大学能源专业知识特点、教学面临的问题和改进方法探讨

何芳 闸建文 高振强 王有镗

摘要：本文阐述了能源专业知识历史悠久、理论深奥、发展迅速的特点。分析了我国大学教学面临的主要问题为：科技积累欠缺逻辑演绎思维，基础教育记忆训练多于思考，大学教学活动欠缺批判思维，哲学思想中欠缺改造自然动力。在此基础上，提出借鉴传统演义形式，阐明能源学科的专业知识的来龙去脉、艰难历程、发展方向，提高学生学习兴趣、引导思考、激发动力，促进我国人才培养和科技发展。

关键词：能源专业知识；教学问题；演义；兴趣

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）43-0184-04

一、能源专业知识的特点

（一）历史悠久

人类文明发展历史与火的认识和驾驭密切相关。火的应用从140—150万年以前的取暖和热食开始，随着公元前陶瓷、玻璃的发现以及脱胎于炼丹术、炼金术的冶金、化工行业的发展，对燃烧现象分析及其测控探索逐渐深入。18世纪蒸汽机的发明，使人类的动力来源从传统的人、畜、风、水力等转向由热力获得，也迎来了能源学科的快速发展。为提高蒸汽机的效率，人们对于水等工质的热力性质进行了深入研究，发明了效率高、重量轻、功率大的内燃机及蒸汽轮机，促进了能源动力、交通、国防行业的大力发展。由此，形成了与火直接相关的《燃烧学》，与热变为动力相关的《工程热力学》，与热量传递相关的《传热学》，与工质流动及交通运输相关的《流体力学》。还有与其他学科交叉的涉及燃料的《有机化学》《化学反应动力学》，与过程控制和计算相关《动力过程测试技术》《热工过程计算》等一系列能源专业知识。这些专业知识也是冶金、化工、交通、机械、纺织、食品、国防等各行各业的基础。

（二）理论深奥

热能学科最早属于物理学，有一些实验和规律的积累。如迈耶、焦尔等人对热与功的转换规律进行了大量实验，从而建立了两个基本的热力学定律。毕喔早期进行了大量的导热实验，并得出导热基本规律。斯蒂芬对辐射进行了大量的实验，得出了四次方定律。后来，数学基础深厚的傅里叶和波尔茨曼等分别建立了导热微分方程和辐射理论分析方法，使相关内容和高等数学的微积分密切联系起来。传热学的早期只有导热和辐射换热，后来普朗特、努谢尔特、卡门等人研究了与流体力学相关的对流换热，发展了整理试验数据的量纲分析和相似原理方法，直接应用于工程实践。而热力学的发展方面，卡诺对提高蒸汽机热效率的研究，同时促进了热力学理论和应用。另外，在燃烧方面，范特霍夫、阿累尼乌斯建立了燃烧反应速率的化学反应动力学基础，本生等人发明了本生灯、并应用光谱分析方法研究燃烧过程的中间物质的变化。谢苗诺夫以应用为目标，对燃烧过程理论进行了深入分析。近代光谱技术、激光诊断技术的发展，以及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学的发展，使能源专业知识与量子力学、计算机科学密切相关。总之，整个热能学科的专业知识内容复杂深奥。

（三）发展迅速

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当前和今后相当长一个时期制约经济和社会发展的突出瓶颈。目前，节能减排是世界各国，特别是发展中国家的主要任务。研究燃烧过程机理，提高燃烧效率，降低污染物排放是社会可持续发展的重要保证。另外，动力巨大的喷气式发动机，广泛用于发电站、船舶中的燃气轮机等超高速、高温燃烧设备的研发、改进，对于国防、宇宙探索非常重要。化学能直接转化成为电能的燃料电池技术的发展，也需要大量的研究工作。与这些研究相关的能源学科个专业也将会在近期飞速发展。

二、我国大学教育面临的主要问题

我国历来重视教育和人才培养，在人才培养方面也有相当的经验。然而，我国以大学教育为主要方式的人才培养和欧美相比，从科技积累、学生基础、到教学特征、哲学背景等方面，还存在以下一些不足。

（一）科技积累欠缺逻辑演绎思维

欧洲科技发展历史较长，早在古希腊就有完善的欧几里得几何、亚里斯多特的逻辑学、阿基米德物理学、托勒密的天文学等较为系统科学理论知识。欧几里得几何构建的演绎思维及其广为流传，为欧美科技发展提供了方向和思路。

文艺复兴以后随着人类社会的发展和实验实证主义方法的确定，科技有了飞速发展。伽利略的日心说、牛顿经典力学、开普勒行星三大定律等构建了经典物理大厦。法拉第的大量电磁学实验、麦克斯韦高度的理论总结，赫兹对麦克斯韦理论的验证，爱迪生的大量发明、马可尼无线电的应用等构建的电学的理论和应用。伦琴X射线的发现、卢瑟福天然放射性的发现、居里夫人对放射元素的大量研究，汤姆生对电子所做的大量实验，普朗克的量子概念的提出，德布罗意物质波动学说，爱因斯坦的相对论，査德威克的中子的发现，构建了现代物理学大厦。舍勒发现的氧气、拉瓦锡的氧化学说、波义耳、道尔顿提出的原子论、门捷列夫整理的元素周期表，凯库勒的碳链理论、李比希的有机化学实验等。完善了无机和有机化学，使化学彻底从无序转向秩序。贝尔关于生物世界的渐成论学说，施旺的细胞学说，拉马克创立和达尔文完善的生物进化论，巴普洛夫的条件反射理论，维萨里的人体解剖、赛尔维特的血液循环系统，弗莱明的青霉素和班廷的胰岛素，摩尔根遗传因子，卧森等的DNA结构等，建立了系统的生物学和医学理论和技术。哥伦布、麦哲伦的环球航行，魏格纳的大陆漂移学说、魏尔纳的地质火成学说等，形成了系統的地理学。瓦特发明的蒸汽机，卡诺构思的“理想蒸汽机”，富尔顿研制的轮船，斯提芬孙研制的火车、莱特兄弟发明飞机，冯卡门的火箭，苏联人造卫星1号和美国挑战者号的升空，苏联核电站的建立；图灵和诺依曼发展的计算机原理、电子器件、集成电路、激光技术等促进的计算机技术、机器人、自动化技术的发展，极大地拓展了人类的活动范围，使星际探索称为可能。在这些发展中，莱布尼兹和牛顿的微积分、欧拉变分数学、伯努利家族拉格朗日的解析数学、笛卡尔的解析几何，高斯复变函数、超几何级数、统计数学、椭圆函数论等，黎曼开展的非欧几何的研究，伽罗华的群论等数学方面的逻辑演绎思维有非常大的促进作用。

我国对世界历史技术的发展也做出了大的贡献，突出例子为指南针、火药、造纸和活字印刷。然而，许多技术缺乏高度的理论总结和从理论演绎出新技术的发展模式。技术发展主要以民间发明的记载和推广为主，比如，贾思勰《齐民要术》，张仲景的《伤寒论》，李时珍的《本草綱目》都是作者大量的走访和总结的结果。即使是《九章算术》，也主要是246个与生产、生活实践有联系的应用问题的解决办法。以解决实际问题为中心的经验主义和互相学习的实用主义是我国民间科技发展的主要特色。比如，我国如12—13世纪就使用火药向后喷气加速箭的记载，这些与现代火箭原理一致。然而，这些创造发明得不到重视和经验总结，未能形成理论，来促进生产力的发展和人民生活的改善。我国科技积累前欠缺逻辑演绎思维的历史也影响学生、家长、教师、研究人员和科技管理者，让大家更注重工作的实用价值，而不注重理论学习、思考和提炼，不太适应目前以演绎为科技发展主要路线的社会进化特征。

（二）基础教育中记忆训练多于思考

欧洲基础教育从最早的私人学校，发展为教会学校、僧侣学校、骑士学校等。先学习文法、修辞、辩证法三科，后学习几何、算术、天文、音乐四科，以及礼仪、骑马、剑术等。到了14—15世纪，教学内容与世俗生活的联系更加紧密，不少学校里讲授阅读、写作、商业、代数、簿记等和生活联系的科目。这些学科记忆训练较少，实用性、思考性内容较多。

我国选拔人才从察举制到科举制，使中下层受教育的人可以通过考试进入上层社会，治理国家和人民。通过考经义和诗赋，选出明辨是非，善良正直，善于表达的人才。应考士子的必读的书有《易官义》《诗经》《书经》《周礼》《礼记》《论语》《孟子》等。然而后期考试从内容到形式严重束缚了应考者的思想，也导致基础教育中记忆经典成为主要的训练方式。虽然，近百年的发展，教育的内容和形式已根本变化，但教学活动中多记忆训练、少思考训练的传统模式，不少延续到大学。有许多学生在大学学习中，还偏爱记忆各种原理、公式，而不注重问题的理解。这些都不利于实际问题的分析解决及兴趣的培养，也不太适应当代科技发展的需求。

（三）大学教育缺乏批判性思维

欧洲的大学发展是内生性的。早期大学是教师和学生在王室与教皇之间寻求生存空间，为追求知识而自发形成的师生群体。如高巴瑞所说：“一个知名学者聚集了一批渴求知识的学子。学生的数量越来越多。其他学者发现有了学生，也在附近开始讲学，于是被称为广学院的学校就出现了。”后来大学诞生的原因在于经济发展带来的知识需求与职业分工。11—12世纪欧洲各国商业往来日趋频繁，行业开始集中，城市逐渐聚集了足够的人气和物产，人们对知识，尤其是对法律知识产生了迫切需要，出现了职业化的行会组织。教师与学生也组成了学者行会，它脱胎于商业行会，并逐渐发展为具有“法团”性质的大学组织。欧洲大学主要分为专注于研究的洪堡模式、侧重教学的拿破仑模式以及致力于在教学和研究之间实现平衡的牛津剑桥模式。美国在吸取德国大学和英国大学经验的基础上创立了美国研究生院，成为世界各国竞相学习的对象。欧美大学在不断肯定和否定前人的科学成果，在整个大学活动中，传承了较多的批判新思维。

中国现代大学是外生性的横向移植，起源于19世纪末期的西学中用风潮。最早有北洋大学堂、南洋公学、京师大学堂等。清华大学始于1911，于1928年组建为国立清华大学。继而陆续出现了中山大学、南开大学、同济大学、东吴大学、中山大学、武汉大学、山东大学、厦门大学、浙江大学、圣约翰大学、燕京大学等。中华人民共和国成立后中国大学进入大发展时期，从1949年的205所，在校生11.65万人到2017年的2914所，大学毕业生765万人。在我国大学发展的约百年时间内，需要吸收和消化世界几百年积累的丰富的知识和思想，还不断地随世界的发展作各种调整。各大学疲于履行并协调大学教学、科研、服务功能和适应社会的快速发展。在教学和日常活动中，难以集中发展促进科技进步的批判性思维模式。

（四）哲学历史欠缺改造自然动力

西方哲学历史也促进了科技的发展，从古希腊认为事物背后存在绝对理想的理论形而上学、中世纪认为世界本原为神一元论，文艺复兴时期认为世界有两个本原（物质和精神）的二元论，以及只有一个物质本原的辩证唯物主义马原哲学，到信仰科学技术压倒一切、推崇技术的正面效果、认为发展是必然的现代主义哲学；最后到信仰多元化、全方位审视技术带来的后果、以及发展是否总是必然的后现代主义哲学。在这些发展过程中，追求真理、认为世界具有可知性、相信实证主义、信仰科学等都大大促进了科技的发展。

中国哲学历史中哲学思想类型较多，以孔子的命、礼、仁、知、中，老子的无为而治为主要代表。多数有顺天应时，听其自然的态度。加上受佛教中断定人生的无常和空虚思想的影响，遏制了改进生活质量的愿望和改造自然的动力。这些传统的哲学宗教思想在一定程度上阻碍了科学的发展。

三、能源专业知识大学教学改进方法探讨

当今，科技文化发展日新月异，终身学习与持续发展已成为学生自我实现和推动国家发展的必备素质。在大学教学中，根据学科特点和环境条件，培养学习兴趣，为终身学习与持续发展提供不竭的推动力，是教学的关键任务之一。能源学科理论丰富，内容深奥，大学教学目前存在的诸多问题使得教学方法亟待改进。可以将能源学科发展的历史和我国传统演义结合起来，促进教学效果。

（一）演义及在我国文化传播中的重要作用

演义与“演绎”意义相近，是通过对史实具体细节的合理补充，构成完整有趣的、有意义故事。由于其趣味性，演义这种方式在我国文化传播，如小说、戏曲、电影方面非常普遍，深得民众喜爱。比如《三国演义》《隋唐演义》《托孤》等是和历史联系密切的演义，而金庸的小说等则是与史实稍有关联的演义作品。这些作品对于在民间的传播方政治思想、道德观念和美学理起到了非常重要的作用。

能源学科发展中各种现象、规律的发现和技术、设备发明的过程本身就是或可以演绎成有趣的故事。我国大学教育多年来的注重讲授现有科技成果。现有成果的介绍固然重要，这些成果得出的方法、过程也非常重要。这些过程方法的学习，可以使学生更好地推动科技的发展。以下举例说明如何借鉴演义形式促进教学。

（二）借鑒演义方式，介绍能源学科的专业知识的来龙去脉

以传热学为例，其主要发展历史如下：最初学者们认为热是一种物质，称为热质，1798年伦福特钻炮筒大量发热实验和1799年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验使大家相信热是一种运动状态，而导热研究从毕渥1804年大量一维稳态导热实验得出的梯度定律，到擅长数学的傅里叶将实验与理论结合，建立傅里叶定律、导热微分方、傅里叶级数解等，成为导热理论的奠基人，将传热学带上了一个全新的理论高度。对流换热的研究与流体力学密切相关，在纳维提出、斯托克斯改进为纳维—斯托克斯方程，雷诺提出对流动有决定性影响的雷诺数之后，洛仑兹获得自然对流解，格雷茨获得管内对流换热解。努塞尔对也解决了管内对流、凝结换热等的分析，特别是1909年和1915年努塞尔的论文对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无量纲数之间的准则关系。促进行了对流换热研究的发展，成为对流换热理论的杰出先驱。在对流换热理论分析方面，普朗特的流动边界层概念和波尔豪森的热边界层的概念也起到了非常大的作用。后来麦克亚当、贝尔特和埃克特先后对湍流换热的计算做出了重大的贡献。热辐射的研究也较早，19世纪斯忒藩实验确立了黑体辐射力正比于其绝对温度的四次方的规律。后来在理论上被波耳兹曼证实，从而形成斯忒藩—波耳兹曼定律。基尔霍夫的用两篇论文解答了物理辐射时发射率与吸收率相等的关系。物体间辐射换热的是一个无穷反射的复杂物理过程，波略克、霍尔特、奥本亥姆最终构建了模拟网络法完善了热辐射换热的计算。20世纪70年代计算机的发展，促进了数值传热学的飞速发展。这些发展的每一步，都有许多故事，有许多前因后果。对这些过程方法的讲述能构建起整个学科发展的来龙去脉，激发学生的兴趣，让学生全面了解专业知识构架。

（三）借鉴演义方式，介绍能源学科发展的艰难历程

和许多学科一样，能源学科的发展也不是一帆风顺。以轮船的发明为例，最早发明汽船的是美国工程师菲奇，他1787年吧一台瓦特蒸汽机安装到船上，获得成功。1790年制造了大型汽船，开辟了费城到巴尔的摩的航线。他没有申请专利，后来从事海上投机买卖破产自杀。1788年英国赛明顿制造了两侧装有螺旋桨的轮船。1803年，他制成的一艘大马力拖船船在克莱德运河上航行，由于造成了拖船业者失业，这艘船被拖船业者强行拖上岸，赛明顿在失望中逝世。这些故事不但能让学生了解历史，更能让他们正确看待科技发展中的挫折。

（四）借鉴演义方式，把握能源学科的专业知识的发展方向

能源和动力仍然是人类社会发展、特别是实现宇宙探索的突出瓶颈。许多演义的科幻小说对于世界能源学科的发展方向都有较多的展望，特别是《三体》等小说，对于动力机械、特别是星际航行等的发展的做了大胆而全面的设想。关于未来环境保护和可持续发展方面，也有比较多的文学、影视作品。在知识学习中，借鉴和融入这些作品，可以很好预期能源学科的发展方向。

四、结论

能源学科的专业知识历史悠久、内容深奥、发展迅速。本文在分析我国大学教育面临问题的基础上，提出借鉴传统演义形式，通过历史故事或演义故事，阐明能源学科的专业知识的来龙去脉、艰难历程、发展方向。以提高兴趣、引导思考、激发动力，促进我国的能源学科人才培养和科技发展。

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Abstract：In this paper，the long history，profound theory and rapid development of knowledge system in energy was discussed.Problems of teaching them in domestic universities were summarized as following：lack of logic deduction in our own knowledge accumulation history；training in memory acquires more attention than that of thinking in our pre-high-education；lack of critical attitude of mind in the teaching activities in universities；lack of motivation to change the world in our philosophy.On the basis of this，it is proposed that the idea of historical novel can be imitated in the teaching activities to explain the route，hardship of the global knowledge accumulation in energy and its future prospect.The suggested promotion method would realize the interest arising，deep thinking and motivation inspiring of students and thus improve the talent cultivation and technology development in China.

Key words：knowledge system in energy；problems in teaching；historical novel；interest