时间：2022-06-21 22:38:53
关键词 热力学第一定律 热力学第一定律 卡诺定理
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.04.039
Teaching of the First Law of Thermodynamics and
the Second Law of Thermodynamics
WU Hequan， XIE Wenhong
（College of Automative and Mechanical Engineering，
Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410114）
Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics， the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting， improving the quality of teaching.
Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem
0 引言
“工程热力学及传热学”课程是主要研究热能与机械能互相转换以及热量传递规律的一门学科。“工程热力学及传热学”围绕能量转换与传递这一主线，是对工程热力学及传热学两个研究方向的综合。其特点是涉及内容广，知识点多，主要包括热力学第一定律、热力学第二定律、热力过程计算、传热学的基本概念、换热器热计算等。它在社会生活中的应用是非常广泛的，在很多领域包括现代工业、农业、交通运输和国防建设等。虽然热机发展一百多年，已经非常完善，很多热力学理论已经在实践中得到了应用。但是在面对如今国际社会能源短缺、环境污染等问题中，推进热力学的研究，提高能源的利用效率是解决这些问题的一个关键。而热力学第一和第二定律是热力学基础，学好并掌握这些基本理论，才能更好地研究热能传递和转换的规律并把它转化成实际成果应用到社会生产生活之中。
1 热力学第一定律概述
热力学第一定律实质是能量守恒定律在热现象上的应用。能量守恒定律可以表示为：自然界的一切物质都具有能量，能量有多种不同的表现形式，可以从一种形式转化为另外一种形式，也可以从一个物体传递给另外的物体，在转化和传递过程能量保持不变。热力学第一定律则可以表述为：热可以变为功，功也可以变为热;当一定量的热消失时，必产生等量的功;消耗一定量的功时，必产生与之相应数量的热。表达式为： = +。热力学第一定律否认了能量的无中生有，正因为如此那种不需要任何动力和燃料就能持续做功的第一类永动机只能是幻想。
能量转换与守恒定律首先是从力学中以“活力守恒”的形式提出来的。系统吸热，内能应增加;外界对系统做功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加等于这两者之和。热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。著名物理学笛卡尔在1644年就提出了“运动守恒”的概念，随后德国数学家莱布尼兹引入了“活力”的概念，意大利物理学家伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯蒂芬研究杠杆定理。伯努利的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律，1834年爱尔兰物理学家哈密顿《论动力学的普遍方法》，提出了哈密顿原理。至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容，为能量守恒定律的建立准备了条件。1841～1843年，德国科学家迈克尔和英文物理学家焦耳提出了热能与机械能相互转换的观点，为热力学第一定律的建立奠定了基础。
热力学第一定律的确立，突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种物质运动形式之间相互转换的可能性，说明运动形式相互转换的能力也是不灭的，是物质本身固有的。
2 热力学第二定律
热力学第一定律说明了热能是可以转换的，可以由热能转换成机械能，也可以由机械能转换成热能，而且能量不会消失。但是如果仅仅只是这样，那有很多现象是解释不了的。比如一辆小车给它一定动能，让它在路上行驶，走了一段路程后，由于小车和路面有摩擦，小车速度逐渐减小，最后停止。原来的动能全部转化为摩擦产生的热能，然而反过来，这些热能能还给小车，再重新让它动起来吗？再比如一个烧红了的锻件，放在空气中便会慢慢冷却。显然，热能从锻件散发到周围环境中了;周围环境获得的能量等于锻件放出的热量。反过来，这个已经冷却了的锻件能从周围环境中收回那部分散失的热量，重新赤热起来吗？这样的过程都不违反热力学第一定律。然而，经验告诉我们，这是不可能的。
所以在热能转换为机械能这一问题中，除了要遵循热力学第一定律，还要满足其它约束条件。这就是热力学第二定律的研究内容。热力学第二定律的实质就是指出了一切自然过程的不可逆性，也就是说自然界中的过程具有方向性。过程总是自发地朝着一定的方向进行。机械能总是自发地转变为热能;热量总是自发地从高温物体传向低温物体等等。这些自发过程的反向过程（称为非自发过程）是不会自发进行的。这种不可逆的过程可以用熵来描述。自然界的一切自发过程都是朝着熵增大的方向进行的。只有可逆过程，系统的熵保持不变。这就是熵增原理，这是热力学第二定律的其中一种表述方式。
在热力学第二定律告诉我们能量转化具有方向性。即机械能可以百分之百的转化为热能，但热能转化为机械能的效率不可能达到百分之百。那么热机的效率最高能达到多少呢？1824年，法国工程师卡诺提出了一种热效率最高的循环――卡诺循环。它包括两个等温过程和两个绝热过程。如果把高温热源的温度记为，低温热源的温度记为，通过热力学计算可以得到卡诺循环的热效率表达式 = /。当高温热源的温度足够高，而低温热源的温度足够低的时候，卡诺循环的热效率理论上可以无限的接近1，因此可以说卡诺循环的热效率最高。从中可以得出以下结论：（1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度;（2）增大，减少，可以提高卡诺循环的热效率;（3）卡诺循环的热效率只能小于1，不能可能等于1。因高温热源的温度不能等于无穷大，低温热源的温度也不可能等于零。这就表明热能不可能全部转变为机械能;（4）当 = 时，卡诺循环的热效率为零。这表明，在没有温差存在的热力系统中，热能不可能转变为机械能。或者说，单热源的热机，即第二类永动机是不可能造成的。
在卡诺定理的基础上，人们总结出了热力学第二定律的两种主要表述方式。克劳修斯说法：热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。开尔文说法：不可能从单一热源取热使之完全变成有用功而不产生其它任何他影响。它们都说明了自发过程的不可逆性，可以证明这两种表述方式是等价的。那种设想把海洋或空气当作单一热源，从中吸收热量并完全转化为有用功的第二类永动机是不可能实现的。
热力学第二定律的意义实际已经远远超出了热机热效率的范畴，它指出了自然过程进行的方向性，说明了能量品质的高低。
3 结语
热力学第一定律和热力学第二定律是人们在日常社会生产实践中总结出来的普遍规律，它们被许多实验和具体实践证明是正确的。热力学第一定律和热力学第二定律的建立，奠定了工程热力学与传热学的理论基础，也彻底了永动机的幻想。大学生在学习热力学第一定律和热力学第二定律时应该理解它的内容，实质，掌握它的重点和难点。了解热力学第一定律和热力学第二定律的发展过程，要学会自我归纳总结，做到独立思考。教师应该把精力放在提高热力学第一定律和热力学第二定律的教学深度以及加强实践应用上。热力学第一定律和热力学第二定律是自然界的普遍法则，蕴含了大道理，验证了辩证唯物主义思想，所以教师应该把事物发展的科学道理在这一章充分展现出来。热力学第一定律和热力学第二定律是“工程热力学及传热学”课程的重要内容，也是理工科学生必须掌握的基本知识，因此对它们进行深入研究有利于提高课程的教学质量。相信对热力学第一定律和热力学第二定律的研究一定会推动社会的进一步发展。
基金项目：长沙理工大学教改课题项目
参考文献
[1] 李岳林，刘志强，武和全.工程热力学与传热学[M].北京：人民交通出版社，2013.
[2] 沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.
关键词：《材料热力学》；教学效果；教学内容；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A ？摇文章编号：1674-9324（2013）41-0107-02
《材料热力学》是材料科学与工程专业的专业基础课，是一门理论性和应用性较强的课程。通过《材料热力学》课程的学习，学生能够掌握《材料热力学》的基本概念和理论，并利用《材料热力学》进行相变、表面和界面等的分析和研究。然而《材料热力学》具有概念多而易混淆、公式多而难记忆以及内容抽象难懂等特点，学生系统掌握该课程的内容比较困难，本文尝试对教学内容和教学方法等方面进行探索，以提高《材料热力学》课程的教学效果。
一、教学内容与实践相结合
1.突出应用目的。本科《材料热力学》教学重点在于热力学基本原理及其在相平衡、表面和界面等领域的应用。由于学生在学习材料热力学之前，已经学习过物理化学等课程，因此讲授《材料热力学》时，应将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学中的问题这一方面。在热力学基本原理这部分内容的讲授中，为了理论体系的完整性，我一般会对重要的定理和公式进行简单地推导，使同学掌握基本原理的来龙去脉，而对于其他的定理和公式，我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围，不做详细的推导。我把热力学原理在材料科学中的应用作为我的讲课重点。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中有很多例题，但是我重点挑选与相变有关的典型例题来讲解，比如：选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用，选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等，以突出《材料热力学》课程以热力学基本原理解决材料科学问题的讲课重点。
2.增加科研和生产方面的内容。笔者经过几年的材料热力学的教学实践，总结出：在教学过程中教师必须将科研和工程案例与教学内容相结合，这样不仅让学生在科研和工程案例中理解材料热力学的基本概念和原理，同时了解理论对实践的重要指导作用，激发学生的学习兴趣。我们学院的一些学生承担本校激光研究所钛基激光熔覆层方面的大学生创新项目，我在讲解自由能判据这部分内容时会引入这方面的实例，比如：为什么添加B4C的镍粉在高能激光照射下会在钛基体中形成TiB和TiC增强相。我的一个科研项目是有关碳纤维/铜基滑动轴承材料粉末冶金制备工艺的，我将这部分科研内容引入到表面和界面这一章中，向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。我还经常将企业的生产内容融入到《材料热力学》的教学中，比如我将人造金刚石的生产过程引入到封闭体系的热力学基本方程这一章的教学中，以说明公式（？坠G/？坠T）P=-S和（？坠G/？坠P）T=V的应用；我还将氧化锆生产过程中氯化铵废水的处理和循环使用这部分内容引入到渗透压的教学内容中，说明如何根据氯化铵废水中离子的浓度计算出渗透压，进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。
3.增加实验教学的内容。实验教学是高等学校教学中的重要内容，具有直观性、实践性和客观性的特点。以实验作为主要手段进行的教学活动，可以揭示自然科学现象、验证科学规律、探索未知、发展科学，更为重要的是在实验中能够培养学生务实求真的科学态度。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验教学方面的内容，为了弥补这一缺陷，我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机在相图计算中的应用”等实验内容。《材料热力学》的实验教学应达到以下目标：①帮助学生掌握《材料热力学》的基本原理；②让学生初步了解科学研究的方法；③培养学生自主解决问题的能力。因此在实验教学过程中，①强调实验课前的预习，要求学生根据实验指导书写出预习报告；②实验过程中的检查学生操作情况，要求学生独立操作，如实记录实验数据；③教师课后批阅实验报告，鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题和解决问题。
二、改进教学方法
1.讨论式教学。我会结合刚讲授过《材料热力学》知识，设计一些与科研和工程密切相关的问题，让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时，我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解，其他同学提问，最后老师点评和总结，以培养学生自主解决问题能力。
2.多媒体教学。笔者在讲授《材料热力学》时，通常采用板书的形式，因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来，让同学们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频，增加信息量，节约教师板书和画图的时间，提高讲课效率，我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程，但效果并不理想。近年来，我倾向于以板书为主，多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上，使同学跟上老师的讲课思路，对于一些抽象难懂的概念，我经常找一些图片和视频，使讲授的知识更直观、形象和生动。
三、改进考试方法
考试是知识水平的鉴定方法，大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关，学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转，因此如何用好考试这根指挥棒，对提高教学效果至关重要。我倾向《材料热力学》采用开卷考试的考核方式，在试题的设计上，避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目，而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本原理解决问题的题目，问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的，必须掌握热力学基本原理及其实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式，改变学生在应试教育下形成的学习方式，明确学习目的，提高自身运用知识解决实际问题的能力，养成独立思考的习惯。
参考文献：
[1]陈慧，梁宝臣，吴锦国.物理化学教学中学生自学和创新能力的培养[J].天津理工学院学报，2000，16（6）：90-91.
[2]刘鸿，肖立川.工程热力学课程教学方法探讨[J].江苏工业学院学报，2007，8（3）：103-105.
[3]胡珍珠，朱志昂.物理化学教学方法改革初探[J].湖北师范学院学报，2000，20（2）：87-88.
[4]郭平生，唐贤健.热力学教学内容革新的思考[J].广西物理，2008，29（4）：51-54.
[5]吴如春.提高化工热力学教学质量的新尝试[J].广西民族大学学报，2008，14（3）：95-96.
[6]张开仕.应用化学专业物理化学教学改革与实践[J].教学研究，2005，28（6）：541-544.
[7]何宏舟，邹峥，丁小映.提高“工程热力学”课程教学质量的方法研究[J].集美大学学报，2002，（3）：88-92.
工程热力学课程的特点是理论性强、概念抽象，教学难度大。在缺少专业工程背景的情况下，学生在学习过程中普遍感觉较为困难，甚至茫然不知所云。如何使学生能够较好地掌握教学内容及热力学基本内容，是工程热力学课程教学的根本所在。在多年的教学过程中，我们发现在课堂教学中，除了需要借助优美的PPT多媒体课件来展示热力学过程，更需要激发学生学习热力学的兴趣，在引入一些工程实例的基础上，激励学生去思考，及时地与学生就教学内容进行讨论，促进学生对知识点的掌握和领悟。与常规教学方法相比，课堂教学不再是文字、公式的罗列，PPT动画的简单演示，而是把教学的核心放在启迪学生对热力学概念、原理的思考及把握上，使学生在学习课程内容的同时，熟悉热力学的系统内容、章节间的逻辑关系、基本原理等，形成对热力学的一种系统的总体的认识和把握，而不是零散地去背诵记忆一些片段。通过这种激励启发式的教学，使学生做到理论和实际工程案例的结合，从而使热力学知识很好地固化在学生的大脑中，并且达到灵活应用的目的。激励启发式教学，需要教师在课堂教学前充分准备，精心设计课堂教学内容的每个环节，围绕章节内容中的重点知识内容，设计问题及启发实例，并完成课堂互动讨论的教学组织，在此过程中需要教师饱含激情和较好的耐心，使学生在严肃活泼的氛围中掌握热力学的相关知识。
二、改进课堂教学PPT，增加工程实例
工程热力学作为一门专业基础课，与工程实际密切相关。在教学过程中，需要有很多的工程问题作为背景。以教科书为单一内容的PPT演示，并不能满足课堂学生学习的需要。为了提高学生学习热力学的兴趣及深入掌握热力学知识，迫切需要在传统课件中加入工程实例，利用多媒体技术全面展示热力学的工程应用，使学生在工程案例的演示中发现并体会工程热力学的重要性及美感。通过工程案例的学习，使课堂教学内容图文并茂，声像结合，使学生在多方位、立体化地形成认知并达到对热力学知识的理解、分析、记忆、掌握和应用。对于热力学工程案例，我们选取了真空做功、制冷循环，内燃机等工程机械作为实例，进行详细分析和讲授。工程案例的引入，将实际生活中与热力学相关的问题引入到教学中，用所学知识来解释工程问题，在讲解中让学生明白热力学知识可以解决本专业涉及的实际专业问题，从而实现“从理论中来，到实践中去”，实现对创新型人才的培养。
三、将工程热力学的学习融入大学生创新项目中
在创新型人才培养中，需要提升学生运用基础理论进行学术研究的能力和具有工程应用背景的有关开发、设计的能力。大学生创新项目的实施，有利于促进高校培养具有创新意识和能力的新型人才，促进高校探索并建立以科研活动为中心的教学模式，倡导以学生为主体的本科人才培养和研究性学习教学改革，充分调动学生主动学习的积极性、创新思维和创新意识，同时在项目实施中使学生逐渐掌握思考问题、解决问题的能力。结合大学生创新项目，结合建筑环境与能源应用工程的专业特点，在指导学生大创项目时，将热力学第一定律、热力学第二定律和卡诺定律应用其中，使学生明白能源利用的守恒性，以及如何提高热力循环的效率，减少不可逆损失，这些都成为学生应用所学知识来解决实际问题的一种锻炼。学生在科研项目中，深化了对热力学知识的认识，同时提高了自己思考问题、解决问题的能力。同时，鼓励学生积极参加各类挑战杯、建筑节能比赛、机械创新设计大赛等，通过这些竞赛活动进一步提升自己的创新能力。
四、改进课后作业完成形式，增加分析报告
工程热力学课程是一门实践性很强的课程，其中很多理论已用于工业过程。因此，在课后作业中，需要对传统布置练习题来检验教学成果的方式进行改进，增加一些实际工业循环的实例，让学生通过分析其所应用的原理，提交分析报告，并指出该工业过程效率提高的方式和途径，以这样的方式来激发学生学习的兴趣，提高学生理论联系实际的能力。同时，精选一些课后习题，通过详解的方式，激发学生的创新意识和解决问题的能力，进一步促进创新型人才的培养。创新是实现社会持续不断向前发展的原动力，也是培养和造就一大批素质过硬、勇于创新的新世纪人才，保证国家高速发展的有力保障。创新能力的培养来自于理论和课堂，更在于理论和课堂之外的亲身体会和具体的实践操作。
本文从工程热力学教学与工程实例结合，与科研活动结合，改进课堂教学组织模式和课后作业完成形式等方面，探讨了以培养创新型人才为目标下的工程热力学教学改革与实践，希望能够进一步提高工程热力学的教学质量和效果。
作者:高蓬辉 张东海 王义江 黄 炜 单位:中国矿业大学力学与建筑工程学院建筑环境与能源应用工程系
参考文献：
[1]岳丹婷,吕欣荣,李青.深化热工教学改革加强学生创新能力培养[J].2002,(4):86-88.
[2]谭羽非.突出专业特点改革工程热力学课程教学的研究与实践[J].高等建筑教育,2004,(13):39-43.
关键词：热力学第二定律实质；熵；不可逆；卡诺定理微观意义
中图分类号：TK123 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0181-03
熵是热力学中一个非常重要并且抽象的概念，学生能否全面地、彻底地掌握第二定律，对熵概念以及热力学第二定律实质的理解至关重要。
目前工程热力学的教学中普遍存在一个问题[1，2]，就是熵概念的引入时机和方式。这些教材中，熵概念的第一次引出，即以其微分形式：dS=dQrev/T。熵的这个定义只给出了状态函数熵的微分或熵变，并没有熵的直接表达式[3]。这种只提出熵的定义，却不阐明熵自身的物理意义的引进方式，使得学生对熵的物理意义全然不知，只是一味的死记硬背熵变计算公式。这时候的熵可谓是“千呼万唤始出来，犹抱琵琶半遮面”。然而，在后期进入到热力学第二定律的章节学习后，熵随着第二定律的数学表达式又突然冒了出来，而且还花样翻新，例如克劳修斯不等式：dS≥dQ/Tr。通常这个时候，学生开始犯糊涂了，与前面熵初次引入时的熵变定义式搞混了，而后紧接着还要推出孤立系统的熵增原理等，如果整体教学中缺乏清晰的主线和脉络、不阐明不可逆引起熵增的实质原因，却铺开来广讲或一味地让学生沉浸在大量的熵变计算中，效果差强人意，如很多学生常把孤立系统的熵只增不减理解为熵只增不减，或者不明白为什么处处可逆的卡诺循环的热效率也不能达到百分之百。这样的错误表明学生对热力学第二定律尚未真正掌握。
热力学第二定律的教学是从分析自然现象展开的：如打碎的鸡蛋不可能自行复原、水不能在自然条件下由低处流到高处等，这些现象表明一切自然发生过程都有其特殊的方向性。再者，我们熟悉这样的经验事实：当两个不同温度的物体相互接触时，热量不可能自动地由低温物体传到高温物体，而这恰恰就是由克劳修斯提出的热二定律的一种经典表述，此时热二定律看起来还如此简单，学生尚不难理解，但仅仅停留在这个层面理解热二定律，显然是不够的。热力学二定律虽来源于生活，但远高于生活。在指出另一种由开尔文从热转化功的角度阐述的热二定律时，学生开始有点迷糊了。开尔文表述为：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。
按照通常的教学程序，接下来的教学点就是卡诺循环。如果这个时候，再把讲课的重点放在对构成卡诺循环的两个定熵、两个定温过程的讲解上，学生感觉热二定律更难捉摸了，何况这之后还要推导熵的不等式，熵――这个令物理学家都“混乱”的概念可能一下子就把学生击倒了。如果这样安排教学，定会加剧学生对第二定律整章内容的恐惧心理，甚至最终导致放弃对热二定律整章的学习，
所以，在这些内容的教学中，绝不能循规蹈矩，应适时地对教学的顺序做相应的调整，紧紧抓住一条清晰的脉络讨论，不广讲、不偏离主线太多，抓住本质（类比干），在该过程中适时地、善巧地引出一些主要的第二定律表述（枝），顺藤摸瓜，最终完全揭示热力学第二定律的内涵。这样，学生容易抓住主线，对整章的知识框架有清晰的认识，就不会对纷繁的不同表述和不等式望而生畏。教师在后期的具体教学中，再去围绕其他各种表述进行细化讨论和延展，就可事半功倍。这种先抓本质的教学思路非常适合热力学第二定律和熵――这种既纷杂，又抽象的教学内容。
下面以一种脉络式的教学思路对热二定律进行探究，层层递进，分析现象得到结论，引出提问，再分析，得到下一个结论，直至把热力学第二定律实质诠释出来。
首先，通过两个热机的常见工程实例――火力发电厂和汽车发动机动力循环入手，引出热力学第二定律在热转化成功的过程中有低温热源存在、同时有部分热量被抛入低温热源的现实（讲解电厂冷却塔以及汽车尾气余热排放至外界环境）。由实例可初步得到任何热机的效率不仅不能大于百分之百，也不能等于百分之百，也即效率必须小于百分之百。该结论映证了开尔文说法。
结论1：热一定律告诉我们效率不能大于100%，开尔文说法得到热机效率只能小于100%。
提问1：效率不能等于百分之百，等于多少，99%？
在热力学第二定律尚未问世之前，热机工程师错误地把热机效率的最理想目标定为100%。1824年，法国工程师卡诺对此提出了质疑，他在确定的高温热源T1与低温热源T2之间，构建一个最理想（即热效率最大）的热机循环――卡诺循环。按最理想的假定，该循环至少应保证过程无摩擦（无耗散）和传热无温差（准静态）等条件，也即循环必须可逆。但即便这样一个最理想的热机循环效率也并不等于或者接近100%，而是依赖于高低温热源本身的温度（？浊c=1-T2/T1卡诺定理）。
以前述的两个典型的热机实例分析。目前，火电厂蒸汽动力循环[4]，一般T1=500℃，环境为T2=25℃，按照卡诺循环最理想效率为62%，大大低于100%；汽车燃气动力循环，T1=1000℃，T2=25℃，卡诺效率为76%，也低于100%。
结论2：在确定温度的高低温热源之间的全可逆理想循环，热效率有一峰值，受温度限制，可能远低于100%。（机理暂不解释，见结论6后的反推）
提问2：实际工程中，摩擦耗散等不可逆因素必定不可避免，这对热机的效率又有何影响？
经验和事实表明：一切实际过程都包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。仍以上面提到的热机实例来分析。实际工程中，蒸汽动力循环热效率为45%左右（
结论3：自然界中，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，不可逆损失造成热效率降低。
一个自发进行的不可逆过程，其逆过程决不可能不付任何代价的自动进行。例如：为什么热量可以从高温热源自动的传向低温热源，而不会自动地从低温热源传向高温热源。因此，一个过程的不可逆性与其说是决定于过程本身，不如说是决定于它的初态和终态。这也预示存在着一个与初态和终态有关的某个状态函数，用以左右一个过程的方向。
问题3：一个自发（不可逆过程）初态和终态有什么本质的不同？
以气体绝热自由膨胀分析自发过程初态与终态的区别：理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。一刚性绝热容器被隔板分开，左边有气态工质，右边真空，在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器，最终达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。观察到绝热自由膨胀初终态有两方面的不同：
1.终态体积变大，分子相互位置分布更加无序；
2.可利用与右侧空间的势差推动活塞向外输出容积变化功，但由于进行自发膨胀，作功为零。
对于一个热力学系统，如果处于非平衡态（与外界存在势差，有作功能力），我们认为它处于较有序的状态，如果处于平衡态（与外界无势差，无作功能力），我们认为它处于较无序的状态。
再者，功热转换的自发过程：高速行驶的汽车，突遇事故瞬间停止，原有动能耗散成环境中的热能，能量的数量虽然守恒，但能量的无序性增加。而该过程的逆过程――环境热转换成动能显然不能自发进行。热是分子混乱运动的一种表现，而功是分子有序运动的结果。功转变成热是从规则运动转化为不规则运动，混乱度增加，是自发的过程；而要将无序运动的热转化为有序运动的功就不可能自动发生。
结论4：热力学第二定律：各种自发过程的方向性具有共同的本质：无序性（混乱度）增加，能量质衰退。
问题4：如何定量地描写状态的无序性的变化（如增加）和作功能力的变化（如衰减）？
从以上例子可以看出：热力学第二定律揭示一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，可用一个新的状态函数作为表征系统混乱度的一种量度，状态函数――“熵S”被引出。
所以，熵的物理意义：系统无序性（混乱度）的量度。
结论5：孤立系统中的熵永不减少。孤立系统中发生可逆过程，其熵不变，作功能力无衰减；孤立系统中发生不可逆过程，其熵增加，作功能力降低。热力学第二定律也可表述为：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行，向能质衰减的方向进行。
问题5：为什么宏观演化必定按“熵增”的方向进行，熵增的本质是什么？
以54张扑克牌的排序为例分析自发过程熵增的根本原因。新扑克最初的排序极其有序，我们称其为一种微观态，概率为1/54！。随机洗牌后，混乱度增大，此时排序非常混乱的微观态数要大很多。这样，扑克牌从有序自发到无序（孤立系统熵增大）的过程，就是扑克排序从小概率往大概率发展的过程。然而，这个过程的逆过程，也即微观态数减小的过程，是从概率大往概率小发展，不能自动进行。这就是为什么即使洗无数次牌，也不可能再出现当初最有序的低熵状态。这就反映了不可逆过程熵增的本质，即热力学概率增大。
可以从54张牌的系统拓展到由大量分子构成的热力学系统，同样遵从这样一个规律。
结论6：系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行，这是热力学第二定律的统计意义。
再回到结论2，可对卡诺定理进行微观解释：可逆热机循环中，工质从高温热源吸收热量Q1，将其中最大可以转化为功的部分W转化为了功，这部分能量从热功，能量品质升高，这样一个非自发过程不能不费代价的进行，同时一定要使得另外一部分热量Q2从高温热源传向了低温热源，这部分能量的品质降低去与之补偿，两者正好相抵，这是可逆的情况。如果热机不可逆，相同的Q1情况下，传给低温热源的热量大于Q2，能量品质降低的份额大于能量品质升高的份额，总体由于不可逆造成能量品质衰退，作功减少。
经过以上脉络法教学方式层层递进，主线清晰，学生能够紧跟教学思路，分析现象，得到结论，引出新问，再分析，一步步接近热力学第二定律的实质。该教学方式最大的优势体现在只需要半个小时的课时就可清楚地揭示热力学第二定律的核心机理，而后可围绕这个核心再展开不等式推导等其他教学内容。这样的教学方式，做到了使学生概念清晰，思路明确，故能取得事半功倍的教学效果。
参考文献：
[1]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]康乐明，吴家正等.工程热力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
关键词：化工热力学 教学改革 研究 实践
“化工热力学”作为化工专业的一门专业基础课，其主要内容是在物理化学课所讲过的经典内容和方法的基础上发展、提高和应用，将热力学的基本原理应用于化工技术领域。相对于其他课程而言，其有概念抽象难懂。公式多且推导复杂、计算繁琐、理论性强等特点，学生往往觉得比较难学，因而教学的难度较大。多年来。为提高教学效果，我做了一些尝试，下面谈谈一些体会。
1、激发学生的学习兴趣，搞好课堂教学
在教学活动中，学习的主体是学生。学生是知识的真正建构者，是教学活动中最活跃最积极的因素。从系统论的观点来看，学生知识的掌握、能力的培养都离不开调动学习的主体――学生主体的积极性，因为实现学生自身的智力活动的主动内化，这是任何其他因素都无法替代的一种特殊的认识活动。所以在教学活动中，只有把学生作为实践活动的发出者，激发与调动学生主体的主观能动性和学习积极性，即激发学生的学习兴趣，增强学生学习的主动性，使其发挥到最佳程度，实现学生“要我学”到“我要学”的转变，变不学为会学、苦学为乐学：学会为善学，等等，学生发展质量――教育质量的具体体现才能得以具体落实，真正提高。
为了激发学生的学习兴趣，首先必须使学生明确了解学习每一章节的目的和意义，它在分析、解决实际问题中的作用。化工热力学是理论性、实用性都极强的学科。在工程实践中它既可为化工过程的开发、设计和研究指出可能的途径，还可以为化工生产条件的选择提供依据，为工程设计提供数据。因而，成功应用热力学知识的典型事例是很多的。每一章的引言，乃至重要概念的引出，我都花一定的时间去做这种激发工作。例如，我在讲“有效能”之前，就先给学生讲了一个工程上的故事――锅炉的“节能”，人们首先认识到能量的损失主要集中在化学不完全燃烧、散热。以及烟气余热的不充分回收上，因而采用了种种措施……然而，从合理用能上说，这些“节能”措施只不过是“拣芝麻”，真正的“西瓜”在锅炉的温差传热上。尽管传热时总能量并没有减少。用“有效能”的观点分析问题，结论就是如此。学生听到这里，往往会产生一种惊奇、兴奋和急于要获得“有效能”知识的思想状态和情绪。保持在这种状态下教学，不仅可以顺利地引出概念，而且有助于逻辑思维的抽象和记忆过程的完成。
在课堂教学中应强调教得有效、学得愉快。为此我力求做到：课堂教学精讲勤练求效率，恰当选用多媒体设备及其他辅助教学手段提高学生的学习兴趣：让学生动手动脑，让学生亲身经历，让学生熟练操作，鼓励学生发挥优势与特长，让学生真正有一技之长；保护学生的求知欲望，为学生意志、情感和认识的投入留下充足的空间，尊重学生的个人经验和新异见解，放开手让学生进行尝试，体验创新的。
2、改革教学方法，探索新的教学模式
中共中央国务院在《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中指出，智育工作要转变教育观念，改革人才培养模式，积极实行启发式和讨论式教学，激发学生的独立思考能力和创新意识。切实提高教学质量。作为教师要不断学习，自觉地把理论学习与实际教学结合起来，结合区域经济的特点，结合市场需求，结合行业需求，在教学过程中不断转变教育观念，按照培养目标进行教学改革，教给学生更多更实用的知识与技能，使学生更符合企业需要。能为社会创造更多价值。
(1)改变传统的“注入式知识教育”模式，加强启发式教学。
以教师为主体的“注入式”授课方式难以发挥学生学习的主动性。在教学方法上，我注重改变传统的“注入式知识教育”模式，加强启发性、引导式教学，培养学生的理论思维能力，把那些看起来很抽象的理论分门别类、总结归纳。突出其重点和难点。对全部公式要求学生掌握最基本的，其余的能理解会应用即可，要求学生不死记硬背，而是通过例题、必要的习题练习和习题课加以巩固。习题课采用讨论式，让学生自由上台发表意见，调动学生学习主动性，发挥学生介入课堂教学的积极性，活跃课堂气氛。学生充分讨论后再由教师进行总结归纳，讲解解题的关键，指出可能出错的地方及原因，以此加深学生对理论知识的理解和掌握。
(2)变“单一的课堂讲授”为“多形式的互动交流”。
在教学中，我尝试以学生为主体，以教师为引导的基于探索和研究的教学模式，采用课堂教学和课外教学相结合的方式，培养学生自主学习能力。学生结合所学内容选择自己感兴趣的专题内容写专题论文进行交流，利用图书馆及网络资源，自己查找与所选专题相关的文献资料，并行整理、综合、归纳来完成专题论文的撰写。在整个过程中，教师的作用是指导学生对文献资料进行筛选、分析和整理，帮助学生自己去获取知识，鼓励并引导他们的好奇心、求知欲、想像力、创新欲望和探索精神，而不能放任自流。这种以学生为主体的教学形式，打破了学生被动听讲的定势，极大地调动了‘学生的学习主动性，也激发了一些学生的特长和潜能。在专题交流中。学生变成了“主讲”，这种角色的转变明显增强了学生对本学科专业知识的兴趣和掌握程度。同时也为学生锻炼和提高专业论文撰写水平及语言表达能力提供了一个舞台。此类型的教学实践，不仅有助于学生拓宽知识面、了解学科发展前沿，也使学生从中亲身体验到获取知识的艰辛和乐趣，促进了学生综合素质的提高。
3、理论联系实际，强化能力的培养
化工热力学课程中很重要的一部分内容是化工过程的能量分析。从课堂传授中，学生获得能量等级的概念、有效能衡算方法等。以往我们对实际过程进行热力学分析，分析各子过程有效能利用的情况。仅限于做几道题而已，学生印象不深刻，也没有真正掌握这一重要方法。为此，我们在课堂讲授中应引入生产实习中有关节能方面的内容，让他们思考和选择为达同一目的的几个流程，以有效能衡算方法计算各个过程的有效能损耗，从而选择节能的流程并与T厂实际情况相比较和验证。
比如我院应用化工专业学生在进行聚氯乙烯生产实习时遇到氯乙烯的精馏问题。粗氯乙烯中含有低沸点的二氧化碳等气体及二氯乙烯、乙醛和二氯乙烷等组分，它们会影响后续的聚合反应的产品质量，故需提纯氯乙烯。氯乙烯的常压沸点是-13.9℃，如果采用常压精馏的方法。则需要的冷量非常大：如果采用直接提供冷量使物系冷却后结晶分离的方法，同样因为氯乙烯的常压凝固点太低，冷量损耗更大。厂中采用加压精馏的分离方法，我们加压使氯乙烯的沸点接近常温，然后再精馏。这一流程大减少了制冷的动力消耗，减少了有效能的损耗。我们让学生对这一工艺流程做出三种可能的方案，然后以有效能衡算法分别计算它们的有效能损失，得到有效能损失最小的加压精馏方案，不仅提高了学生对流体热力学性质、制冷循环、过程能量分析等对热力学知识融会贯通的能力，而且强化了学生的节能意识，培养了他们的经济头脑，学生体会到化工热力学既是一门工程的理论又渗透着经济的意识，非常实用。
4、改进考试方式，加大平时考核的力度
关键词：课程教学改革；教学设计；教学方法；教学手段
作者简介：魏春枝（1966-），女，山西侯马人，国网冀北电力有限公司技能培训中心，副教授；杨作梁（1964-），男，山西襄汾人，国网冀北电力有限公司技能培训中心，副教授。（河北 保定 071051）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0104-02
课程教学改革是提高教学质量的重要途径。教学改革要针对不同的教学课程，充分剖析课程特点，彻底打破单向、乏味的教学模式，注重创新，将独特的教学特点融入到课堂教学中。
“发电厂热力系统”课程是热能动力工程专业的主要专业课之一，它前接锅炉设备运行、汽轮机设备运行两大专业课程，后接仿真机实习、毕业顶岗实习等技能性较强的课程，是连接理论与实践环节的桥梁。本文着眼于教学设计的创新、先进教学手段及教学方法的应用，针对“发电厂热力”课程，就教师应如何调整现有的教学模式设立创新型教学环节，如何保证学生高效地掌握课程的核心内容提出了几点改革建议。
一、突出教学设计的创新
1.课程引入的创新
学习就像是盖房子，只有先掌握房子的框架和结构，分析出难点和重点才能做到胸有成竹，从而在最短的时间内完成任务。再比如森林探险，如果直接进去找一棵一棵的树，只怕筋疲力尽也收获寥寥。而如果先研究整个森林的布局，划分出区域，找出重点，再一一探究，就会事倍功半。
课程的学习也是一样。首先要明确学习的任务，先从介绍课程的设置思路引入，有目的引导学生了解课程内容的形成过程，进而熟悉该课程包含的知识和技能范围。[1]使学生掌握本课程的知识结构，了解学习的目的、内容、重点、难点及学习方法等信息，从而明确学习过程的针对性，激发学生学习课程的兴趣和动机，以保证课堂教学的效果。
以“发电厂热力系统”课程为例，先从分析课程的内容结构开始，从本课程教学大纲中所覆盖的3个职业岗位群出发，分解出10个职业能力，提炼出7个主要教学内容，组合成3个教学模块，形成本课程的4个教学单元，[2]顺理成章引出本课程所学的内容，如图1所示。在对内容的结构框架有了全面的认识和了解之后，再进一步介绍课程的重点及难点内容、各单元的课时、学习内容、学习方法、学习手段以及各单元之间、知识技能之间的内在关系。进而，归纳出这门课程的学习主要是以火电厂热力系统为主线，突出全面性热力系统为重点，实现火电厂热力系统运行为目的的学习任务。通过这样的介绍，学生学习的目的更明确，思路更清晰，重点更突出，更利于有的放矢地完成课程的学习并能建立与后续课程的紧密联系。
2.教学模式的创新
教学模式的改革与创新是课程教学改革的关键和重点。[1]本课程结合三个教学模块，即辅助设备模块、热力系统模块、运行操作模块的内容特点，以火电厂仿真实训基地为依托，结合“理论+实践”的教学理念，总结出了“一主线、四结合、三体性”的创新型教学模式，并取得了良好的教学效果。
“一主线”是指以火电厂热力系统为主线。由于发电厂热力系统图是从事火电厂热力设备安装、检修及运行工作的依据，所以，在“发电厂热力系统”课程内容的设置上，将热力系统模块确定为三大模块之一，也是本课程的重点内容之一，始终贯穿于整门课程的学习中。其中，系统图学习的理论环节应注意结合多媒体动画学习各局部系统的特点，实践环节则要依托仿真机平台实现热力系统的运行操作能力训练。
“四结合”是指局部与整体相结合、多媒体与仿真相结合、讲授与演练相结合、个人与小组相结合。发电厂全厂热力系统是由一个个局部热力系统组成，根据教学目标的要求，教学内容可采用“由局部热力系统，到全厂热力系统，再到运行操作”的思路进行，教学方法把握“四结合”的原则，从而实现由简单到复杂，由理论到实践的逐步深入。
“三体性”是指理实一体、教学做一体、学生主体。“发电厂热力系统”课程的教学内容来自于电厂运行岗位，教学活动就必须要做到理论和实践的结合。在采用仿真机平台进行运行操作训练时，可结合工作岗位的实际要求，将专业知识和能力的学习融入到动手操作中，实现做中学、学中做，充分发挥学生的主体作用，调动学生的学习热情，为全面掌握本门课程的专业知识和技能提供了保证。
二、注重先进教学手段的应用
1.多媒体技术的应用
“发电厂热力系统”课程的特点是系统图多、信息量大、运行知识比较抽象，针对这些特点引入多媒体教学手段是再好不过了。譬如，热力系统图的教学可以对每个局部系统采取动画教学，将各局部系统的流程、特点及运行工况均清晰演示出来，在激发学生学习兴趣的同时，高时效完成教学内容的讲解。另外，多媒体动画效果能方便实施各局部系统之间的链接，使学生在学习各局部系统图时没有将其独立，而是始终能建立各局部系统与全厂系统的联系，为后期火电厂单元机组运行实习教学打下了坚实的基础。
2.火电仿真技术的应用
实践教学既是高职院校的教学特色，也是培养学生职业能力之本。火电厂仿真机组作为热能动力工程专业、火电厂集控运行专业综合实践课程的一种平台，为学生提供了一个与火电厂生产环境、工作过程几乎一致的仿真环境，通过团队的动手操作、协作练习进行火电厂运行岗位的综合训练，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的综合能力。
为了体现仿真技术的先进性与真实性，火电仿真机组除选用300MW亚临界、600MW超临界等国内的主流火电机组作为对象，采用先进的“一机多模、多范围、全过程”仿真技术外，教学过程也完全参照电厂的运行岗位流程进行，更全面、更真实地模拟火电厂生产环境。教学过程中，把每个班级分成四个小组，每个小组承担一台机组的运行值班工作，[3]小组成员按现场岗位分配工作，通过模拟现场工作进行教学。这种以工作过程为导向，仿真演练为手段，岗位规范为标准，实施热力系统的启动、停机、运行调整及试验的仿真操作，不仅提升了学生的专业动手能力，还锻炼了学生的组织协调、团结合作和人际交往等社会能力，全面培养了学生的职业能力和素养。
三、体现多种教学方法的结合
教学方法是实现教学目的的手段。为了达到优良的教学效果，笔者充分分析了“发电厂热力系统”课程专业知识和技能知识的特点，结合学情分析，量身定制了几种有效的教学方法，包括讲授法、小组讨论法、仿真演练法、案例教学法及专题讲座法等等。灵活多样的教学方法，再辅以先进的教学手段，更进一步突出了理实结合、“教学做”一体、学生主体的教学特色。
1.“讲授法”落实到局部热力系统图的识读环节
教师讲授法是一种传统的教学方法，学生刚开始接触专业课，难度系数比较大，教师应采用讲授法引导学生调整学习思路，转变学习方法，逐步适应由学习专业基础课到学习专业课程的转变。
热力系统模块是“发电厂热力系统”课程的三大模块之一，识读热力系统图自然是该模块的重点内容。发电厂热力系统是由一个个局部系统组成，因系统图数量较多而且复杂，各图之间的关联密切，是学生学习的难点，教师可选择几个重点的系统图（如：凝结水系统、给水系统等）采用讲授法，结合多媒体动画技术把各系统图的流程、布置特点、不同运行工况的应用等内容直观、简洁、明了地讲给学生，帮助学生建立学习系统图的方法，并引导学生懂得热力系统图对火电厂运行操作的指导作用。
2.“小组讨论法”体现在全厂热力系统图的识读、运行操作的实施过程
全厂热力系统是由一个个局部系统组成，因系统图太大，无法实现多媒体动画展现形式，是学生学习的难点。可充分利用大型系统图模板，在学习完各局部热力系统图以后，采用小组讨论法进行分组学习，先找出一个个局部系统，再找出各局部系统之间的关联，进而掌握全厂热力系统的布置。
运行操作模块完全模拟电厂的运行岗位，学生以小组合作的形式完成学习任务。在每个任务的实施过程中出现了问题，也需要小组讨论解决。在讨论中，学生对所出现的问题进行了较为深入的探讨，提出各自不同的观点和见解，更加主动地参与学习的过程。
3.“仿真演练法”贯穿于技能操作的训练环节
热力系统的运行模块在操作实施过程中，可借助火电厂仿真机平台，按图2所示把每个班级分成四个小组，每个小组作为一个运行单元承担一台机组的运行值班工作。[3]小组成员按现场岗位分配工作，分别扮演机组长、主值班员、副值班员、巡检员等角色，通过模拟现场工作进行教学。这种以工作过程为导向，仿真演练为手段，岗位规范为标准，实施热力系统运行的仿真操作，全面培养了学生的职业能力和素养。
4.“案例教学法”应用于典型事故的直观教学
因火电厂事故的随机性比较大，仿真机平台上实现有难度，可在课堂上引入大量的现场事故，采用案例教学法，让学生感受事故的真实氛围，培养学生遵纪守规、安全生产、节能环保等意识。[3]例如，对于“加热器泄漏事故”，以某电厂的300MW机组因管内壁腐蚀泄漏引起的高加保护动作事故为例，全面分析了事故的现象、产生的原因及处理过程，并在仿真机上演练了高加水位过高后旁路保护的自动投入过程。
5.“专题讲座法”实现教学内容的适时更新
由于火电机组发展比较快，技术更新频繁，三年一轮的教学大纲往往显得比较滞后，可利用课外时间给相近专业的学生开展专题讲座。例如，“发电厂热力系统”课中，可将超超临界机组、卧式除氧器、给水加氧等最新技术等内容采用专题讲座的方法进行补充，以确保所学内容的开放性。
四、结束语
通过几年的教学实践发现，改革后的“发电厂热力系统”课程教学，不仅使学生在热力系统的理论学习和仿真机运行操作的能动性等方面有了极大的提高，而且在培养学生理论联系实际、分析和解决问题的实际能力方面也有了极大的改善，[4]确保了课程教学质量的不断提高，为学生学习后续课程和走上工作岗位打下了坚实的理论与实践基础。
参考文献：
[1]劳动和社会保证部.企业培训师培训教材[M].北京：新华出版社，2011.
[2]杨义波.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2010.
关键词：热力学统计物理；教学改革；教学实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0105-02
《热力学与统计物理》属理论物理课程，是高等院校物理学专业本科学生在修完《热学》课程之后必修的一门基础理论课程，它对于后续课程的学习以及从事相关科研都具有重要的意义。《热力学与统计物理》语言严谨但枯燥，包含大量的公式和推导，教学中容易忽视科学思维训练和科学思想方法的培养。经过调查发现，大部分同学学完《热力学与统计物理》后，对涉及到的概念、规律和处理方法都感觉比较模糊，实际应用困难。在教学方法上，目前普遍采用的教学方法是老师推导公式，学生听讲，使学生整体感觉模糊。热力学是一大堆偏微商，偏来偏去；统计物理是这分布那分布。教师在讲台上讲的是口干舌燥，筋疲力尽，学生在台下却无精打采，昏昏欲睡。如何实现在教学中师生的互动，知识的传递、信息的交流和思维的碰撞在《热力学与统计物理》课堂教学中显得尤为重要。笔者在近几年的教学中，针对《热力与学统计物理》的现状进行了教学内容和教学方法的改革，在一定程度上调动了学生的学习兴趣和积极性，并收到了较好的效果。
一、教学内容改革
1.深化物理概念。由于《热力学与统计物理》教材中有很多理论的堆积和繁杂的推导过程，而对课程中蕴含的思维训练和科学思想、科学方法等内容很少涉及，在传统的教学中，大部分时间都是花在推导公式上，忽视了应用人才的培养。在《热力学统计物理》教学中，尽量做到从最普遍的基本原理出发，运用归纳、演绎的方法导出实验规律，然后培养学生运用物理理论解决一些典型实际问题的方法和能力。同时强调对物理概念和意义、物理意义的理解，简化数学推导，使学生形成较完整的物理学图像。
2.优化课程结构。根据《热力学与统计物理》和《热学》、《量子力学》、《固体物理》等课程的关系，尽量减少与《热学》、《固体物理》等相应课程内容的重复。例如对于热力学中的内容（如平衡态、温度、物态方程、热力学第一定律、功、热量与焓、理想气体、热力学第二定律、熵、卡诺定理等）和统计物理中的内容（如等概率原理、玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布）与《热学》的重复率高，在教学时适量减少课时。例如德拜理论等内容可以放在《固体物理》中并且要重点讲授。通过教学内容的整合，提高了教学效率，优化了课程结构，缓解了授课学时和教学内容的矛盾，从而明确了课程的主线。
3.增加前沿知识。在讲授课本知识的同时，适当增加前沿内容。例如讲解获得低温的方法时，增加介绍3He、4He稀释致冷和激光致冷；对于非线性不可逆过程热力学，重点介绍耗散结构的概念和应用；补充相变中朗道连续相变理论和临界点附近涨落与关联的理论；增加介绍统计物理中玻色爱因斯坦凝聚的新进展；介绍朗之万方程在光学粘胶、多普勒致冷和磁光陷阱等方面的应用。通过增加前沿知识的学习和介绍，加深学生对基本内容的理解，开阔学生的视野，引起学生的兴趣并有利于科学思维的培养。
4.注重实践环节。在讲授理论知识课的同时，注重实践性教学环节和课程设计环节。由于《热力学与统计物理》是理论性很强的课程，在教学中往往重视理论教学而忽视实践环节，这不利于应用性人才的培养。需要在教学中增加实践性教学环节和课程设计环节。例如熵变的计算、铁磁—顺磁相变、粒子输运问题、平衡态的确定、半透薄等知识和问题，结合Ising模型，郎之万方程，Monte Carlo、Random Walking等计算方法，有针对性的进行课程设计。通过实践教学，既加深了学生对物理学过程、物理概念的理解，又锻炼了学生计算机程序设计能力，从而增强了学生解决实际问题的能力。
二、教学方法改革
1.对比法的应用。由于《热力学与统计物理》存在大量的物理意义相同或相近的物理概念、物理量、物理规律和处理方法等，通过增加对比让学生掌握该门课的主线，培养学生的科学思想和方法。例如对于内能、自由能、吉布斯函数、焓的概念；麦氏关系；熵、自由能、焓、吉布斯、内能等的各种判据和条件；微正则分布、正则分布、巨正则分布；玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容，教学时主要讲授部分内容，引导学生对比分析物理概念和研究方法的区别和联系。通过对比教学，既加深了学生对基本感念、基本研究方法的理解，又能起到举一反三的教学效果。
2.互动式教学的应用。教学中适当地应用互动式的教学方法，改变以往课堂教学的传统模式。激发学生主动学习的积极性和自我学习的能力。在教学中，增加一些基本概念、定律和处理方法的讨论。例如讨论热力学温标和理想气体温标的异同点；讨论理想气体状态方程和焦耳定律的独立性；讨论分析热力学第二定律的微分表达式和热力学基本微分关系的不同之处；讨论熵的概念以及不可逆过程中熵变的计算方法比较。根据熵增原理讨论了宇宙的起源、宇宙的形成、宇宙的未来和宇宙的演化等。在相变中除了物体的固、液、气三相变化，讨论自然界还存在许许多多的相变现象，例如物质从金属变成超导体的超导相变；液态氦从正常液体变成超流体的λ相变；磁铁在居里温度从铁磁性变成顺磁性等。通过讨论进一步明确了概念、规律的适用条件和一般处理方法等，并在互动过程中逐步培养学生自学意识、参与意识、群体意识和问题意识，提高了学生的积极性和主动性。
三、其他方面工作
在《热力学与统计物理》教学中我们还进行了其他方面的改革和实践。在考核方面，采用闭卷考试、一页开卷、课程设计、论文等多种考核方式。为适应教学的需要，针对教学内容作了完整的习题解答和复习资料，并作为教材配套的教学参考书。在保证本学科的基本理论、基本知识和基本技能的全面性，以及在精选内容时注意知识的科学性和系统性的前提下，制作了图文并茂、引人入胜的课件。在课堂上运用多媒体，VCD、DVD，教学软件、音像制品等这种直观的、形象化的演示，有利于学生增强感性认识，便于理解和记忆。
四、结论
在教学改革的指导思想下，针对《热力与学统计物理》教学中存在的问题，进行了教学内容和教学方法等方面的改革和尝试。实践证明，这些改革和实践缓解了授课学时和教学内容的矛盾，增加了学生的学习兴趣，拓展了学生的知识面和自主实践课的空间，增强了学生解决实际问题的能力，从而有利于人才的培养。
参考文献：
[1]赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2]林宗涵.热力学与统计物理学[M].北京：北京大学出版社，2007.
[3]汪志诚.热力学与统计物理学[M].北京：高等教育出版社，2003.
[4]汪志诚.热力学统计物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008.
[5]苏汝铿.统计物理学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[6]王竹溪.热力学（第二版）[M].北京：北京大学出版社，2005.
[7]梁希侠.统计热力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2008.
关键词：探究式教学 反应堆热工水力学 自主学习 教学效果
中图分类号：G642.0
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.115
1 引言
美国的实用主义哲学家杜威认为，科学教育不仅仅是要让学生学量的知识，更重要的是要学习科学研究的过程或方法。学习不单是为了获得知识，更重要的是在学习的过程中享受对未知探索的乐趣，富有启发和创造的过程更能为我们的学习提供持久的动力。而且知识的容量是浩瀚无际的，所以一味地为了获得知识而学习，是没有持久力和创新力的，这只会导致机械的接受和顺从，没有真正在学习的过程中吸取营养。
工科教学因为具有较强的工程应用背景以及实验性等特点，如果采用传统的讲授式教学，容易造成内容的枯燥乏味，严重影响学生主动学习的积极性，导致教学效果不明显。因而，探究式教学方法在运用于工科课程的教学时，如果能够与传统的讲授教学以及其他教学手段（如案例教学）结合起来，必将收到良好的教学效果。本文将以《反应堆热工水力学》作为探究式教学的示例，做出一些实践和探索。
2 《反应堆热工水力学》课程特点
作为核工程与核技术、核化工与核燃料的专业必修课，是学生今后从事涉核方向工作尤其是核电厂工作必需的专业知识和技能，在反应堆课程的建设中具有重要的作用。该门课程结合我国核电厂实际，以压水堆为原型，以先修课程《热力学》、《流体力学》、《传热学》等为基础，分析反应堆中热力输运过程、反应堆热工水力设计准则和分析方法。主要研究内容包括核能系统中的基本热力过程、反应堆用的各种材料、堆芯的热量产生、燃料元件内的 传热、流动系统的水力和输热分析等，进一步讨论反应堆稳态热工设计原理。
3 探究式教学的实施过程
根据探究式教学的要求和特点，事先由教师给定事例和问题，然后由学生自己通过一定的方式去查阅相关资料形成自己的观点和认识，然后通过课堂讨论和教学分析总结出相应问题的规律及解决思路。在课程开始之初，学生可能会存在一些畏难情绪或对主动学习和探索的不适应，这时需要教师对学生多进行鼓励和指导，甚至开始之初可以和学生一起去探索问题。一个问题没有严格的标准答案，重要的是寻找答案的过程和方法，一定要鼓励学生都参与进来，如果在课堂上讨论的时候有所拘束，可以将全班学生分成若干小组，先让学生事先进行小组讨论，然后每个小组推出一个代表在课堂上发言，在学生逐步适应和熟悉这样的过程以后就鼓励或要求小组每个成员都要进行这样的课堂发言。
本次探究式教学的问题或任务：调查核电厂发展史上有哪些核事故或核灾难，了解这些核事故背后发生的原因以及带来的影响，反思核安全的重要性。通过学生自身的调研、分析并结合后期课堂的教学和讨论可以使学生对核事故以及核灾难有一个直观的认知和感受。
3.1 问题或任务的引入阶段
这次的主要任务是调研核事故和核灾难，认识灾难背后的原因。学生对核灾难可能没有太多直观的感受，一些核灾难的印象主要来自于媒体的报道，不过这些印象都是一些支离破碎的片段，我们也未去深究其中的缘由，因为我们感觉核事故离我们还很遥远。具体实施这一过程的时候，教师可以收集一些有关核事故和核灾难的视听或图片资料，首先对学生形成一个视觉冲击和情感震撼。
3.2 学生调研阶段
这一阶段学生是主体，教师只能从旁协助和引导学生。在学生收集信息的过程中，教师要注意提醒学生总结核事故发生的原因，比如福岛核事故，为什么反应堆的压力会升高，反应堆内的压力和温度是怎样变化的，反应堆用的是哪些材料，燃料元件的结构怎样。这些问题都有助于帮助学生将事故的发生与我们所学的课程结合起来，知其然并知其所以然，为今后系统的学习《反应堆热工水力学》做好铺垫。
3.3 课堂总结阶段
首先要肯定学生积极探讨的精神，并鼓励他们对新问题继续深入调研。同时，结合讨论的内容和教学的讲解加深学生对核事故原因的理解，并自然过渡到今后要学习的反应堆热工水力学的其他内容，使得学生对本课程有一个系统而又宏观的认识和理解。那么，今后的学习将会是背景清晰、有的放矢、系统而有条理。实际上，在一次成功的探究式教学活动中，每一个学生的积极性都被充分调动起来，学生的精神也高度集中，适时的讲解课程知识会加深学生的理解程度，而且也能增强学生学习的目的性，让学生自己带着强烈的目的去学习将会收到良好的教学效果。
4 结语
当前，我们国家的核能发展原则是在安全的基础上开发和利用核能，核能是国家重要的战略发展资源。与欧美核大国相比，我们对核能的使用还很低，核电仍处于高速发展阶段，今后很长一段时间内，国家对核电人才的需求仍然很旺盛。与此同时，增强学生分析问题、解决问题的能力，加强工程实践，使理论和实际更紧密的结合起来，真正的学以致用，这必将利于我国核专业人才的培养，为我国的核能事业发展奠定良好的人力基础。
参考文献：
关键词：数学物理；工程热力学；教学
作者简介：高蓬辉（1979-），男，山西兴县人，中国矿业大学力学与建筑工程学院，副教授；张东海（1977-），男，江苏徐州人，中国矿业大学力学与建筑工程学院，副教授。（江苏 徐州 221116）
基金项目：本文系中国矿业大学青年教师教学改革资助项目（项目编号：2001207）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0087-02
“工程热力学”为能源工程、机械工程、化学工程、材料工程以及航空航天工程等多门学科的发展奠定了基础，热工理论的研究与应用直接决定能源转化效率、节能技术及环境保护实施的成效，对于人类社会的可持续发展具有重大意义。因此，作为高校工科专业的重要基础课，加强“工程热力学”的教学效果就尤为重要。我国近两百所高校开设建筑环境与能源应用工程专业，全部将“工程热力学”课程设置为主干专业基础课之一。“工程热力学”课程不仅是后续专业课程学习的理论基础，同时直接为学生今后的科研和工作实践提供理论指导，具有重要的学习意义和实际应用价值。[1]
笔者根据自身在“工程热力学”课程教学过程中的切身体会和经验，指出应注重将基础数学、物理理论知识融会于“工程热力学”课程讲授过程中，促进学生对热力学中抽象概念和过程的深入理解，达到提高和改善教学效果的重要作用和目的。
一、基础数学物理知识在热力学理论中的体现
热力学的先修课程主要有高等数学和普通物理等课程，在教学中发现许多学生高等数学知识薄弱，需要在课堂教学中讲解大量的高等数学知识，才能使课堂教学质量得到保证，然而却浪费了“工程热力学”课程自身的教学时数，因此探索基础数学、物理知识体系与热力学之间合理的联系以及有机过渡的教学方法成为热力学教学中必须重视的问题之一。
热力学作为一门非常系统且抽象的学科，其科学性、严谨性主要是通过各个章节中贯穿其中的数学体系来构建而成的。如何科学、深入理解这些繁杂这些概念和数学结论，成为课堂教学活动中非常关键的一环。以下我们将例举热力学中非常重要的一些基于数理知识的基本概念和理论推导过程。
1.状态参数
在热力学的教学过程中，我们把系统中瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。[2]热力状态反映了工质大量分子热运动的平均特性，描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。而状态参数是热力系统状态的单值函数，与热力过程无关，状态参数的这一特性的数学特征为点函数，表示为：
（1）
循环积分为：
（2）
在教学活动中，应将微分的理念融入到状态参数概念的讲解中，并通过全微分将热力系统状态参数为点函数的特性进一步阐述，使学生深入理解热力状态参数的特殊性。
2.微变量dh与变化量h的区别
在热力学第一定律的学习过程中，对于焓有两个非常相似的公式：
（3）
（4）
上式（3）和（4），从外形来看，非常相似，且学生在学习过程中，也容易忽视其细微差别。从数学角度来看，在教学过程中应对其进行区分。式（3）为焓的微分计算表达式，dh为焓的微变量值；式（4）为焓的改变量计算表达式，h为焓的变化量，即式（4）是通过对式（3）进行积分后得到的。这些细微概念上的差别，带来完全不同的热力学分析。通过上述的详细讲解和区别，可以加深学生对热力学中相关公式和计算过程的理解。
3.卡诺循环与极限的概念
卡诺循环解决了在一定的高温热源T1和低温热源T2间，热功转换最大效率的问题。由于卡诺循环是典型的可逆循环，在整个热力转换过程中，没有熵产，即没有不可逆因素所引起的做功能力的损失，因此，该循环热效率ηtc=1-T2/T1成为两热源T1、T2之间工作热机的最大循环热效率。
在课堂讲解中，联系实际工业生产和生活中的热力机械，指出实际热力机械的热功转换效率都低于卡诺循环热效率ηtc，原因在于卡诺循环作为可逆循环，是一理想热力循环，其热效率为实际生产、生活中热力循环效率的极限。[3]因此，实际生产和生活中的热力循环效率只能小于卡诺循环的热效率，不可能大于卡诺循环的热效率。这样从数学极限的角度也解释了为什么卡诺循环效率是一定高、低温热源间工作热机的最大效率的问题，使学生更加容易理解卡诺循环这节的相关概念和理论。
4.音速
研究流体在管道内流动时，我们提出了音速α，并且对定熵流动中音速用下面的公式进行计算：
（5）
在得到音速与温度之间的函数关系时，指出理想气体定熵过程方程式：
（6）
对式（6）进行变形，得到 （7）
在将式（7）代入式（5）时，遇到与是否等效的问题，从形式看，一为偏微分关系，另一为全微分关系。但从变量与因变量的角度来看，同样反映出变量与因变量间的函数变化关系，在课堂教学过程中，需要对这一细微差别进行讲解，以促进学生对物理过程以及数学关系的理解，不可一带而过，从而造成学生概念以及数学关系理解上的断层和缺失。
二、构筑基础数理知识与“工程热力学”课程有机结合的教学方法
“工程热力学”课程的一个重要特点是基本理论多，基本概念抽象。为此，在课堂教学中针对基本理论部分，把讲解重点放在基本理论和基本概念的深入理解上，如状态参数、可逆过程、热功转换、热力学第一、二定律、卡诺循环、卡诺定律、熵等，这些一定要详细讲解、分析透彻。特别是热力学第二定律的课堂教学中，因为该部分内容概念抽象、原理费解，又不能用实验来演示，所以学生学习非常困难，但热力学第二定律作为“工程热力学”课程的核心内容之一，非常重要。凡此种种，笔者作为“工程热力学”课程的讲授教师，在教学活动中，认为通过将基础数理知识与“工程热力学”课程有机结合的教学方法，可以提高和改善课堂教学效果，促进学生对“工程热力学”课程内容的掌握和理解。教学活动中可以采取以下的方法，以实现将基础数理知识与“工程热力学”课程结合的教学：
1.课程准备阶段
在“工程热力学”课程的备课阶段，先将本章节内容难以理解的概念、定理以及公式推导过程摘出来，同时考虑这些部分与哪些基础数学、物理知识相关，并将这部分数理知识作为课堂讲授内容的铺垫部分准备到“工程热力学”课程的课堂教学活动中，即将这部分基础数理知识写入课堂讲义、PPT教学幻灯片中。
2.课堂讲授阶段
在“工程热力学”课程的课堂讲授过程中，将热力学基本概念、原理和公式的推导与基础数理知识结合起来，在讲授过程中，实现热力学本身内容与基础数学、物理知识的互动讲解，从而达到改善教学效果、使学生易于理解和掌握的教学目的，实现学生对复杂、难懂内容的系统把握和理解。
3.课后反馈阶段
课后可以与学生围绕课程教学内容进行沟通，对课堂教学不足之处进行查漏补缺，一方面可以掌握学生的掌握情况，另一方面可以对教学方法不断改进，起到再次升华的作用。
三、结论
“工程热力学”作为能源、机械和化工等众多学科领域方面的一门基础专业课，其重要性不言而喻。如何改进已有的教学方法，改善和提高现有的课堂教学效果，成为各高校“工程热力学”课程教师所共同关注的关键问题之一。本文从笔者自身的教学体会出发，根据“工程热力学”课程内容的特点，提出将基础数理知识融入到“工程热力学”的教学活动中，并给出了实现将基础数理知识与“工程热力学”课程结合的教学方法和途径，为“工程热力学”课程的讲授提供了新的思路和方法，对其他课程的教学改革也有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]欧阳琴，寇广孝.建筑环境与设备工程专业“工程热力学”课程改革探索[J].教育教学研究，2011，（12）：191-192.
关键词：实验教学；热能与动力工程；教学方式；改革
作者简介：张璟（1979-），女，湖北黄冈人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师；吴小华（1978-），男，湖北襄阳人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师。（北京 102617）
基金项目：本文系2010年北京市属高等学校人才强教深化计划项目（项目编号：RHR201008362）、2011年北京石油化工学院教改项目“完善热能与动力工程专业实验教学体系的研究与实践”的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）20-0090-02
能源动力类专业的许多研究进展都是通过实验得来的，因此实验教学对于能源动力类专业人才培养具有十分重要的意义。[1]相对于理论教学，实验教学具有直观性、综合性、探索性、客观性等特点，[2]不仅可以使学生的理论知识得以巩固并加深理解，而且完整的实验过程是培养学生成为具有创新意识的高素质工程技术人员，使学生理论联系实际、掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。[3，4]北京石油化工学院作为一所以工科为主的地方普通本科高等学校，“以培养高素质应用型人才为己任”，并于2010年6月成为全国首批实施“卓越工程师教育培养计划”试点院校之一，在专业教育中强化“实践育人”就是学校的特色，[5]实验与实践教学的作用和地位日益凸显。
一、热能与动力工程专业实验现状及实验教学方式改革的必要性
2006年北京石油化工学院热能与动力工程专业将零散设置在课程中的实验独立出来，合并开课。学生在实践过程中都要经历由表面到内部、由简单到复杂、由单项到综合的技能形成过程，因而该实验教学体系从学习的认知规律出发，分成“系统、部件结构认识”、“施工、运行及测试”、“故障分析与故障处理”三个层次，每一层次又由不同实验对象的若干模块组成。
这几年专业实验的实际教学取得了一些教学成果，但是仍存在诸多不足之处。本门实验课授课对象是大四学生，对于本科高年级学生而言存在一些矛盾：一方面学生需要这些课程来完善知识结构，增强专业知识和技能；另一方面该阶段又有着考研、找工作、出国考试等压力，结果往往是学生对实验课没有学习积极性，学习效果非常差。实验教师仍较多采用传统实验教学方法，教学过程中即使教师苦口婆心的反复讲解，但由于直观性差，仍不能很好地表现出各零部件之间的相互联接、配合、运动关系以及实验条件的限制，影响了教学质量。实验内容被严格限定，学生在实验教学过程中只能被动地接受实验结果，制约了学生学习的主动性和创造性，学生学习兴趣不大。许多制冷及空调方向实验台使用了8年以上，实验数据与理论值之间的误差很大，严重影响了实验效果。而随着现代工业技术的飞速发展，学生不仅需要掌握实验要求的传统测试方法，还要了解新材料、新工艺、新技术在实验测试技术中的应用。
为此，传统的实验教学方式已无法适应创新教育的需求，提高实验效果的教学方法改革势在必行，改革将提高本专业的实验教学质量，形成本专业实验教学的特色，实现素质教育和创新人才培养目标。
二、改革方案
1.变封闭式实验教学为开放式实验教学
为减轻大四学生的学习压力，提高实验质量，首先从实验时间安排上着手。实验教师在学期初给出实验项目的时间，实验项目的个数及学时总数要大于学生要求的总学时数，每个实验项目规定人数上限及下限，学生根据实验教学大纲要求自行选定实验时间、内容，写出实验计划书交实验教师审阅同意后实施。
在实践教学中注重培养学生的主体意识，激励学生进行自主学习，由“要我学”转变为“我要学”，以取得较好的实验效果。鼓励教师充分相信学生、尊重学生个性，发挥学生的主观能动性，改变“填鸭式”的知识传授方式，引导学生学会学习并进行研究性学习，将教学目标由知识的转移和传授转变为能力的激发与提高。
2.合理安排实验内容
对内容相近的实验进行合并，有效的避免重复实验。淘汰设备陈旧且不能适应社会发展与技术发展要求的验证性实验，增加设计性的实验内容，尝试将科研课题的研究成果引入到实验室，让学生更好地掌握新技术与新方法，让他们能够更快地适应社会，为以后的工作打下良好的基础。设计一些综合实验，培养学生综合运用理论的能力，从而掌握新的知识和技能，达到实验课教学的预期目的。另外，在实验设备上注重新技术的引进，开拓学生的视野，扩大学生的知识面。如综合性实验“制冷机组性能实验”中采用计算机数据采集系统，要求学生结合Agilent系统的监测曲线，微量调节低温箱中电加热器的电压、暖风机的风量大小来稳定蒸发温度，使系统处于平稳运行状态。
3.丰富教学手段提高学生学习的积极性
将理论教学中广泛使用的计算机辅助教学手段等新技术应用到专业实验教学中去。结合实验特点，利用计算机的绘图、动画技术、三维软件对某些实验设备建模，对于直观性差，各零部件之间的相互联接、配合、运动关系受到实验条件限制的实验，将其结构、原理、工作过程融于动画之中，[6]使一些难以理解的静止图形变成栩栩如生的动画图形。
如综合性实验“制冷机组性能实验”中，要求学生掌握蒸汽压缩式制冷循环的组成和工作原理，但采用的是全封闭式压缩机，其工作原理及内部运动关系很不直观；要求学生掌握单级蒸汽压缩式制冷循环性能测试方法，但是为保证实验效果，管路及换热设备多处保温，弄清楚流体的走向及各部件间的联接都会有些难度。为此采用三维建模软件对此实验台建模，可以将整个实验台进行模拟拆装，压缩机内部运动也以动画视频展示。
4.通过参加科技竞赛，培养学生的团队精神、创新思维和解决实际问题的能力
传统的实验模式比较僵化，束缚了学生的思维，不利于学生创造能力的培养。北京石油化工学院热能与动力工程专业非常重视科技竞赛这一培养和锻炼学生能力的平台，积极引导学生以团队形式参加科技竞赛，凝练新概念，设计新方案，在教师的指导下综合运用所学知识，利用实验室提供的条件，自己动手将想法变成实物，使知识得到彻底的升华。
以自2007年开始举办的大学生制冷空调科技竞赛为例，每一届竞赛北京石油化工学院都有许多学生踊跃报名参加，并获得了良好的成绩。其中2012年北京石油化工学院本科生王欣等3人设计的太阳能空调伞，为炎炎夏日在太阳伞下工作的人们提供了凉爽的工作环境，创新模块得分很高，最终获得了本次竞赛团体一等奖。在上述活动中，教学突破了传统模式，强化了能力训练。[7]实验室给学生提供了自主实践、自主研究、自主探索的机会，有效激发了他们的专业兴趣，充分调动了学生的学习积极性，切实提高了人才培养的质量。在此过程中，本科生充分领略和体验了科研活动的酸甜苦辣，也学会了如何开动脑筋去发现问题和解决问题，拉近了书本知识和现场实践的距离，动手能力得到了极大锻炼，创新意识有了较具体的体现。
专业实验教学注重学生动手能力的培养，注意结合生产实际设置与现场情况贴切的实验，巩固专业知识，培养学生解决问题的能力，完全实现了综合性实验和设计性实验的培养目标。为了吸引学生更多的参加科技竞赛，同时减轻学习压力，可以尝试性的将竞赛项目成果替代一项设计性实验或一项综合性实验成绩，由于指导竞赛的教师也参与专业实验的教学，这种方式有了执行的便利。此外，这种方式增强了学生实验动手能力和创新能力，培养了学生良好的科学素质，学生的综合能力得到了很大的提高；丰富了实验教师设计综合性实验和设计性实验的内容；学生实践积极性普遍提高，较好地贯彻了因材施教的方针。
5.实验课程改革的成效
为了考察课程改革的成效，对已经修过本门课程的学生进行了随机问卷调查。调查内容包括以下方面：
（1）课程本身：设置该课程的重要性、学生兴趣度。
（2）授课教师方面：包括教师驾驭能力、教师教学方法灵活多样性、教师课程内容熟悉度、教师讲课清楚、重点突出情况。
（3）授课方式方面：包括综合性与设计性实验设置是否合理、多媒体使用是否合理、考核方式是否合理。
（4）教学效果方面：包括能否学到新的技能、能否提高综合素质和创新能力、对该课程的满意度。
（5）参加科技竞赛项目取得的奖项替代设计性实验或综合性实验成绩是否可行。
三、结束语
近年来，我国教育体制不断地进行深化改革，对本科生的素质教育、创新教育已经提到高校教育改革的首位。在充分调研一些高等院校实验课程运行情况的基础上，尝试对北京石油化工学院热能工程专业实验课程教学方式从开放式实验教学、合理安排实验内容、丰富实验教学手段、参加科技竞赛培养学生创新思维等方面进行改革。通过问卷调查的方式了解了热能工程专业实验课程改革的成效，学生对课程的关注度是最为权重的要素。因此，应该注重教学方式的创新，应把先进的方法、手段引入到实验中，有效调动学生的学习积极主动性，营造研究性学习的氛围，提高教学质量，提高学生的全面素质，培养适合工业界需求的合格工程师。
参考文献：
[1]钱进，龚德鸿，冯胜强.热能与动力工程专业实验教学改革研究[J].中国电力教育，2008，（18）：152-154.
[2]田禾，李俊瑞，王培勋，等.关于热能实验课程改革的探讨[J].中国科教创新导刊，2008，（4）：58.
[3]孙欢，贾功利，侯其考.建设热能与动力工程实验教学中心的探索与实践[J].实验技术与管理，2010，27（8）：125-127.
[4]程清果，李东雄.热能动力、暖通类专业基础课实验教学改革方案初探[J].中国电力教育，2008，（5）：101-103.
[5]蔡晓君，刘湘晨，王丽，等.发挥现代化企业优势 提高生产实习质量[J].实验室研究与探索，2009，28（12）：177-178.
关键词：创新能力；工程热力学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）16-0133-02
创新能力由多种能力构成，主要包括学习能力、分析能力、综合能力、想象能力、创造能力、解决问题的能力与实践能力等多种能力。创新能力的培养是一项系统工程，贯穿人才培养的全过程，渗透教学过程的各个方面。在当前的教学活动中，一般将课程设计、实验和毕业设计（论文）等环节，作为创新能力培养的主要途径。但对于工程热力学之类的基础课，如何在专业课程的教学中实现对学生创新能力的培养成为专业课教师深入思考的问题。笔者结合自己多年来的教学实践，对工程热力学教学活动中学生创新能力的培养进行了如下一些探讨。
一、采用激励启发方式组织课堂教学
工程热力学课程的特点是理论性强、概念抽象，教学难度大。在缺少专业工程背景的情况下，学生在学习过程中普遍感觉较为困难，甚至茫然不知所云。如何使学生能够较好地掌握教学内容及热力学基本内容，是工程热力学课程教学的根本所在。在多年的教学过程中，我们发现在课堂教学中，除了需要借助优美的PPT多媒体课件来展示热力学过程，更需要激发学生学习热力学的兴趣，在引入一些工程实例的基础上，激励学生去思考，及时地与学生就教学内容进行讨论，促进学生对知识点的掌握和领悟。
与常规教学方法相比，课堂教学不再是文字、公式的罗列，PPT动画的简单演示，而是把教学的核心放在启迪学生对热力学概念、原理的思考及把握上，使学生在学习课程内容的同时，熟悉热力学的系统内容、章节间的逻辑关系、基本原理等，形成对热力学的一种系统的总体的认识和把握，而不是零散地去背诵记忆一些片段。通过这种激励启发式的教学，使学生做到理论和实际工程案例的结合，从而使热力学知识很好地固化在学生的大脑中，并且达到灵活应用的目的。
激励启发式教学，需要教师在课堂教学前充分准备，精心设计课堂教学内容的每个环节，围绕章节内容中的重点知识内容，设计问题及启发实例，并完成课堂互动讨论的教学组织，在此过程中需要教师饱含激情和较好的耐心，使学生在严肃活泼的氛围中掌握热力学的相关知识。
二、改进课堂教学PPT，增加工程实例
工程热力学作为一门专业基础课，与工程实际密切相关。在教学过程中，需要有很多的工程问题作为背景。以教科书为单一内容的PPT演示，并不能满足课堂学生学习的需要。为了提高学生学习热力学的兴趣及深入掌握热力学知识，迫切需要在传统课件中加入工程实例，利用多媒体技术全面展示热力学的工程应用，使学生在工程案例的演示中发现并体会工程热力学的重要性及美感。通过工程案例的学习，使课堂教学内容图文并茂，声像结合，使学生在多方位、立体化地形成认知并达到对热力学知识的理解、分析、记忆、掌握和应用。对于热力学工程案例，我们选取了真空做功、制冷循环，内燃机等工程机械作为实例，进行详细分析和讲授。
工程案例的引入，将实际生活中与热力学相关的问题引入到教学中，用所学知识来解释工程问题，在讲解中让学生明白热力学知识可以解决本专业涉及的实际专业问题，从而实现“从理论中来，到实践中去”，实现对创新型人才的培养。
三、将工程热力学的学习融入大学生创新项目中
在创新型人才培养中，需要提升学生运用基础理论进行学术研究的能力和具有工程应用背景的有关开发、设计的能力。大学生创新项目的实施，有利于促进高校培养具有创新意识和能力的新型人才，促进高校探索并建立以科研活动为中心的教学模式，倡导以学生为主体的本科人才培养和研究性学习教学改革，充分调动学生主动学习的积极性、创新思维和创新意识，同时在项目实施中使学生逐渐掌握思考问题、解决问题的能力。
结合大学生创新项目，结合建筑环境与能源应用工程的专业特点，在指导学生大创项目时，将热力学第一定律、热力学第二定律和卡诺定律应用其中，使学生明白能源利用的守恒性，以及如何提高热力循环的效率，减少不可逆损失，这些都成为学生应用所学知识来解决实际问题的一种锻炼。学生在科研项目中，深化了对热力学知识的认识，同时提高了自己思考问题、解决问题的能力。同时，鼓励学生积极参加各类挑战杯、建筑节能比赛、机械创新设计大赛等，通过这些竞赛活动进一步提升自己的新能力。
四、改进课后作业完成形式，增加分析报告
工程热力学课程是一门实践性很强的课程，其中很多理论已用于工业过程。因此，在课后作业中，需要对传统布置练习题来检验教学成果的方式进行改进，增加一些实际工业循环的实例，让学生通过分析其所应用的原理，提交分析报告，并指出该工业过程效率提高的方式和途径，以这样的方式来激发学生学习的兴趣，提高学生理论联系实际的能力。同时，精选一些课后习题，通过详解的方式，激发学生的创新意识和解决问题的能力，进一步促进创新型人才的培养。
创新是实现社会持续不断向前发展的原动力，也是培养和造就一大批素质过硬、勇于创新的新世纪人才，保证国家高速发展的有力保障。创新能力的培养来自于理论和课堂，更在于理论和课堂之外的亲身体会和具体的实践操作。本文从工程热力学教学与工程实例结合，与科研活动结合，改进课堂教学组织模式和课后作业完成形式等方面，探讨了以培养创新型人才为目标下的工程热力学教学改革与实践，希望能够进一步提高工程热力学的教学质量和效果。
参考文献：
[1]岳丹婷，吕欣荣，李青.深化热工教学改革加强学生创新能力培养[J].2002，（4）：86-88.
[2]谭羽非.突出专业特点改革工程热力学课程教学的研究与实践[J].高等建筑教育，2004，（13）：39-43.
关键词：热力学与统计物理 教学内容 教学方法 考核方式 材料物理专业
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0170-02
材料物理专业是材料科学与物理学的一个交叉学科，专业特点要求在课程设置上既有材料科学方面的课程又要有物理类课程。安徽工业大学材料物理专业于2003年开始进行筹划建设，2005年实现了首次招生。经过几年的探索、规划和实践，基本完成了专业定位和课程体系设置[1]，正逐步完善专业建设。现阶段，保留了量子力学，热力学与统计物理（以下简称热统）和固体物理学作为本专业的物理类必修课程。其中，热力学与统计物理是一门重要的专业基础课，无论对后续的物理类还是材料类课程的学习都起到承上启下的知识连接作用。本课程的设置目的使学生能够熟练掌握热力学和统计力学的基本原理和研究方法，逐步建立分析微观世界的思路和方法，训练学生严格的逻辑思维能力，培养演绎推理能力，提高解决具体问题的能力。
1 热力学与统计物理课程教学中存在的主要问题
热统课程内容由热力学和统计物理两部分组成。其中，热力学是研究热现象的宏观理论，它从若干经验定律出发，通过严密的逻辑演绎方法，最终给出系统的宏观热性质；而统计物理则是研究热现象的微观理论，它从微观粒子的力学规律出发，加上统计假设，获得系统的宏观性质。从内容上来看，热统课程的理论性强，教学内容繁杂。尤其，在当前高校推行素质教育和培养应用型人才的指导下，基础理论课课程教学学时均有不同程度的压缩。我校热统课程安排为40个学时，由此带来了教学学识少和教学内容多的严重矛盾。我们根据我校材料物理专业特色方向和后续课程，在热统教学内容上做出了适当的调整。
现行的热统教材理论性强，较适合理科生使用，缺乏较合适的工科材料类学生使用的热统教材。在组织教学中，我们以汪志诚编写的《热力学・统计物理（第四版）》作为主要参考教材[2]，同时综合了多本经典教材，如：胡承正编著的《热力学与统计物理学》，包景东编著的《热力学与统计物理简明教程》等[3～4]。根据我校材料物理专业培养目标和专业特色方向，本着“先进、有效、有用”的原则，对热统课程的教学内容应该进行认真清理与重构，形成适合本校实际的课程讲义。
在教学方法和考核方式上也应根据我校实际进行相应的改革。热统课程是一个理论性强的课程，其中的物理概念抽象，物理公式繁杂。安徽工业大学材料物理专业是在工科背景下成立并发展起来的，学生的数理基础相对薄弱，在学习的过程中会有些吃力。长期的教学实践告诉我们，如果采取传统的灌输式教学方法，只能使热统课堂教学枯燥无味，学生被动的接受知识，失去了学习兴趣，甚至对后续的专业课学习产生抵触情绪。另外，传统的闭卷考试常造成学生不重视平时的学习过程，期末复习只看教学课件，期待老师划重点，搞突击记忆。
针对上述现状，我们尝试着进行了教学内容，教学方法和考核方式的改革和实践。
2 教学内容的改革
2.1 优化教学内容
热统课程的热力学部分与先修课程，如大学物理、物理化学和工程化学基础的部分内容重复率较高。我们在充分了解本专业学生的先修课程和后续课程的教学内容后，对与其他课程有交叉重叠的部分进行了压缩和删减。比如：热力学部分的热力学基本定律，热力学函数，化学平衡条件，理想气体的化学平衡等都在先修课程里面作为重点内容进行讲授的。在实际教学时，只作复习性的简述或以学生自学的方式完成。但为保证热力学基本概念与规律的严格性与系统性，对重要的基本概念和定律还是进行重点讲解。通过这样的调整，节省了热力学部分的教学学时，加大了统计物理部分的学时讲授。统计物理是从宏观系统的微观结构入手，从内容上与量子力学和固体物理课程联系紧密，也为后续的计算材料学课程，甚至可为本科毕业论文工作提供前期的知识准备。在统计物理教学部分，将在先修课程中学习过的麦克斯韦速度分布率和能均分定理略讲；固体的热容量的德拜理论是固体物理课程的重点教学内容，在热统教学中，这部分只简单提及。经过这样的教学内容优化后，节省了课时，加强了课程之间的联系，提高了教学效率。
2.2 适当引入材料学科前沿内容
创新型人才的培养要求课程内容要体现先进性和现代化。通过合理的补充与热统课程相关的材料学和物理学最新的学术成就与进展，有意识的突出课程的广度，丰富和具体化基本理论内容。增加学科前沿内容，我们从两个方面进行。一方面是在讲授基础理论知识的同时，引入与该知识密切相关的科学技术发展的介绍。例如：在对温度和温标作复习简述的时候，介绍测温仪表和测温技术。电阻温度计，热电偶测温技术，红外测温技术等在后续的材料类课程学习，课程设计和实验及毕业论文工作是非常重要的一部分。在讲授气体的节流和膨胀过程一节时，介绍了获得低温的技术，以及与低温有关的材料性能的变化，超导电现象的发展历史及科研现状等；在讲授单元系的相变时，加强了对二级相变和临界现象的讲授，介绍了磁性材料，超导材料，超流体等方面的最新研究进展；在统计物理部分，介绍玻色-爱因斯坦凝聚的新进展，讲授统计物理部分的金属中的自由电子时，适当介绍计算材料学和计算物理方面的研究现状等。另一方面是通过鼓励学生现场听取相关的学术报告，或者观看相关报告的视频。通过前沿知识的适当引进，开阔了学生的视野，激发了学生的学习和科研兴趣，获得了较好的教学效果。
2.3 注重理论联系实际
材料类专业是应用性很强的专业，要求热统课程教学内容要体现实用性，加强理论与实际的联系。我们鼓励学生通过本科生科研训练计划（SRTP）和大学生创新创业计划的方式参与相关教师的课题研究，或者开设课程设计和实验。如在讲授相变的章节时，为了让学生加深对二级相变的理解，开设了高温超导转变的实验，巨磁电阻材料的相变实验等。组织学生参观学校相关的实验室，如参观计算材料实验室，使学生了解相图的理论计算方法，第一性原理计算及材料设计方法。经过这样的训练，学生对物理概念有了深入的理解，提高学生的应用能力，研究能力和创新能力。
3 教学方法和考核方式的改革
3.1 学生为主体，教师为主导
在组织课堂教学时，认真贯彻以学生为主体，教师为主导的教学思想，加强师生互动，争取使学生由被动接受知识变为主动探索知识。在课前，给学生预留思考题进行课前预习，让学生带着问题去听课，做到有的放矢。在组织教学时，对重点章节进行精讲，适时开展物理基本概念和基本问题的讨论，启发学生思考和推理。对相对容易理解的章节组织学生自学，或者制作成ppt课件，在课堂上讲解，教师在做总结式讲授。课后，要求学生独立完成作业和习题，以期加深对基本概念的理解和应用。
3.2 重物理思想 简化数学推导
在组织教学的过程中，重点讲解基本概念，突出物理思想。借助于多媒体教学，对于较抽象、难理解的概念和原理，可通过制作图文并茂的课件，或者观看相关视频的方式，使抽象的概念形象化，增强学生的感性认识。适当补充基本概念辨析题和思考题以促进学生对基本概念的深入理解和掌握。对于必要的数学推导，使用板书的方式进行详解和推导，留给学生足够的时间思考并跟上教师的思路。
3.3 考核方式的改革
考核是教学过程的主要环节之一，应具有实用性和针对性，并能体现学生的综合素质。我们在考核方面，加大了平时成绩的比例，增加了课堂回答问题，课堂讨论，撰写科研小论文等环节的考核。在期末的闭卷考试中，减少死记硬背的概念题和公式，把考核重点放在学生对基本物理概念的理解和基本理论知识的实际应用上。
4 实践效果
在教学实践中逐步形成了适合我校材料物理专业实际的热统课程讲义。实践证明，改革措施在缓解授课学时与教学内容的矛盾，拓宽学生知识面等方面效果显著。尤其，热统课程作为材料物理专业的前期先修基础课，对后续的课程学习起着承上启下的重要作用。通过上述的教学改革后，学生的学习积极性大大提高，热爱本专业的学习，踊跃参加SRTP和大学生创新创业的计划，甚至部分同学提前加入教师团队的课题组，对未来的工作或者继续深造充满信心。
参考文献
[1] 方道来，童六牛，夏爱林，等.材料物理专业定位及课程体系设置的探索[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2011（23）：104-105.
[2] 汪志诚.热力学・统计物理[M].北京：高等教育出版社，2010.
