改革，并結(jié)合自己的教學(xué)實踐，通過以上的嘗試，有重點、有目的的講解，取得了一定的效果，希望能對提高本課程的教學(xué)質(zhì)量有所貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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篇3

論文摘要 結(jié)合多年從事化工熱力學(xué)教學(xué)的經(jīng)驗，根據(jù)化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案要求，探討提高化工熱力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的方法。精選教學(xué)內(nèi)容，使之具有合理性、實用性，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合。加強學(xué)科間的溝通與銜接，科學(xué)組織教學(xué)；引導(dǎo)學(xué)生對熱力學(xué)性質(zhì)計算的編程求解，采用雙語教學(xué)，加強綜合知識的能力培養(yǎng)；強化實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，注重學(xué)生科研能力的培養(yǎng)；適度引入多媒體教學(xué)，提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量；改革考核方式，注重學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力。

化工熱力學(xué)作為化學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和必修主干課，是一門理論性和應(yīng)用性較強的課程，它既要解決化學(xué)問題，又要解決工程實踐問題[1]。通過化工熱力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握化工熱力學(xué)的基本概念和理論，利用化工熱力學(xué)的原理和模型進(jìn)行化工過程能量、相平衡及化學(xué)反應(yīng)平衡分析和研究，利用化工熱力學(xué)的方法對化工中物系的熱力學(xué)性質(zhì)和其它化工物性進(jìn)行關(guān)聯(lián)及推算，解決化工生產(chǎn)和設(shè)計中的有關(guān)實際問題[2-3]。本課程的基本概念和公式多，理論抽象，計算與公式推導(dǎo)較難，學(xué)生系統(tǒng)掌握該課程的內(nèi)容比較困難， 本文從教材建設(shè)和教學(xué)實施方法上進(jìn)行探討，使學(xué)生更好地掌握其基本原理和實際應(yīng)用，培養(yǎng)高素質(zhì)的化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才。

1 根據(jù)化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案要求，精選教學(xué)內(nèi)容，使之具有合理性、實用性，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合

化工熱力學(xué)的主要任務(wù)是使學(xué)生熟悉熱力學(xué)基本定律在化學(xué)工程中的應(yīng)用，掌握根據(jù)熱力學(xué)原理求取化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和化工過程中熱量與功的計算方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用熱力學(xué)基本原理分析解決化工領(lǐng)域中有關(guān)問題的初步能力。因此，在制定教學(xué)大綱和選擇教學(xué)內(nèi)容時， 將熱力學(xué)知識體系分成兩部分：一是流體的P-V-T性質(zhì)及計算、流體熱力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用；二是溶液理論、相平衡及應(yīng)用。對于第一部分，主要介紹氣體和液體的P-V-T性質(zhì)及計算、流體的熱力學(xué)性質(zhì)計算。要求熟練掌握常用的流體狀態(tài)方程及應(yīng)用計算，學(xué)會計算的思路、步驟和方法；掌握利用狀態(tài)方程和熱容數(shù)據(jù)計算流體的熱力學(xué)性質(zhì)的方法，繪制熱力學(xué)圖表。第二部分介紹溶液活度系數(shù)模型方程以及相平衡理論及其在化工分離中的應(yīng)用。要求能根據(jù)超額吉布氏自由能與活度系數(shù)的關(guān)系，結(jié)合模型方程計算混合溶液的活度系數(shù)；掌握相平衡理論在不同條件下的方程表達(dá)式及其應(yīng)用，尤其是超臨界流體在分離中的應(yīng)用。采用循序漸進(jìn)、先易后難的方法逐步講解和學(xué)習(xí)，最后達(dá)到融會貫通。使教學(xué)內(nèi)容既要具有合理性、實用性，又能夠充分反映本學(xué)科領(lǐng)域的最新科技成果，并與化工生產(chǎn)發(fā)展需要相結(jié)合。

2 加強學(xué)科間的溝通與銜接，科學(xué)組織教學(xué)

化工熱力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程， 是在物理化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化熱力學(xué)基本概念和理論，將重點轉(zhuǎn)移到解決工程實際問題上來的課程。因此化工熱力學(xué)具有知識的過渡性和很強的理論性、應(yīng)用性?；崃W(xué)中涉及到的熱力學(xué)基本定律，熱力學(xué)函數(shù)如焓、熵、內(nèi)能、自由焓、自由能，流體P-V-T關(guān)系的狀態(tài)方程等知識，均是物理化學(xué)中所學(xué)習(xí)過的，需要在化工熱力學(xué)中進(jìn)一步深化與應(yīng)用。

加強與高等數(shù)學(xué)學(xué)科的溝通，解決公式推導(dǎo)計算難的問題。化工熱力學(xué)中涉及到很多計算，如流體的P-V-T關(guān)系計算、熱力學(xué)性質(zhì)的計算、化工過程能量分析計算、相平衡計算、化學(xué)反應(yīng)平衡計算等，對高等數(shù)學(xué)知識的運用要求多且較高。應(yīng)加強與相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程的橫向聯(lián)系，做到理論聯(lián)系實際。在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生放開思路，加強理論知識與實踐知識的聯(lián)系，將熱力學(xué)的有關(guān)理論與這些課程的實際應(yīng)用聯(lián)系起來，避免學(xué)生認(rèn)為化工熱力學(xué)理論太深、不好學(xué)的現(xiàn)象發(fā)生。

3 引導(dǎo)學(xué)生對熱力學(xué)性質(zhì)計算的編程求解；采用雙語教學(xué)，加強綜合知識的能力培養(yǎng)

化工熱力學(xué)的計算常涉及較多的公式及參數(shù)，計算量大且較復(fù)雜，通常需要進(jìn)行試差、迭代來處理，因而電算在化工熱力學(xué)計算中起著不可替代的作用。在講授熱力學(xué)性質(zhì)時，引入陳新志教材中的偏離函數(shù)的內(nèi)容。焓、熵、吉布氏自由能的偏離函數(shù)均可以通過狀態(tài)方程推導(dǎo)出復(fù)雜的表達(dá)式，編寫程序，即可以得到結(jié)果。相平衡中的計算更為復(fù)雜，編程計算大有裨益。實踐發(fā)現(xiàn)，編程計算雖然對部分學(xué)生有一定難度，但多數(shù)學(xué)生卻表現(xiàn)出很大的積極性，隨著上機題的完成，計算機應(yīng)用能力也得到提高。

此外，在教學(xué)中注意向?qū)W生介紹一些英文專業(yè)術(shù)語以及科技英語的表達(dá)方法，為學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)打下一定基礎(chǔ)，并推薦原版教材（Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics，J.M. Smith）部分章節(jié)給學(xué)生閱讀，雙語講解，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的英文閱讀和聽說能力。

4 強化實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，注重學(xué)生實踐能力及科研能力的培養(yǎng)

在實踐教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，將難懂的知識與實際過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，運用所學(xué)基本理論解決實際問題的能力，將抽象的熱力學(xué)概念和理論具體化，與生產(chǎn)實際聯(lián)系起來，以消除學(xué)生對熱力學(xué)的畏懼情緒，培養(yǎng)實際應(yīng)用能力。比如我們延伸了實驗內(nèi)容，在二元汽液平衡數(shù)據(jù)測定和無限稀釋溶液活度系數(shù)的測定實驗中，除測定必要的實驗數(shù)據(jù)外，還要求學(xué)生根據(jù)實驗計算回歸出Wilson和van Laar模型方程參數(shù)，再比較兩種模型與實測值的偏差大小，并分析原因，從而達(dá)到了理論與實踐的結(jié)合。另外，還組織感興趣的同學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新性實驗研究。隨著生命科學(xué)和分子熱力學(xué)的發(fā)展，生化模型分子（例如含N，N-二甲基甲酰胺DMF和醇的混合物）由于其在生化過程模擬中的重要意義，正引起人們越來越多的注意。為了更深入地了解這些體系的熱力學(xué)性質(zhì)及分子間的作用力，組織學(xué)生采用Rose平衡釜測定常壓下二元體系（正丙醇—DMF，正丙醇－異丙醇，異丙醇—DMF）的常壓氣液相平衡數(shù)據(jù)來關(guān)聯(lián)三元體系（DMF +正丙醇+異丙醇）的性質(zhì)，并通過熱力學(xué)同一性檢驗數(shù)據(jù)的可靠性。學(xué)生從查閱資料，設(shè)計實驗方案，確定原料、試劑及分析方法，到實驗操作，數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行整理寫出研究報告。這一過程對學(xué)生是一次全面的綜合訓(xùn)練，加強了理論與實踐的結(jié)合。對實驗中遇到的問題老師及時解決，鍛煉學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的能力，強化專業(yè)操作技能，同時也加深對溶液理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。

5 適度引入多媒體教學(xué)，提高課堂教學(xué)效果

熱力學(xué)抽象、難懂，多媒體輔助教學(xué)具有形象、生動、直觀的特點，便于加深學(xué)生對問題的理解；同時大大增加了課堂信息量，提高了教學(xué)效率，還可免除教師上課時寫板書的勞累，因此多媒體輔助教學(xué)還是很有必要的。如在講解化工熱力學(xué)中混合物汽液相平衡計算，狀態(tài)方程法計算組成、溫度和壓力時，往往非常復(fù)雜而且容易出錯，迭代步驟繁多，計算費時費力。如果采用多媒體技術(shù)，可以形象生動地展示計算框圖，在程序中采用循環(huán)語句，只需要輸入初始的條件就可以很快得到結(jié)果。

但使用多媒體輔助手段也有缺點，主要是變換的畫面，雖能形象直觀地闡述豐富生動的信息，但用幻燈片顯示熱力學(xué)中公式推導(dǎo)顯得相當(dāng)機械、呆板，與看書相差無幾，無法體現(xiàn)教師的靈活思路，更無法調(diào)動學(xué)生的積極性，同時也會影響師生之間的情感交流，結(jié)果是學(xué)生反映來不及記筆記，聽課時就像看電影，教學(xué)效果差，對所學(xué)內(nèi)容印象不深，甚至形成了課下學(xué)生借教師課件拷貝的局面。因此，多媒體教學(xué)只是教學(xué)的輔助手段，不能成為教學(xué)的主體形式，多媒體教學(xué)優(yōu)勢并不是在任何課中都能體現(xiàn)出來的。熱力學(xué)教學(xué)應(yīng)采用多媒體與傳統(tǒng)板書相結(jié)合方式的教學(xué)手段，板書與多媒體的優(yōu)勢才能相得益彰，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生思維空間，更好理解化工熱力學(xué)內(nèi)容。

6 改革考核方式，注重學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力

考試是教學(xué)過程和教學(xué)成果的檢驗，它往往成為教學(xué)過程的指揮棒，因此考試內(nèi)容及方法的改革是教學(xué)改革的重要組成部分，也是教學(xué)改革的重點和難點。根據(jù)熱力學(xué)課程的教學(xué)實踐，要求學(xué)生全面閱讀書籍，在歸納整理的基礎(chǔ)上，使知識系統(tǒng)化，找出學(xué)習(xí)中存在的問題，再集中解答。由于化工熱力學(xué)的理論性強，大量模型方程難以記憶，閉卷考試要花費較多的時間和精力去記憶公式，難免疏虞理解和應(yīng)用，或本末倒置，顧此失彼。因此采用了開卷考試，考試的目的在于使學(xué)生對教材體系有個全面的理解，突出重點和實用性，善于靈活應(yīng)用。而且整個試卷均采用英語出題，這就加大了熱力學(xué)題的難度，有些學(xué)生對英文句子不理解或不懂得專業(yè)詞匯，導(dǎo)致答題南轅北轍。部分學(xué)生懷著僥幸心理，想依賴考場上翻書籍蒙混過關(guān)，但因課程知識的復(fù)雜性，突擊過關(guān)是不現(xiàn)實的。因此開卷考試，擴大了學(xué)生的閱讀量，注重學(xué)生融會貫通的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]趙云鵬，荊濤.化工熱力學(xué)教學(xué)實踐的研究[J].長春師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，25(4):125—126

篇4

關(guān)鍵詞：化工熱力學(xué)；CDIO；大工程教育；教學(xué)改革；方案

中圖分類號：G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-5727（2012）06-0159-02

化工熱力學(xué)作為化學(xué)工程的基礎(chǔ)性學(xué)科，在研究化學(xué)工程以及解決化工生產(chǎn)實際問題中都起著非常重要的作用。同時，它也是化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生及研究生必修的重點專業(yè)課程之一。然而，由于課程中的概念抽象難懂，公式數(shù)量多且推導(dǎo)復(fù)雜，歷屆本科學(xué)生都感到難以理解和掌握。雖然嘗試過各種改革，探索過新的教學(xué)方法，但收效甚微，學(xué)生掌握到的理論常常疲于應(yīng)付考試，沒有真正解決實際問題的能力，更不用說會作“工程”了。為了迎合“大工程教育”的背景，在2009年，我校開始嘗試將CDIO的教育理念應(yīng)用于化工熱力學(xué)課程教學(xué)中，取得了一定的成效。

CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，這種全新的教育模式將構(gòu)思（Conceiving）、設(shè)計（Designing）、實現(xiàn)（Implementing）與運作（Operating）結(jié)合在一起，形成一個連貫而完整的流程。學(xué)生從參加產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期當(dāng)中，可以親身體驗到“以產(chǎn)品為導(dǎo)向”CDIO教學(xué)模式所帶來的不同于傳統(tǒng)教學(xué)模式的參與感。這種以學(xué)生為主體，實現(xiàn)了“做中學(xué)”的全新教育理念，對于提高學(xué)生能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)化工熱力學(xué)課程建設(shè)等各個方面都具有非常重要的意義。

化工熱力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

教學(xué)內(nèi)容與實際脫節(jié)隨著近年來工業(yè)體系的不斷進(jìn)步和化工行業(yè)的快速發(fā)展，化工熱力學(xué)作為一門體系較為完善的課程，其教學(xué)內(nèi)容與實際的化工技術(shù)相比已顯得比較滯后。這種滯后不但使教學(xué)與工程脫節(jié)，并且由于課程模式長期固定，在某種意義上限制了教師的思維方式，進(jìn)而對學(xué)生的創(chuàng)新及發(fā)散思維也造成影響。同時，也造成了大學(xué)與社會之間的脫離。這也是為什么學(xué)生掌握了知識，卻不能在畢業(yè)以后派上用場的原因。

忽略了學(xué)生作為主體的角色在從事化工熱力學(xué)教學(xué)的十余年中，如何解決教與學(xué)之間存在的矛盾，也是一直困擾著筆者的一個問題。為何在經(jīng)歷了數(shù)次改革之后，我們的教學(xué)卻并沒有發(fā)生實質(zhì)的改變？其原因在于忽略了“在教育過程中，學(xué)生才是主體”的這一事實。一直以來，無論運用何種創(chuàng)新式的教學(xué)方法，總是離不開以教師作為主體的講授，總是去研究如何將知識更快速準(zhǔn)確的灌輸給作為客體的學(xué)生，如何將枯燥的理論講授變得生動有趣，讓學(xué)生在愉快的氛圍中掌握知識，在一次一次的教學(xué)改革中，教師歷練成了“優(yōu)秀的演員”，而學(xué)生充其量也就是一個“文明的觀眾”并沒有成為一名“優(yōu)秀的演員”。在這種教育方式下，培養(yǎng)出來的學(xué)生，實際上是被剝奪了自主學(xué)習(xí)的機會，其思維模式也會變得僵化，重理論，輕實踐。在具體問題的處理上往往拘泥于唯一的“正確方案”，按照教師或書本上所講述的步驟給出解答，這就達(dá)到了我們所說的“掌握”的基本要求。學(xué)生并不會從一個實際的工程問題中，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的熱力學(xué)問題和定義熱力學(xué)問題。比如，在講授流體的 “PVT”關(guān)系時，我們會定義好兩個變量（溫度T，壓力P）讓學(xué)生去求體積（V），學(xué)生都可以很好的根據(jù)熱力學(xué)方程解出體積，但如果讓學(xué)生去求解某工藝流程中輸送流體的管徑時（生產(chǎn)能力即流體的質(zhì)量流量已知），學(xué)生就常常束手無措。他們不會根據(jù)輸送流體的工藝條件（即溫度、壓力）用學(xué)過的熱力學(xué)知識來求出流體的摩爾體積，將其換算成流體的密度后，再根據(jù)流體的質(zhì)量流量解出體積流量結(jié)合管路中的允許的流體流速去求管徑。可是如果將這種求管徑的問題放在化工原理的課程中，學(xué)生又可以很好的解決。因為，在化工原理的課程中，流體的密度常常都是作為已知量出現(xiàn)在例題中的，而在實際的工程設(shè)計和計算中，這些問題都是需要靠學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)、定義并解決的。學(xué)生這種今后最需要能力，在我們多年的教學(xué)中卻被忽略了。

總之，無論是在教學(xué)內(nèi)容上，還是在教學(xué)模式上，現(xiàn)有的化工熱力學(xué)教學(xué)當(dāng)中都存在著很多問題，已經(jīng)逐漸無法滿足社會對高等人才培養(yǎng)的需要。而CDIO的教學(xué)理念則為我們解決這一問題提供了一項新的可能性。通過將熱力學(xué)課程與CDIO教學(xué)理念相結(jié)合，讓學(xué)生在“做中學(xué)”的過程中更好地掌握知識，提高能力，通過一個個真實的工程案例，去研究問題、發(fā)現(xiàn)問題。這樣，學(xué)生才能具有獲取相關(guān)知識去解決問題的動力。在此過程中，重要的不是解決了一個具體的問題并由此掌握了相關(guān)的知識，而是在于學(xué)會如何發(fā)現(xiàn)問題、定義問題、分析問題并獲取相應(yīng)的知識解決問題，總結(jié)新知識，同時，加強與人溝通的能力以及團隊合作的能力。那么，究竟如何進(jìn)行化工熱力學(xué)課程的改革呢？

基于CDIO理念下熱力學(xué)教學(xué)改革方案

針對化工熱力學(xué)教學(xué)上的種種問題，我們確定了以“產(chǎn)品為導(dǎo)向”的教學(xué)模式改革。就是讓學(xué)生通過“產(chǎn)品工藝的工程設(shè)計”真正學(xué)到工程設(shè)計中的熱力學(xué)知識。熱力學(xué)是從工程中來，最終還要回到工程中去，為工程服務(wù)。因此，確定了以產(chǎn)品制造為目標(biāo)，將學(xué)生感興趣的產(chǎn)品“工業(yè)化”，學(xué)生扮演一個“工程師”主持一個“產(chǎn)品與過程”的工程設(shè)計工作。在工程項目的設(shè)計中，學(xué)生必然會碰到相關(guān)的熱力學(xué)問題。如工藝條件下流體密度（流體的PVT關(guān)系）、換熱器和功設(shè)備的負(fù)荷計算（流體的熱力學(xué)性質(zhì)：焓、熵與PVT的關(guān)系）、分離塔的計算（流體的相平衡）等等，在設(shè)計過程中，學(xué)生遇到問題時，教師加以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)并結(jié)合課堂所講授的熱力學(xué)內(nèi)容解決實際工程中的問題，最終完成一個工程設(shè)計報告。學(xué)生只憑上課聽講是不可能將項目設(shè)計好的。必須通過自己看書、查閱大量的文獻(xiàn)與資料，與同組同學(xué)研究討論，才可能將項目完成。在這個過程中，強化了化工熱力學(xué)在工程中的應(yīng)用，讓學(xué)生真正體會到熱力學(xué)不是虛無飄渺的理論，而是實實在在的技能。為此，我們制定的具體改革方案如下：

將學(xué)生按班級分組。原則上每班兩大組，也可根據(jù)個人興趣自成一組。選擇一個學(xué)生感興趣的化工產(chǎn)品，圍繞如何實現(xiàn)該產(chǎn)品的工業(yè)化完成以下內(nèi)容：（1）市場調(diào)研報告。包括：產(chǎn)品的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、市場前景、簡單的經(jīng)濟分析及相關(guān)的工藝流程的了解（開課后第1～4周完成）。（2）對產(chǎn)品多套工藝流程方案進(jìn)行可行性及經(jīng)濟分析，確定小組詳細(xì)的工藝流程路線及詳細(xì)的工藝條件，完成簡單的工藝流程圖（開課后第5～8周完成）。（3）根據(jù)學(xué)生選定的工藝過程，完成簡單的工藝流程圖，教師指定與工藝流程相關(guān)的熱力學(xué)計算，通過計算體會熱力學(xué)在工程中的應(yīng)用（開課后第9～12周完成）。（4）將以上三部分合成一個完整的報告期末上交，報告成績占期末總成績的30%。每一小步的工作要求完成的功課都要按時上交，并按教師的批改意見修改完善自己的報告內(nèi)容（開課后第13～16周完成）。（5）最后，選擇優(yōu)秀的項目報告作講演（第17周完成）。

由于選題是學(xué)生根據(jù)自己的興趣確定的工業(yè)產(chǎn)品，因此，項目類型與涉及的學(xué)科面應(yīng)該是很復(fù)雜的。教師不可能事先知道結(jié)果，這就要求教師需要具有相對扎實的工程實際和理論的背景知識，指導(dǎo)學(xué)生在課題初期盡快進(jìn)入課題角色，隨著課題的進(jìn)展，學(xué)生要自己獲取更多的相關(guān)知識，并進(jìn)行深入的研究，應(yīng)用知識去解決問題。在此過程中，教師要做好“導(dǎo)演”，側(cè)重對學(xué)生的方法和能力方面進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生在整個過程中一定會投入大量的時間和精力，因為是以小組為單位，所以，最后的項目一定是集中了整個團隊的才智，一定會有所收獲。

通過兩年的實踐，使用以上方法取得了較好的教學(xué)效果，在加強學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)課程積極性的同時，使學(xué)生在學(xué)習(xí)期間就能受到未來職場環(huán)境的熏陶，只有叫他們了解自己將來的用武之地，造就他們成為合格的化工專業(yè)人才，滿足產(chǎn)業(yè)和社會的需要。

然而，在改革中還存在一些問題，如學(xué)生的合作還存在欠缺，各組同學(xué)中都有“坐車”的現(xiàn)象，如何對這部分不積極參與的學(xué)生進(jìn)行評價，使所有學(xué)生都能積極動起來，將是我們未來改革中亟待解決的問題。

結(jié)語

化工熱力學(xué)課程從2009年開始進(jìn)行了CDIO工程教育培養(yǎng)模式的理論與實踐探索，并取得初步成效，我們將不斷努力探索，使這一教育模式趨于科學(xué)、有效。積極推進(jìn)CDIO人才培養(yǎng)的培養(yǎng)方案改革和教學(xué)方法創(chuàng)新，開展適應(yīng)于學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方法創(chuàng)新，在傳統(tǒng)的案例式、啟發(fā)式、交流式教學(xué)方法改革中推進(jìn)體驗式、研究式、討論式教學(xué)方法，利用具體工程項目的實施，引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”，通過營造工程環(huán)境，實現(xiàn)師生間、學(xué)生間對話式學(xué)習(xí)和合作式學(xué)習(xí)，形成教學(xué)相長的生動學(xué)習(xí)局面。在教學(xué)過程中融入最新的化工工程技術(shù)成果和工藝方案，啟迪學(xué)生的工程意識和利用科技成果的創(chuàng)業(yè)意識，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)精神，構(gòu)筑“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”應(yīng)用型人才培養(yǎng)的知識新體系和課程新體系。

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作者簡介：

徐新（1967—），碩士，北京石油化工學(xué)院副教授，研究方向為化工。

篇5

論文摘要：分析《工程熱力學(xué)》的教學(xué)實踐中采用多媒體技術(shù)的必要性，探討多媒體教學(xué)內(nèi)容的選擇、課件的制作、多媒體放映以及多謀體教學(xué)中應(yīng)注意的問題。提出課堂教學(xué)應(yīng)在傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上合理地應(yīng)用多媒體技術(shù)，提高教學(xué)質(zhì)量。

工程熱力學(xué)是熱能與動力工程專業(yè)和建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，同時也是油氣儲運工程、化工機械過程與裝備和石油加工等專業(yè)的選修課。它是一門從工程實際出發(fā)來論述熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及其應(yīng)用的基礎(chǔ)性課程。課程的特點是理論性強、概念抽象、公式圖表繁多、熱力過程變化復(fù)雜以及熱力循環(huán)的表示和分析困難。

多媒體技術(shù)是文本、圖像、動畫、聲音等運載信息的媒體結(jié)合體，以圖文并茂的形式為工程熱力學(xué)教學(xué)提供了多樣化、多視角、立體化的教學(xué)信息空間。在工程熱力學(xué)的課堂教學(xué)中，合理、適當(dāng)?shù)牟捎枚嗝襟w技術(shù)，不僅充實了教學(xué)內(nèi)容，而且使課堂教學(xué)更加生動形象，提高了教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)效果良好吼

一、多媒體教學(xué)的必要性

工程熱力學(xué)課程的基本理論應(yīng)用部分涉及許多圖片、圖形，內(nèi)容圍繞工作原理圖、系統(tǒng)循環(huán)圖展開，傳統(tǒng)的板書教學(xué)需占大量的課堂時間手工繪制，效果不太理想，如果利用計算機制作成多媒體課件，集光、形、色于一體，形象直觀、內(nèi)容生動，可以使視覺和聽覺同時發(fā)揮作用，增加課堂授課的生動性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有利于學(xué)生認(rèn)知能力的開發(fā)和對教學(xué)內(nèi)容的理解。

〔一)及時更新教學(xué)內(nèi)容。多媒體輔助教學(xué)，可以節(jié)約板書時間，有效地拓寬教學(xué)空間，在有限的時間內(nèi)提供更多信息量，使教師有更多的時間進(jìn)行重點、難點知識的講解?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異，而部分教材內(nèi)容不可能及時更新，在課件制作中可補充大量最新技術(shù)資料，不僅解決教材內(nèi)容相對滯后的問題，而且可引薦專業(yè)發(fā)展的前沿信息，拓展學(xué)生的視野。

(二)完善傳統(tǒng)教學(xué)手段。多媒體將傳統(tǒng)教學(xué)手段難以表達(dá)的內(nèi)容和難以觀察到的微觀熱現(xiàn)象通過文字、圖像、聲音和動畫等形式生動的表現(xiàn)出來，加深了學(xué)生對知識的理解，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動能動性。另外多媒體可通過字體的縮放、顏色的變化或明暗交替以及動態(tài)出現(xiàn)等方式來強調(diào)重點，使學(xué)生印象深刻，更容易記住這些知識點。

(三)增強學(xué)生感性認(rèn)識。工程熱力學(xué)中有許多抽象的概念和過程，如孤立系統(tǒng)、平衡狀態(tài)、壓縮過程、水蒸汽定壓發(fā)生過程等。僅通過書本上的概念和簡單的插圖來講述或通過學(xué)生的想象來理解、掌握這些知識點是非常困難的，而借助多媒體技術(shù)就能使這些問題迎刃而解。多媒體課件支持FLASH動畫}WMV，AVI視頻等播放插件。如在講解內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)和原理時，采用FLASH制作簡單的動畫來演示汽車內(nèi)燃機的工作過程，學(xué)生在動畫中能非常直觀地看到內(nèi)燃機的吸氣、壓縮、燃燒和排氣，再配合P-V圖畫出熱力過程，看起來一目了然，有利于學(xué)生對過程的理解和掌握，進(jìn)而分析不同的壓縮過程所需功耗的不同。同時結(jié)合一些有趣的思考題。如:為何給球打氣時用濕布裹住氣筒外壁能節(jié)省體力?汽車油門是控制油量還是空氣量?這樣既能有效鞏固壓縮機省功原理，又與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、多媒體教學(xué)內(nèi)容的選擇

國內(nèi)各類院校能源動力類專業(yè)基本都開設(shè)了工程熱力學(xué)課程，但可供課程使用的優(yōu)良教材數(shù)量有限，且教材更新較慢，特別是工程背景和應(yīng)用方面的知識較為匾乏。為此，首先應(yīng)根據(jù)各高校學(xué)科專業(yè)特色，選擇合適的教材和參考書，為多媒體課件制作提供最基本的知識體系保障。其次各專業(yè)知識是相通的，但側(cè)重點不一樣，應(yīng)補充介紹同一概念在不同工程運用背景下的區(qū)別和聯(lián)系，讓學(xué)生能更好的理解基本概念做到融會貫通。比如，熱力學(xué)能是工質(zhì)的內(nèi)部儲存能，是溫度和比容的函數(shù)。工程流體力學(xué)課程中，認(rèn)為液體流動中溫度和比容為常數(shù)，所以熱力學(xué)能不變，研究中可以忽略。而工程熱力學(xué)研究中，熱力學(xué)能是重要的狀態(tài)參數(shù)，不能忽略其變化。最后要結(jié)合專業(yè)特色，拓展工程實踐知識，開展相關(guān)工程應(yīng)用專題講座，避免計算時出現(xiàn)手提吹風(fēng)機功率在60KW以上，甚至達(dá)363KW，而汽輪機噴管出口速度只有十幾米每秒的低級常識性錯誤。

三、多媒體課件制作應(yīng)注意的問題

多媒體電子教案存在直觀、形象、生動、圖形圖像功能強大、易于展示最新科研成果、教學(xué)信息量大、學(xué)生易于復(fù)習(xí)等優(yōu)點，但同時存在單幅信息量少、幅間信息不連貫、前后呼應(yīng)不夠、學(xué)生思維不易跟上等問題。在制作時應(yīng)該揚長避短處理好以下幾點問題。

(一)多媒體模板的制作。多媒體課件需合理照顧章節(jié)間的關(guān)系，但每張幻燈片的空間有限，難以有效發(fā)揮“標(biāo)題”和“正文”的相互呼應(yīng)。合理制作多媒體模板，是增加課件內(nèi)容邏輯性和關(guān)聯(lián)性的重要保證。為此，應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱內(nèi)容制作本章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的主題目錄，教學(xué)時采用超鏈接的方式打開。其次建議每張幻燈片分成三個區(qū)域:標(biāo)題區(qū)、正文區(qū)和腳注區(qū)，并用橫線嚴(yán)格區(qū)分，做成統(tǒng)一的模板。在標(biāo)題區(qū)右上角，角注本章標(biāo)題，而在標(biāo)題區(qū)中央插人本節(jié)標(biāo)題。正文第一行插入本節(jié)幻燈片主要內(nèi)容標(biāo)題，與正文呼應(yīng)，使信息盡量連貫。腳注區(qū)可插人授課日期，頁碼等輔助信息，保證每頁幻燈片的完整性。最后，應(yīng)制作復(fù)習(xí)提綱，與首頁主題目錄提綱和正文重點內(nèi)容呼應(yīng)。

(二)文字內(nèi)容的確定。工程熱力學(xué)作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，基本概念、基本原理、基本方法是要求學(xué)生掌握的重點，需要通過大量的文字來進(jìn)行表述，因而課件上的文字內(nèi)容不可避免要占有較大篇幅。需要特別注意的是切忌將大量教材內(nèi)容原文照搬到課件上，授課時照本宣科。文字內(nèi)容的確定必須經(jīng)過反復(fù)推敲、歸納和總結(jié)，將核心內(nèi)容提煉出來，完整的表述則通過授課或與同學(xué)之間的討論來完善。古人云:文章千古事，得失寸心知?；脽羝谱饕彩且粯樱欢ㄒ媲缶?。建議每張幻燈片不超過四段文字，每段文字不超過兩行。在需要特別強調(diào)的地方如前提條件和重要結(jié)論要點，用特殊強化處理標(biāo)注，如PPT自帶的紅色五角星符號。當(dāng)然對于課程中一些經(jīng)典的概念和原理如孤立系統(tǒng)嫡增原理等建議給出原文，讓學(xué)生根據(jù)自己的理解提煉或用自己的言語表述，以加強對概念或原理的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

(三)圖像的選擇與處理。多媒體課件的優(yōu)勢就是圖片功能強大，需要充分發(fā)揮。應(yīng)選擇既反映工程實際又具有較高清晰度和對比度的優(yōu)良圖片，這樣才不會出現(xiàn)投影放大后的圖像失真的問題，這一點需嚴(yán)格遵循寧缺勿濫的原則。對于原理性圖，如果直接采用軟件從書本上復(fù)制粘貼由于涉及圖像格式轉(zhuǎn)化會導(dǎo)致圖像像素丟失，圖像失真，建議利用PPT自帶的畫圖工具繪制，這樣既可以對圖像中各類曲線實現(xiàn)不同顏色、線條標(biāo)記，又可以在播放時實現(xiàn)分層逐級播放。另外結(jié)合PPT動畫播放功能里的“擦除”效果，可實現(xiàn)曲線的動態(tài)繪制過程，利于學(xué)生理解和掌握熱力過程曲線。比如，理想氣體幾種基本熱力過程在P-V圖上同時出現(xiàn)時曲線煩亂，各區(qū)間物理意義復(fù)雜易混淆。采用上述方法可以得到很好的解決。

(四)多媒體課件的放映。在課件放映時，文字的出現(xiàn)應(yīng)設(shè)為逐行或逐字播放，讓學(xué)生有時間記筆記和思考，不宜像放電影一樣整屏播出，此時內(nèi)容繁多，眉毛連著胡子，學(xué)生分不清主次，很容易走神，更談不上理解和掌握。

作者的體會是應(yīng)根據(jù)講解的思路和過程，逐級播放。特別是涉及公式推導(dǎo)時，應(yīng)模擬黑板推導(dǎo)的過程，逐步或分塊出現(xiàn)。當(dāng)然，這也會造成教師頻繁使用電腦，影響教師講解和學(xué)生思考的連貫性。建議使用多功能激光筆，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制幻燈片播放。這樣教師一方面不用局限于講臺上，活動空間得到大大解放，另一方面也可以到講臺下加強與學(xué)生的近距離互動討論，有效維護(hù)課堂記錄。

四、多媒體教學(xué)中需注意的問題

效果優(yōu)良的多媒體教學(xué)也存在學(xué)生視覺疲勞問題，這與黑板教學(xué)相比是一個固有缺陷。據(jù)贛南醫(yī)學(xué)院的一份調(diào)查數(shù)據(jù)顯示。大學(xué)生在課堂上被多媒體教學(xué)光照時間太長，學(xué)生連續(xù)2個課時接受多媒體教學(xué)，約22%產(chǎn)生輕度視覺疲勞，連續(xù)4個課時，輕度視覺疲勞則高達(dá)61%。可見，培養(yǎng)一支高素質(zhì)多媒體教學(xué)課件制作隊伍，是消除學(xué)生視覺疲勞和提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。積極參加多媒體教學(xué)課件制作學(xué)習(xí)班，學(xué)習(xí)適用于大學(xué)生最佳課件制作視覺效果的理論與方法，制定多媒體教學(xué)課件制作視覺審美的基本要素、基本規(guī)范和基本參數(shù)。

同時多媒體授課時光線較暗，如果課堂授課時教師只是點點鼠標(biāo)，學(xué)生瞪大雙眼看，相互之間缺乏交流，學(xué)生容易昏昏欲睡。因此教師不能只站在講臺前一字不差地朗讀講課，應(yīng)當(dāng)隨時觀察學(xué)生聽課的精神狀態(tài)，適當(dāng)?shù)刈叩狡聊磺爸更c內(nèi)容，或者豐富教師自身的面部表情和肢體語言，利用提問、現(xiàn)場討論等互動交流以活躍課堂氣氛與調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

此外，使用多媒體教學(xué)的同時要合理的利用板書。聲像俱佳的課件相比于傳統(tǒng)的板書，雖然能夠給學(xué)生更直觀的感受，但稍縱即逝的課件來得快，去得也快，很難給學(xué)生留下深刻印象。對于一些重要的公式和圖表，要結(jié)合板書推導(dǎo)和繪制。板書是課堂教學(xué)的重要輔助手段。

篇6

關(guān)鍵詞 熱力學(xué)第二定律；高職高專學(xué)生；教學(xué)方法

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-489X（2012）33-0109-02

熱工學(xué)理論基礎(chǔ)是供熱與通風(fēng)空調(diào)工程技術(shù)專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供必要理論基礎(chǔ)的學(xué)科。熱力學(xué)第二定律在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中比較廣泛，是在教學(xué)過程中應(yīng)該注重加強的應(yīng)用性課程內(nèi)容。這部分內(nèi)容理論性很強，而高職高專學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)差、課時少、課程內(nèi)容多等特點，因此理論講解很容易使學(xué)生感到枯燥無味，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

結(jié)合目前熱工學(xué)教學(xué)方法研究[1-2]，本文根據(jù)熱力學(xué)第二定律內(nèi)容，結(jié)合高職高專學(xué)生的特點，就如何讓學(xué)生學(xué)好熱力學(xué)第二定律并能較好地服務(wù)于專業(yè)課程，談一些教學(xué)經(jīng)驗和結(jié)果。

1 合理提煉教學(xué)內(nèi)容

高職高專院校的學(xué)生與本科院校的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)不同，他們今后接觸更多的是工程技術(shù)中應(yīng)用性、實踐性比較強的工作和問題，理論研究很少。因此，在專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容的選擇上要分清主次、合理提煉、適當(dāng)取舍。在教學(xué)實踐中，應(yīng)把專業(yè)基礎(chǔ)課的重點放在應(yīng)用性強的內(nèi)容上進(jìn)行講授，適當(dāng)降低理論基礎(chǔ)的深度，大膽舍去理論性強而實際工作中應(yīng)用有限的內(nèi)容，如克勞修斯積分式、孤立系統(tǒng)熵增原理等。

熱力學(xué)第二定律這部分內(nèi)容在生產(chǎn)實際中應(yīng)用很廣泛，而且是高職高專學(xué)生在將來學(xué)習(xí)、工作中經(jīng)常要接觸應(yīng)用到的知識，因此，教師在教學(xué)中必須加強學(xué)生對該知識點的掌握和理解。

2 聯(lián)系實際的教學(xué)引導(dǎo)

學(xué)習(xí)的興趣是學(xué)生積極思考的前提，更是達(dá)到成功教學(xué)目的的關(guān)鍵。如何在教學(xué)開始前進(jìn)行恰當(dāng)而又能激發(fā)學(xué)生興趣的引導(dǎo)，是每次課成功講述的前提。如果能在教學(xué)過程中，適時巧妙地將理論講解和實際生活聯(lián)系起來，必能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力，讓學(xué)生能更充分地參與進(jìn)來，成為學(xué)習(xí)的主體，激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣。所以在實際教學(xué)中，教師可以在講解理論之前提出幾個實際生活中存在的相關(guān)問題，這樣既可以吸引學(xué)生的注意力，還能激發(fā)他們聯(lián)系相關(guān)理論的興趣，更能加深學(xué)生對相關(guān)理論的理解和應(yīng)用能力。

在熱力學(xué)第二定律講解前，提出問題，如：水是否可以自發(fā)地由低處流向高處？熱量是否可以自發(fā)地由低溫傳向高溫？答案很簡單，問題繼續(xù)引出：如果想要實現(xiàn)它們的逆過程應(yīng)該怎么辦？讓學(xué)生結(jié)合實際生活說說逆過程的應(yīng)用。學(xué)生非常積極地回答，說出很多應(yīng)用實例，如：從水井中用水泵抽水；夏季空調(diào)房間的溫度低于室外環(huán)境的溫度；冰箱內(nèi)的溫度低于室內(nèi)溫度；等等。學(xué)生的充分參與和思考，大大激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

3 服務(wù)專業(yè)的教學(xué)理念

專業(yè)基礎(chǔ)課是為高職高專學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課服務(wù)的，高深的邏輯理論推導(dǎo)并不會直接服務(wù)于專業(yè)，所以教學(xué)過程中聯(lián)系好專業(yè)課講解，會使學(xué)生對理論知識具有更深刻的理解和具體的認(rèn)識，也為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

熱力學(xué)第二定律與后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)聯(lián)系密切，授課過程中，先用圖示法（圖1、圖2）為學(xué)生講解蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理并提出問題：“為什么有相當(dāng)多的熱量要在凝汽器中散給冷卻水？全部用來轉(zhuǎn)化為汽輪機的機械能可不可以？”“要想實現(xiàn)從低溫的冷藏室中把熱量不斷地取出釋放給高溫的冷卻水，自發(fā)過程不能實現(xiàn)，想要實現(xiàn)怎么辦？”學(xué)生結(jié)合原理和問題，很容易得出冷藏室溫度低于冷卻水的溫度，熱量不能自發(fā)地由低溫冷藏室傳向高溫冷卻水，要想實現(xiàn)這個非自發(fā)過程必須有一個補償條件，即壓縮機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為熱能的自發(fā)過程。熱能不能無條件地全部轉(zhuǎn)化為機械能，鍋爐中水獲得熱量變成蒸汽，蒸汽不可能把獲得熱量全部轉(zhuǎn)化成汽輪機旋轉(zhuǎn)的機械能，必須伴有一個補償過程，即凝汽器內(nèi)高溫乏汽向低溫冷卻水的自發(fā)散熱過程。

通過這樣的講解，學(xué)生很容易得出：自發(fā)過程具有不可逆性，但并不是意味著自發(fā)過程的逆過程不能實現(xiàn)，這種自發(fā)過程的逆過程是可以實現(xiàn)的，但是它的進(jìn)行是有條件的，也就是必須有另外的補償過程同時發(fā)生。例如使熱量由低溫物體傳向高溫物體的非自發(fā)過程，可以通過消耗機械能轉(zhuǎn)化為熱能的自發(fā)條件補償來實現(xiàn)；熱能轉(zhuǎn)化為機械能也是一個非自發(fā)過程，但是可以通過使一部分熱量自發(fā)的從熱源流向冷源這一自發(fā)過程的補償，熱能就可以轉(zhuǎn)化為機械能。可以得出：非自發(fā)過程進(jìn)行的條件是有一個自發(fā)過程與之同時進(jìn)行，如圖3所示。

4 結(jié)合專業(yè)回歸理論

根據(jù)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理回歸熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容講解。熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典描述：1）德國科學(xué)家克勞修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化”；2）開爾文于1851年提出，“不可能制造只從一個熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為機械功而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機”[3]。根據(jù)兩種描述可以看出熱力學(xué)第二定律并不是很直接，學(xué)生很難理解掌握，具有抽象性強、記憶困難的特點。

對這兩種描述進(jìn)行簡單變形，克勞修斯描述可以變化為“要想把熱量從低溫物體傳到高溫物體必然引起其他變化”；開爾文描述可以變化為“要想制造出只從一個熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為機械功的循環(huán)發(fā)動機必然引起其他變化”。簡單變化之后，熱力學(xué)第二定律的難點落在到底引起什么樣的變化，結(jié)合剛剛講過的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理，學(xué)生很容易提煉得出結(jié)論，即蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)引起的變化是增加了壓縮機對系統(tǒng)的做功，火力發(fā)電系統(tǒng)引起的變化是系統(tǒng)部分熱量散給外界環(huán)境。

5 小結(jié)

綜上所述，通過熱力學(xué)第二定律的講解經(jīng)驗，可以得出高職高專專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革應(yīng)不斷探索一系列行之有效的教學(xué)方法，努力提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中充分運用知識，為今后的職業(yè)生涯打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃凱旋，劉建華.《熱工學(xué)》教學(xué)改革的嘗試[J].集美大學(xué)學(xué)報：教育科學(xué)版，2001（3）.

篇7

1核心課程體系的構(gòu)建

1.1核心課程體系構(gòu)建的原則

欽州學(xué)院開設(shè)化學(xué)工程與工藝專業(yè)有良好的機遇,同時也有多方面的挑戰(zhàn)。要辦好欽州學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè),貫徹學(xué)院打造五大品牌專業(yè)的精神,需要從緊密聯(lián)系北部灣區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)方面著眼,努力辦出具有石化特色的化學(xué)工程與工藝專業(yè),重點建立一套緊密結(jié)合石化下游產(chǎn)業(yè)鏈、注重過程開發(fā)和工程實踐能力培養(yǎng)的核心課程體系。在核心課程設(shè)置方面,確立夯實專業(yè)基礎(chǔ)、強化工程意識、注重實驗技能、拓寬專業(yè)口徑,注重石化特色的原則。 所謂化工過程,主要包含分離過程和反應(yīng)過程兩種過程。與這兩種過程緊密相關(guān)的一系列化工類課程共同構(gòu)成了化工類課程的核心。按照“門數(shù)適宜,重點突出,相互支撐,形成一體”的要求,選擇化工熱力學(xué)、分離工程、傳遞原理、反應(yīng)工程和化工工藝學(xué)等五門理論課以及與這五門理論課相關(guān)的化工專業(yè)實驗課作為核心課程,建設(shè)具有石化特色化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程體系,全力打造化學(xué)工程與工藝這一品牌專業(yè)。在這五門理論課程中,分離工程和反應(yīng)工程分別研究各類分離過程和反應(yīng)過程,它們構(gòu)成了化工過程課程最核心的部分。化工熱力學(xué)是化工過程研究、開發(fā)和設(shè)計的理論基礎(chǔ),是化學(xué)工程的重要分支之一,與化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程關(guān)系密切?；崃W(xué)的核心價值在于研究過程進(jìn)行的方向和限度,為分離過程和反應(yīng)過程提供相平衡、反應(yīng)平衡數(shù)據(jù),并對化工過程進(jìn)行熱力學(xué)分析[1]。反應(yīng)工程是與工程實際緊密聯(lián)系的課程之一,它廣泛地將化工熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)以及生產(chǎn)工藝、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟學(xué)等反面的理論知識和經(jīng)驗綜合于工業(yè)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化中[2]。

分離工程是化工專業(yè)基礎(chǔ)課程,講述的是如何將混合物進(jìn)行分離與提純的學(xué)科。作為專門研究分離方法的分離工程課程對學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)有很重要的作用。該課程闡明了化工分離過程的本質(zhì)規(guī)律,重點研究分離方法的工業(yè)化途徑,設(shè)備設(shè)計放大效應(yīng),最優(yōu)分離路線的工業(yè)化,及最優(yōu)操作條件。在選擇具體分離方法時,不僅要考慮技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟上的合理性,而且要考慮能耗、環(huán)保、設(shè)備放大和開發(fā)成本等諸多問題[3]。傳遞原理旨在研究化工動量、熱量及質(zhì)量(俗稱三傳)的傳遞現(xiàn)象,用一種統(tǒng)一的觀點來處理三種傳遞現(xiàn)象,并研究動量、熱量和質(zhì)量傳遞之間的類似性,是研究分離機理、分離效率和宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)理論,同時也是反應(yīng)器放大研究的基礎(chǔ)理論之一。與化工熱力學(xué)不同,傳遞原理是一門探討傳遞速率的課程,它對過程開發(fā)、過程設(shè)計、生產(chǎn)操作、優(yōu)化控制及過程機理研究都有重要的使用意義[4]?；すに噷W(xué)重在工藝過程的分析,即在特定條件下,進(jìn)行分離過程、反應(yīng)過程的比較選擇、整合優(yōu)化?；すに噷W(xué)是大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工動力學(xué)、反應(yīng)工程、分離工程等專業(yè)基礎(chǔ)可和專業(yè)課的綜合運用。化工熱力學(xué)和傳遞原理旨在加強專業(yè)基礎(chǔ),化工專業(yè)實驗、反應(yīng)工程和分離工程重在強化工程意識,化工工藝學(xué)拓展了專業(yè)適應(yīng)面,可以突出石化特色。

2核心課程體系的優(yōu)化

為了保障以上核心課程體系的順利實施,建議結(jié)合欽州學(xué)院化學(xué)工程與工藝現(xiàn)有的教學(xué)計劃,從下面幾個方面作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.1加強數(shù)理基礎(chǔ)教學(xué)力度,適度拓展

新世紀(jì)的工程人才必須有熟練應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程等知識的能力,有進(jìn)行設(shè)計、實驗分析與數(shù)據(jù)處理的能力。在兩年的教學(xué)實踐中,學(xué)生普遍反映數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實,一些數(shù)學(xué)問題不知所云,比如熱力學(xué)計算中要應(yīng)用迭代法求解狀態(tài)方程、精餾過程計算、反映工程中的偏微分方程求解等等,問題大都源于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱。因此建議加開線性代數(shù)、運籌學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值計算、C程序語言、數(shù)學(xué)物理方法,流體力學(xué)等數(shù)理和計算機基礎(chǔ)課程。多所兄弟院校也早就開設(shè)了這些基礎(chǔ)課程。線性代數(shù)和運籌學(xué)的開設(shè)可以解決反應(yīng)器設(shè)計過程的優(yōu)化問題;概率論與數(shù)理統(tǒng)計是實驗數(shù)據(jù)處理和理解反應(yīng)工程中一些基本概念的基礎(chǔ);數(shù)值計算和C程序語言兩門課程是工科學(xué)生重要的基礎(chǔ)課程,加開這兩門課程也是落實我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)計劃中對學(xué)生計算機水平的要求,對學(xué)生的就業(yè)能力的提高有好處;數(shù)學(xué)物理方法和流體力學(xué)是傳遞工程等課程的基礎(chǔ),加開這兩門課程可以大大的提高學(xué)生工程數(shù)學(xué)能力,為就業(yè)和進(jìn)一步深造打下更堅實的數(shù)理基礎(chǔ)?？紤]到Matlab在科學(xué)和工程計算領(lǐng)域的突出作用,建議開設(shè)Matlab在化工中的應(yīng)用的相關(guān)課程[5]。化工熱力學(xué)和化工原理是反應(yīng)工程的基礎(chǔ),故將化工熱力學(xué)和從第四、五學(xué)期調(diào)整至第三、四學(xué)期;化工原理和反應(yīng)工程兩門課程共同構(gòu)成了化學(xué)工程最核心的部分課程,將化工原理從第四、五學(xué)期調(diào)整至第二、三學(xué)期,反應(yīng)工程從第三學(xué)期調(diào)整至第五學(xué)期,也是考慮到化工原理是反應(yīng)工程的基礎(chǔ)。同時,將計算機模擬與仿真刪去,將其中的知識分散到加開的MATLAB在化工中的應(yīng)用和數(shù)值計算這兩門課程中。從上表2中還可以看出,加開的課程中,突出了數(shù)理課程的基礎(chǔ),同時,適度的拓展經(jīng)濟和計算機相關(guān)的課程,也增加化工制圖和電工學(xué)等實踐性較強的課程,這對培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力是必不可少的。

2.2整合化工專業(yè)實驗

為了整合學(xué)院教學(xué)資源,最大限度地利用現(xiàn)有的一切教學(xué)設(shè)備,建議從各門化學(xué)工程與工藝核心課程的專業(yè)實驗中選出一些經(jīng)典的、與石化行業(yè)緊密相關(guān)的進(jìn)行重新編排,單獨設(shè)置一門大學(xué)化工基礎(chǔ)實驗課程,分成三個學(xué)期展開教學(xué)。另外,考慮到傳統(tǒng)的化工專業(yè)實驗教材以單一驗證實驗為主,無法滿足新世紀(jì)綜合素質(zhì)人才培養(yǎng)的要求,可將化工實驗按由淺入深的原則劃分成驗證型實驗、設(shè)計型實驗和綜合型實驗三個層次。盡量精簡驗證型實驗,增加設(shè)計型實驗和綜合型實驗?？梢詮慕處煹囊恍┛蒲许椖恐羞x出一部分讓學(xué)生參與,將這些項目設(shè)計成設(shè)計型或綜合型實驗,這樣,通過學(xué)生的親身體驗科研過程,培養(yǎng)了正確的科研習(xí)慣,為學(xué)生的就業(yè)和進(jìn)一步的深造打下好的基礎(chǔ)。

篇8

一、物理化學(xué)課程在課程體系中的地位

物理化學(xué)在兩階段工科化學(xué)(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學(xué)原理(基礎(chǔ)物理化學(xué))、無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)等課程組成。化學(xué)原理作為理論教學(xué)內(nèi)容,在對中學(xué)化學(xué)知識總結(jié)提煉上升到理性認(rèn)識高度的基礎(chǔ)上,對后繼無機化學(xué)、有機化學(xué)作為應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容提供理論基礎(chǔ)。第二階段由物理化學(xué)加后繼專業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程、選修課程組成。物理化學(xué)作為理論教學(xué)內(nèi)容,既將先前所學(xué)無機化學(xué)、有機化學(xué)等知識從理性上加以認(rèn)識提高,又為后繼課程提供理論基礎(chǔ)。[2]在專業(yè)教育的范疇內(nèi),物理化學(xué)是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業(yè)必備的化學(xué)理論基礎(chǔ),它銜接基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專業(yè)課程,是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容

物理化學(xué)提供應(yīng)用于所有化學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的基本概念和原理,嚴(yán)格和詳細(xì)地闡釋化學(xué)中普適的核心概念,以數(shù)學(xué)模型提供定量的預(yù)測。因此,物理化學(xué)是分析化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)和生物化學(xué)課程,以及其他相關(guān)前沿課題的概念的理論基礎(chǔ)?？傮w而言,物理化學(xué)理論課程可能涉及的教學(xué)內(nèi)容如下:[3]

1.熱力學(xué)與平衡

標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)(焓、熵、吉氏函數(shù)等)及其應(yīng)用。熵的微觀解釋?；瘜W(xué)勢在化學(xué)和相平衡中的應(yīng)用。非理想系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學(xué)池的熱力學(xué)。

2.氣體分子運動學(xué)說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴散系數(shù)、黏度。

3.化學(xué)動力學(xué)

反應(yīng)速率的微分和積分表達(dá)式。弛豫過程。微觀可逆性。反應(yīng)機理與速率方程。穩(wěn)定態(tài)近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態(tài)理論。同位素效應(yīng)。分子反應(yīng)動力學(xué)含分子束、反應(yīng)軌跡和激光。

4.量子力學(xué)

薛定諤方程的假定和導(dǎo)出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉(zhuǎn)子、角動量。氫原子、類氫離子波函數(shù)。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計算化學(xué)。量子化學(xué)應(yīng)用。

5.光譜

光-物質(zhì)相互作用、偶極選律。線型分子的轉(zhuǎn)動光譜。振動光譜。光譜項。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統(tǒng)計熱力學(xué)

系綜。配分函數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)。原子、剛性轉(zhuǎn)子、諧振子的配分函數(shù)。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學(xué)科的應(yīng)用

生物物理化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、藥學(xué)、大氣化學(xué)等。物理化學(xué)實驗課程培養(yǎng)學(xué)生用物理化學(xué)原理聯(lián)系定量模型與觀察到的化學(xué)現(xiàn)象的能力,深化學(xué)生對模型定性假設(shè)和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預(yù)測化學(xué)現(xiàn)象的基本技能。

學(xué)生應(yīng)能記錄正確的測量值,估算原始數(shù)據(jù)的誤差。學(xué)生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現(xiàn)代儀器測量物理性質(zhì)和化學(xué)變化,積累用這些儀器解決實驗問題的經(jīng)驗。物理化學(xué)實驗應(yīng)含有結(jié)合若干實驗方法和理論概念的綜合實驗教學(xué)內(nèi)容。適用于工科化學(xué)(化工類)課程體系的物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容大體如下:

1.熱化學(xué)實驗

計算機聯(lián)用測定無機鹽溶解熱。計算機聯(lián)用測定有機物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學(xué)平衡實驗

不同外壓下液體沸點的測定。環(huán)己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點下降法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。沸點升高法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)的測定。

3.表面化學(xué)實驗

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學(xué)動力學(xué)實驗

量氣法測定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率系數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率系數(shù)測定。酯皂化反應(yīng)動力學(xué)。一氧化碳催化氧化反應(yīng)動力學(xué)。甲酸液相氧化反應(yīng)動力學(xué)方程式的建立?？扇?xì)?氧氣-氮氣三元系爆炸極限的測定。計算機聯(lián)用研究BZ化學(xué)振蕩反應(yīng)。

5.電化學(xué)實驗

強電解質(zhì)溶液無限稀釋摩爾電導(dǎo)的測定。離子遷移數(shù)測定。原電池反應(yīng)電動勢及其溫度系數(shù)的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結(jié)構(gòu)化學(xué)實驗

磁化率測定。分子介電常數(shù)和偶極矩的測定。

三、面向?qū)I(yè)的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

當(dāng)然,一個工科類專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)不可能也不必要包含上列的所有內(nèi)容。因此,各學(xué)科專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格,在已經(jīng)或即將公布的各學(xué)科專業(yè)的指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范中,制訂了包括物理化學(xué)在內(nèi)的化學(xué)課程教學(xué)基本內(nèi)容作為最低要求。如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的規(guī)范(研究型)中規(guī)定:物理化學(xué)可分為兩部分,物理化學(xué)(I)主要內(nèi)容為化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)等,作為化工主干課的基礎(chǔ),應(yīng)注意與化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程的銜接和分界(一些內(nèi)容可在化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程中展開,以加強工程背景);物理化學(xué)(II)主要內(nèi)容為溶液理論、統(tǒng)計力學(xué)、量子力學(xué)等方面的概要以及近展等。各專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)基本內(nèi)容充分體現(xiàn)了本專業(yè)的學(xué)科特點,是在保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提下,兼顧國內(nèi)各相關(guān)學(xué)校的教學(xué)條件提出的基本要求。因此,它體現(xiàn)的是該專業(yè)人才的知識體系的共性。由于各校的學(xué)科背景和教學(xué)條件的優(yōu)勢不同,要培養(yǎng)具有特色的專業(yè)人才,需要在教學(xué)中研究如何在滿足各專業(yè)的教學(xué)基本內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上開展物理化學(xué)教學(xué)。我們認(rèn)為在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)中應(yīng)堅持貫徹下列原則,才能切實發(fā)揮物理化學(xué)這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。[4]

1.承前啟后,發(fā)揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學(xué)的聯(lián)系,深化化學(xué)原理課程中的物理化學(xué)理論,介紹其在后繼專業(yè)課程中的應(yīng)用,以開闊視野并兼顧系統(tǒng)性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容要突出重點,講深講透,體現(xiàn)學(xué)科框架;選擇介紹相關(guān)前沿的內(nèi)容以擴大知識面。

3.提倡內(nèi)容側(cè)重的多樣化。針對不同專業(yè)時要不拘一格,倡導(dǎo)內(nèi)容側(cè)重的多樣化;即便面對同一專業(yè),內(nèi)容側(cè)重亦應(yīng)有寬松的選擇余地。

4.體現(xiàn)工科特色,強調(diào)應(yīng)用性和實踐性。引入研究型實踐項目,使學(xué)生加深對理論的理解,提高應(yīng)用水平。

四、建設(shè)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的措施

華東理工大學(xué)物理化學(xué)教研室在國家精品課程和國家級教學(xué)團隊建設(shè)過程中,以提高專業(yè)人才的教育質(zhì)量為目標(biāo),采取了一系列措施,提高物理化學(xué)課程的教學(xué)水平和質(zhì)量,促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的課程體系建設(shè)。

1.根據(jù)授課專業(yè)的先修、后繼課程,研讀相關(guān)教材,如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動向和內(nèi)容變革,并且請有關(guān)學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人做物理化學(xué)在學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用介紹的報告,提出教學(xué)內(nèi)容改革建議。這樣做的結(jié)果一方面可以避免教學(xué)內(nèi)容上不必要的重復(fù),另一方面可以合理地選擇教學(xué)內(nèi)容側(cè)重,實現(xiàn)化學(xué)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學(xué)參考書,保障教學(xué)基本內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,介紹物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展、在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用;介紹溶液模型、線性自由能關(guān)系等半經(jīng)驗方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學(xué)參考》、《物理化學(xué)》(第五版)、《物理化學(xué)導(dǎo)讀》、《物理化學(xué)釋疑》、《物理化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)指南》。開展教學(xué)研討,提高教師隊伍的學(xué)識水平和在教學(xué)中貫徹少而精、博而通教學(xué)思想的能力。

3.制作相關(guān)前沿課題和理論應(yīng)用實例,如“正、負(fù)離子混合表面活性劑雙水相系統(tǒng)及其微觀結(jié)構(gòu)”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術(shù)”、“復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化的數(shù)學(xué)模擬”、“離子液體的合成、性質(zhì)和應(yīng)用”等教學(xué)素材,進(jìn)行教學(xué)資源的儲備。

4.由科學(xué)研究項目提煉研究型教學(xué)實驗,如“界面上聚乳酸PLA膜的結(jié)構(gòu)特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團對合成硅基介孔材料結(jié)構(gòu)的影響”等。

篇9

關(guān)鍵詞：圖式化；R/K判斷；學(xué)習(xí)取向；大學(xué)生

作者簡介：劉雪暖（1960-），女，山東曹縣人，中國石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授。（山東青島266555）胡靜（1983-），女，湖南長沙人，克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程系，助教。（新疆克拉瑪依833600）

中圖分類號：G642.0     文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A     文章編號：1007-0079（2012）10-0100-02

一、概況

盡管社會、高校和大學(xué)生自己都認(rèn)為，結(jié)構(gòu)化的知識才有利于理解、掌握和運用，但是只有部分學(xué)習(xí)者形成了結(jié)構(gòu)良好的知識表征?？低萚1]和隋潔等[2]均認(rèn)為，長時記憶中保持的是圖式及部分細(xì)節(jié)，并通過實驗檢驗了一般知識（圖式）和具體細(xì)節(jié)隨學(xué)習(xí)時間發(fā)生的變化，結(jié)果均表明，知識獲得是知識表征由情景記憶轉(zhuǎn)化為語義記憶的過程，結(jié)構(gòu)性強的課程更容易促成這種轉(zhuǎn)化，優(yōu)秀學(xué)生完成這種轉(zhuǎn)化的速度更快、比例更高。

為什么有些學(xué)生能更好地促成知識的結(jié)構(gòu)化？學(xué)習(xí)方式理論[3]認(rèn)為，這與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)取向有關(guān)。深層型取向使學(xué)習(xí)者傾向于理解知識，在新知識與其他知識之間建立廣泛聯(lián)系，其知識表征的質(zhì)量高。表面型取向使學(xué)習(xí)者傾向于復(fù)制知識，將知識作為一個個孤立的單元分別記憶以備日后檢查，其知識表征非常零亂。東方學(xué)生還普遍采用第三種學(xué)習(xí)取向，稱為成就型取向，它使學(xué)習(xí)者傾向于按照教育者（或其他權(quán)威）的要求選擇加工學(xué)習(xí)材料的方式，既有可能通過閱讀指定的內(nèi)容建構(gòu)較好的知識表征，也有可能為滿足低認(rèn)知水平的題目（如列舉）的要求而死記硬背。優(yōu)秀學(xué)生可能因其較高的信息加工能力和先前具有的結(jié)構(gòu)較好的知識而視新的學(xué)習(xí)內(nèi)容為較小的負(fù)荷，能在理解的基礎(chǔ)上充分加工信息（深層型取向）并建構(gòu)新的知識，學(xué)習(xí)質(zhì)量高，有利于知識獲得的良性循環(huán)；而學(xué)習(xí)較差的學(xué)生受學(xué)習(xí)任務(wù)的高負(fù)荷所迫，即使認(rèn)識到學(xué)習(xí)取向上可能存在問題，還是常常采用表面型取向以完成最低的學(xué)習(xí)要求，始終沒能比較好地建構(gòu)知識。也就是說，學(xué)習(xí)取向與知識掌握的程度密切相關(guān)。

然而，傳統(tǒng)的評價知識獲得的方法往往不去區(qū)分死記硬背的學(xué)習(xí)者和理解建構(gòu)的學(xué)習(xí)者，無論他們以何種方式再現(xiàn)了所學(xué)內(nèi)容，得到的評價大致相同，偶爾建構(gòu)者還會因回答離題太遠(yuǎn)而獲得較復(fù)制者更低的評價。[4]在基礎(chǔ)教育階段學(xué)習(xí)任務(wù)相對較少，無論采用何種學(xué)習(xí)取向的學(xué)習(xí)者均有可能獲得成功，當(dāng)他們進(jìn)入大學(xué)以后，面對驟然增多的學(xué)習(xí)任務(wù)，表面型取向未能建構(gòu)知識的問題就較容易暴露出來，而且到了高年級的專業(yè)課上，由于其基礎(chǔ)知識未能建構(gòu)成體系，要融會貫通、靈活運用就越發(fā)顯得困難，深層型取向的學(xué)習(xí)者則正好相反。例如在化工專業(yè)，通常認(rèn)為，“化工熱力學(xué)”比“化工原理”難學(xué)，但“化工原理”的結(jié)構(gòu)性不如“化工熱力學(xué)”完整，零散的知識比較多，時而要用到不同的基礎(chǔ)課的知識，很可能表面型取向的學(xué)習(xí)者會認(rèn)為“化工原理”容易學(xué)，而深層型取向的學(xué)習(xí)者會認(rèn)為“化工熱力學(xué)”容易學(xué)（盡管難度大）。在這兩門難度和結(jié)構(gòu)化程度不一致的課程上，較優(yōu)秀的大學(xué)生因?qū)W習(xí)取向的不同可能有什么樣的學(xué)習(xí)結(jié)果，值得研究。

二、調(diào)查對象和方法

1.對象

226名中國石油大學(xué)三年級學(xué)生參加了實驗，其中“化工熱力學(xué)”課程有132名學(xué)生參加（男生73人，女生46人，其余未填寫），“化工原理”課程有94名學(xué)生參加（男生64人，女生30人）。

2.工具和材料

使用Biggs學(xué)習(xí)過程問卷（1987）測量學(xué)習(xí)取向，[5]該問卷的6個維度分別為表面型動機、深層型動機、成就型動機、表面型策略、深層型策略、成就型策略，每個維度有6個項目，5點計分。合并對應(yīng)的動機和策略分別得到表面型取向、深層型取向、成就型取向得分。

知識獲得的測量采用了隋潔等的R/K判斷，[2]其中R是自我覺知的操作定義，代表情景記憶，K是一般覺知的操作定義，代表語義記憶。具體方法如下：課前由任課教師按照授課內(nèi)容編寫10道有三個選擇支的單項選擇題，題目的難度控制在學(xué)生只要記得當(dāng)堂課講過的內(nèi)容就能憑記憶答出的水平，每道選擇題之后附有意識狀態(tài)類型的選項，要求學(xué)生回答自己作此選擇是“記憶的”、“知道的”，還是“猜測的”，依次記為R、K、G。樣題如：

目前應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備是（ ）換熱器。

A. 列管式 B. 蛇管式 C. 套管式

你完成選擇的方法是（ ）。

A. 記憶的 B. 知道的 C. 猜測的

指導(dǎo)語要求學(xué)生先選擇答案，然后對所選擇答案進(jìn)行意識狀態(tài)類型的判斷，并詳細(xì)說明“記憶的”指“記得老師講解這一內(nèi)容時的情景，比如她正站在窗戶邊，或者當(dāng)時曾叫你在書上第幾頁劃過線”，“知道的”指“就是知道這個答案對，但是已經(jīng)記不得講這一內(nèi)容時發(fā)生的各種事件”，“猜測的”指“不知道哪個是正確答案但是覺得其他選項不對因而推測出這個選項或隨意猜了一個答案”。按照這一指導(dǎo)語，R和K的含義與康威等的一致，而G更類似于他們的F（熟悉感）。

3.施測程序和數(shù)據(jù)處理

在課堂教學(xué)完成后，由任課教師整班發(fā)放選擇題，在陳述完指導(dǎo)語之后請學(xué)生作答。之后發(fā)放學(xué)習(xí)過程問卷，要求學(xué)生按照指導(dǎo)語完成，并將兩份測量工具一同收回。

學(xué)習(xí)過程問卷上極少數(shù)項目的缺失值用受試者所在班級該項目的眾數(shù)代替，分別求出其表面型取向、深層型取向、成就型取向得分并換算成其在各自班級里的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)，然后以±0.5個標(biāo)準(zhǔn)差為分界點將受試者分為各種學(xué)習(xí)取向上的低分組、中間組、高分組。統(tǒng)計受試者R、K、G上的正確數(shù)，并求出正確總數(shù)，按照正確總數(shù)在0～3、4～5、6～7、8～10之間，將受試者分為學(xué)生等級上的不合格組、合格組、中等組和優(yōu)秀組。

三、調(diào)查結(jié)果

1.226名大學(xué)生的學(xué)習(xí)取向

學(xué)習(xí)“化工熱力學(xué)”的學(xué)生的表面型取向、深層型取向、成就型取向得分（M±SD）依次為37.54±6.02，40.83±6.10，36.89±6.34，學(xué)習(xí)“化工原理”的學(xué)生的上述得分依次為36.76±5.68，43.48±6.07，37.23±7.01，經(jīng)檢驗均為深層型取向得分高于表面型取向和成就型取向得分；“化工熱力學(xué)”班級的深層型取向顯著低于“化工原理”班級，tα/2 = -3.221，p = 0.001。

2.不同等級的學(xué)生各種意識狀態(tài)類型下的正確數(shù)

表1詳細(xì)列出了學(xué)生各意識狀態(tài)類型下的正確數(shù)。方差分析表明，意識狀態(tài)類型與學(xué)生等級的交互作用顯著，F(xiàn)（6，438）= 4.518，p < 0.0005；二者的主效應(yīng)也都顯著。簡單效應(yīng)分析表明，中等組的R和G小于K，優(yōu)秀組的G小于R和K；優(yōu)秀組的R高于其他各組，合格組的K低于優(yōu)秀組，各等級的G沒有差別。

3.不同學(xué)習(xí)取向?qū)φ_總數(shù)的影響

方差分析表明課程的主效應(yīng)總是顯著，在表面型、深層型、成就型三種學(xué)習(xí)取向上分別有F（1，220）=14.416，p

4.不同學(xué)習(xí)取向?qū)Ω鞣N意識狀態(tài)類型下的正確數(shù)的影響

方差分析表明意識狀態(tài)類型和課程的主效應(yīng)總是顯著（p

四、討論

實驗結(jié)果支持知識獲得是知識表征從情景記憶向語義記憶轉(zhuǎn)化的觀點，更優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者有更多的K，說明他們的圖式化完成得更充分；但是知識表征不會徹底轉(zhuǎn)化為圖式，最高等級的學(xué)習(xí)者不僅有更多的K，而且有更多的R，在已很好地建構(gòu)了知識的基礎(chǔ)上，記住一些細(xì)節(jié)能讓學(xué)習(xí)者的知識結(jié)構(gòu)更為豐富。反映熟悉感和猜測成分的G并無差異，它很可能是無意學(xué)習(xí)的結(jié)果，知識表征的知覺特征較明顯。

學(xué)習(xí)“化工原理”課程的學(xué)生，深層型取向更高，可能是因為這門課程的知識理解起來較容易，無需高負(fù)荷的認(rèn)知活動，那些既可以采取表面型取向又可以采取深層型取向的學(xué)習(xí)者可以實現(xiàn)深層型取向的要求即理解并建構(gòu)知識；而“化工熱力學(xué)”認(rèn)知負(fù)荷更高，上述學(xué)生極有可能在來不及理解的情況下轉(zhuǎn)而采用表面型取向以求先記住再說，特別是那些過去曾經(jīng)采用表面型取向取得成功的學(xué)習(xí)者。相比之下，總是采用深層型取向（或表面型取向）的個體不太容易一遇到困難就改變學(xué)習(xí)取向，他們對這種差異的貢獻(xiàn)應(yīng)該不太大。

為什么不是所有學(xué)生都在更難的“化工熱力學(xué)”課程上更少或更慢地建構(gòu)了知識，即他們都有較低的深層型取向？以下實驗結(jié)果不支持這種推測：“化工熱力學(xué)”的正確總數(shù)多于“化工原理”，在“化工熱力學(xué)”上有G

當(dāng)然，本研究采用的測驗形式本身不利于檢驗出表面型取向?qū)/K判斷的影響，因為題目的內(nèi)容和難度都是學(xué)生可以憑借對課堂情境的記憶回答出來的，不能充分暴露持深層型取向者建構(gòu)知識的后果。如果在各種類型的問題上深層型取向都顯示出有助于知識的掌握，而且課程的圖式化程度越高這種作用就越明顯，就有必要通過調(diào)整課堂教學(xué)使課程更易于圖式化以促進(jìn)學(xué)習(xí)者去采用深層型取向建構(gòu)知識。大學(xué)教材的編寫通常遵循著學(xué)科本身的邏輯，反映的是人類到近期為止對某一事物的綜合認(rèn)識，但一般來說沒有反映形成這種認(rèn)識的過程，也就是說它很有可能與學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識的心理過程不符。學(xué)習(xí)者不可能像編寫者那樣高屋建瓴，一開始就整體把握學(xué)科的框架，因此，教材需要適應(yīng)他們現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)，從容易建構(gòu)的切入點開始，而不必固守從學(xué)科的最基本的概念出發(fā)等做法。即使是對于通過高考選拔進(jìn)入重點大學(xué)的優(yōu)秀學(xué)生，由于考試本身在評價學(xué)習(xí)質(zhì)量上的缺陷，其中不乏高表面型取向的復(fù)制者，這也是不可避免的現(xiàn)象。為提高他們的學(xué)習(xí)質(zhì)量，教育者不僅要對其進(jìn)行心理輔導(dǎo)與教育，也需要為他們營造適宜建構(gòu)知識的學(xué)習(xí)環(huán)境，使他們能從學(xué)習(xí)取向的轉(zhuǎn)變中得到最大的益處。

五、結(jié)論

掌握知識首先需要形成一定數(shù)量的語義記憶，在此基礎(chǔ)上情景記憶能使知識表征更為完善；圖式化程度高的課程有利于知識表征轉(zhuǎn)化為語義記憶，因而有利于掌握知識，表面型取向僅在圖式化程度不高的課程上減少正確總數(shù)，即妨礙知識獲得。

致謝：感謝中國石油大學(xué)2008級參加“化工熱力學(xué)”和“化工原理”課程學(xué)習(xí)的各位同學(xué)及任課教師的配合與支持！

參考文獻(xiàn)：

[1]Conway,M. A.,Gardiner,J. M.,Perfect,T. J.,Anderson,S. J.,& Cohen,G. M. Changes in memory awareness during learning:The acquisition of knowledge by psychology undergraduates[J].Journal of Experimental Psychology:General,1997,126(4):393-413.

[2]隋潔,吳艷紅,王金鳳,等.中學(xué)生知識獲得過程是從情景記憶向語義記憶轉(zhuǎn)化的過程[J].心理科學(xué),2003,26(5):784-789.

[3]吳維寧,高凌飚,李佳.學(xué)習(xí)過程研究與學(xué)習(xí)方式評測[J].教育測量與評價(理論版),2008,(5):4-7.

篇10

關(guān)鍵詞:相似原理; 電網(wǎng)絡(luò)模型; 非電系統(tǒng); 動力系統(tǒng)

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0127-04

Application of Electrical Net Model in Dynamic Systems

LI Mei1, XU Ting2, CHENG Wei-liang2

(1. Sh

nxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China; 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract: The correspondence principle of electrical system corresponding to other systems is established according to similarity principle. The application study on electrometric method of dynamic systems is brought into effect. The typical examples on mechanics, biochemistry and thermodynamics are given respectively. The electrical-network topology structure is established and the electrical-network modeling and simulation are implemented by analyzing the spring-mechanism system. A blood-vessel topology structure is adopted to realize the correlative simulation and analysis. The port network based on thermodynamics parameters and correlative model are described in accordance with the essence consistency between electrical-network method and engineering thermodynamics. These above declare that the electric-network model is a generic processing tool for power-flow systems, and has a broad prospect in the analysis of non-electric systems.

Keywords: similarity principle; electric-network model; non-electrical system; dynamic system

0 引 言

當(dāng)前,隨著工業(yè)及其自動化的迅猛發(fā)展,模擬方法已經(jīng)成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研制工作的必不可少的手段。建立模型是系統(tǒng)模擬分析的基礎(chǔ),其本質(zhì)是依據(jù)系統(tǒng)之間的相似性原理。在研究不同類型的系統(tǒng)時,一種系統(tǒng)可能比另一種系統(tǒng)更容易通過試驗進(jìn)行研究,所以可以在一對系統(tǒng)之間建立一種對應(yīng)關(guān)系,從而可以利用模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行研究。這樣不但可以使實驗系統(tǒng)簡化,而且使實驗成本和復(fù)雜及危險程度大大降低。

隨著工業(yè)中各學(xué)科的不斷發(fā)展,學(xué)科的交叉和滲透也是當(dāng)前科技輝煌發(fā)展的重要方向之一,電路及點網(wǎng)絡(luò)理論已經(jīng)在機械力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工程熱力學(xué),甚至在經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域上已經(jīng)初步得到了應(yīng)用[1-3],尤其在前兩個學(xué)科上的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟[4-7],如擴散-對流-化學(xué)反應(yīng)的耦合和相應(yīng)傳輸求解問題、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮幚?、三角化學(xué)反應(yīng)問題、微觀對稱網(wǎng)絡(luò)與混合網(wǎng)絡(luò)、非平衡態(tài)熱力學(xué)與運動學(xué)系統(tǒng)的時間特性與進(jìn)化、分段線性網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定與搖擺等。利用電路系統(tǒng)來模擬實現(xiàn)能源動力系統(tǒng)的分析和優(yōu)化,將大大提高對實際系統(tǒng)的分析效率和處理精度。

1 電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物理構(gòu)成法則

在電學(xué)中,其基本計算處理元件包括電阻、電容及電感。它們的u-i或u-q關(guān)系式如下:從物理意義上講,電阻與力和流有關(guān),電容與電荷和力有關(guān),電感與沖量和流有關(guān)。對于理想化的電阻,它的作用可以理解為通過網(wǎng)絡(luò)元件的所表現(xiàn)出來的耗散。在網(wǎng)絡(luò)的Langrangian公式中,電阻代表了系統(tǒng)的非守恒思想。電容是一種沒有耗散的能量儲存形式,表現(xiàn)為趨于平衡的孤立系統(tǒng)的理想狀態(tài)。由于在電容的真實過程中總是存在耗散的,因此現(xiàn)實電路中要求有┮桓霆電阻與電容串聯(lián)以保證在數(shù)學(xué)上對系統(tǒng)的忠實描述。在大多數(shù)系統(tǒng)中,電容還是系統(tǒng)提供動力的元件。電感是一個理想的慣性元件,其模擬應(yīng)用的主要領(lǐng)域是機械學(xué)。

2 動力系統(tǒng)中的模擬應(yīng)用

電網(wǎng)絡(luò)在動力系統(tǒng)中模型的建立過程,其實就是等效電系統(tǒng)的過程,其對應(yīng)原則遵循電路、電阻和電容的廣義思想策略,即在一切含有物流與能流的動態(tài)系統(tǒng)中,不論該系統(tǒng)中是否有電的存在都可找到電系統(tǒng)中電阻、電容和電感等概念的對應(yīng)物,電阻可以對應(yīng)各種阻力和對能量的消耗與節(jié)流,電容可以對應(yīng)各種形式的儲存能量,而電感則可對應(yīng)各種慣性存儲能量。這樣所建立的網(wǎng)絡(luò)模型很自然要服從Kirchhoff的電流電壓定律,而這兩條定律是正交的,正適合各種強度量與廣延量之間的關(guān)系,因此從理論上講,電網(wǎng)絡(luò)模型可以模擬表達(dá)任意的力(強度量)與流(廣延量)的耦合參數(shù)與信息狀況。

2.1 彈簧機械系統(tǒng)模擬描述

機械學(xué)中存在的許多物理現(xiàn)象,都可用對應(yīng)的電方法描述,進(jìn)而為相應(yīng)問題的求解和分析提供了一種可行的簡潔途徑。圖1為一個由質(zhì)量、彈簧、阻尼器組成的機械系統(tǒng)(阻尼器的質(zhì)量可以忽略不計),在對應(yīng)的圖2中,描述為一個對應(yīng)的由電阻、電感、電容組成的模擬電路系統(tǒng)[8]。

圖1 簡單的彈簧機械系統(tǒng)

圖2 圖1對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

上述系統(tǒng)描述后所建立的模型分別為:

md2xdt2+fdxdt+kx=P

(6)

Ld2qdt2+Rdqdt+1cq=u

(7)

可看出,這兩個方程具有相似的數(shù)學(xué)描述,并且在參數(shù)上存在一一對應(yīng)的關(guān)系,相應(yīng)地兩者的響應(yīng)也具有相似的振蕩特性。設(shè)圖1中,木塊質(zhì)量m=1 kg,阻尼系數(shù)f=02 N/(m•s),彈性系數(shù)k=40 N/m,則對應(yīng)電路中,L=1 H,R=02 Ω,c=0025 F。用電路仿真軟件PSpice仿真,t=0 s時,向電壓源施加激勵1 V時,

回路電流隨時間的變化曲線中,開始振幅很大,隨后沿中心線逐漸衰減,最后回落至零。而用Matlab仿真圖1機械系統(tǒng)時,在施加力P為1 N時,對應(yīng)彈簧的振動速度dx/dt隨時間的變化曲線也類似于上面電氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真的變化規(guī)律。這時,如果參數(shù)選擇適當(dāng),其結(jié)果在數(shù)值上,同利用機械系統(tǒng)進(jìn)行試驗的結(jié)果將完全相同,因此可以將機械系統(tǒng)通過電氣系統(tǒng)的相似模型來處理[9] ,其相似對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的相似性

機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)

力P /N電壓E /V

質(zhì)量m /kg電感L /H

阻尼器阻尼系數(shù)f /(N/(m•s))電阻R /Ω

彈性系數(shù)k /(N/m)電容的倒數(shù)1/C /F-1

位移x /m電量q /C

速度dx/dt /(m/s)電流i /A

2.2 在生化的動力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在生化的動力系統(tǒng)分析中,各種化學(xué)反應(yīng)也是微觀粒子在濃度差的驅(qū)使下發(fā)生變化的過程,這也符合電網(wǎng)絡(luò)理論體系中力-流的關(guān)系[10]。例如建立血管系統(tǒng)的電路模型,為簡化計算過程,可作如下假設(shè):血液為不可壓縮的牛頓液體;血管為薄壁直圓管;除主動脈上升支和主動脈弓外,其余部位血管中的流動均為軸對稱的層流,其流速呈拋物線分布;只考慮血壓沿其軸向的變化;忽略血管壁的運動,則可由Navier-Stokes方程得到各段血管壓力及流量間的關(guān)系,具體的關(guān)系式如下:

qn=1Ln∫(pn-1-pn+p┆Gn-Rnqn)dt

(8)

pn=1Cn∫(qn-qn+1)dt+0.002(qn-qn+1)Cn

(9)

即每段血管可由四元件等效電路來模擬,其中:pn,qn為第n段血管的壓力和流量;pn-1為前一段血管的壓力;qn+1為下一段血管的流量;式(9)中的最后一項為考慮血管的粘滯性而加入的修正項。

圖3為所研究對應(yīng)血管段的等效電網(wǎng)絡(luò)圖,PE表示各血管段所受外加壓力;Rn,Ln及Cn分別表示第n段血管的等效流阻、У刃Я韉綹屑把管等效電容,其值可由式(10)~式(12)求出:

Rn=8πμ3n/V2n, Vn>Vn0

8πμ3nVn0/V3n,Vn

(10)

Ln=2ρl2n/Vn

(11)

Cn=3πr3nln/(2Ehn), Vn>Vn0

60πr3nln/(2Ehn),Vn

(12)

式中:Е鹽血液密度;Rn為血管半徑;ln為血管長度;hn為管壁厚度;μ是粘滯系數(shù);E是管壁的彈性模量;Vn為血管容積;Vn0是血管內(nèi)外跨壁壓為0時該血管段的容積。

圖3 第n段動、靜脈血管的等效電路模型

2.3 熱力學(xué)的電網(wǎng)絡(luò)模型

這里打算從一個熱力系統(tǒng)開始,以便構(gòu)建每個能量節(jié)點的端口網(wǎng)絡(luò)[11]。例如,存在一個含有強度量溫度T和廣延量熵S的熱力端口。假定流入端口的流為正,熱力學(xué)絕對溫度的定義為:

T(U/S)

(13)

設(shè)系統(tǒng)中其他所有廣延量為常數(shù),則這個端口能量U的變化dU為:

dU=(U/S)dS=TdS

(14)

把熵dS看作是流,溫度看成力,這個端口就類似于在非平衡網(wǎng)絡(luò)中的端口。同樣,各種形式功的端口也可以類似地表示為:

式中:P,A,μi,dV,dξ,dNiХ直鴇硎狙沽Α⒒學(xué)親和力、組份i的化學(xué)勢、體積變化、反應(yīng)程度和組份i的摩爾數(shù)變化。

還可考慮一個含有兩個自由度的均勻流體系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用一個二端口網(wǎng)絡(luò)表示,其中端口變量dS,dT為力,dP,dV為流。為便于對稱處理,將dV定義為系統(tǒng)外部的體積變化,而不是內(nèi)部體積變化。

圖4 平衡態(tài)簡單系統(tǒng)的熱靜力學(xué)網(wǎng)絡(luò)

該端口網(wǎng)絡(luò)所表示的系統(tǒng)如圖4所示,對其可列出如下處理模型:

E1=dT=(T/S)VdS+(T/V)SdV

=R11F1+R12F2

(18)

E2=dP=(P/S)VdS+(P/V)SdV

=R21F1+R22F2

(19)

對于非平衡態(tài)的系統(tǒng)而言,當(dāng)且僅當(dāng)互易條件成立時,該端口網(wǎng)絡(luò)才是拓?fù)溥B通的,因此對上述模型,根據(jù)熱力學(xué)麥克斯韋互易有:

(T/V)S=(P/S)V

(20)

對于構(gòu)成n端口z參數(shù)電網(wǎng)絡(luò)模型的情況,同樣可取T,P,S及V的任意2個端口增量為自變量[12],根據(jù)麥克斯韋互易關(guān)系,可以分別得到計算用矩陣U,H,A及G(見表2)。

對于表2中的結(jié)論,可通過運用電網(wǎng)絡(luò)理論方法以理想氣體為例進(jìn)行分析,以說明上述結(jié)果的合理性。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程:

PV=nRT

(21)

可以得到G參數(shù)方程的系數(shù):

g21=VTP=nRP

(22)

g22=VPT=-nRTP2

(23)

g12=-g21

(24)

表2 二端口增量能量網(wǎng)絡(luò)的基本特性

名稱[U][H][A][G]

因變量T,PT,VS,PS,V

自變量S,VS,PT,VT,P

矩陣式u11u12u21u22

h11h12h21h22

a11a12a21a22

g11g12g21g22

矩陣的一階偏導(dǎo)描述形式

TSVTVS

PSVPVS

TSPTPS

VSPVPS

STVSVT

PTVPVT

STPSPT

VTPVPT

麥柯斯韋關(guān)系TVS=-PSVTPS=VSPSVT=PTVSPT=-VTP

根據(jù)微分原理,設(shè)G=G(T,P)為連續(xù)函數(shù),全微分的充分必要條件為:

g11PT=g12TP=-g21TP=氮2V┆T2P=0

(25)

可看出,g11僅為P的函數(shù),即g11=g(p),因而G參數(shù)方程可以表示為:

dsdv=g(p)-nRP

nRP-nRTP2dTdP

(26)

由以上的分析可看出,熱力學(xué)的電網(wǎng)絡(luò)形式在方法上找到了與熱力系統(tǒng)參數(shù)一一對應(yīng)的拓?fù)渚仃?這為熱力系統(tǒng)的電方法分析提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ),其結(jié)果形式簡單,對為進(jìn)一步開拓能量系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)分析和應(yīng)用提供了強大的理論及技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

闡述了以電路方法模擬動力系統(tǒng)的基本原則和法則,提出主要以電阻、電容和電感基本元件為基礎(chǔ)的模擬計算和分析,以便于實現(xiàn)動力系統(tǒng)的電方法分析研究。在彈簧機械系統(tǒng)的分析中,建立了相應(yīng)的電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實現(xiàn)了該系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)建模,并進(jìn)行了仿真計算,得出的結(jié)果說明了建模的合理性。在生態(tài)學(xué)及生物學(xué)的應(yīng)用中,圍繞其動力學(xué)方面的問題,應(yīng)用電網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了分析處理,通過對某段選定的血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立實現(xiàn)了其電網(wǎng)絡(luò)建模,為進(jìn)一步的生物學(xué)分析研究提供了相關(guān)的流體動力學(xué)基礎(chǔ)。在工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論方面,提供了電網(wǎng)絡(luò)方法和工程熱力學(xué)在某些本質(zhì)方面的一致性,描述了以熱力學(xué)參數(shù)為描述對象的端口網(wǎng)絡(luò)和描述模型,建立了工程熱力學(xué)問題研究的電網(wǎng)絡(luò)分析方法基礎(chǔ)。

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