時間：2022-04-15 20:57:00
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇熱力學教學，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
熱力學統計物理學、電動力學、理論力學和量子力學是物理學專業四大理論課程，但是對于大部分學生來講，他們除了對理論力學稍感興趣外，對其他三大理論課都是從心理上帶著恐懼的，覺得特別難理解。熱力學和統計物理學是關于熱現象理論的兩個組成部分：熱力學為宏觀理論，而統計物理學則是微觀理論。熱力學和統計物理學與其他三門理論課之間有著緊密的聯系，學好熱力學和統計物理學掌握其學習方法及思維方式對于學習其他相關學科有著非常重要的意義。本文就是以自身教學實踐為出發點，分析了在熱力學統計物理學教學過程中遇到的問題，并且提出了自己的建議及解決問題的方法。
一、教學中遇到的問題
1.學生學習興趣不足
熱力學統計物理學在該校是在物理學本科專業大三的第一個學期開設的，對于這個時間段的大學生來講，他們已經開始對畢業后自己的去向進行思考。在考慮就業壓力及自身條件和家庭因素后，絕大部分學生選擇的是畢業后就業，而只有少數學生選擇繼續考研究生。那些已經決定畢業后就業的大部分學生提不起對熱力學統計物理學的興趣，這門課也不足以引起他們足夠的重視，在他們看來，畢業后他們不會再用到它，再加上這門課程相對于大學物理這種基礎課有一定的難度，他們從心理上不愿意把時間用在與自己認為跟未來就業無關的課程上。其次是現在的“90后”大學生大多數為獨生子女，心理依賴性強，除了少數打算考研的學生會在課前預習和課堂上做筆記外，大部分學生很少動筆。所以，如何激發學生學習熱情，發揮其主動性是教師應該首要解決的問題。
2.數學基礎薄弱
熱力學和統計物理學這門課程中大部分用到高等數學中的知識，例如，某些復雜的積分要用到換元法或者是分步積分法，某些問題中要用到泰勒展開式，但是有些學生數學知識掌握不牢固，不能靈活地運用數學工具來解決熱力學統計物理學中遇到的問題。
3.物理概念不清晰
熱力學研究的是由大量微觀粒子（分子或其他粒子）組成的宏觀物質系統。同時熱力學中某些知識點與高中時期講過的熱學部分知識點重合，所以大部分學生覺得理解起來相對容易些。而統計物理學理論是對物質的微觀結構作出某些假設之后，應用統計物理學理論求得具體物質的特性，并且闡明產生這些特性的微觀機理。大部分學生對物理概念理解不清晰、不透徹，比如，由大量全同近獨立粒子組成的系統，粒子的微觀狀態數對于玻爾茲曼系統、玻色系統和費米系統的不同。
二、對熱力學統計物理學教學方法提出的幾點建議
1.教師應熟悉教材，深入研究
教師應該熟悉自己所教課程的教材，概念清晰，公式推導完整。并且應該在課下多看些關于熱力學統計物理學方面的其他資料及網上的影像講課視頻，檢查自身不足，深入研究，不能如蜻蜓點水般膚淺地理解知識點。
2.改變傳統教學模式，提高學生主動性
現在的大學生已經不喜歡滿堂灌、填鴨式的教學模式，所以教師應該適當調整自身的講課方式，比如，可以將傳統的板書和多媒體結合，一些重要的公式推導用板書細致講解，一些比較容易理解的概念可以用幻燈放映帶過即可，沒必要在學生已經熟悉的簡單的知識點上做冗長的陳述。另外對于師范類學生可以鼓勵他們自己課下準備教案課件，一個學期抽出適當的課時給學生，讓他們走上講臺。這樣既鍛煉了他們的心理素質，為他們日后做教師這一工作積累一定的經驗。同時也激發了他們自身學習的積極性，他們必然會在課下認真看書，遇到困難會查閱相關資料或者與其他同學討論，這也是對他們自主學習能力的一種很好的鍛煉。
3.注重理論的應用及知識間的融會貫通
熱力學統計物理學教師不應該只是為了完成教學任務在規定時間里將一本教材的理論知識原封不動地講給學生，而是清楚知識之間的融會貫通，靈活運用已知的知識來引出未知的知識點。比如，在介紹均勻物質的熱力學性質一節中麥克斯韋關系及四個基本方程時，可以將熵（S）、壓強（P）、溫度（T）及體積（V）分別用英文單詞sun（太陽），peak（山峰），tree（樹）及valley（山谷）表示，然后繪出一個圓（圓的上端為S，下端為T，左端為P，右端為V，箭頭方向為從上到下，從左到右），可以用一個英文句子來記憶箭頭的方向：The Sun is pouring down his rays upon the Tree，and the brook is flowing from the Peak to the Valley，然后利用基本方程及麥氏關系的記憶方法就可以輕松地掌握這兩部分知識，這樣既建立了英語與熱力學統計物理學之間的聯系，又激發了學生的學習興趣。同時教師應該注意熱力學統計物理學理論知識與實踐應用之間的聯系，比如，熱力學熵的概念，完全可以將其拓展，有生物熵、信息熵、農業熵，還可以涉及熵與能量品質及社會的關系。
綜上所述，提高教師自身素質，改變傳統教學模式，激發學生學習主動性，注重理論與實踐和熱力學統計物理學課程與其他學科之間的聯系，相信學生會對該課程更感興趣，并且會提高分析、解決問題的能力。
參考文獻：
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[3]汪志誠.熱力學與統計物理[M].4版.北京：高等教育出版社，2003.
1設計指導思想
工程熱力學是動力、熱工等工科專業重要的技術基礎課，而且是能夠直接用于工程實際的技術學科。通過本課程的學習，可以開發學生的智力，培養學生敏銳的觀察能力、豐富的想象能力、科學的思維能力，并為后續專業課程的學習和解決工程實際問題提供基本理論和方法。
在工程熱力學課程中，很多基本概念、原理和方法都是通過實際的形象物體經抽象化或再加數學演繹而建立的。許多基本理論都是經過實踐而又被實際所驗證的客觀真理，所以該課程實踐性較強。
大量的練習、有比較熟練的教學經驗的教師是工程熱力學學習的基本要求。深化教育改革要求加強實踐教育，大幅度壓縮課堂教學時數，對課程教學方法提出了新的要求。工程熱力學教學網站將為此做一些探索。
基于.NET的工程熱力學教學網站是以B/S模式為工作方式，利用校園網傳輸的輔助網絡教育系統。網站集成了工程熱力學各種教學資源，實現了教學信息網頁化，在線考試，人機交互，在線討論、答疑等功能。本系統旨在成為教與學時間和空間上的延伸，借助網絡優勢，幫助學生更好地學習工程熱力學。
2網站設計
2.1設計目標
工程熱力學對學生的素質培養和知識結構具有重要的作用，也是學生普遍反映較難學且枯燥的一門學科。隨著現代信息技術的發展及其在教學領域的運用，采用網絡技術改進工程熱力學教學，成為工程熱力學這門學科教學改革的重要課題。
工程熱力學學習網站設計目標是利用計算機網絡實現工程熱力學課堂輔助教學，建立一個基于WEB的網絡教學環境，充分發揮網絡技術優勢和多媒體先進的表現手段，實現信息資源共享，體現工程熱力學網絡教育的仿真性、交互性和實踐性，營造良好的學習環境和氣氛。具體而言，是以學習網站為平臺，建立一個工程熱力學的學習園地，使學生通過網絡掌握工程熱力學基礎知識；開發一個在線考試系統，由系統按照要求自動組題，制作動態網頁實現網上模擬測試，能及時給出測試分數，能使學生自我評估，實現梯度教學，滿足學生不同的學習要求，激發學習動力；制作課件，調動學生學習的自主性、積極性，發揮網絡教育的優勢。每章節附有詳細的解題幫助，可適時獲得解題指導；學生可與教師交換信息，相互留言，建立遠程教學的溝通渠道；教師可以通過網站建庫、組題、擴充和修改題庫資源，可調閱試卷進行教學講評，可以查閱學生對各類問題的訪問情況，了解練習中的熱題、難題，獲取教學的反饋信息。系統數據庫可作為習題課、討論課的豐富資源。
2.2整體設計
工程熱力學教學網站將實踐性、交互性、操作性、仿真性應用于網絡教學，力求運用多媒體計算機技術和網絡技術，充分利用在線學習交互性強的特點，幫助學生順利完成課程的學習。
2.2.1教學設計
教學設計以分析教學需求為基礎，確立解決教學問題的步驟，對教學內容確定教學方法。首先通過“步進教程”準確掌握基本概念的基本定義，明白這一概念說的是什么，然后通過“專題講解”進一步了解這些基本概念的實質。用比較的方法，分析與某一基本概念易混淆的其他概念和說法。澄清或糾正自己過去模糊或錯誤的概念。通過“輔導和答疑”中的思考題、討論題及習題訓練，加深對概念的理解。最后能用自己的語言準確敘述概念的定義及實質。
工程熱力學教學內容參考高職高專規劃教材,主要包括以下內容：熱力學系統、熱力學第一、二定律、基本熱力學關系、理想氣體性質、四種基本熱力過程、多變過程、壓氣機工作原理、卡諾循環、往復式內燃機理想循環等。
網絡教育模式中，調動學習者的學習主動性和積極性至關重要。要求選擇合適的教學媒體，創設具有吸引力的教學環境，具有科學性和趣味性，給學生以極大的吸引力，激發學生學習的熱情。
2.2.2開發環境
2.3.1網站首頁
根據工程熱力學的教學特點和功能模塊的設計要求，設計出如圖1所示的網站首頁。
2.3.2主要模塊功能
（1）學員管理模塊：主要提供老師給學員設定登錄帳號和密碼及訪問權限，通過查看學員登錄日志，可以了解學生訪問網站的情況如圖2。同時也提供各學員修改訪問密碼的功能。
（2）步進教程模塊：是主要教學模塊，介紹了課程的基本概念和主要知識點。基本內容以章節目錄編組，實現教材的電子化和多媒體化。內容以文字、動畫和圖形形象直觀地講解基本知識，指導和幫助學生克服學習的困難，提高分析問題和解決問題的能力。
（3）專題講解模塊：選擇教材中的重點和難點進行強化講解。主要方法是制作大量完善的flas以及教師授課實況視頻。對教材中的重點難點分析提煉，細致講解，并用flas演示解題思路，給出分析提示。有針對性地突出重點，分散難點，深入淺出，生動形象，為學生釋疑解難。實驗是工程熱力學不可缺少的重要組成部分，對部分實驗制作了flash模擬動畫、3DMAX實體。通過文字、圖片、動畫等手段展現實驗內容，加深學生對實驗原理的理解，為學生在實驗室親自動手提供初步認識。
（4）輔導答疑模塊：輔導是針對學生不易理解，容易出錯之處，特別對課程要求的計算試題類型重點介紹，突出重點，層層指點，幫助學生理解和掌握，為學生有的放矢地復習并順利通過考試創造條件；答疑是針對學生學習過程中的提出疑問，通過即時消息和留言板的形式實現教師和學生、學生和學生之間的實時信息交流。教師可以當即一一回答問題，對于一些具有代表性的問題，也可以集中回答，同時學生可以查詢、檢索，避免了教師的重復性勞動。
（5）知識博覽模塊：是書本知識的擴充，提供大量的相關內容，以提高學生學習的興趣和增加學生的知識面，從而落實素質教育的要求。
（6）習題訓練模塊：依據書本章節，為每一章節內容編制了適量的習題，使學生通過練習來鞏固所學的知識。每一練習都有答案及詳細講解。#p#分頁標題#e#
（7）在線考試模塊：為學生提供一個進行學習效果測試的平臺，同時通過測試結果的實時反饋，協助學生對所學知識的程度進行自我檢查，提高學習的效果。使用SQLServer2000開發試題數據庫，制作動態網頁實現網上模擬測試，能及時給出測試分數，實現自我評估功能。
2.4安全性設計
工程熱力學學習網站設計目的是輔助教學和學生自主學習，為減少任課教師工作量，暫時只對開課班級學生開放。由教師給學生分配帳號和密碼，設定權限，只有合法用戶才可以登錄系統瀏覽相應頁面。
用SQLServer2000設計了一個學生信息表，用來存放學生帳號、密碼及基本情況見圖3。用戶只有在登錄頁輸入正確的用戶名和密碼才能登錄，登錄頁面如圖4。
3系統實現
工程熱力學學習網站以B/S體系結構作為基本框架，由客戶機、WEB服務器、數據庫三個層次組成如圖5。動態網頁通過技術制作，用C#語言編寫后臺代碼，利用訪問后臺數據庫。
.NET是微軟公司提出的一種分布式運算的框架，以XML為基礎，以Web服務為核心，輔以其他各種技術實現，意在利用Internet上強大的計算資源和豐富的帶寬資源，提高工作效率。.NET框架提取出微軟組件對象模型COM的精華，將它們與松散耦合計算的精華有機地結合在一起，生成了強大、高效的Web組件系統：簡化程序員的“管道”操作，深入地集成了安全性，引進了基于互聯網的操作系統，極大地改善了應用程序的可靠性和可擴展性。.NET框架由三個主要部分組成：通用語言運行庫CLR(CommonLanguageRuntime)、.NET架構類庫FCL(FrameworkClassLibrary)和。
3.1.1通用語言運行庫CLR
它是.NET的核心，負責提供執行環境，管理代碼的執行并提供各種服務。在組件運行時，運行庫負責管理內存分配、啟動或者中止線程和進程、強化安全系數，同時還調整任何該組件涉及到的其他組件的附件配置。
架構類庫FCL
它是一套可以使用的統一的面向對象、異步和層次結構的可擴展類庫，可以與通用語言運行庫緊密集成在一起。FCL由一個提供類、結構、接口、枚舉和的層狀命名空間組成。通過創建一套跨編程語言的通用API,.NET框架可以實現跨語言繼承、糾錯處理以及程序調試。實際上，從VisualBasic到C++的所有編程語言，對于.NET框架都是相互等同的，開發人員可以自由地選擇他們想使用的任何語言。
它是創建基于Web的應用程序的模型，該模型由一組控件和一個基本結構組成。其中，控件集中封裝了公共的、用于超文本標識語言(HTML)用戶界面的各種小組件(諸如文本框、下拉選單等等)。有了,Web應用程序的構建變得非常容易。
數據庫連接
是Microsoft推出的以.NET框架為基礎的數據操作模型。并不是ADO的下一個版本，而是提供了一種新的基于離線數據和XML的數據操作方法。
工程熱力學學習網使用設置在Windows下的IIS服務器，數據庫使用SQLServer2000，使用實現數據庫連接。
關鍵詞 工程熱力學 教學 策略
【中圖分類號】G712
一、工程熱力學的特點
工程熱力學是熱能與動力工程、化工機械及油氣儲運等許多工科專業的專業基礎課，是這些專業的學生進行專業課程學習的基礎，在高等院校教學工作中占有重要地位。工程熱力學是熱力學最早的一個分支，主要是研究熱能與其它能量之間相互轉換規律及其應用的一門學科。工程熱力學包含的內容較多、理論性和實踐性都很強、熱力學理論和公式較繁雜、很多內容比較抽象，對于剛接觸這門課的許多大學生來說是非常難的一門課程。雖然工程熱力學和傳熱學同為專業基礎課程，但其學習難度要遠高于傳熱學，因為傳熱學的主要內容就是傳導、對流和輻射等三種傳熱方式，而工程熱力學中既包括熱力學三大定律、各種工質的熱物理性質，還包括郎肯循環等各種熱力循環。基于工程熱力學學科的上述特點，必須積極探討工程熱力學課程的有效教學方法，不斷提高學生的學習效果，達到真正掌握工程熱力學知識的目的。
二、工程熱力學的教學方法
要做好工程熱力學的教學工作，必須改進傳統的課堂教學方法，通過教學法的改進來不斷增強學生學習的興趣和對知識的理解掌握程度。筆者根據自己多年的教學經驗，認為在工程熱力學的教學過程中可以采用以下幾點策略。
1、明確工程熱力學教學的目的
在教學的過程中，老師應該對工程熱力學有一個明確的定位。工程熱力學是一門專業基礎課，因此教學的首要目的是讓學生對工程熱力學的知識有比較牢固的掌握。但與此同時，老師應該對教學目標有更高的要求，由于工程熱力學的特點，學好這門課非常有利于培養學生的發散思維和分析問題、解決問題的能力，也就是說可以通過這門課使學生學會分析問題的方法，為他們今后的工作和科研打下良好的基礎。雖然高職院校的學生底子普遍比較薄弱，但通過正確的引導也會使他們在學好課本知識的同時使自己的綜合素質得到提高。如在學習熵的概念時，由于這個概念比較抽象，很多學生可能會比較困惑，這時老師應將課本內容與社會現象相結合，組織大家辯論社會的發展符不符合孤立系統熵增原理。同學們通過積極的辯論，不僅可以加深對熱力學中熵的概念的理解，而且也提高了他們學習熱力學的興趣，鍛煉了他們的思維能力，使教學效果得到顯著提升。
2、在教學過程中運用好現代教學手段
現代技術特別是計算機和信息技術的發展使得多媒體教學的應用也越來越普遍，但與此同時也出現了許多問題需要解決，最典型的就是多媒體教學成了老師的閱讀式教學和學生的瀏覽式教學，一堂課下來學生并沒有收獲多少東西。因此，在多媒體教學的過程中老師必須要認真準備自己的電子教案。在電子教案的制作過程中必須要根據工程熱力學課程的特點引入大量的信息和動畫，這樣便于學生對所學的內容有一個直觀的認識，如在學習郎肯循環時，通過向學生進行動畫演示，可以使學生對該循環的流程和循環過程中所涉及到的設備有一個非常清楚的了解。另外，在制作多媒體課件的時候，老師必須要注意揚長避短，大到內容的收集與調整、小到字體的顏色與大小等問題必須要認真對待。在多媒體教學的過程中必須將老師、學生、課件及教材作為一個有機的整體來考慮，使教師成為整個教學過程的組織者、學生成為工程熱力學知識的主動構建者，多媒體僅僅是教學的工具和輔助手段，并不能替代教師的作用，教學過程中仍然要以老師為主導和學生為主體。
3、積極在課堂教學中開展“研究型”學習的模式
高等職業院校培養的是實踐性和應用性比較強的人才，因此在課堂教學中必須貫徹“學以致用”的教學理念。就以熱力學第二定律的學習為例，雖然熱力學第二定律僅僅是簡單的一句話，但該定律卻是用來判斷熱力過程能否進行的重要依據。利用該定律學生很容易對基本的物理現象進行判斷，如熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體等。但在熱力系統比較復雜的情況下，很多學生往往不知如何下手去判斷該過程能不能進行。在進行該部分內容的教學時老師應多結合具體的案例，讓學生根據課本的知識去判斷有些表面看起來可以實現節能的熱力過程能不能實現。如可以讓學生討論汽輪機做完功的乏汽有沒有利用的價值，因為這是很多沒有學過工程熱力學的人經常會提出的問題，要解決這個問題，就需要學生有一個宏觀的思維，對郎肯循環的整個過程有深入的了解，多進行類似的“研究型”學習，可以使學生將自己的所學用到實踐中去，真正達到學以致用的目的。
4、教學手段多樣化，提高學生的綜合學習能力
一個好的老師教給學生的是終身學習的能力，而不僅僅是給學生書本上的知識。隨著科學技術的迅速發展，知識更新的速度越來越快。高職院校的學生畢業后大部分從事的都是一線的技術工作，由于技術更新換代的速度非常快，因此這就對他們的學習能力提出了更高的要求。由于工程熱力學的內容十分豐富，并且只要涉及到能源的行業都能用上工程熱力學的知識，這為工程熱力學教學手段的多樣化提供了非常便利的條件。在教學過程中除了讓學生學好課本知識和進行必要的習題訓練外，可以給學生布置實踐性比較強的大作業，大作業的形式可以多種多樣。如可以讓學生就熱力學中的某個熱點問題進行文獻調研，根據自己查找的資料寫成報告；在學習完熱力學中的主要熱力循環過程以后可以讓學生自己設計理論上可以實現節能的熱工設備等；另外，還可以讓學生針對某個企業的能耗特點進行分析，找出其中潛在的節能潛力并提出實現的方案等。通過以上多種多樣的教學手段，不僅可以使學生對基本的理論知識有了更好的掌握，而且也真正培養了他們的綜合學習能力，對他們順利完成大學學業及今后的工作都有著巨大的幫助作用。
三、結語
結合自己多年的教學經驗，從幾個方面提出了做好工程熱力學教學工作的措施。由于篇幅所限，僅就幾個主要方面展開論述，希望能為從事工程熱力學教學工作的大學老師提供一些有益的參考。
參考文獻
工程熱力學課程的特點是理論性強、概念抽象，教學難度大。在缺少專業工程背景的情況下，學生在學習過程中普遍感覺較為困難，甚至茫然不知所云。如何使學生能夠較好地掌握教學內容及熱力學基本內容，是工程熱力學課程教學的根本所在。在多年的教學過程中，我們發現在課堂教學中，除了需要借助優美的PPT多媒體課件來展示熱力學過程，更需要激發學生學習熱力學的興趣，在引入一些工程實例的基礎上，激勵學生去思考，及時地與學生就教學內容進行討論，促進學生對知識點的掌握和領悟。與常規教學方法相比，課堂教學不再是文字、公式的羅列，PPT動畫的簡單演示，而是把教學的核心放在啟迪學生對熱力學概念、原理的思考及把握上，使學生在學習課程內容的同時，熟悉熱力學的系統內容、章節間的邏輯關系、基本原理等，形成對熱力學的一種系統的總體的認識和把握，而不是零散地去背誦記憶一些片段。通過這種激勵啟發式的教學，使學生做到理論和實際工程案例的結合，從而使熱力學知識很好地固化在學生的大腦中，并且達到靈活應用的目的。激勵啟發式教學，需要教師在課堂教學前充分準備，精心設計課堂教學內容的每個環節，圍繞章節內容中的重點知識內容，設計問題及啟發實例，并完成課堂互動討論的教學組織，在此過程中需要教師飽含激情和較好的耐心，使學生在嚴肅活潑的氛圍中掌握熱力學的相關知識。
二、改進課堂教學PPT，增加工程實例
工程熱力學作為一門專業基礎課，與工程實際密切相關。在教學過程中，需要有很多的工程問題作為背景。以教科書為單一內容的PPT演示，并不能滿足課堂學生學習的需要。為了提高學生學習熱力學的興趣及深入掌握熱力學知識，迫切需要在傳統課件中加入工程實例，利用多媒體技術全面展示熱力學的工程應用，使學生在工程案例的演示中發現并體會工程熱力學的重要性及美感。通過工程案例的學習，使課堂教學內容圖文并茂，聲像結合，使學生在多方位、立體化地形成認知并達到對熱力學知識的理解、分析、記憶、掌握和應用。對于熱力學工程案例，我們選取了真空做功、制冷循環，內燃機等工程機械作為實例，進行詳細分析和講授。工程案例的引入，將實際生活中與熱力學相關的問題引入到教學中，用所學知識來解釋工程問題，在講解中讓學生明白熱力學知識可以解決本專業涉及的實際專業問題，從而實現“從理論中來，到實踐中去”，實現對創新型人才的培養。
三、將工程熱力學的學習融入大學生創新項目中
在創新型人才培養中，需要提升學生運用基礎理論進行學術研究的能力和具有工程應用背景的有關開發、設計的能力。大學生創新項目的實施，有利于促進高校培養具有創新意識和能力的新型人才，促進高校探索并建立以科研活動為中心的教學模式，倡導以學生為主體的本科人才培養和研究性學習教學改革，充分調動學生主動學習的積極性、創新思維和創新意識，同時在項目實施中使學生逐漸掌握思考問題、解決問題的能力。結合大學生創新項目，結合建筑環境與能源應用工程的專業特點，在指導學生大創項目時，將熱力學第一定律、熱力學第二定律和卡諾定律應用其中，使學生明白能源利用的守恒性，以及如何提高熱力循環的效率，減少不可逆損失，這些都成為學生應用所學知識來解決實際問題的一種鍛煉。學生在科研項目中，深化了對熱力學知識的認識，同時提高了自己思考問題、解決問題的能力。同時，鼓勵學生積極參加各類挑戰杯、建筑節能比賽、機械創新設計大賽等，通過這些競賽活動進一步提升自己的創新能力。
四、改進課后作業完成形式，增加分析報告
工程熱力學課程是一門實踐性很強的課程，其中很多理論已用于工業過程。因此，在課后作業中，需要對傳統布置練習題來檢驗教學成果的方式進行改進，增加一些實際工業循環的實例，讓學生通過分析其所應用的原理，提交分析報告，并指出該工業過程效率提高的方式和途徑，以這樣的方式來激發學生學習的興趣，提高學生理論聯系實際的能力。同時，精選一些課后習題，通過詳解的方式，激發學生的創新意識和解決問題的能力，進一步促進創新型人才的培養。創新是實現社會持續不斷向前發展的原動力，也是培養和造就一大批素質過硬、勇于創新的新世紀人才，保證國家高速發展的有力保障。創新能力的培養來自于理論和課堂，更在于理論和課堂之外的親身體會和具體的實踐操作。
本文從工程熱力學教學與工程實例結合，與科研活動結合，改進課堂教學組織模式和課后作業完成形式等方面，探討了以培養創新型人才為目標下的工程熱力學教學改革與實踐，希望能夠進一步提高工程熱力學的教學質量和效果。
作者:高蓬輝 張東海 王義江 黃 煒 單位:中國礦業大學力學與建筑工程學院建筑環境與能源應用工程系
參考文獻：
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關鍵詞：《材料熱力學》；教學效果；教學內容；教學方法
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A ？搖文章編號：1674-9324（2013）41-0107-02
《材料熱力學》是材料科學與工程專業的專業基礎課，是一門理論性和應用性較強的課程。通過《材料熱力學》課程的學習，學生能夠掌握《材料熱力學》的基本概念和理論，并利用《材料熱力學》進行相變、表面和界面等的分析和研究。然而《材料熱力學》具有概念多而易混淆、公式多而難記憶以及內容抽象難懂等特點，學生系統掌握該課程的內容比較困難，本文嘗試對教學內容和教學方法等方面進行探索，以提高《材料熱力學》課程的教學效果。
一、教學內容與實踐相結合
1.突出應用目的。本科《材料熱力學》教學重點在于熱力學基本原理及其在相平衡、表面和界面等領域的應用。由于學生在學習材料熱力學之前，已經學習過物理化學等課程，因此講授《材料熱力學》時，應將重點放在運用熱力學基本原理解決材料科學中的問題這一方面。在熱力學基本原理這部分內容的講授中，為了理論體系的完整性，我一般會對重要的定理和公式進行簡單地推導，使同學掌握基本原理的來龍去脈，而對于其他的定理和公式，我一般簡單分析一下它們的內涵和適用范圍，不做詳細的推導。我把熱力學原理在材料科學中的應用作為我的講課重點。我使用江伯鴻編寫的《材料熱力學》這本教材中有很多例題，但是我重點挑選與相變有關的典型例題來講解，比如：選擇熔化和凝固過程的熱量計算以說明熱力學第一定律在計算相變熱效應的應用，選擇熔化和凝固過程的熵變或自由能變化計算以說明熱力學第二定律在判斷相變方向的應用等，以突出《材料熱力學》課程以熱力學基本原理解決材料科學問題的講課重點。
2.增加科研和生產方面的內容。筆者經過幾年的材料熱力學的教學實踐，總結出：在教學過程中教師必須將科研和工程案例與教學內容相結合，這樣不僅讓學生在科研和工程案例中理解材料熱力學的基本概念和原理，同時了解理論對實踐的重要指導作用，激發學生的學習興趣。我們學院的一些學生承擔本校激光研究所鈦基激光熔覆層方面的大學生創新項目，我在講解自由能判據這部分內容時會引入這方面的實例，比如：為什么添加B4C的鎳粉在高能激光照射下會在鈦基體中形成TiB和TiC增強相。我的一個科研項目是有關碳纖維/銅基滑動軸承材料粉末冶金制備工藝的，我將這部分科研內容引入到表面和界面這一章中，向同學們講授為什么粉末冶金法制備碳纖維/銅基復合涂層時要使用表面預鍍銅的碳纖維為原料。我還經常將企業的生產內容融入到《材料熱力學》的教學中，比如我將人造金剛石的生產過程引入到封閉體系的熱力學基本方程這一章的教學中，以說明公式（？墜G/？墜T）P=-S和（？墜G/？墜P）T=V的應用；我還將氧化鋯生產過程中氯化銨廢水的處理和循環使用這部分內容引入到滲透壓的教學內容中，說明如何根據氯化銨廢水中離子的濃度計算出滲透壓，進而為反滲透設備中泵的選型提供依據。
3.增加實驗教學的內容。實驗教學是高等學校教學中的重要內容，具有直觀性、實踐性和客觀性的特點。以實驗作為主要手段進行的教學活動，可以揭示自然科學現象、驗證科學規律、探索未知、發展科學，更為重要的是在實驗中能夠培養學生務實求真的科學態度。我使用江伯鴻編寫的《材料熱力學》這本教材中沒有實驗教學方面的內容，為了彌補這一缺陷，我增加了“差示掃描量熱法測量材料的比熱容”和“計算機在相圖計算中的應用”等實驗內容。《材料熱力學》的實驗教學應達到以下目標：①幫助學生掌握《材料熱力學》的基本原理；②讓學生初步了解科學研究的方法；③培養學生自主解決問題的能力。因此在實驗教學過程中，①強調實驗課前的預習，要求學生根據實驗指導書寫出預習報告；②實驗過程中的檢查學生操作情況，要求學生獨立操作，如實記錄實驗數據；③教師課后批閱實驗報告，鼓勵學生在實驗過程中發現問題、提出問題和解決問題。
二、改進教學方法
1.討論式教學。我會結合剛講授過《材料熱力學》知識，設計一些與科研和工程密切相關的問題，讓學生以小組的形式相互討論共同完成。在下次上課時，我會讓某個或某幾個小組推舉同學上臺講解，其他同學提問，最后老師點評和總結，以培養學生自主解決問題能力。
2.多媒體教學。筆者在講授《材料熱力學》時，通常采用板書的形式，因為我覺得板書能將公式的推導和例題的計算一步一步清晰地展現出來，讓同學們能清楚地了解老師的解題思路。采用多媒體教學能提供形象、生動、直觀的畫面和視頻，增加信息量，節約教師板書和畫圖的時間，提高講課效率，我曾經嘗試過使用多媒體來展示解題過程，但效果并不理想。近年來，我傾向于以板書為主，多媒體為輔的教學方法。我一般將課堂要講述的主干內容用板書簡單、扼要、清晰地列在黑板上，使同學跟上老師的講課思路，對于一些抽象難懂的概念，我經常找一些圖片和視頻，使講授的知識更直觀、形象和生動。
三、改進考試方法
考試是知識水平的鑒定方法，大學階段的考試成績與學生評優、畢業甚至就業直接相關，學生的學習過程大多圍繞考試這根指揮棒轉，因此如何用好考試這根指揮棒，對提高教學效果至關重要。我傾向《材料熱力學》采用開卷考試的考核方式，在試題的設計上，避免出一些填空和名詞解釋等一些死記硬背的題目，而出一些判斷題和選擇題等靈活運用熱力學基本原理解決問題的題目，問答題和計算題都是與材料科學具體問題相關聯的，必須掌握熱力學基本原理及其實際應用才能正確解答。我希望通過這種考核方式，改變學生在應試教育下形成的學習方式，明確學習目的，提高自身運用知識解決實際問題的能力，養成獨立思考的習慣。
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關鍵詞 工程熱力學 教學方法 教學質量 實踐
中圖分類號：G420 文獻標識碼：A
Research and Practice of Teaching Method on "Engineering Thermodynamics"
ZHANG Yong, LIU Yiwen, FU Lijuan
(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)
Abstract Engineering thermodynamics the basic course is to train engineering students' scientific quality in the 21st century, but also important technology-based course of heat and power engineering and related fields. Articles with "thick foundation, wide caliber" of education reform ideas, the teaching practice, from the curriculum, teaching content, teaching methods and means of performance evaluation, etc., made a number of reform ideas and methods. Teaching should be a clear learning objective, integration of knowledge structure, and update course content to highlight and to grasp the dynamic interdisciplinary research, focusing on integrating theory with practice, to strengthen the practice of teaching, in order to facilitate a comprehensive evaluation of teaching quality.
Key words engineering thermodynamics; teaching methods; teaching quality; practice
工程熱力學是一門以熱力學普遍原理為基礎，講述熱能與其他形式能量（主要是機械能）之間的轉換規律及其工程應用的基礎學科，是動力、能源、機械、材料、航空航天、生物（醫學）、化學以及環境工程等專業的重要技術基礎課，也是培養21世紀工科學生科學素質的公共基礎課。
然而長期以來，由于工程熱力學的概念抽象、理論深奧，對知識的理解和掌握有一定的難度，造成教師不易教，學生也不易學。學生對很多概念似懂非懂，缺乏學習興趣，教學效果欠佳。顯然，如何教好“工程熱力學”，使學生掌握熱力學基本原理及其工程應用，已成為該課程教學的關鍵。
1 課程特點及學習中存在的問題
工程熱力學是以熱力學普遍原理為基礎，針對具體問題采用抽象、概括、簡化和理想化的方法，建立分析模型，推導出一系列有用的公式，得到若干重要結論，并用這些公式和結論指導和解決工程實際問題。其顯著特點如下：
1.1 概念多且抽象難懂
工程熱力學不但概念多，并且概念的物理意義在不同使用條件下又有不同的引申，學習中很容易混淆。例如，功的概念，有體積變化功、有用功、排斥大氣功、推動功、流動功和技術功等等。熱容的概念，既可從定義出發分為質量熱容、摩爾熱容、體積熱容；又可按熱力過程的不同分為比定壓熱容和比定容熱容；還可以根據熱量計算方法的不同分為真實比熱容、平均比熱容和定值比熱容等。熱力系統的概念、熱力過程的概念和循環的概念等也是如此。
工程熱力學的概念、定律和分析過程較為抽象，都不涉及物質的具體結構，初學者很難深入領會。而且工程熱力學的很多概念和結論都是用數學公式來表達的，且推導過程并沒有結合具體的物理過程，而僅僅是通過數學關系式間的變換得出其物理結論。例如，從熵的定義式來看，熵應該與換熱量和系統溫度有關，但定義式又是怎樣反映熱過程進行的方向、限度和條件呢？由于學生以前很少接觸用數學語言描述物理概念的方法，普遍感覺熱力學的概念抽象難懂。
1.2 內容相互交叉且難理解
工程熱力學的研究內容也很多，主要包括熱力系統、狀態參數等基本概念，熱力學第一、第二定律等基本定律，常用工質的性質，過程和循環的分析及計算方法，化學熱力學等等。有些章節的內容還可以單獨成為一門學科方向，如研究燃氣動力循環的內燃機學，研究氣體流動的空氣動力學等。
可見，這些具體的研究內容，即與熱力學的基本原理相關聯，又引伸出許多復雜的公式和結論，還有自己相對獨立的結構體系。在學習過程中，學生普遍感覺課程的內容繁多，應付不暇，難于理解，顧此失彼。
1.3 公式應用條件復雜且難記憶
工程熱力學與工程實際問題聯系密切，涉及面廣，公式很多。即使同一個公式，在不同的應用條件下，也有很多不同的表達形式。例如，熱力學第一定律對于閉口系和開口系有兩種不同的表達式；對于可逆過程也有不同的表達形式；對于理想氣體的可逆過程還有不同的表達形式。這么多不同形式的公式，許多學生很難吃透公式的物理意義和具體的應用條件，在遇到熱工實際問題時，往往無法確定選用哪一個公式，靈活應用就更不用說了。
2 明確學習目的，激發學習興趣
興趣是學習的動力源泉之一，教學成功的關鍵是培養學生的學習興趣。教師可以從多個方面激發學生學習的興趣，但最重要的就是在第一堂課上讓學生明確學習的目的。教師除了要對工程熱力學的發展歷史，主要研究對象、內容和方法作一個常規的介紹外，還應對課程的開設情況、課程的實用價值和重要作用進行深入細致的闡述。首先，熱現象幾乎是每一個工程領域中都會碰到的物理現象，能量的有效與合理的利用幾乎是每一個工程師都需要解決的問題。在一些領域中，熱現象的規律還是制約技術發展的瓶頸問題。所以，在境內外的高等工程教育中，傳熱學、熱力學與流體力學課程的開設相當普遍。其次，無論從工業生產過程來看，還是從節約能源消耗來看，理工科學生都應該具備合理節能、用能的意識，并懂得其基本的應用技術。而熱工類課程的內容就是合理用能及節能理論中的最基礎與最核心的部分。最后，還應結合生產和生活中的實例，讓學生明白學到的熱力學知識可以解決和解釋很多實際問題，特別要強調專業與課程的聯系，和實際問題在課程中的理論基礎。這樣，才能使學生明確學習《工程熱力學》的專業目的性，對學習該門課程充滿期待。
3 教學方法的改革與實踐
實踐證明，提高課程教學質量的關鍵是改進教學方法。針對工程熱力學課程的特點，經過探索發現，實行啟發式教育，在課堂上加強互動，就一兩個中心問題展開討論，讓學生在思考中吸收新知識。先進的教學方法既可活躍學生的學術思想，激發學生的創新精神，又可顯著提高本課程的教學質量。
3.1 整合知識結構，優化課程體系
調整后的新專業所牽涉的知識結構比以前廣泛的多，要求學生掌握的知識面也比以前更寬。從培養復合型人才考慮，在不增加學時數的基礎上，應對課程體系進行優化和整合。
教學內容應提高起點、后移重點，簡化大學物理熱學中已涉及的部分內容，并略去繁瑣的公式推導。強調課程體系中理論與應用的有機結合和相互滲透，注意培養學生工程應用的觀念。同時，適當地介紹新型制冷循環、新型節能材料的工質熱物性等，本學科的最新研究成果及其應用，以擴大學生的知識面，啟發學生的創造性思維。另外，注意與其它課程之間的協調，上掛高等數學、理論和材料力學等基礎課程，下掛內燃機原理、鍋爐原理、供熱工程、制冷工程等專業課程，保證其作為技術基礎課程能為后續課程的學習、今后的工作和進一步的研究奠定扎實的理論基礎。
3.2 突出重點，精講多練
在課堂教學中，根據工程熱力學的特點和教學改革的要求，應采用精講多練的教學方法。這是因為，課程的內容多而課時少，教學中也不可能做到面面俱到，而某些原理在后續專業課程的學習中還會應用，授課時應有所側重，實行“精講”；課程有諸多應用條件復雜的公式，只有通過多做練習，才能深入理解公式的物理意義、變換規律及具體應用條件，做到融會貫通，靈活的應用它們來分析解決工程實際問題。
3.3 正確應用圖表，化抽象為形象
圖表具有直觀、形象、方便的特點，在工程熱力學中有其特殊的作用，應用也是經常性的。因為有些熱力過程或循環十分復雜，一般的分析計算根本不可能，只能憑借各類繪制的圖表進行計算；借助圖表還可利用計算機進行數值計算和模擬。所以，引導學生正確使用圖表是工程熱力學教學中應該特別重視的。
在剛開始接觸簡單的P-V圖、T-S圖時，為了給理解水蒸氣和濕空氣的圖表奠定基礎，就應提醒學生注意圖表的作用和細節，如怎樣在圖上區分吸熱、放熱，對內、對外作功；怎樣在圖上表示熱過程的方向等等。在介紹水蒸氣的h-s圖和濕空氣的h-d圖時，應重點說明它們的構圖原理，并通過各種等值線簇的繪制，講解各參數的變化規律。另外，為了讓學生掌握各種圖表的使用方法，還應安排一定數量的、通過圖表進行熱力計算的習題。
3.4 利用計算機輔助教學，促進師生互動
工程熱力學課程內容含有許多抽象的工作原理圖、系統循環圖。常規的板書教學浪費時間效果也不太理想。如果把這部分內容制作成集聲、光、色、圖、文于一體的多媒體課件，既直觀形象，又新穎生動。不但可加強授課的生動性，激發學生的學習興趣，還可加大教學信息量，增加單位時間內授課內容的深度和廣度，有利于學生理解和記憶課程內容。例如，我們可以用多媒體課件演示各種熱過程曲線的生成，還可以利用計算機繪制水蒸氣的各種圖線，免除查圖、查表的麻煩。
總之，在課堂上進行形象直觀的教學，充分利用計算機輔助教學，發揮多媒體的作用，可以幫助教師有效地提高教學效果和教學效率，也可以改變學生死記硬背和被動接受知識的學習方式。
3.5 加強實踐教學，理論聯系實際
工程熱力學有較強的工程應用背景，在加強基礎理論教學時，還要注意緊密聯系工程實際，吸收當今熱工科技的新成果，培養學生的創新能力。
實驗教學具有直觀性強的特點，可以很好地配合課堂教學。除了開設“空氣絕熱指數的測定”、“飽和蒸汽P-T曲線關系的測定”等驗證性試驗外，還開設了綜合設計性試驗，要求學生根據試驗目的，自己設計試驗方案，寫出詳細的試驗，并選擇試驗設備和用具，經教師審查合格后，方可開始試驗，最后還要進行實驗誤差分析。通過試驗，一方面加深了學生對熱力學基本原理的理解和認識，另一方面也鍛煉了學生的動手能力和獨立分析問題、解決問題的能力。
在課堂教學中，還應注重理論聯系實際，把抽象的理論知識與生動的工程實際問題相結合，用熱力學理論剖析自然現象，做到學以致用。一方面，可以采用案例教學法。例如，用相對濕度的概念來解釋為什么陰雨天晾衣服不易干，而晴天易干；用熱效率的概念來解釋為什么用電爐取暖比用電驅動熱泵取暖浪費等等。另一方面，結合具體教學內容適時地向學生介紹學科的最新研究成果及其應用。例如，在講解動力循環時，可以選擇介紹目前內燃機利用蘭金循環回收廢熱能量，提高整機效率的方法。實踐證明，把教學內容與工程實際問題密切聯系的教學方法，可以加強課堂教學的前瞻性和趣味性，能有效調動學生的求知欲，使其由“被動接受學習”轉變為“主動研究學習”，對提高教學效果大有幫助。
4 強化考試對教學的推動作用
考試作為檢驗學生對課程內容掌握程度的標尺，關系到教學質量和效果。為了使考試成績能科學、客觀、公平地反映學生對工程熱力學知識的掌握和應用能力，同時調動學生學習的主動性和積極性，可采用學生普遍認可的綜合評定成績的方式，即平時成績占10%、考勤占10%、實驗占10%、期末考試占70%。
為了有效避免學生死記硬背概念、定律和公式，教師應綜合運用選擇題、判斷改錯題、計算題和綜合分析題編制試卷，靈活考察熱力學的基本原理及應用。這是因為實際問題往往非常復雜，需要學生靈活應用多方面的理論知識才能做出正確解答。對于那些基礎知識不扎實的學生，只是簡單記住了書本上概念、定律和公式，面對各種似是而非的敘述也會舉棋不定，做出錯誤判斷也不足為奇。
5 結束語
工程熱力學是一門充滿生機的經典學科，大量的經典內容仍是現代學子為培養創新能力必須掌握的重要基礎。由于課程具有概念多且抽象、知識點多且相互交叉、公式多且應用條件復雜的特點，教師要把這門課講得精彩很不容易。因此，如何有效的提高“工程熱力學”的教學質量、解決學生難學、教師難講的問題，是值得長期研究的課題。
針對我校熱能與動力工程專業課程體系的教學改革，并結合自己的教學實踐，通過以上的嘗試，有重點、有目的的講解，取得了一定的效果，希望能對提高本課程的教學質量有所貢獻。
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關鍵詞：工程熱力學；教學方法；教學手段；教學改革
作者簡介：裘薇（1976-），女，浙江臨安人，上海電力學院能源與環境工程學院，講師；朱群志（1972-），男，浙江臺州人，上海電力學院能源與環境工程學院，教授。（上海?200090）
基金項目：本文系上海市教育委員會重點課程建設項目（編號：20105302）的研究成果。
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）21-0062-02
工程熱力學是研究熱能和其它形式能量（特別是機械能）相互轉換規律以及提高能量轉換效率的一門學科，是熱能與動力工程專業的一門必修的主干專業基礎課程，也是學生開始接觸的第一門和熱能工程有關的課程。工程熱力學不僅為學生學習相關的專業課程提供必要的基礎理論知識和基本技能，也為學生日后從事熱能利用、熱設計、熱管理和熱控制等方面的專業技術和科學研究工作打下必要的理論基礎。
近幾年，隨著學校的不斷發展，上海電力學院先后開設了“熱動卓越工程師班”、“電廠自動控制”、“電廠測控”、“電廠核電”新專業和獲得了“熱能工程”碩士點的授予權。為了適應新時期人才培養及“085工程”的需要，教師除了繼續承擔“熱動專業”的“工程熱力學”教學任務外，還將面向“電專業”和研究生開設不同層次內容的工程熱力學課程，因此，為了提高本課程的教學質量，有必要對“工程熱力學”課程教學方法及手段開展更高層次的研究工作。
一、教學目標
根據專業人才培養的需要，“工程熱力學”課程的教學目標是通過本課程的學習，應使學生掌握工程熱力學的基本理論和基本知識，受到較強的基本技能訓練，能正確進行熱力過程和熱力循環的分析和計算。教學方向定位于基礎科學理論與工程實際之間的橋梁，著重培養學生應用基礎知識解決工程實踐問題的能力，為后續專業課的學習奠定堅實的理論基礎。課程的特點是：將工程熱力學作為一個整體來組織教學，并借助于現代教育手段、密切結合實驗與專業課程，進行完整、系統的教學。
二、教學改革采取的措施
教學方法和教學手段的改革是服務于課程體系和教學內容的改革，它是實現教學目標的重要措施。”工程熱力學”課程的邏輯性很強，各部分內容又交叉滲透，一環扣一環，而且概念抽象，是一門難教難學的課程，所以在教學的過程中，需要注意教學的方法和手段，使學生能較好又容易地理解教學內容。
1.教學方法的改革
（1）開展教學研討活動，理解教學思路。通過開展多次教師試講活動，對本課程的教學目標、教學要求、教學方法等有比較清楚的認識。教學目標要從學生專業課的學習以及職業發展的需求考慮。基礎課不只是為后續課程服務，為專業的學習服務，更重要的是培養學生的科學素質和科學思維方式，提高他們分析問題和解決問題的科學研究能力，使學生眼光遠、層次高、后勁足。教學上需要控制教學內容的難度。注意將教學內容及習題的難度控制在適當的水平，難度太大的習題，會過度加大學生的負擔，不提倡作為作業而布置。教學中需要清楚講述知識點產生的背景和來龍去脈，爭取用一條主線將各章節的內容穿起來，避免對知識點的孤立講授，避免學生孤立地理解知識。教學中需要介紹本學科在工業、民用及高新技術領域的一些應用實例，加深學生對基礎知識的理解，使學生充分認識本門課程的重要性，提高學習的興趣和積極性。
（2）注重學生應用能力和創新能力培養。在課程教學過程中注意理論聯系實際，注重工程應用。以往學生反映“孤立系統熵增原理和作功能力損失”這部分內容抽象難懂。在教學中可舉一個工程實例：大氣環境溫度為-10℃，為保持計算機房內20℃，需每小時向機房供熱7500kJ。若采用三種方式供熱：（1）電熱器；（2）電動機帶動熱泵；（3）溫度為80℃的熱水供暖，讓學生分析三種情況的熵增和作功能力損失。使用這種工程例子好處是：學生接觸的概念和原理不再枯燥空洞，而是富有工程背景和實用價值，可以使學生加深對這部分內容的理解。同時從實例的比較中，學生自己也可領悟出一個道理：對能量應從量和質兩方面綜合評價，才能真正找到節能途徑。
講述教材內容和工程實踐有機聯系。例如：制冷循環的原理與制冷裝置、冷藏庫、家用空調、電冰箱的聯系，濕空氣的相關知識在空氣調節、電廠冷卻塔中的應用，郎肯循環與火力發電廠實際循環等。通過介紹這種內在聯系，使課堂教學內容生動，幫助學生理解所學知識和原理在實際中運用。
改變以往全部由教師做習題點評的方式，請學生上講臺講演自己的解題方法，其他同學評判和討論。通過各抒己見，對比分析，最后達到“明辯是非”。教學實驗表明：采用這種做法，激發了學生學習興趣，學生的解題方法明顯增多，有些學生的解題思路相當活躍。
鼓勵同學撰寫生活中應用工程熱力學知識解決實際問題的小論文。指導學生關心身邊的熱力學現象，引導學生利用所學知識分析實際問題，鼓勵學生構思的創新性。通過這一環節使學生充分理解熱力學的方法，引起對相關領域的濃厚興趣，加強對學生理論聯系實際、提高科學素質，并且學生與老師互動、老師通過課外指導來因材施教。在2009年的試驗過程中，絕大多數學生撰寫了相關論文，達到了預期效果。
關鍵詞：熱力學第二定律實質；熵；不可逆；卡諾定理微觀意義
中圖分類號：TK123 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0181-03
熵是熱力學中一個非常重要并且抽象的概念，學生能否全面地、徹底地掌握第二定律，對熵概念以及熱力學第二定律實質的理解至關重要。
目前工程熱力學的教學中普遍存在一個問題[1，2]，就是熵概念的引入時機和方式。這些教材中，熵概念的第一次引出，即以其微分形式：dS=dQrev/T。熵的這個定義只給出了狀態函數熵的微分或熵變，并沒有熵的直接表達式[3]。這種只提出熵的定義，卻不闡明熵自身的物理意義的引進方式，使得學生對熵的物理意義全然不知，只是一味的死記硬背熵變計算公式。這時候的熵可謂是“千呼萬喚始出來，猶抱琵琶半遮面”。然而，在后期進入到熱力學第二定律的章節學習后，熵隨著第二定律的數學表達式又突然冒了出來，而且還花樣翻新，例如克勞修斯不等式：dS≥dQ/Tr。通常這個時候，學生開始犯糊涂了，與前面熵初次引入時的熵變定義式搞混了，而后緊接著還要推出孤立系統的熵增原理等，如果整體教學中缺乏清晰的主線和脈絡、不闡明不可逆引起熵增的實質原因，卻鋪開來廣講或一味地讓學生沉浸在大量的熵變計算中，效果差強人意，如很多學生常把孤立系統的熵只增不減理解為熵只增不減，或者不明白為什么處處可逆的卡諾循環的熱效率也不能達到百分之百。這樣的錯誤表明學生對熱力學第二定律尚未真正掌握。
熱力學第二定律的教學是從分析自然現象展開的：如打碎的雞蛋不可能自行復原、水不能在自然條件下由低處流到高處等，這些現象表明一切自然發生過程都有其特殊的方向性。再者，我們熟悉這樣的經驗事實：當兩個不同溫度的物體相互接觸時，熱量不可能自動地由低溫物體傳到高溫物體，而這恰恰就是由克勞修斯提出的熱二定律的一種經典表述，此時熱二定律看起來還如此簡單，學生尚不難理解，但僅僅停留在這個層面理解熱二定律，顯然是不夠的。熱力學二定律雖來源于生活，但遠高于生活。在指出另一種由開爾文從熱轉化功的角度闡述的熱二定律時，學生開始有點迷糊了。開爾文表述為：不可能制成一種循環動作的熱機，只從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產生其他影響。
按照通常的教學程序，接下來的教學點就是卡諾循環。如果這個時候，再把講課的重點放在對構成卡諾循環的兩個定熵、兩個定溫過程的講解上，學生感覺熱二定律更難捉摸了，何況這之后還要推導熵的不等式，熵――這個令物理學家都“混亂”的概念可能一下子就把學生擊倒了。如果這樣安排教學，定會加劇學生對第二定律整章內容的恐懼心理，甚至最終導致放棄對熱二定律整章的學習，
所以，在這些內容的教學中，絕不能循規蹈矩，應適時地對教學的順序做相應的調整，緊緊抓住一條清晰的脈絡討論，不廣講、不偏離主線太多，抓住本質（類比干），在該過程中適時地、善巧地引出一些主要的第二定律表述（枝），順藤摸瓜，最終完全揭示熱力學第二定律的內涵。這樣，學生容易抓住主線，對整章的知識框架有清晰的認識，就不會對紛繁的不同表述和不等式望而生畏。教師在后期的具體教學中，再去圍繞其他各種表述進行細化討論和延展，就可事半功倍。這種先抓本質的教學思路非常適合熱力學第二定律和熵――這種既紛雜，又抽象的教學內容。
下面以一種脈絡式的教學思路對熱二定律進行探究，層層遞進，分析現象得到結論，引出提問，再分析，得到下一個結論，直至把熱力學第二定律實質詮釋出來。
首先，通過兩個熱機的常見工程實例――火力發電廠和汽車發動機動力循環入手，引出熱力學第二定律在熱轉化成功的過程中有低溫熱源存在、同時有部分熱量被拋入低溫熱源的現實（講解電廠冷卻塔以及汽車尾氣余熱排放至外界環境）。由實例可初步得到任何熱機的效率不僅不能大于百分之百，也不能等于百分之百，也即效率必須小于百分之百。該結論映證了開爾文說法。
結論1：熱一定律告訴我們效率不能大于100%，開爾文說法得到熱機效率只能小于100%。
提問1：效率不能等于百分之百，等于多少，99%？
在熱力學第二定律尚未問世之前，熱機工程師錯誤地把熱機效率的最理想目標定為100%。1824年，法國工程師卡諾對此提出了質疑，他在確定的高溫熱源T1與低溫熱源T2之間，構建一個最理想（即熱效率最大）的熱機循環――卡諾循環。按最理想的假定，該循環至少應保證過程無摩擦（無耗散）和傳熱無溫差（準靜態）等條件，也即循環必須可逆。但即便這樣一個最理想的熱機循環效率也并不等于或者接近100%，而是依賴于高低溫熱源本身的溫度（？濁c=1-T2/T1卡諾定理）。
以前述的兩個典型的熱機實例分析。目前，火電廠蒸汽動力循環[4]，一般T1=500℃，環境為T2=25℃，按照卡諾循環最理想效率為62%，大大低于100%；汽車燃氣動力循環，T1=1000℃，T2=25℃，卡諾效率為76%，也低于100%。
結論2：在確定溫度的高低溫熱源之間的全可逆理想循環，熱效率有一峰值，受溫度限制，可能遠低于100%。（機理暫不解釋，見結論6后的反推）
提問2：實際工程中，摩擦耗散等不可逆因素必定不可避免，這對熱機的效率又有何影響？
經驗和事實表明：一切實際過程都包含摩擦，粘滯，電阻等耗散因素，必然是不可逆的。仍以上面提到的熱機實例來分析。實際工程中，蒸汽動力循環熱效率為45%左右（
結論3：自然界中，一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的，不可逆損失造成熱效率降低。
一個自發進行的不可逆過程，其逆過程決不可能不付任何代價的自動進行。例如：為什么熱量可以從高溫熱源自動的傳向低溫熱源，而不會自動地從低溫熱源傳向高溫熱源。因此，一個過程的不可逆性與其說是決定于過程本身，不如說是決定于它的初態和終態。這也預示存在著一個與初態和終態有關的某個狀態函數，用以左右一個過程的方向。
問題3：一個自發（不可逆過程）初態和終態有什么本質的不同？
以氣體絕熱自由膨脹分析自發過程初態與終態的區別：理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。一剛性絕熱容器被隔板分開，左邊有氣態工質，右邊真空，在隔板被抽去的瞬間，氣體聚集在左半部，這是一種非平衡態，此后氣體將自動膨脹充滿整個容器，最終達到平衡態。其反過程由平衡態回到非平衡態的過程不可能自動發生。觀察到絕熱自由膨脹初終態有兩方面的不同：
1.終態體積變大，分子相互位置分布更加無序；
2.可利用與右側空間的勢差推動活塞向外輸出容積變化功，但由于進行自發膨脹，作功為零。
對于一個熱力學系統，如果處于非平衡態（與外界存在勢差，有作功能力），我們認為它處于較有序的狀態，如果處于平衡態（與外界無勢差，無作功能力），我們認為它處于較無序的狀態。
再者，功熱轉換的自發過程：高速行駛的汽車，突遇事故瞬間停止，原有動能耗散成環境中的熱能，能量的數量雖然守恒，但能量的無序性增加。而該過程的逆過程――環境熱轉換成動能顯然不能自發進行。熱是分子混亂運動的一種表現，而功是分子有序運動的結果。功轉變成熱是從規則運動轉化為不規則運動，混亂度增加，是自發的過程；而要將無序運動的熱轉化為有序運動的功就不可能自動發生。
結論4：熱力學第二定律：各種自發過程的方向性具有共同的本質：無序性（混亂度）增加，能量質衰退。
問題4：如何定量地描寫狀態的無序性的變化（如增加）和作功能力的變化（如衰減）？
從以上例子可以看出：熱力學第二定律揭示一切不可逆過程都是向混亂度增加的方向進行，可用一個新的狀態函數作為表征系統混亂度的一種量度，狀態函數――“熵S”被引出。
所以，熵的物理意義：系統無序性（混亂度）的量度。
結論5：孤立系統中的熵永不減少。孤立系統中發生可逆過程，其熵不變，作功能力無衰減；孤立系統中發生不可逆過程，其熵增加，作功能力降低。熱力學第二定律也可表述為：一切自發過程總是向著熵增加的方向進行，向能質衰減的方向進行。
問題5：為什么宏觀演化必定按“熵增”的方向進行，熵增的本質是什么？
以54張撲克牌的排序為例分析自發過程熵增的根本原因。新撲克最初的排序極其有序，我們稱其為一種微觀態，概率為1/54！。隨機洗牌后，混亂度增大，此時排序非常混亂的微觀態數要大很多。這樣，撲克牌從有序自發到無序（孤立系統熵增大）的過程，就是撲克排序從小概率往大概率發展的過程。然而，這個過程的逆過程，也即微觀態數減小的過程，是從概率大往概率小發展，不能自動進行。這就是為什么即使洗無數次牌，也不可能再出現當初最有序的低熵狀態。這就反映了不可逆過程熵增的本質，即熱力學概率增大。
可以從54張牌的系統拓展到由大量分子構成的熱力學系統，同樣遵從這樣一個規律。
結論6：系統從熱力學概率小的狀態向熱力學概率大的狀態進行，這是熱力學第二定律的統計意義。
再回到結論2，可對卡諾定理進行微觀解釋：可逆熱機循環中，工質從高溫熱源吸收熱量Q1，將其中最大可以轉化為功的部分W轉化為了功，這部分能量從熱功，能量品質升高，這樣一個非自發過程不能不費代價的進行，同時一定要使得另外一部分熱量Q2從高溫熱源傳向了低溫熱源，這部分能量的品質降低去與之補償，兩者正好相抵，這是可逆的情況。如果熱機不可逆，相同的Q1情況下，傳給低溫熱源的熱量大于Q2，能量品質降低的份額大于能量品質升高的份額，總體由于不可逆造成能量品質衰退，作功減少。
經過以上脈絡法教學方式層層遞進，主線清晰，學生能夠緊跟教學思路，分析現象，得到結論，引出新問，再分析，一步步接近熱力學第二定律的實質。該教學方式最大的優勢體現在只需要半個小時的課時就可清楚地揭示熱力學第二定律的核心機理，而后可圍繞這個核心再展開不等式推導等其他教學內容。這樣的教學方式，做到了使學生概念清晰，思路明確，故能取得事半功倍的教學效果。
參考文獻：
[1]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]康樂明，吳家正等.工程熱力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.
