高等工程热力学近代进展的教学实践与探索

［摘 要］ “工程热力学”课程体系主要涉及热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是能源动力类专业重要基础课程。随着人才培养和教学改革的不断深入，慕课、翻转课堂等创新教学模式的引入，重庆大学“工程热力学”教研组针对本课程体系存在教学形式单一这一主要问题，提出了系列解决方法，以研究生课程“高等工程热力学近代进展”为代表进行教学改革，对研究生翻转课堂的教学模式开展了实践与探索，在教学体系、教学模式等方面取得了一定成果，促进了学生学习主动性，拓展了学生的综合能力，受到国内外热力学相关教研组及国内企业的一致好评。

［关键词］ 工程热力学；翻转课堂；新工科；课程思政

［基金项目］ 2020年度重庆市研究生教育教学改革研究项目“能动类研究生翻转课堂理论教学体系的研究与实践”（yjg203019）；2021年度重庆大学课程教学改革研究思政专项项目“3060双碳目标下的工程热力学与思政教育协同探索”（2021SZ08）

［作者简介］ 李期斌（1987—），男，江西赣州人，博士，重庆大学能源与动力工程学院教授，主要从事工程热物理研究；李逍霄（1988—），男，四川乐山人，博士，重庆大学能源与动力工程学院讲师，主要从事工程热力学研究；吴 闯（1990—），男，重庆人，工学博士，重庆大学能源与动力工程学院讲师，主要从事工程热力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0097-04 ［收稿日期］ 2022-09-17

一、教学现状

能源是人类文明进步和社会技术发展的重要物质基础，是推进全球和谐发展的重要动力。工业革命以来，现代社会对能源的需求日益增长，考虑能源接替和环境保护的综合问题在全世界范围内受到广泛关注。中国作为快速发展的国家，现已成为世界上最大的能源消费国，也是今后若干年内能源需求增长速度最快的国家之一。根据近年来BP世界能源统计年鉴如图1和图2所示显示，化石能源消费占比仍然超过全球一次性能源总消费的四分之三，化石能源仍是世界主要能源。然而，对化石能源的巨量耗用及其带来的气候变暖、水土环境污染、雾霾等问题，对我国乃至全球经济社会的可持续发展与人民生产生活带来了重大影响。我国年能源消耗总量的42%～46%转化为中低品位余热，仅工业烟气余热就相当于3.4亿吨标煤的能量。而我国工业余热回收率仅为29%，比国外平均水平低10%以上。同发达国家相比，我国仍是一个能源利用效率较低、节能潜力较大的国家。2020年底，我国正式提出了到2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，将降低碳排放、使用清洁能源、提升能源利用效率写入国家战略。因此，进一步提高能源利用效率，实现能源的高效清洁利用，是我国经济、能源、环境持续协调发展的重要保证，也为我国能源动力类高等教育工作者提出了新的要求。

“工程热力学”课程体系主要涉及热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是能源动力类专业重要基础课程［1］。从1952年重庆大学院系调整，建立了热能动力装置专业以后，直到今天，学院的专业设置虽不断扩大、调整，但“工程热力学”课程体系仍作为各专业的主干课程列于教学计划中。我校“工程热力学”课程体系虽然在教学改革、课程建设、教学实验等方面都有较深厚的功底与多方面的建树，但仍局限于“教—学”传统模式，使学生学习局限于书本和课堂。因此，仍然需在教学内容组织、教学方法运用、教学手段等方面进行大的改进，提高课程的高阶性、创新性和挑战度。

随着人才培养和教学改革的不断深入，慕课、翻转课堂等创新教学模式的引入，使得“工程热力学”专业课程体系［2］如何适应这一新的形势，成了亟须探讨的新课题，也成了该课程体系教学建设和改革的难点。另外一个突出的难点的是，如何在原有课程建设基础上保持优势的同时，进一步提升教学质量，更好地满足社会对大量热能与动力工程人才的需求，培养具有创新能力的高水平人才。

二、教改策略

“高等工程热力学”是“工程热力学”专业课程体系在研究生教育阶段的代表课程，由于其是本科“工程热力学”的延续，课程相关概念多且抽象，在实际教学中已形成我校特色，且是较为固定的教学模式和方法。因此，我校“工程热力学”教研组同人基于OBE-CDIO理念和原有课程体系建设优势的保持，梳理凝练“工程热力学”课程体系教学基本内容，提炼研究教学拓展内容，新开设“高等工程热力学近代进展”研究生课程。以我国近年来的能源工程实例，结合国内外近几十年来能量转换、能量与物质关系的研究成果，从热力学理论、工质热物性、热力循环、热力设备等多个方面阐述高等热力学的研究进展。进一步加深和扩大工程热力学理论基础，掌握认识、理解和分析热物理过程发生规律的方法，打好从事相关科学研究的基础，提升采用热力学分析方法剖析热点问题的能力和水平。

教学上通过改变旧的教学模式，结合学生自身的研究课题，提前预告下节课探讨的前沿进展，给学生充足时间调研收集热力学相关问题。同时构建特色鲜明的考核模式，打破传统课程体系，运用创新、学术、实践的观点选择、组合和设计课程教学内容，形成一套科学能源动力类专业课程的教学模式和体系。

针对大部分学生尚缺乏相应的工程概念和工程背景知识的问题，在教学过程中以近年来我国及全球先进能源系统为工程实践案例，围绕热力学基础知识这一主线组织教学内容，强化理论知识和工程实践的结合，突出工程领域的重大突破和进展。同时在教学过程中适当融入思政元素，展现一线科研和工程人员的艰苦奋斗精神，从而激发学生的爱国主义情怀、坚定科教兴国信念，增强从事能源事业的使命感和责任心［3］；强化学生对国家强盛靠科技的理解，增强学生的使命感，激励他们勇于面对挑战，承担这个时代赋予的职责。

此外，因课堂教学学时有限，在教学过程中利用线上教学平台内容，并适当邀请海内外专家围绕储能、太阳能、生物质能、地热能、先进动力循环等工程热力学前沿方向在线授课，灵活组织教学内容。学生基于前期调研的问题与专家互动交流，为后续课题研究提供新思路，通过自主搭建课程，辅助教学实施，实现线上线下翻转课堂，提高学习的积极性、创新性和能动性，完成教学目标。

以下给出几个具体的教学设计案例。

讲解空气动力循环部分内容时，结合近年来在“两机”专项支持下，我国在航空航天领域取得的突出成绩。可由天宫空间站、探月工程等近年来的热点作为开篇导入环节，引出航空航天动力系统，讲解工程热力学知识点，介绍全球航空航天动力系统近年的进展。同时随堂考查学生掌握情况，并进行总结。最后回顾我国航空航天发展历程，由新中国成立初期的百业待新，到今天我国长征系列火箭技术享誉全球，号召学生从事能源动力专业要有劳模精神和工匠精神，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气。

讲解热力发电部分内容时，由重庆网红景点洪崖洞夜景的灯光引出电是现代社会必不可少的能源。而时至今日，由热经过机械能转化进行发电仍占全球电力供应50%以上。而热力转化是未来重要的保障型能源形式，朗肯蒸汽动力循环是热力发电最基本的形式。随后回顾朗肯基本内容，同时将近年来我国示范热力发电厂，华龙一号海外示范工程等项目在讲课过程中穿插介绍，埋下思政元素。课程中提出低品位热源（尾气、废气）的能量如何利用热力循环回收利用，结合重庆大学能源与动力工程学院低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室前沿课题，引发学生根据自身研究课题方向进行思考。最后结合碳达峰碳中和目标，深化思政元素。首先探讨能源利用与环境保护的辩证关系，能源是现代社会稳步发展的重要保障，可持续发展不仅要绿水青山还要稳定的能源动力供应。进一步阐明能源的高效转化稳定安全利用是实现碳达峰碳中和的关键，激发学生从身边的科研工作为“双碳”目标助力。

讲解制冷技术部分内容时，由现代制冷循环的由来，John Gorrie医生为了更好地治疗黄热病患者，以病人福祉为先，突破当时陈旧观念的桎梏。通过长期努力和实验，设计并制造了一台空气冷却装置。穿插介绍近年来，制冷技术的最近进展。最后教育学生科研工作中要以人为本、勇于突破、不惧困难、积极创新。

讲解储能技术部分内容时，从“3060”“双碳”目标出发，引出大力发展太阳能、风能等可再生能源的必要性。而由于风、光资源的不稳定性和波动性，需要配备相应的储能系统。结合近年来我国抽水蓄能、压缩空气储能、储热、热泵储电系统（见图3）等工程，阐明大型储能系统工作原理。随后从专业角度出发，介绍电磁储能、电池储能和燃料储能等技术。最后得出储能是未来能源系统不可缺少的关键环节，树立学生未来从事本专业的信念。

三、课程改革成效

“高等工程热力学近代进展”研究生课程在我校“工程热力学”教研组的建设下，与本科“工程热力学”和研究生“高等工程热力学”相互支撑，成为我校师生了解学习热力学相关专业知识及最近前沿进展的又一门重要课程。有效支撑了我校“工程热力学”教研组获批重庆市课程思政教学团队。

同时“高等工程热力学近代进展”研究生课程教学内容的生动以及多样化灵活的教学手段，使学生的学习热情提高，学习兴趣浓厚，学生主动参加线上活动进行学习，参与热力学前沿研讨，课堂教学互动更积极；研究生积极申请出国访学交流或参加国际会议交流。

我院学生在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、互联网+大学生创新创业项目以及国内外工程热物理顶级会议获得优异成绩。相关成果发表于Joule、Advanced Science、Energy Conversion and Management等高水平期刊。

结语

重庆大学热力学教研组通过进行能动类研究生翻转课堂理论教学体系改革，探索“高等工程热力学近代进展”课程的“线上与线下”相结合教学模式，取得如下成果。

1.建立了一套基于“微课+慕课+翻转课堂”新型线上线下混合教学体系。该体系以学生为中心，积极引导师生互动交流，强调学生主动性、独立性，引领新工科创新型人才培养。

2.结合学科前沿交叉，开发适应新工科创新综合型人才培养的个性化教学模式。将前沿科研成果反哺于课堂教学，中英国际多元融合的教学模式，并以学生需求为导向，因材施教。

3.建立了科研和教学双肩挑的优秀课程团队。2021年，重庆大学“工程热力学”教研组被评为重庆市课程思政教学团队。

参考文献

［1］曾丹苓.工程热力学［M］.3版.北京：高等教育出版社，2002：1-9.

［2］李期斌，刘朝，刘浪，等.分子热力学模拟在热科学课程教学中的翻转课堂实践应用［J］.决策探索（中），2021（2）：72-73.

［3］李逍霄，李期斌，刘朝，等.工程热力学课程思政教学方法探讨［J］.黑龙江科学，2021，12（15）：84-85.

Teaching Practice and Exploration of Modern Progress in Higher Engineering Thermodynamics

LI Qi-bin， LI Xiao-xiao， WU Chuang

（School of Energy and Power Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： The course system of Engineering Thermodynamics mainly involves the law and application of mutual conversion between heat energy， mechanical energy and other energies， and is an important basic course for energy and power majors. With the deepening of personnel training and teaching reform， and the introduction of innovative teaching modes such as massive open online courses and flipped classroom， the teaching and research group of Engineering Thermodynamics of Chongqing University puts forward a series of solutions to the main problem of single teaching form in this course system. Taking the graduate course Modern Progress of Advanced Engineering Thermodynamics as the representative， the teaching reform was carried out， the teaching mode of flipped classroom for graduate students was practiced and explored， and some achievements were made in the teaching system and teaching mode. It promotes students’ learning initiative， expands students’ comprehensive ability， and is well received by thermodynamics related teaching and research groups at home and abroad and domestic enterprises.

Key words： engineering thermodynamics; flipped classroom; emerging engineering education; curriculum ideology and politics