多学科融合的机械专业工程热力学教学改革探索

[摘 要] 工程热力学是机械专业重要的学科基础课，对培养现代化工程技术人才具有重要作用。通过多年的教学与实践，提出采用多学科融合的机械专业工程热力学教学模式，探索以实际应用为导向的新型教学方法。配合线上线下互补式教学平台，以及合理的教学实施方案。实践表明，多学科融合的工程热力学教学模式可有效提高学生学习兴趣，激发学习热情，增强理论结合实际的能力。

[关键词] 学科融合;工程热力学;教学改革

[基金项目] 中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目（J180410）中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目（C201904486），企业横向合作项目（U03455）联合资助

[作者简介] 迟金玲（1983—），女，山东烟台人，博士，中国矿业大学（北京）机械工程系讲师，研究方向：先进能源动力系统。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0117-02    [收稿日期] 2020-03-10

随着科学技术和现代工业的发展，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]。工程热力学课程已成为除热能动力专业外，机械等专业重要的学科基础课，也是工程教育认证课程体系中不可或缺的课程，课程支撑学生工程知识、问题分析、开发/解决方案、研究、个人和团队、终身学习等多个方面的毕业要求，属“强支撑”课程，教学工作开展直接关系到学生毕业要求的达成度[2]。然而，目前机械专业的工程热力学课程存在学时少，内容多，学生应用相关知识解决实际问题能力差等问题，对课程进行教学改革十分必要[3，4]。本文结合教学实际，基于机械专业工程热力学教学中遇到的问题，提出多学科融合，以实际应用为导向，对机械专业工程热力学课程进行教学改革，以提高学生解决工程实际问题的能力。

一、机械专业工程热力学教学中的问题

工程热力学与机械专业的其他课程，如机械原理、机械设计等实践性强的课程不同，其教学内容理论性强，具体操作及工程问题的具体分析内容少，且机械专业工程热力学课程通常课时较少，而涉及内容较多，且其中包含大量的概念、公式推导等。现有工程热力学课程与机械专业其他课程的联系度低，学生学习起来感觉内容抽象，晦涩难懂，学习动力不足。

二、多学科融合的工程热力学教学模式

将工程热力学课程与其他课程相结合，建立多学科融合的工程热力学教学模式，具体融合方式及内容如下。

1.工程热力学与流体力学的结合。气体的流动是工程热力学中的重要章节。而流体力学的研究对象即为各类流体的流动，其中描述理想流体流动能量方程的伯努利方程与一元稳定流动的能量方程形式相近，内涵相同。将工程热力学中气体流动的章节与流体力学中的伯努利方程的讲解相结合，可提高学生对此章节内容的理解，并深化对理想流体，理想气体和实际流体的区别。此部分的讲解宜与具体实例结合，如飞机是如何飞起来的，引导学生理论联系实际，同时提高学习兴趣。

2.工程热力学与机械原理及机械设计的结合。活塞式内燃机循环是工程热力学中典型的气体动力循环实例。活塞式内燃机循环通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动，转化为车轮的转动，其中涉及的众多机构均是机械原理中的典型机构。机械设计中还包括拆装发动机的实验内容。将活塞式内燃机循环的讲解与以上内容进行结合，一方面可以对通过已学知识的应用，促进学生对内燃机循环本身的理解，另一方面提高工程热力学课程与机械专业其他课程的结合度。此外，鉴于大多数的机械学生为男生，将基础理论与他们感兴趣的汽车发动机构造进行结合，也可在一定程度上提高学生的学习兴趣。

3.与社会人文类课程相结合。在热力学第二定律熵增原理的讲解中，学生普遍反映“熵”的概念比较抽象。在热力学中，熵是判断循环是否可行或过程进行方向的判据。而熵的社会意义表征的是秩序度及混乱程度。大学生的课程设置中，有一定比例的社會人文类课程，引导学生利用熵增原理解释社会人文现象，可大大调动学生的学习兴趣及对熵的内涵理解。例如，笔者在教学过程中曾布置过探讨熵增原理与提高国家凝聚力的关系，利用熵增原理解释男女朋友的吵架及和好过程等课后作业，极大调动了学生的积极性。

三、线上线下互补式教学平台建设

鉴于机械工程专业工程热力学课程学时少的限制，很多的教学内容无法展开，留给教师进行拓展的空间有限，在多学科融合的教学模式下，学时少内容多的矛盾依然存在，利用多互联网平台，建立线上线下互补的教学平台非常必要。充分利用微信公众号、“雨课堂”、慕课网等平台，将课上无法展开或拓展的内容以文章或微视频的形式推送给学生，对课堂教学内容形成补充，可有效提高教学效果。

适合于通过线上平台发布的内容包括以下几类：（1）公式的推导：工程热力学中有大量的公式推导过程，为了节约课堂教学时间，一部分公式的推导过程可以转移到线上。（2）背景类内容：工程热力学中很多概念或定理的提出有很有趣的背景，如永动机的提出，麦克斯韦妖，热质说与宇宙大爆炸理论等，其中一部分可作为调节气氛的内容在课上讲解，另外一部分可在线上平台发布。（3）拓展类知识：机械专业工程热力学学习中通常以热力学第一定律及第二定律为主，而热力学第零定律及第三定律的内容可作为线上拓展内容供学生学习，以丰富学生对热力学的理解。（4）工程或研究热点问题：如低温热泵，分布式功能，超临界CO2循环等是目前的一些热点工程或项目，将此类热点循环相关的介绍及基本原理作为线上内容的一部分，可大大拓展学生的知识面，有利于学生未来就业或科研。（5）融和学科知识点：在多学科融合的教学模式中，由于相关融合内容在教学时间安排的一致性上无法保证，因此需要将融合学科的相关知识点通过线上教学平台供学生进行复习。

四、多學科融合教学模式的实施

多学科融合的工程热力学教学模式，在具体实施上还需注意以下问题：（1）由于在教学中涉及不同学科，需要在教学时间的安排上与其他学科同步或在其他学科之后，以保证学生已具备融合学科的基础知识。尤其在与机械设计中拆装发动机实验部分，应尽量保证内燃机部分内容讲解与拆装实验时间相近。（2）多学科融合教学中，教师需加强与融合学科教师的交流，以保证教学中融合知识应用的准确性和专业性。（3）鉴于目前很多高校都将创新类课程作为必修课，多学科融合教学模式可进一步与大学生创新训练相结合，在创新训练题目或方向的设计上，引导学生进行多学科交叉和融合，以进一步提高学生综合利用知识的能力。

五、结语

在机械专业工程热力学教学中，采用多学科融合的教学模式可提高课程与其他课程的联系度，结合线上线下互补式教学平台的建设，可缓解课程学时少，内容多的矛盾。同时在实施过程中，坚持以实际应用为导向，有望大大提高机械专业工程热力学课程的教学成效。

参考文献

[1]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.

[2]尤彦彦，毛明明，杨彬彬，等.基于工程教育专业认证的工程热力学课程教学探索[J].大学教育，2019（12）：71-73.

[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，2019，12（51）：105-106.

[4]王舫，密腾阁.“互联网+”时代下机械类专业《热工基础》课程教学改革的研究与实践[J].教育现代化，2019，6（2）：72-74.

Exploration on the Reform of Engineering Thermodynamics for Mechanical Engineering Major with Multidisciplinary Integration

CHI Jin-ling

[Department of Mechanical Engineering， China University of Mining and Technology（Beijing），

Beijing 100083， China]

Abstract：Engineering Thermodynamic is an important professional basic course for mechanical students， which plays an important role in training modern engineering and technical talents. Based on the problems found in the teaching practice， this paper puts forward a new teaching model of Engineering Thermodynamics of mechanical engineering major based on the integration of multiple disciplines， and explores the teaching method oriented by practical application. Cooperating with online and offline complementary teaching platforms and reasonable teaching implementation programs， the multidisciplinary teaching model of Engineering Thermodynamics can effectively improve students' learning interest， stimulate their learning enthusiasm， and enhance their ability to combine theory with practice.

Key words：multidisciplinary integration; Engineering Thermodynamic; educational reform