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2002年全国热工课程教学改革研讨会 境外大学工程教育中 热工课程的开设情况介绍 何雅玲 陶文铨 西安交通大学 能源与动力工程学院 2002年10月11日 ,北京,前 言 在教育部的下列两个教改项目支持下： “热工系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”（面向21世纪教改项目） “能源动力类人才培养方案改革的研究与实践”（新世纪教育工程世行贷款项目）,最近几年，通过问卷调查、检索及访问，我们对 境外高等学校工科类专业中热工课程的开设情况作了 比较深入与广泛的调查，这些调查得到的结果颇具启 发性，而且对于深入开展热工课程的教学改革、研究 讨论热工课程在各大类专业人才培养中的作用与地位 具有参考价值。 问卷调查的对象有陈景仁、钟道藩等国外40余所 大学机械系教授以及 20余位目前在国外工作的我国 的博士。,目 录,一. 返回问卷的学校、调查问卷的内容与一般反应 二热学课程是境外高等学校中工程类专业普遍开 设的课程 三境外高等学校中机械工程学科所复盖的研究范 围远远超出目前我国机械类专业研究范围 四境外高等学校机械工程系技术基础与专业课程 的设置 五美国两所大学中机械工程系的四年课程安排 六. 美国麻省理工学院机械系介绍 七. 发达的继续教育系统是美国大通才培养模式的 基础 八. 几点小结,一.返回问卷的学校、调查问卷的内容与一般反应,1. 对我们调查问卷给以返回的学校 美 国： 依利诺依斯大学（Urbana-Champain分校）， 明尼苏达大学， 加州大学（Santa Barbra分校）， 赖斯(Rice）大学， 克列姆逊（Clemson）大学， 夏威夷大学， 佛罗里达国际大学， 宾州大学， 佛罗理达大学， 阿克隆大学，新奥良大学。 加拿大 ： 多伦多大学,日 本： 京都大学、九州大学，群马，广岛，九 州 工业大学； 英 国：杜汉（Durham）大学、里兹（Leeds）大 学及格拉斯哥（Glasgow）大学；利物浦 大学； 新加 坡：南洋理工大学，国立新加坡大学； 韩 国：汉城大学，韩国科学技术学院（KAIST）， 仁荷大学 香 港：香港大学及香港科技大学等,2.向国外大学教授关于热工课程开设的调查内容 1）所在学校名称 2）所在系的名称 3）所在系的研究领域 4）所在系本科生的专业方向（或高年级选修课类型） 5）传热学与工程热力学是否是所在系本科生的必修课程 6）传热学与工程热力学的学时各为_ 7) 所用传热学课程的教材是，工程热力学的教材是 8）传热学与热力学的教学实验是否单独设课,3.国外教授与校友的共同反应 总的反应是国内工科教育的知识面比较窄， 需要拓宽。 以美国Akron大学机械系系主任钟道藩教 授的来信为例： “我深感国内机械系课程专业分割太细微，与美 国机械系课程诧异颇大。我们机械系的必修课 很广泛但不深入。机械系学生必须念：,Thermal-Fluid Science，Solid mechanics及 System control三大类, 大四的学生 Concepts of design, Design of energy system, Design of mechanical system 及Control system Design 亦是每人的必修课。”,“由于大部分课程的差异，国内来美的研究生往往 需要补修大学部的课程。譬如 Mechanical Engineering 的毕业生要补 Heat Transfer, Thermal Design Components 及 Control System Design. 若是 Thermal Engineering 的毕业生又缺 Vibrations, Design of Mechanical Components 等，这是美国各大学机械系主任的共同感觉。所以 我一直鼓吹国内机械系本科生课程应加强拓宽，减 少专业化。”,二热工学课程是境外高等学校中工程类专业 普遍开设的课程 热现象几乎是每一个工程领域中都会碰到的物理现象，能量的有效与合理的利用几乎是每一个工程师都需要解决的问题。在一些领域中，热现象的规律还是制约技术发展的瓶颈问题。因而在境外的高等工程教育中，传热学，热力学与流体力学课程的开设相当普遍。,许多学校把热学类课程作为工学院的公共课程，如美国依阿华（lowa）州立大学工学院在2000年开出的81门课程中（不含基础课），包括有电子、信息、计算机、控制、电磁场等系列课程，其中热学方面的基本课程有四门，即热力学I，热力学II，传热学及热流系统设计（Thermal fluid system design）。 在境外高等学校各种工程学科中，机械工程学科是把热工类课程作为必修课程的最主要学科之一。 以下，我们将详细介绍美国主要大学机械系的课程设置情况。,三境外高等学校中机械工程学科所复盖的研 究范围远超出目前我国机械类的专业研究范围 1. 美国麻省理工学院机械工程系 （1）热流科学； （2）计算工程； （3）能量利用与传输； （4）生物工程； （5）机械制造与材料加工； （6）力学与材料； （7）信息； （8）设计； （9）系统、计算机与控制。,2. 美国柯耐尔大学机械工程系 （1）空气动力学； （2）生物力学； （3）机械系统、动力学与控制； （4）流体力学； （5）制造与材料的加工过程； （6）传热学； （7）机械设计； （8）计算机辅助设计； （9）机器人。,3. 美国德克萨斯州（Austin）大学机械工程系 （1）生物医学工程； （2）材料科学与工程； （3）机械系统与设计； （4）核与辐射工程； （5）运筹研究与工业工程； （6）热流系统； （7）计算机绘 图。,4. 美国明尼苏达大学机械工程系 （1）设计与制造； （2）工业工程； （3）环境工程； （4）能源与发动机； （5）传热学与热力学； （6）生物工程。,5. 美国卡内奇梅隆大学机械工程系 （1）机械设计与制造: 计算机辅助设计，快速成型等； （2）动力学、控制与机器人； （3）固体问题 薄膜与合成，燃气透平叶片工艺； （4）热流科学 计算流体力学与传热学， 喷射工艺， 透平机械。,6. 美国佐治亚工学院机械工程系 （1）声学与动力学； （2）自动化； （3）生物工程； （4）计算机辅助工程与设计； （5）流体力学； （6）熔化； （7）健康物理； （8）传热，燃烧与能量系统； （9）制造； （10）材料力学； （11）微机电系统（MEMS）； （12）核工程； （13）摩擦学。,7. 美国德克萨斯农工大学机械工程系 （1）微重力下的沸腾； （2）燃烧与燃料； （3）腐蚀； （4）能量系统； （5）流体力学； （6）传热学； （7）创新与设计； （8）材料、力学及制造； （9）机械系统与控制； （10）非破坏性评价研究； （11）液态丙烷车辆研究； （12）测试、加工与修理设备。,8.美国普渡大学机械工程系 （1）声学与噪声控制； （2）燃烧（湍流燃烧，燃气透燃烧，喷雾诊断，火 焰诊断）； （3）设计（生物力学；计算机辅助绘图，摩擦学 等）； （4）采暖、通风、空调与制冷中的能量利用； （5）流体力学与喷气推进（湍流、透平机械等） （6）传热学（沸腾与两相流，电子器件冷却；材料 的激光处理）； （7）制造与材料加工过程度； （8）力学与振动； （9）系统，测量与控制。,由上可见，境外大学机械工程系的教学与研究范围覆盖了目前国内本科生专业目录中的材料类、机械类、能源动力类、环境类、交通运输类、航空航天类、工程力学类及生物工程类。同时还可看出，目前境外高等学校的机械工程系中大多把生物（医学）工程及热流科学作为其主要研究方向之一，特别是生物工程方向的研究在机械工程类专业中的崛起最值得我们注意。,四境外高等学校机械工程系技术基础与专业课程的设置情况给我们的启示 既然境外高等学校机械工程系教学与研究范围如此之广，而本科生在校学习的时间又是有限的，就学分而论本课生四年一般为120130学分，那么如何设置有关的技术基础课及专业方向课程呢？下面我们来较仔细地剖析一下美国10所大学中机械工程系的课程设置情况。,1普渡大学 ME200 热力学I； ME203 力学工程设计引论； ME270 力学基础I； ME274 力学基础II； ME290 一年级讲座； ME300 热力学II； ME309 流体力学； ME325 传热传质学； ME352 机械设计I； ME413 噪声控制； ME444 CAD； ME452 机械设计II； ME46 工程设计； ME475 自动控制系统。 另有，本科生及研究生均可从21门专业课程中选修学分。,2麻省理工学院机械工程系 2.001 材料力学； 2.002 材料力学II； 2.003 系统、模态与控制； 2.005 热流工程I； 2.006 热流工程II； 2.007 设计引论； 2.008 设计与制造II； 2.009 产品工程过程； 2.14 控制系统原理； 2.171 数字控制系统的 分析与设计； 2.192 动态战略规划； 2.25 高等流体力学； 2.26 可压缩流体动力学； 2.40 热力学； 2.51 传热传质学； 2.52 热迁移过程模化与 方法； 2.63 技术的应用； 2.672 实验室项目； 2.739 产品设计与开发； 2.744 产品设计； 2.792J 定量生理学；器官移植系统； 2.852 制造系统分析； 2.993 机械工程专题,3依利诺依斯大学（Urbana-Champain分校） ME205热力学； ME211气体动力学引论； ME213传热学； ME231工程材料； ME240动力系统模化与分析； ME250热科学实验； ME261信号处理、仪表及控 制基础； ME271机械设计I； ME272机械设计II； ME280高级机械设计项目； ME291讲座（以上为ME必修课）； ME293专门项目；ME296荣誉项目； ME297荣誉讲座。,专门化课程： ME301中级热力学； ME302核能工程； ME303应用燃烧学； ME304能量转化系统（ME必修）； ME305中级气体动力学；ME306中级传热学； ME307太阳能利用； ME308对流换热的流体力学问题； ME310流动与传热的数值技术； ME312现代控制现论； ME313机械工程系统的计算机控制； ME314摩擦学引论； ME315摩擦学； ME320机械系统的运动学与动力学； M321制冷与低温； M323热系统设计； M331内燃机； M336汽车动力学； M342运动学分析与综合； ME345有限元分析引论； ME346工程材料失效机理；ME347机械零件失效分析； ME351材料加工过程； ME388工业控制系统,4德克萨斯大学（Austin） ME主修课： ME318工程计算方法； ME324机械系统的运动学与动 力学； ME330流体力学； ME333T技术交流； ME334材料工程； ME134L材料工程实验； ME335概率与设计； ME336 材料加工； ME136L 材料加工实验； ME338机械另件； ME339传热学； ME242L 热流科学实验； ME343 热流系统； ME344动力学与控制； ME244L 动力系统与控制实验；ME353 工程经济分析； ME366J机械工程设计方法学； ME466K机械工程设计项目,其它必修课 包括电气工程、工程力学及英语方面课程各一 门及人文方面课程五门。 专业方向课 分别对生物医学工程等列出了七个方向的选修的 课程，例如对热流系统方向列出课程为： 可压缩流体力学； 电机与磁器件； 透平机械与可压缩流； 中级传热学； 能量系统实验； 计算流体动力学引论； 燃烧机械过程； 车辆工程； 热系统设计； 空调系统设计； 太阳能系统设计等。,5佐治亚理工学院（GIT） ME主修课 ME1750 生物工程引论；ME/CE1770工程制图与 可视化引论 ME2016计算技术； ME2110 创造性的决定与 软件； ME2751力学引论； ME2202刚体动力学； ME3015 系统动力学与控制; ME3056实验方法论； ME3180机械设计； ME3201 材料力学； ME3322热力学； ME3340流体力学； ME3345传热学； ME3720 热流工程引论。,专门方向课程33门 其中如热能工程方向的课程为： ME4315 能量系统的分析与设计； ME4321 制冷与空调； ME4324 能量产生枝术； ME4330 质、热交换器； ME4340 应用流体力学， ME4342 计算流体动力学等6门。,6 加州理工学院（CIT） ME主修课： ME1896 热力学； M19abc流体力学与气体动力学； ME20传热学； ME70机械系统运动学引论； ME71工程设计引论； ME72工程设计实验； ME73 机械另件设计； ME90abc高级论文（实验）； ME91abc高级论文（分析）； ME/CE96 机械工程实验； CE/ME97 流体机械实验。 专门方向课程14门供学生选修，例如： ME115ab 机器人运动学引论；ME119a 传热学与热力学； ME131高级机器人；操纵与定向； ME932高级机器人；导航与视觉,7美国西北大学 ME主修课： ME201-0 力学I； ME202-0 力学II； ME220-0 热力学I； ME224-0 实验工程I； ME240-0 机械设计与制造引论； ME241-0 流体力学； ME262-0应力分析与有限元。 专门方向课程21门： 属于热能工程方向的有： ME370-0 热力学II； ME373-0 工程流体力学； ME377-0 传热学； ME379-0 燃烧工程基础等四门。,8.英国利物浦大学机械系 第1、2学年 热力学，流体力学，固体力学，动力学，数学 电工，工业管理，计算方法 第3学年 传热学，流体力学，固体力学，动力学，实验方法， 有限元分析，小组设计(group design); 第4学年 压力容器与管线；计算流体动力学；能量利用与控 制，法语，德语，西班牙语；四个工程选修专题,从上面的材料可以看出，美国、英国等高等学校机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次：（1）基本的层次：该层次中的课程一般复盖了该校机械系各个研究方向的最基本的原理，是该系所有学生的必修课。在这个层次上，所必修的课程的门类均比我国机械类专业要广的多。在这一层次课程中均包含流体力学、热力学、传热学的基本原理课程在内； （2）专门化的层次：该层次中按专业方向不同而分成若干组课程供学生选修。而在这一层次上，专门化课程的深度就比我国的浅，且内容上未必是某一个方向的系统课程。,这些使我们进一步认识到课程内容与 体系的改革不能孤立地进行，不能光从某 门课程本身的学术系统着眼，而必须与工 科专业的改革及专业整个教学计划相协调。 为此，我们来剖析一下美国两所高校 中整个四年的课程安排情况 。,五美国两所大学中机械工程系的 四年课程安排 1. 美国密西根州立大学 该校机械系学士学位四年的学分要求分配如下：全校必修课（人文基础）：23学分； 工学院必修课（数学、物理、普化）：29学分； 机械系必修：76学分，其中专门化课程：12学分。 以上共128学分。 其中机械系必修的76学分含以下课程 ：,CEM161 化学实验1； MSM160 工程交流；MSM205 静力学； MSM211 变形固体力学； MSM 材料科学与工程; MSM306 动力学； STT工 程师用概率与设计；EE345 电子仪器与系统；ME201 热力学； ME332 流体力学； ME371 力学设计I： ME391 机械工程分析； ME410 传热学； ME412 传热学实验， ME451 控制系统； ME461 机械振动； ME471 机械设计II； ME481 机械设计项目。,机械系的专门化课程为（从中选取12学分）： ME414 车辆热系统设计；ME422 燃烧引论；ME432 中级流体力学；ME433 流体力学实验；ME442 透平机械； ME444 汽车发动机ME445 汽车发动机设计；ME465 计算机助辅 优化设计； ME475 计算机辅助设计与汽车结构； ME490 机械工程中的独立研修； ME491 机械工程中的选修项目,2. 美国威斯康辛大学（梅德辛分校） 机械工程学士的120学分分配如下： 数学、统计学18； 科学基础15或17； 工程科学基础21； 机械工程核心课程35； 技术选项6； 设计技术选项6； 交流技巧5； 人文学要求15； 自由选项0或4学分，总学分120。 其中机械系核心课程为：,ME231 工程制图引论；ME232几何模化的工程应用； ME240动力学； ME306力学与材料； ME307力学与材料（实验）；ME313制造过程； ME314竞争制造（competitive manufacturing）引论； ME340动力系统引论； ME342机械另件设计； ME349工程设计项目； ME361工程热力学； ME363流体动力学； ME364传热学基础； ME368工程测量实验,我们看到无论是密西根州立大学机械系76学分的机械系课程，还是威斯康辛大学（梅德辛）机械系的35学分核心课程，它们都包括了传热学与热力学的热能工程专业的基本课程在内。如果一个学分按20个学时估计，则美国现在通行的120-130学分的要求相当于2400-2600学时，这也与我国目前推行的总学分控制线基本一致，两校的专门化课程均为12学分，相当于240个学时，充分表现了美国高等工程教育中重基础、薄专业的特点。 值得指出，美国的专门化课程实际上是某一方面（如旋转机械）的基本的知识，并非十分深入。,在国外高等工程教育中，热学类课程的开设相当普遍，其中机械工程专业都将热学课程作为专业的必修课程，国外机械工程专业所覆盖的研究领域与范围相当于目前我国高等工程教育中的8类工科专业。为了克服学时分配上的矛盾，机械类课程可以为核心主修及专门化选修两类，前者系每一个机械工程专业学生都必须学习的，旨在打好广宽的专业基础，后者则为学生自择内容，对于选择热学方向为将来主攻方向的学生，则应在这一阶段选修一些高级或专门的热流科学课程。境外大学机械工程类专业的这种课程设置思想值得我们借鉴。,六. 美国麻省理工学院机械系介绍 1.麻省理工机械系的构成 由三个教研室(Division)与三个系统研究组构成。 三个学科教研室是： 力学与材料（Mechanics and materials)； 热流科学(Thermal and fluid science); 控制、系统与设计(Control, system and design)。 三个研究组是： 制造(Manufacturing)； 生物工程(Bioengineering)； 信息(Information),2.机械系的培养目标 机械系教学计划是要给学生在快速发展的工程领域内以专业的训练。这种训练由坚实的工程科学（力学，材料，热流科学，设计，系统与控制）及与项目相结合的实验室与设计的锻炼所组成。本计划旨在培养学生的独立工作能力(independence)，创造才干(creative talent)，领导能力(leadership)以及专业上的进修提高的能力(continuing professional growth).,3.麻省理工热流科学的研究内容 流体力学范围：生物细胞力学及其流体行为；宏观分子流动的相互作用，润滑及微滴制造； 传热传质学范围：电子器件冷却及其制造与测试过程，材料加工与制造中的传热问题，精密机械加工，建筑节能； 工程热力学：低温方面包括创新subKelvin Refrigeration machine 以及分析循环的方法；高温方面包括 IC 发动机的辐射机理动态燃烧过程的分析及对效率的影响，燃气透平的辐射等。,4.麻省机械系计算工程方向的研究内容 本系发展了应用有限元法，谱方法，旋涡发，分子动力学模拟方法以，直接模拟蒙特卡罗法以及混合的方法用来模拟宏观与微观尺度的力学问题，材料问题，流体力学问题，燃烧问题等。应用的范围包括：对小尺度以及大变形的结构分析，传热强化，流动与结构的相互作用，燃烧设备中反应流的模拟，材料加工过程的模拟以及微尺度力学问题的模拟。,5.麻省机械系能量利用与传输 重点在于能量利用工程中的分析，发展与创新。特别是化学能、热能、核能与机械能、电能之间的转换以及发展改进这些系统性能的基本理论。目前的研究兴趣包括：微型燃料电池，狄塞尔发动机的点火特性，效率以及辐射特性；燃气透平的燃烧及其控制以及流化床燃烧，地面能量传输的先进概念。,七. 发达的继续教育系统是美国大通才培养 模式的基础 1. 美国Westinghouse Electrtic Company 新生就职，就有专职导师培养指导，为期一年。导师职责明确，培养内容具体，按步骤进行，最终由经理查核新生工作情况。 开设本专业组培训课程，由组内经验丰富者讲授；具体工作中由成文的设计规范作指导，详细具体。 定期开设科技讲座。,2.Bristol Compressors, Inc.(美国） New employee training about two weeks, including l