中外高校《工程热力学》教材和教学对比分析

1、中外高校工程热力学教材和教学比照分梁凤丽张净玉杨理理摘要工程热力学教材的编写与使用一直是国内外各高校非常关注的问题。中外高校所使用的教材有着明显的区别，教学方法和教学 大纲也相差较大。通过对中美使用的工程热力学主流教材和教学大纲的总结，比照分析了教学形式、讲解顺序、例题搭配和紧跟科技 前沿等方面的差异。国内外工程热力学的教学理念和体系，除了有明 显差异外，也有共同点，如均注重培养学生实践动手能力和分析解决 问题的能力。秉承求同存异的原那么，提出了一些看法和观点，希望能够对国内工程热力学教材的编写和教学提供一定的帮助与借鉴。 关键词工程热力学；中外教材；中外教学大纲；教学资源；自主学习基金工程2

2、022年度军委科技委173计划基金重点工程“一体化氨 燃料微管式S0FC-GT混合动力航空发动机设计技术”(2022-JCJQ-JJ-0339)作者简介梁凤丽(1982),女，山东郛城人，博士，南京航空航 天大学能源与动力学院副教授，主要从事燃料电池关键技术、电解制 氢技术、混合动力系统集成研究。中圈分类号G642. 4文献标识码A文章编号1674-9324 (2022)17-0029-04 收稿日期2022-12-01引言热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡 关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。工程热力 学是热力学最先开展的一个分支，它主要研究热能与机械

3、能和其他能 量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。 工程热力学的基本任务是通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热 力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷 机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。伴随能源结 构和体系的变革，热力学教学方式也在不断探索创新1。而教材作 为课程的核心教学资源，其重要性不言而喻。所以，国内外各高校都 对“工程热力学”课程十分重视，对工程热力学教材的编写和使 用也非常关注。市面上中外著名大学的工程热力学主流教材有上百种，本文从中 选取了使用比拟广泛的中美高校主流教材各一本进行了比拟。在此基 础上，结合使用不同教材的国

4、内外大学的教学大纲和教学方法进行对 比，笔者总结出一些观点，以期能够对教材的编写及教学研究提供一 定的借鉴。国内选用的教材是沈维道、童钧耕主编的工程热力学第四版，全 书共13章，以能量传递、转移过程中数量守恒和质量蜕变为主线， 讲述了工程热力学的基本概念、基本定律、气体及蒸汽的热力性质、 各种热力过程和循环的分析计算，以及热力学在化学过程中的应用等 内容。Thermodynamics： AnEngineeringApproach (9thed.) 是国外 “工程 热力学”课程一系列教材中最常用的版本,是全球200余所大学的通 用工程热力学领域的教材。全书900余页，是美国内华达大学的 Yunu

5、sA. Cengel教授和北卡罗莱纳州立大学的MichaelBoles教授合 著的。该系列的教材一直在革新，迄今为止已更新至第十版。以下就本文选择的两本中外教材的内容特色、难度差异和教学方法三个方面进行比照分析。一、中外教材内容比照（一）中国教材沈维道、童钧耕主编的工程热力学是教育部“高等教育面向21 世纪教学内容和课程体系改革计划”中“热工课程教学内容和课程 体系改革的研究与实践”工程的研究成果，是教育部热工课程的重点 教材2。该书第四版有430余页，是国内普通高校“十一五”国家 级规划教材、国家级精品教材。目前已出版到第五版，它是在第四版 的基础上，总结近年来的教学研究和教学改革成果，并根

6、据学习者的 意见进行修订，两个版本差异不大，因此本文选用第四版。该教材满 足了工程热力学的教学要求，讲述了关于热现象的宏观理论，研究方 法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第 二定律和热力学第三定律为推理的基础，通过物质的压力、温度、比 容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和 热力过程进行了研究。把与物质内部结构有关的具体性质当作宏观真 实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构做任何假设, 所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。该书的主要章节有十三章，加上“绪论” 一共十四章，每章都有分节 内容讲解、本章小结、思考题和习题几个局部

7、。前五章基本包含了热 力学的全部基础概念和定律知识，包括热力学定律、物质的热力学性 质、相变、多元系的平衡及不可逆转换过程。从第六章开始讲述了实 际气体、湿空气等，讲解了理想工质到实际工质的热力过程，以及压 气机的热力过程、气体动力循环、蒸汽动力装置循环等实际应用。该 书章节安排合理，内容从理想定律到实际热力过程，从易到难，逻辑 层次清晰。可以看出，国内热力学教材的结构合理有序、内容充实新颖，突出了 我国精品教材鲜明的特色，而且对于该书所要用到的一些数学知识, 在对应的习题册中都给出了详细的解答。与国外教材不同，国内教材 的习题都在章节结束后，考查学生对所学理论知识的综合理解应用， 且习题的选

8、取紧扣对应章节的内容，难度适宜，有利于学生对章节知 识的理解和前后知识的贯穿。在内容编排方面，每章节内容的结尾处 列出了本章的小结内容，有利于学生对本章内容的重点进行回顾并加 深理解。参考文献列于相关章节的最后，方便学生对相关文献的检索。与外国教材相比，我国教材内容侧重经典理论的深入学习，强调教学 中思维的深刻性，要求学生必须在教师的引导下主动学习。学生在阅 读教材的同时，如果没有主动而积极的思考，很难将内容理解透彻。 同时，我国教材注重引入最新的学科开展成果，秉承了我国高等教育 注重专才培养、严谨务实的特点。需要指出的是，我国教材特别注重 对基础性概念与定义的正确理解和运用，完整地将每个概念

9、词条的物 理背景、应用和实例整合起来，增进了学生对细节问题的深入认识。（二）外国教材外国教材 Thermodynamics： AnEngineeringApproach 出版较早，出 版后经过屡次重版，被国外高校作为主流教材，并得到广泛好评。该 系列书的第九版承接了热力学的基础知识，又联系了当时的最新开展, 深入浅出地讲解了热力学的各知识点。该教材将近1000页，所以教 材的内容非常丰富，取材也很广泛。全书图文并茂，并配有大量的工 程和生活实例，比拟容易吸引读者。另外，教材插图简洁、直观，各 种线形清楚，书中公式的表达也很简洁，参数说明非常准确。该书最 大的特色之一在于理论讲解结合工程实际应用

10、，鲜明地介绍了热力学 的基本概念，以及循序渐进的内容层次，让广大读者可以更好地学习 热力学，理解热力学的基本概念。该书的主要核心内容有十八章，涵 盖了热力学的全部基础概念、开闭口系统基本定律，包括物质的热力 学性质、相变、多元系的平衡及不可逆转换过程。从第十三章开始, 讲述了混合气体热力过程、化学反响热力学、化学过程与相平衡热力 学，以及各类太阳能、风能等可再生能源的热力学等内容。由此可见， 该书内容紧凑、充实、新颖，结构安排合理，对学生学习能力的锻炼 和科学素养的提高有很大的作用。该书给出了社会生活中出现的热力 学局部，还给出了大量的习题和解答。例如第二章有147道习题，其 他章节每章也都提

11、供了 120180道习题，来用帮助学生加深理论知 识的理解，并检验学生的学习效果。另外，该书给出了许多用热力学 处理问题的经典例子，配以大量的例题来辅助详细的推导过程，这有 助于学生更好地理解相应章节的内容和贯穿前后的知识体系。例如第 四章热力学第一定律的推导用了 10个公式、10个图和4个例如及详 细解答进行阐述。该书的另一大特色是所有章节都配有大量、生动、 形象的图形去解释或说明相应的知识内容，全书有图片3000余张， 这对于学生理解相应内容是非常有帮助的，这也能间接激发学生的学 习兴趣，以及对所学知识的深入理解。二、中外教材难度差异（一）中国教材我国的工程热力学教材按照从易到难的编排思路

12、，理论知识深刻， 对一些基本概念讲述得非常清楚，让人一目了然。该书例题、习题都 给出了详细的解答，这让学生能够更加明白作者的解题思路。附录索 引中给出了目录中没有的术语和概念，方便学生去查询。该书是第四 版，根据学科的开展及当前的教擘实际，修订时保持了之前版本简明、 流畅和便于教学的优点，增删了局部内容，并对个别缺乏、不妥之处 进行了补充和修改，使教材的科学性、教学适用性和先进性有了进一 步的增强，教材的整体质量有了新的提高。该书作者具有足够的执教 经验，这使得该书相对容易阅读。每一章节后面都附有习题，可以很 好地引导读者深入思考，或者做进一步阅读和自学研究。从语言上来 看，本教材简单易懂、表

13、达准确，在注重通俗易懂的同时关注内在的 逻辑性。从实例和图表的运用来看，该教材对实例和图表的运用灵活 自如；从原理和计算公式来看，该教材给出了简洁明了的原理解释。 该书由于面向多学科的研究者，所以在数学背景、化学背景等方面要 求较低，有利于初学者的掌握。该书的数学公式简洁，公式中涉及的 各种物理参数说明详细准确。（二）外国教材国外的教材非常丰富，系统性也很强，使用的方法或者观点非常新颖, 也更加简洁易懂，所以国外的教材具有非常强的耐读性，更能激发读 者的兴趣与求知欲。另外，国外的很多教材更多地倾向于实际应用， 读者能够在其中找到很多书本理论应用于实际生活的范例，这就使得 抽象的物理更加贴近实际

14、，贴近读者。对于适用教材者需要具备的知 识基础，以及教材所适合的专业方向都有比拟明确的说明，所以国外 教材一般在内容上都会为更深层次的知识做一定的铺垫。国外教材为了培养学生的科学思维和创新能力，在每章结尾都会给出 推荐的阅读资料和文献，鼓励学生自己动手查阅文献，进行探索式学 习。同时，教材中有大量的习题，包含了超过3000道按内容分层次 排列的练习题，以及一些开放式习题。这些习题大局部有着实际的工 程应用背景，涉及与工程热力学相关的能源利用、经济和国家平安等 多个学科和领域。同时，这些习题涵盖了概念辨析、文献综述、计算 机求解、工程设计和论文撰写等多种形式，有利于培养学生解决实际 问题的能力。

15、从语言上来看，该教材简单易懂、表达准确，在注重通 俗易懂的同时关注内在的逻辑性。从实例和图表的运用来看，对实例 和图表的运用灵活自如；从原理和计算公式来看，本教材给出了简洁 明了的原理解释。另外，由于该教材是面向多学科的研究者，所以在 数学背景、化学背景方面要求较低，有利于初学者的掌握。三、中外教学方法和教学大纲比照（一）中国教学与外国教学相比，我国的教学形式主要是靠教师讲，是个体到系统的 过程，很少有教学侧重于个别方面，这就使得我国的工程热力学教学 都很全面。由于国内的热力学课程讲解详细，内容要求比拟多，以复 习为主，综合而言，我国的教材更加适合于国内的教学模式与课程设 置。国内教材的讲授方

16、法虽然非常实用，但是比拟传统，很少有新颖、 独特的教材冲击学生的兴趣与求知欲。虽然国内教材不能做到像国外 教材多样、详细、特点突出，但是可以多编写出版一些具有特色、偏 重某方面的参考书籍，丰富学生的课后阅读。从教学方法来看，注意 引导学生掌握科学的学习方法，真正到达从学会到会学；注重培养学 生的独立思考能力和创造能力，较快进入科学开展的前沿，养成辩证 唯物主义的世界观和方法论。（二）外国教学国外教材特别注重对学生能力的培养，特别强调以教学过程为载体, 培养学生的综合素养和解决实际问题的能力。教材主编 YunusA. Cenge 1教授提出3 了学习任何一门科学都要做到以下几步: 第一步是学习最

17、基本的理论，掌握基础知识；第二步是让学生通过各 种测试来掌握基础知识，并在此基础上，鼓励学生与生活实践相结合, 动手解决实际问题。由于该教材内容非常丰富，系统性很强，涉及面非常广泛，而不仅仅是偏重某些方面；所以，该教材个性很强，使用 的方法或者观点非常新颖，也简洁易懂，具有非常强的耐读性，能激 发读者的兴趣与求知欲。国外教材一般都比拟适合自学，教材很厚, 内容很详细，从而有助于学生自学。以昆士兰大学化工学院的教学大 纲为例，48学时的课程历经12周，每周两次课，课前任课教师会将 下周上课的PPT课件和知识要点下发给学生预习，准备几个知识点对 应的问题。在每周的4个学时课程中，1个学时是主讲教师

18、讲授，1 个学时是助教对知识点讲解，另外2个学时是助教习题解答，基本是 以问和答的形式自主学习。余吉语国外教材具有如下特点：一是采用大量且精美的插图来直观展示基本 概念和基本过程，使所有学生都能很舒服地阅读教材;二是教材中所 涉及的内容非常广泛，包含了大量的与热力学相关的内容，结合了大 量的实际工程应用面临的问题，既有基础理论，也有实验数据，为学 生配有内容丰富的学习光盘和教学网站，为教师配备手册和习题解析, 代表了国际工程热力学领域的最高水准;三是关于能源与环境、气候 变化、可再生能源开发与利用等非传统经典教学内容在教材中所占的 比重越来越大；四是每次版本的更新都伴随着内容组织、习题、编排 体系和教学工具的显著变化，说明编书的人能将科学研究与教学的最 新进展及时反响在教材中，彰显了教材直接与未来的工程师们以一种 简单而精确的方式对话，遵循了让学生读起来感兴趣并有热情的编著 宗旨。可见，中外工