结合空天技术前沿的“高等工程热力学”教学方法探索

［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”（20200505）

［作者简介］ 柏立战（1983—），男，河北玉田人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，主要从事航空航天热管理、环路热管两相传热技术研究；庞丽萍（1973—），女，黑龙江海林人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授（通信作者），主要从事飞行器热管理与载人运载器人机功能智能分配研究。

［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、热力学第二定律、熵和熵产、㶲和㶲损等基本概念。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。在人类一次次突破航空器、航天器的极限性能时，通常面临节约能源、提高能源综合利用率及高效热管理等热力学相关问题［5-6］。北京航空航天大学作为航空航天领域的普通高等学校，开展“高等工程热力学”课程教学应以培养学生综合运用理论知识创新解决航空航天前沿技术问题为任务，将课程内容与航空航天技术发展前沿紧密结合，提高学生的学习兴趣和积极性，激发学生的学习动力和主动性，有利于教学质量的提升及教学目标的达成。

二、教学方法

（一）引导学生关注航空航天领域高等工程热力学原理

在传统的“高等工程热力学”课程中引入航空航天领域研究热点和前沿成果，着重讲授高等工程热力学理论在航空航天领域中的具体应用，以实现航空航天技术发展前沿与课程内容的结合。在“高等工程热力学”课程教学的全过程，引导学生关注航空航天领域中的高等工程热力学原理，让学生意识到无论是提高发动机动力、提高能源利用率、实现舱内环境控制还是减少代偿损失等航空航天领域各方面的问题，都离不开高等工程热力学理论的指导［7-8］。这将有助于使学生认识到本课程在航空航天领域的重要应用价值，从而提高学生的学习兴趣，增强学习动力和主动性。

（二）结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程培养方案

开展结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程教学，必须建立相应的课程培养方案。因此，要结合“高等工程热力学”课程的特点和这一课程在航空航天领域的应用实例，建立结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程教学理论体系，包括课程教学大纲、教学内容以及教学实践操作准则，实现在课程教学中重点讲解航空航天领域具体的应用实例，进一步增强课程的工程实用性，突出课程的航空航天特色。

三、教学实践

结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程教学，以航空航天领域研究热点为切入点，以本课程理论知识在航空航天领域的具体应用为突破口，有针对性地调整课程教学内容。围绕“高等工程热力学”的课程理念，贯穿讲授相关理论在航空航天领域的应用。建立结合航空航天技术发展前沿的课程培养方案，并通过更多信息渠道帮助学生获取航空航天技术发展的最新成果。表1列出了部分研讨专题，可作为课程教学内容。通过从理论到实践的全方位改变，形成结合航空航天技术发展前沿的从基础理论到应用技术的“高等工程热力学”课程教学体系。

在具体教学实施过程中，将全班学生分成6～8个学习小组，每个小组指定一名理论基础较好的学生作为组长，负责组织协调全组的调研与展示汇报工作。要求每个小组选定表1中的一个专题作为研究内容，查找相关资料，并进行总结分析，结合高等工程热力学的基础理论对全班学生进行介绍和汇报交流。针对表1中的专题内容，学生不仅要了解和掌握当前具体的系统设计，更要懂得为什么这样设计，即要深刻领悟设计中所蕴含的高等工程热力学原理。下面以F-35战斗机综合动力与热管理系统为例，开展关于F-35战斗机综合动力与热管理系统的文献调研与专题讨论，将查阅内容制作成精简的PPT在课堂上展示和交流。

F-35战斗机是一款由美国洛克希德·马丁公司设计及研制生产的单座单发三军通用多用途战斗机，是美国及其同盟国最主要的第五代战斗机之一。F-35战斗机的动力与热管理系统（以下简称PTMS）是霍尼韦尔在联合攻击战斗机/综合子系统技术项目中研制的先进系统。PTMS经历了从概念提出、演示验证到型号应用的发展历程，它将辅助动力装置、应急动力装置、环境控制系统和热管理系统的功能集成为一个系统，同一涡轮机既可以提供动力，又可以提供冷却。PTMS可以在减小体积、重量、成本的同时增加可靠性和能量利用率。美国空军继而提出了未来改进型PTMS，即自适应动力与热管理系统，可以进一步提高飞机能量综合利用率和总体效能。

学习小组对上述内容进行充分的文献调研、总结归纳分析并制作PPT展示交流，与老师和同学展开讨论。通过深入的研讨交流，结合高等工程热力学讲授的基本理论，学生深刻理解了PTMS的先进性在于它将涡轮冷却器、压气机、起动机/发电机和动力涡轮机安装在同一转轴上，组成涡轮机组，实现了从涡轮冷却器中引出冷空气，用于环境控制和发热设备冷却。热空气送入压气机中压缩，然后通过热交换器与风扇排风和冲压空气进行热交换，将热量排散。

在深入了解PTMS的基础上，学习小组继而对更加先进的自适应动力与热管理系统进行分析和讲解。自适应动力与热管理系统的先进性主要表现为采用混合制冷、混合热沉、混合动力。将空气循环和蒸汽循环制冷相结合，根据不同的冷却需求选用相应的制冷方式，提高系统工作效率；采用多种热沉，根据不同飞行状态和飞行任务，选择最合适的热沉；利用闲置电功率作为补充动力源使用，减少燃油的消耗。

上述做法和实践提高了学生科技文献检索和总结归纳分析能力，对高等工程热力学的基本思想、基础理论和专业知识在航空航天技术发展前沿领域中的应用有了更加深刻的认识和体会。同时，以上做法明显提高了学生学习兴趣和积极性，增强了学习动力和主动性，有效推动了研究生教育教学质量的整体提升。

结语

航空航天技术是国家的战略性产业，代表着国家的综合实力和科技水平，在国防和国民经济中占有特殊重要地位。航空航天技术也是当今世界发展最为迅猛的科学技术之一，是大国在科技领域竞争角逐的重点领域。航空航天类院校在“高等工程热力学”课程教学中，在使学生掌握课程基本思想、基础理论和专业知识的同时，应多介绍该课程在航空航天领域的应用前景，能够增加学生的知识储备，完善学生的知识体系并提高其就业竞争力。在“高等工程热力学”课程教学的全过程，合理融入本课程专业知识在航空航天技术发展前沿领域的应用情况，引导学生关注航空航天领域中的高等工程热力学原理，并建立结合航空航天领域技术发展前沿的“高等工程热力学”课程培养方案。这样有助于使学生认识到本课程在航空航天领域的重要应用价值，从而提高学生的学习兴趣和积极性，增强学习动力和主动性。以上做法对学生的工程实践能力和知识运用能力的培养具有重要作用，能够促进研究生教育教学质量的整体提升。

参考文献

［1］谭羽非.研究生高等工程热力学课程教学中开卷测试的实践探索［J］.高等建筑教育，2006（1）：94-96．

［2］刘青荣.高等工程热力学教学过程中的改革和探索［J］.教育教学论坛，2020（27）：146-147.

［3］陈婉兰.高等教育语境下“新工科”人才培养探索［J］.创新创业理论研究与实践，2021，4（1）：109-111．

［4］姚寿广，冯国增，许津津，等.工程热力学系列课程的教改理念与创新教学实践［J］.高等工程教育研究，2019（S1）：179-181．

［5］张涛.高等工程热力学教学改革初探［J］.教育教学论坛，2018（31）：242-243.

［6］刘青荣.高等工程热力学教学过程中的改革和探索［J］.教育教学论坛，2020（27）：146-147.

［7］曹晓东，庞丽萍，柏立战，等.高等工程热力学课程“四位一体”教学模式探讨［J］.高等建筑教育，2021，30（5）：68-74.