中外高校《工程熱力學(xué)》教材和教學(xué)對比分析

1、中外高校工程熱力學(xué)教材和教學(xué)比照分梁鳳麗張凈玉楊理理摘要工程熱力學(xué)教材的編寫與使用一直是國內(nèi)外各高校非常關(guān)注的問題。中外高校所使用的教材有著明顯的區(qū)別，教學(xué)方法和教學(xué) 大綱也相差較大。通過對中美使用的工程熱力學(xué)主流教材和教學(xué)大綱的總結(jié)，比照分析了教學(xué)形式、講解順序、例題搭配和緊跟科技 前沿等方面的差異。國內(nèi)外工程熱力學(xué)的教學(xué)理念和體系，除了有明 顯差異外，也有共同點，如均注重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和分析解決 問題的能力。秉承求同存異的原那么，提出了一些看法和觀點，希望能夠?qū)鴥?nèi)工程熱力學(xué)教材的編寫和教學(xué)提供一定的幫助與借鑒。 關(guān)鍵詞工程熱力學(xué)；中外教材；中外教學(xué)大綱；教學(xué)資源；自主學(xué)習(xí)基金工程2

2、022年度軍委科技委173計劃基金重點工程“一體化氨 燃料微管式S0FC-GT混合動力航空發(fā)動機設(shè)計技術(shù)”(2022-JCJQ-JJ-0339)作者簡介梁鳳麗(1982),女，山東郛城人，博士，南京航空航 天大學(xué)能源與動力學(xué)院副教授，主要從事燃料電池關(guān)鍵技術(shù)、電解制 氫技術(shù)、混合動力系統(tǒng)集成研究。中圈分類號G642. 4文獻標(biāo)識碼A文章編號1674-9324 (2022)17-0029-04 收稿日期2022-12-01引言熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時的性質(zhì)和建立能量的平衡 關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力 學(xué)是熱力學(xué)最先開展的一個分支，它主要研究熱能與機械

3、能和其他能 量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，是機械工程的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。 工程熱力學(xué)的基本任務(wù)是通過對熱力系統(tǒng)、熱力平衡、熱力狀態(tài)、熱 力過程、熱力循環(huán)和工質(zhì)的分析研究，改進和完善熱力發(fā)動機、制冷 機和熱泵的工作循環(huán)，提高熱能利用率和熱功轉(zhuǎn)換效率。伴隨能源結(jié) 構(gòu)和體系的變革，熱力學(xué)教學(xué)方式也在不斷探索創(chuàng)新1。而教材作 為課程的核心教學(xué)資源，其重要性不言而喻。所以，國內(nèi)外各高校都 對“工程熱力學(xué)”課程十分重視，對工程熱力學(xué)教材的編寫和使 用也非常關(guān)注。市面上中外著名大學(xué)的工程熱力學(xué)主流教材有上百種，本文從中 選取了使用比擬廣泛的中美高校主流教材各一本進行了比擬。在此基 礎(chǔ)上，結(jié)合使用不同教材的國

4、內(nèi)外大學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)方法進行對 比，筆者總結(jié)出一些觀點，以期能夠?qū)滩牡木帉懠敖虒W(xué)研究提供一 定的借鑒。國內(nèi)選用的教材是沈維道、童鈞耕主編的工程熱力學(xué)第四版，全 書共13章，以能量傳遞、轉(zhuǎn)移過程中數(shù)量守恒和質(zhì)量蛻變?yōu)橹骶€， 講述了工程熱力學(xué)的基本概念、基本定律、氣體及蒸汽的熱力性質(zhì)、 各種熱力過程和循環(huán)的分析計算，以及熱力學(xué)在化學(xué)過程中的應(yīng)用等 內(nèi)容。Thermodynamics： AnEngineeringApproach (9thed.) 是國外 “工程 熱力學(xué)”課程一系列教材中最常用的版本,是全球200余所大學(xué)的通 用工程熱力學(xué)領(lǐng)域的教材。全書900余頁，是美國內(nèi)華達大學(xué)的 Yunu

5、sA. Cengel教授和北卡羅萊納州立大學(xué)的MichaelBoles教授合 著的。該系列的教材一直在革新，迄今為止已更新至第十版。以下就本文選擇的兩本中外教材的內(nèi)容特色、難度差異和教學(xué)方法三個方面進行比照分析。一、中外教材內(nèi)容比照（一）中國教材沈維道、童鈞耕主編的工程熱力學(xué)是教育部“高等教育面向21 世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計劃”中“熱工課程教學(xué)內(nèi)容和課程 體系改革的研究與實踐”工程的研究成果，是教育部熱工課程的重點 教材2。該書第四版有430余頁，是國內(nèi)普通高校“十一五”國家 級規(guī)劃教材、國家級精品教材。目前已出版到第五版，它是在第四版 的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年來的教學(xué)研究和教學(xué)改革成果，并根

6、據(jù)學(xué)習(xí)者的 意見進行修訂，兩個版本差異不大，因此本文選用第四版。該教材滿 足了工程熱力學(xué)的教學(xué)要求，講述了關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，研究方 法是宏觀的，它以歸納無數(shù)事實所得到的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第 二定律和熱力學(xué)第三定律為推理的基礎(chǔ)，通過物質(zhì)的壓力、溫度、比 容等宏觀參數(shù)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對宏觀現(xiàn)象和 熱力過程進行了研究。把與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的具體性質(zhì)當(dāng)作宏觀真 實存在的物性數(shù)據(jù)予以肯定，不需要對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)做任何假設(shè), 所以分析推理的結(jié)果具有高度的可靠性，而且條理清楚。該書的主要章節(jié)有十三章，加上“緒論” 一共十四章，每章都有分節(jié) 內(nèi)容講解、本章小結(jié)、思考題和習(xí)題幾個局部

7、。前五章基本包含了熱 力學(xué)的全部基礎(chǔ)概念和定律知識，包括熱力學(xué)定律、物質(zhì)的熱力學(xué)性 質(zhì)、相變、多元系的平衡及不可逆轉(zhuǎn)換過程。從第六章開始講述了實 際氣體、濕空氣等，講解了理想工質(zhì)到實際工質(zhì)的熱力過程，以及壓 氣機的熱力過程、氣體動力循環(huán)、蒸汽動力裝置循環(huán)等實際應(yīng)用。該 書章節(jié)安排合理，內(nèi)容從理想定律到實際熱力過程，從易到難，邏輯 層次清晰?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)熱力學(xué)教材的結(jié)構(gòu)合理有序、內(nèi)容充實新穎，突出了 我國精品教材鮮明的特色，而且對于該書所要用到的一些數(shù)學(xué)知識, 在對應(yīng)的習(xí)題冊中都給出了詳細的解答。與國外教材不同，國內(nèi)教材 的習(xí)題都在章節(jié)結(jié)束后，考查學(xué)生對所學(xué)理論知識的綜合理解應(yīng)用， 且習(xí)題的選

8、取緊扣對應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容，難度適宜，有利于學(xué)生對章節(jié)知 識的理解和前后知識的貫穿。在內(nèi)容編排方面，每章節(jié)內(nèi)容的結(jié)尾處 列出了本章的小結(jié)內(nèi)容，有利于學(xué)生對本章內(nèi)容的重點進行回顧并加 深理解。參考文獻列于相關(guān)章節(jié)的最后，方便學(xué)生對相關(guān)文獻的檢索。與外國教材相比，我國教材內(nèi)容側(cè)重經(jīng)典理論的深入學(xué)習(xí)，強調(diào)教學(xué) 中思維的深刻性，要求學(xué)生必須在教師的引導(dǎo)下主動學(xué)習(xí)。學(xué)生在閱 讀教材的同時，如果沒有主動而積極的思考，很難將內(nèi)容理解透徹。 同時，我國教材注重引入最新的學(xué)科開展成果，秉承了我國高等教育 注重專才培養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的特點。需要指出的是，我國教材特別注重 對基礎(chǔ)性概念與定義的正確理解和運用，完整地將每個概念

9、詞條的物 理背景、應(yīng)用和實例整合起來，增進了學(xué)生對細節(jié)問題的深入認(rèn)識。（二）外國教材外國教材 Thermodynamics： AnEngineeringApproach 出版較早，出 版后經(jīng)過屢次重版，被國外高校作為主流教材，并得到廣泛好評。該 系列書的第九版承接了熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識，又聯(lián)系了當(dāng)時的最新開展, 深入淺出地講解了熱力學(xué)的各知識點。該教材將近1000頁，所以教 材的內(nèi)容非常豐富，取材也很廣泛。全書圖文并茂，并配有大量的工 程和生活實例，比擬容易吸引讀者。另外，教材插圖簡潔、直觀，各 種線形清楚，書中公式的表達也很簡潔，參數(shù)說明非常準(zhǔn)確。該書最 大的特色之一在于理論講解結(jié)合工程實際應(yīng)用

10、，鮮明地介紹了熱力學(xué) 的基本概念，以及循序漸進的內(nèi)容層次，讓廣大讀者可以更好地學(xué)習(xí) 熱力學(xué)，理解熱力學(xué)的基本概念。該書的主要核心內(nèi)容有十八章，涵 蓋了熱力學(xué)的全部基礎(chǔ)概念、開閉口系統(tǒng)基本定律，包括物質(zhì)的熱力 學(xué)性質(zhì)、相變、多元系的平衡及不可逆轉(zhuǎn)換過程。從第十三章開始, 講述了混合氣體熱力過程、化學(xué)反響熱力學(xué)、化學(xué)過程與相平衡熱力 學(xué)，以及各類太陽能、風(fēng)能等可再生能源的熱力學(xué)等內(nèi)容。由此可見， 該書內(nèi)容緊湊、充實、新穎，結(jié)構(gòu)安排合理，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的鍛煉 和科學(xué)素養(yǎng)的提高有很大的作用。該書給出了社會生活中出現(xiàn)的熱力 學(xué)局部，還給出了大量的習(xí)題和解答。例如第二章有147道習(xí)題，其 他章節(jié)每章也都提

11、供了 120180道習(xí)題，來用幫助學(xué)生加深理論知 識的理解，并檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。另外，該書給出了許多用熱力學(xué) 處理問題的經(jīng)典例子，配以大量的例題來輔助詳細的推導(dǎo)過程，這有 助于學(xué)生更好地理解相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容和貫穿前后的知識體系。例如第 四章熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)用了 10個公式、10個圖和4個例如及詳 細解答進行闡述。該書的另一大特色是所有章節(jié)都配有大量、生動、 形象的圖形去解釋或說明相應(yīng)的知識內(nèi)容，全書有圖片3000余張， 這對于學(xué)生理解相應(yīng)內(nèi)容是非常有幫助的，這也能間接激發(fā)學(xué)生的學(xué) 習(xí)興趣，以及對所學(xué)知識的深入理解。二、中外教材難度差異（一）中國教材我國的工程熱力學(xué)教材按照從易到難的編排思路

12、，理論知識深刻， 對一些基本概念講述得非常清楚，讓人一目了然。該書例題、習(xí)題都 給出了詳細的解答，這讓學(xué)生能夠更加明白作者的解題思路。附錄索 引中給出了目錄中沒有的術(shù)語和概念，方便學(xué)生去查詢。該書是第四 版，根據(jù)學(xué)科的開展及當(dāng)前的教擘實際，修訂時保持了之前版本簡明、 流暢和便于教學(xué)的優(yōu)點，增刪了局部內(nèi)容，并對個別缺乏、不妥之處 進行了補充和修改，使教材的科學(xué)性、教學(xué)適用性和先進性有了進一 步的增強，教材的整體質(zhì)量有了新的提高。該書作者具有足夠的執(zhí)教 經(jīng)驗，這使得該書相對容易閱讀。每一章節(jié)后面都附有習(xí)題，可以很 好地引導(dǎo)讀者深入思考，或者做進一步閱讀和自學(xué)研究。從語言上來 看，本教材簡單易懂、表

13、達準(zhǔn)確，在注重通俗易懂的同時關(guān)注內(nèi)在的 邏輯性。從實例和圖表的運用來看，該教材對實例和圖表的運用靈活 自如；從原理和計算公式來看，該教材給出了簡潔明了的原理解釋。 該書由于面向多學(xué)科的研究者，所以在數(shù)學(xué)背景、化學(xué)背景等方面要 求較低，有利于初學(xué)者的掌握。該書的數(shù)學(xué)公式簡潔，公式中涉及的 各種物理參數(shù)說明詳細準(zhǔn)確。（二）外國教材國外的教材非常豐富，系統(tǒng)性也很強，使用的方法或者觀點非常新穎, 也更加簡潔易懂，所以國外的教材具有非常強的耐讀性，更能激發(fā)讀 者的興趣與求知欲。另外，國外的很多教材更多地傾向于實際應(yīng)用， 讀者能夠在其中找到很多書本理論應(yīng)用于實際生活的范例，這就使得 抽象的物理更加貼近實際

14、，貼近讀者。對于適用教材者需要具備的知 識基礎(chǔ)，以及教材所適合的專業(yè)方向都有比擬明確的說明，所以國外 教材一般在內(nèi)容上都會為更深層次的知識做一定的鋪墊。國外教材為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，在每章結(jié)尾都會給出 推薦的閱讀資料和文獻，鼓勵學(xué)生自己動手查閱文獻，進行探索式學(xué) 習(xí)。同時，教材中有大量的習(xí)題，包含了超過3000道按內(nèi)容分層次 排列的練習(xí)題，以及一些開放式習(xí)題。這些習(xí)題大局部有著實際的工 程應(yīng)用背景，涉及與工程熱力學(xué)相關(guān)的能源利用、經(jīng)濟和國家平安等 多個學(xué)科和領(lǐng)域。同時，這些習(xí)題涵蓋了概念辨析、文獻綜述、計算 機求解、工程設(shè)計和論文撰寫等多種形式，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際 問題的能力。

15、從語言上來看，該教材簡單易懂、表達準(zhǔn)確，在注重通 俗易懂的同時關(guān)注內(nèi)在的邏輯性。從實例和圖表的運用來看，對實例 和圖表的運用靈活自如；從原理和計算公式來看，本教材給出了簡潔 明了的原理解釋。另外，由于該教材是面向多學(xué)科的研究者，所以在 數(shù)學(xué)背景、化學(xué)背景方面要求較低，有利于初學(xué)者的掌握。三、中外教學(xué)方法和教學(xué)大綱比照（一）中國教學(xué)與外國教學(xué)相比，我國的教學(xué)形式主要是靠教師講，是個體到系統(tǒng)的 過程，很少有教學(xué)側(cè)重于個別方面，這就使得我國的工程熱力學(xué)教學(xué) 都很全面。由于國內(nèi)的熱力學(xué)課程講解詳細，內(nèi)容要求比擬多，以復(fù) 習(xí)為主，綜合而言，我國的教材更加適合于國內(nèi)的教學(xué)模式與課程設(shè) 置。國內(nèi)教材的講授方

16、法雖然非常實用，但是比擬傳統(tǒng)，很少有新穎、 獨特的教材沖擊學(xué)生的興趣與求知欲。雖然國內(nèi)教材不能做到像國外 教材多樣、詳細、特點突出，但是可以多編寫出版一些具有特色、偏 重某方面的參考書籍，豐富學(xué)生的課后閱讀。從教學(xué)方法來看，注意 引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，真正到達從學(xué)會到會學(xué)；注重培養(yǎng)學(xué) 生的獨立思考能力和創(chuàng)造能力，較快進入科學(xué)開展的前沿，養(yǎng)成辯證 唯物主義的世界觀和方法論。（二）外國教學(xué)國外教材特別注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，特別強調(diào)以教學(xué)過程為載體, 培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決實際問題的能力。教材主編 YunusA. Cenge 1教授提出3 了學(xué)習(xí)任何一門科學(xué)都要做到以下幾步: 第一步是學(xué)習(xí)最

17、基本的理論，掌握基礎(chǔ)知識；第二步是讓學(xué)生通過各 種測試來掌握基礎(chǔ)知識，并在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生與生活實踐相結(jié)合, 動手解決實際問題。由于該教材內(nèi)容非常豐富，系統(tǒng)性很強，涉及面非常廣泛，而不僅僅是偏重某些方面；所以，該教材個性很強，使用 的方法或者觀點非常新穎，也簡潔易懂，具有非常強的耐讀性，能激 發(fā)讀者的興趣與求知欲。國外教材一般都比擬適合自學(xué)，教材很厚, 內(nèi)容很詳細，從而有助于學(xué)生自學(xué)。以昆士蘭大學(xué)化工學(xué)院的教學(xué)大 綱為例，48學(xué)時的課程歷經(jīng)12周，每周兩次課，課前任課教師會將 下周上課的PPT課件和知識要點下發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，準(zhǔn)備幾個知識點對 應(yīng)的問題。在每周的4個學(xué)時課程中，1個學(xué)時是主講教師

18、講授，1 個學(xué)時是助教對知識點講解，另外2個學(xué)時是助教習(xí)題解答，基本是 以問和答的形式自主學(xué)習(xí)。余吉語國外教材具有如下特點：一是采用大量且精美的插圖來直觀展示基本 概念和基本過程，使所有學(xué)生都能很舒服地閱讀教材;二是教材中所 涉及的內(nèi)容非常廣泛，包含了大量的與熱力學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，結(jié)合了大 量的實際工程應(yīng)用面臨的問題，既有基礎(chǔ)理論，也有實驗數(shù)據(jù)，為學(xué) 生配有內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)光盤和教學(xué)網(wǎng)站，為教師配備手冊和習(xí)題解析, 代表了國際工程熱力學(xué)領(lǐng)域的最高水準(zhǔn);三是關(guān)于能源與環(huán)境、氣候 變化、可再生能源開發(fā)與利用等非傳統(tǒng)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容在教材中所占的 比重越來越大；四是每次版本的更新都伴隨著內(nèi)容組織、習(xí)題、編排 體系和教學(xué)工具的顯著變化，說明編書的人能將科學(xué)研究與教學(xué)的最 新進展及時反響在教材中，彰顯了教材直接與未來的工程師們以一種 簡單而精確的方式對話，遵循了讓學(xué)生讀起來感興趣并有熱情的編著 宗旨?？梢?，中外工