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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 SantaBarbra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 FluidScience Solidmechanics及Systemcontrol三大类 大四的学生Conceptsofdesign Designofenergysystem Designofmechanicalsystem及ControlsystemDesign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MechanicalEngineering的毕业生要补HeatTransfer ThermalDesignComponents及ControlSystemDesign 若是ThermalEngineering的毕业生又缺Vibrations DesignofMechanicalComponents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 Thermalfluidsystemdesign 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120 130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 ME444CAD 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 groupdesign 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 competitivemanufacturing 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 Mechanicsandmaterials 热流科学 Thermalandfluidscience 控制 系统与设计 Control systemanddesign 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 creativetalent 领导能力 leadership 以及专业上的进修提高的能力 continuingprofessionalgrowth 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subKelvinRefrigerationmachine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WestinghouseElectrticCompany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 BristolCompressors Inc 美国 Newemployeetrainingabouttwoweeks includinglabhands on mac