热控基础张学学答案[对我国热工基础课程发展的一些思考]

热控基础张学学答案对我国热工基础课程发展的一些思考 摘要：本文在简要回顾热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出对该类课程发展的一些思考和意见。认为，热工基础类课程作为介绍热能的有效合理利用及转换与传递规律的课程，应当成为工科类学生的一门公共技术基础课。 关键词：工程热力学；传热学；课程历史与发展；思考和建议 热工课程以研究热能的有效利用及转换与传递规律为其基本内容，在工科许多大类专业的人才培养中具有重要地位。在我国，热工基础课程一般指工程热力学与传热学两门课程，内容主要由工程热力学与传热学组成的“热工学”或“热工基础”也属于热工基础课程的范畴。本文的讨论主要针对这三类课程来进行。 至上世纪末，我国热工课程开设的情况是：有150余所高等工业学校开设热工类课程，分布在除台湾、西藏、青海三省区以外的境内高校。全国热工课程教学的一般情况是：(1)热工课程的设置主要在能源动力类、石油化工类、航天航空类、土建类、交通运输、轻纺食品等大类专业；(2)热工教学实验以验证性为主，测试手段比较落后，设备比较陈旧：(3)已经出版了一批由我国作者自行编写的工程热力学、传热学与热工学教材。 6年多来，经过“211工程”、“985工程”建设项目的支持，我国热工实验教学情况有了较大改观，开课的大类专业面有所扩大，机械类专业目前大多开出了少学时的热工学课程。同时通过 _组织的面向21世纪教学内容和课程体系的改革，以及21世纪初高等教育教学改革项目的实践，出版了一批面向21世纪课程教材，使我国热工课程教材的内容有了较大的更新，编著水平也明显提高。在近十年中，国际上工业先进国家也同时在进行着类似的改革，并出现了一批比较优秀的新教材。与这些先进国家的热工课程教学和新教材相比较，我国还有一定的差距，某些方面差距还比较大。 本文在简要回顾了热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年中热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出作者的意见，以求教于国内同行专家和教师。 一、国外、境外热工课程教学发展情况 1热工课程教学的历史 近代热科学的产生与初期的发展集中在欧洲国家。根据文献1的观点，热科学研究 _可以追溯到Galileo时代(1592)，而且早期热学作为物理学的一部分，热力学与传热学的研究是溶为一体的，例如Boltzmann从热力学证明了Stefan由实验得出的辐射四次方定律。又如热力学第二定律的创建人之一Kelvin在1862年用以下的方法来估算地球的年龄：假设地球之初是温度均匀(3900)的圆球，热扩散率为常数，取为岩石沙砾之值，利用Fourier导热微分方程，按半无限大物体计算，从初温冷却到目前地层深处的温度梯度(1278m)需要9800万年。按现代的观点看，Kelvin显然求解了一个传热学的问题。 无论热力学还是传热学，其发展都经历了从“科学”到“工程”的过程，即，从初期作为物理学一部分的热学演变、发展成密切结合工程实际的“工程热力学”与“工程传热学”。以传热学为例，2在19世纪的物理学中热量传递方式只有导热与辐射，其基本定律均已得到解决。然而大量的工程问题中还遇到流体与固体间的热交换，虽然牛顿早在1701年就提出了对流换热的初期思想，但并没有真正解决工程计算问题，一直到进入20世纪，经过一批主要是德国科学家的努力，包括Prandtl、Karmann、Nusselt、Blasius以及后来的Eckert，也有前苏联科学家(如Kirpichev等)的贡献，传热学开始由“科学”演变成“工程”，其中试验数据的量纲分析方法或相似原理引入传热学的对流换热是一个标志性的转折。第二次世界大战后，传热学的研究中心由德国转移到美国，其中Jakob、Karmann及Eckert三位德国科学家的移居美国起了很大的作用。欧美国家工程热力学与传热学课程的开设始于何时，暂时无法查考。就教材而言，最早的一本传热学可能是德国科学家Grober的著作(1921)。3然而影响较大的要推McAdams的“Heat transmission”(1933)。4随后Jakob与Hawkins的教材，5Eckert的教材5相继问世，成为20世纪4050年代的代表作。Holman的传热学第一版出版于1963年。7此后欧美以及前苏联的传热学教材出版情况可见文献8。 2近代热工课程开设情况 到20世纪80年代后，工程热力学与传热学已经成为欧美国家机械类学生的必修课，有的学校还设为工科学生的基础课。根据我们的调查统计，在境外的高等工程教育中，传热学与热力学课程的开设相当普遍。9我们曾经调查过国外20余所大学开设热工课程的情况。从返回的调查表看出，机械工程系、化工系、核能工程系、材料系等均普遍开设热工类课程。有的学校把热学类课程作为工学院的公共课程，如美国依阿华(Iowa)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、电磁场等系列的课程，其中热学方面的基本课程有4门，即热力学I、热力学II、传热学及热流系统设计。麻省理工、普渡大学及密西根大学等，热力学和传热传质学都是机械系设置的主要课程之一。表1是密西根大学工学院机械系学科基础和专业课课程学分情况，从中可以看出热工理论课程所占的分量。 在美国高等学校中，机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次，即(1)基本层次，该层次中的课程一般覆盖了该校机械系各个研究方向的最基本的原理，是所有学生的必修课，在这一层次课程中均包含热力学与传热学的基本原理课程在内。(2)专门化层次，该层次中按专门方向不同而分成若干组课程供学生选修。欧美这样的课程设置值得我们借鉴。 3最近十年美国热工课程教学的发展 在最近十年中，美国高等学校工科热工课程的教学呈现出许多新的发展趋向值得我们重视。首先在热工课程教材方面，美国高校中出现了像Cengel与Boles的ThermodynamicsAn Engineering Approach，10Cengel的Heat transferA practical approach，11IncroperaDeWitt的Fundamentals of heat transfer12这样取材丰富、构思新颖、内容先进的教材。有关这些教材特点的 详细分析见 _8。 在热工实验方面，20世纪末美国高校也进行了面向21世纪的探索，例如美国普渡大学DeWitt等三位教授进行了题为“Curriculum for the 21th Century”的研究，13对于传热学试验提出了以下改革内容： (1)减少“传统”的实验，增加学生进行团队项目的时间；(2)增加有挑战性的工程设计项目；(3)给予动手训练机会；(4)训练与工程界合作；(5)培养交流项目结果的能力。 为此，该校改进了原有的实验系统，配备了数据采集系统，同时从工业界不断引入设计性的实验课题，并分解成为团队项目的内容。从普渡大学机械系的这一改革思路看强调了减少传统的实验，增加工业界实际项目的训练；强调了团队合作的训练；强调了培养交流与动手的能力。 当然传统的实验还是需要的，是加深学生对教学内容的理解以及培养动手能力的环节。在传统实验的内容与组织上也要注意综合性的培养。我们来看普渡大学的传统传热学实验课程的内容，参见表2。 由表2可见，就这些传统的实验内容而言，其综合性与测试技术的训练也是比较好的。 二、对今后教学改革与发展的一些思考 1热工课程教材怎样适应不同类型学生的培养需要 热工课程的基本知识应当成为工科各专业学生必须具备的技术素质，热工课程应当成为我国工科学生、尤其是机械类专业的学生的共同的工程基础课程。这是由于：(1)热现象是自然界中最普遍的物理现象，同时各个工程技术领域中及日常生活中的各种其他形式能量最终大都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中。因而作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热工课程，不仅应是许多大类专业的重要技术基础课，而且也应是21世纪所有工科类专业学生的一门公共技术基础课。(2)我国中长期能源发展规划制定了节能优先战略，提高能源利用率是确保我国中长期能源供需平衡的先决条件。无论是从国内资源还是世界资源的可获量考虑，中国只有创造比目前工业化国家更高的能源效率，才能在有限的资源保证下，实现高速经济增长和达到中等发达国家人均水平。因此，工科学生应该具备合理用能、节能的意识并懂得其基本技术。而热工课程的内容是合理用能及节能理论中最基础与核心的部分，热工基础课程在工科各专业人才培养中具有重要的作用和地位。 按照这一观点，在我国工科21类专业中，14至少有6大类(能源动力类、化工制药类、航空与航天类、环境与安全类、武器类、土建类)专业应该开出高学时的工程热力学与传热学的课程，其中能源动力类是最典型的一个大类专业。我国目前设有能源动力大类专业的学校有130余所。按照 _分类办学的思想(研究型，教学型以及介于其间的类型)，这一百多所学校不可能是属于同一类型的学校。那么同是高学时工程热力学与传热学在教材上是否要有所区分?还是可以采用同一种教材由主讲教师酌情选讲?如果有区分，区分主要在哪些方面?这一问题涉及到热工课程教学指导委员会在制定基本要求以及今后组织教材编写方面的一个基本考虑，需要通过深入研究取得共识。 2如何使教材内容适时地跟上学科与工程技术的发展 近代工程技术的发展给本科热工课程教学带来了巨大的变化。8例如，20年前的本科生教材很少有关于火用分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析设备过程的能量利用情况。近代高新技术的发展给传热学增添了许多新的内容，近十年内发展起来的纳米微米传热学就是一例。 相对于传热学，工程热力学国内外教材的内容显得过于稳定，近年来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如， _的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在工程热力学教材上，对新的、先进的能源利用方式(联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等)是否应该有适当的反映?超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及我国要积极研发的方向，在工程热力学的新教材和今后的教学中也应有相应的地位。 3热工课程的实验教学改革与更新应当怎样进行 热工课程包含的两门学科，热力学与传热学，都是应用科学，实验教学无疑是完整的课程教学的组成部分。多年的经验表明，实验教学的改革与发展某种程度上比课程本身还要困难，主要是涉及到设备的购置、更新所需的经费问题。在国家实施“211工程”二期或者“985工程”的建设中怎样利用有限的资源(财力)来改革、更新热工教学实验值得重视。在建设实际动手的实验台位时，是否也可利用多媒体的工具建设或购置一些“软件实验”作为补充?15在动手的实验方面，前苏联曾经出版过有关传热学实验教学的图书，1620世纪80年代热工教学指导委员会也组织出版过这样的图书。17目前有否必要再组织出版这样的参考书? 4在热工课程的教材与教学过程中怎样加强学生的能力与创新精神的培养 近期世界范围的内的教育改革都十分注意对学生解决问题的能力与创新精神的培养，这从最近出版的美国教材中可以明显看出。由于中外教育体制、教育传统和教学理念方面的不同，在吸收西方教材先进经验的同时，我们应当努力探索适应我国具体情况的措施与方法。过去的实践表明，首先教师本身除了从事教学以外一定要参加科研，以丰富自己的学识、提高自己的业务水平。在教学过程中每位教师都应努力将教学内容与自己的学术经历结合起来，努力使书本上的资料成为活生生的实例。在教学法方面注意启发性，辅以对部分学有余力学生的讲座等课外活动，等，这些都能收到一定成效。但是从总体上说，热工课程教学中探索对学生的能力与创新精神的培养仍然是进一步研究的课题。 5是否要开出经过整合的新型热工课程 为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都有如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，其中的关键是要减少过程的熵产(或不可逆损失)以及强化传递过程。这是它们共同的最重要的东西，可否开设一门综合热力学、传热学、传质学和流体力学的新课例如可称为“热设计及优化”。国外目前已经有这类图书出版，第一步可以翻译过来作为参考教材。如果关于“优化”的内容能结合一些专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。 6热工课程的双语教学应当怎样进行 双语教学是目前 _提倡进行的一项教学改革， 而热工基础课程也常常被选为进行工程技术课程的双语教学的对象。18这里涉及到许多具体问题：在编写汉语教材时怎样照顾到双语教学的需要?怎样选择英语工程热力学与传热学教材?怎样循序渐进地进行教学，以真正收到双语教学的实效而不流于形式? 7对我国中青年热工课程教师学术趋向的思考 要提高我国热工课程教学质量，关键在于教师。与我国人才队伍总体情况一样，我国热工课程教师队伍的主体已经由3045岁的中青年教师所构成。这个主体的特点是学历层次较高，大多数具有博士学位，一般具有硕士学位。为使我国热工课程教学接近或者达到发达国家的平均水平，关键在于这支教师队伍。就他们的学术发展而言，目前他们的学术趋向面临一个主要问题是：是否需要将热力学与传热学融为一体，固然可以有所侧重，但是不是不要截然分开?这方面，国外的一些情况值得我们借鉴：英国的Spalding是著名的计算传热学与流体力学专家，但是他也写过一本工程热力学的教科书：19Cengel以他的传热学教科书而知名，但他同时又是工程热力学教科书的作者，10而且Cengel的工程热力学与他的传热学同样著名；田长霖教授是熟知的传热学大家，但他与Lienhard合作写过一本统计热力学教科书。20将熵产分析用于传热问题的首创者Bejan也是集热力学与传热学于一身的知名学者。21-22我国的中青年热工课程教师值得对此进行思考。 _： 1Cheng K CHistorical development of the theory of heat and thermodynamics：Review and some observationsHeat Transfer Engineering，1992，13(3)：19-37 2Lienhard J H Learning and teaching heat transferHeat Transfer Engineering，1985，6(3)：26-34 3Grober HDie Grundgesetze der Warmeleitung und des Warmeuberganges1921 4McAdams W HHeat transmissionNew York：McGraw-Hill,1934 5Jakob M，Hawkins G AElements of heat transfer and insulationNew York：John Wiley，1942 6Eckert E R GIntroduction to heat transferNew York：McGraw-Hill，1950 7Holman J PHeat transferNew York：McGraw-Hill，1963 8陶文铨，何雅玲，李增耀，唐桂华“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示Zxx年全国热工课程发展战略研讨会论文集 9陶文铨，何雅玲，王秋旺境外大学工科热工类课程的设置J高等工程教育，2000(增刊) 10Cengel Y A，Boles M AThermodynamics-An engineering approachSixth editionNew York：McGraw-Hill，xx 11Cengel Y AHeat transfer A practical approachSecond editionNew York：McGraw-Hill，xx 12Incropera F P，DeWitt D P Fundamentals of heat and mass transferFifth editionNew York：John WileySons，xx 13Bianchi M V A，Schoenhala R J，DeWitt D PChanging the role of the laboratory in a heat transfer course