安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革

摘要:“工程热力学与传热学”课程是安全工程本科专业一门重要的专业技术课程,在安全人才培养中起着重要的作用。为了提高教学质量和效果,培养适应社会需要的安全专业综合型人才,这门课程应该从课程人才培养目标出发,结合学校办学特色,从修订教学大纲、调整教学内容、深化教学改革、加强教学实验建设等方面着手进行建设。

关键词:工程热力学与传热学;教学改革;安全工程;案例教学

作者简介:林日亿(1973-),男,湖南桂阳人,中国石油大学储运与建筑工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:热能利用;梁金国(1963-),男,山东昌乐人,中国石油大学储运与建筑工程学院,教授,主要研究方向:热能利用。(山东 东营 257061)

基金项目:本文系中国石油大学教改项目“安全工程专业‘工程热力学与传热学’课程体系的改革与实践”(项目编号:BK-B200625)的部分研究成果。

“工程热力学与传热学”课程是安全工程专业的专业基础课程之一,起着联结本专业基础课与技术课的桥梁作用。可见本课程在该专业的重要性,其教学水平直接影响安全专业本科生的质量。中国石油大学(华东)(以下简称“我校”)自2000年开始招生安全工程专业,并于2002年开设本课程。由于是新招专业的新开课程,在专业建设和课程建设方面较其他学校的同类专业存在较大的差距。在这几年的教学实践过程中,对本课程建设方面进行了一些探索,得到了一些粗浅的体会。

一、适应人才培养目标,修订课程教学大纲

1.课程的人才培养目标

任何一门学科都有自己的特点和独特的知识结构。因此,在安全工程专业教育过程中针对特殊行业的安全,应该进行突出行业特点的安全工程专业教育。只有通过科学而全面的课程设置,让学生充分掌握学科的基础知识,深入掌握安全科技知识,培养出安全工程技术及安全管理工程人才,才能较全面掌握安全科学理论和技术原理,对可能发生的事故进行预防性的处理,避免了经验主义造成的事故预防滞后性和片面性的缺点。[1]我校的安全工程专业正是通过石油、石化行业特点开展安全教育,培养出适于该行业的高层次安全专业人才,其培养目标为:培养掌握现代石油、石化工业生产过程中安全技术和安全管理方法,从事安全技术及工程、安全科学和研究、安全监察与管理、安全健康环境检测、安全设计与生产、安全教育与培训等方面工作的复合型高级工程技术人才。[2]

在专业培养目标的总体框架下,开设课程的培养目标就应与专业培养目标相符合。另外,随着社会发展和市场经济体制的完善,用人单位对人才需求提出了更高的要求,希望大学生既是懂理论又会实践的全才。在此基础上制定的“工程热力学与传热学”课程的培养目标为:通过课程的学习,学生应了解热力学的宏观研究方法,掌握热能与机械能之间的转换规律和能量有效利用的理论,获得热量传递规律的基础知识,能够正确运用热力学基本原理和定律分析计算各种热力过程、热力循环,能够正确利用传热规律分析工程传热问题,使学生具备分析解决实际工程热问题的基本能力,初步培养安全用热的能力,并为学生学习有关的专业课程提供必要的理论基础。

课程培养目标提出了培养学生安全用热的能力,并为后续课程的学习打下基础,这与以往“工程热力学与传热学”课程目标有所不同,以往仅仅对热能转换与利用、传递现象进行分析和具体应用,而对于安全工程专业就提出了更高的要求,也符合专业培养计划和目标。

2.课程的教学大纲

根据“工程热力学与传热学”课程培养目标,在原有教学大纲的基础上,对课程教学大纲进行了修订,主要表现在以下几方面。

(1)在课程目标中增加了“培养学生分析和避免热能转换与传递过程中可能产生的热安全问题的能力”,旨在培养该专业学生的安全用热能力。

(2)将教材改为高等教育出版社张学学、李贵馥编写的《热工基础》,并补充教学辅助材料。

(3)在课程基本要求中,将“混合气体及其性质”、“气体辐射”、“非稳态传热”、“导热问题的数值解法基础”作为重要内容提出,同时要求学生“了解由于热能的转换与传递过程中可能发生的安全问题,学会避免类似问题的计算方法”。

(4)在教学内容与学时分配建议中,将工程热力学内容缩减2学时,主要删除了热力学第二定律一章中“克劳修斯不等式”和“热能的可用性即火用参数”等内容。增加2学时用于辅助教学材料主要内容的讲解。

二、完善课程教学内容,调整课程教学体系

1.教学内容与学校办学特色相统一

“工程热力学与传热学”课程主要阐述热能的有效利用以及与此有关的热现象的基本规律。本课程总的教学思想是:通过热力学的学习,掌握基本热力过程与典型热力循环分析、提高循环效率的途径;通过传热学的学习掌握导热、对流换热、辐射换热的基本规律和求解方法,掌握控制(强化或削弱)热量传递过程的技术措施及换热器的热计算方法。

我校是2002年开始新设安全工程专业,依托我校以“石油”作为办学特色的思想,主要培养学生从事涉及石油、石化等设施系统安全方面的工作。因此,在教学内容上必须进行适当的调整,以符合学校的专业特色。基于此,对教学内容进行了补充和调整,具体有如下几点。

(1)调整了部分教学重点内容:1)由于混合气体存在燃烧、爆炸的可能性,将“混合气体及其性质”作为重点教学内容提出,而将“克劳修斯不等式”和“热能的可用性即火用参数”等内容作为了解性内容讲解;2)将传热学部分的“导热”内容作为重点,这是基于工程材料受热后应力改变方面考虑,力求让学生掌握热应力分析方法避免安全隐患。

(2)补充了教学辅助教学材料:为了体现我校的石油特色且与学生毕业后的工作挂钩,补充了一些在石油开采和运输环节热能转换与传递过程中可能发生安全问题的内容作为教学辅助内容,包括:热采井井筒应力数值计算、换热器管板和壳体热应力的强度分析、油池火灾热辐射下的最小安全距离、爆炸极限在油库安全中的应用分析等。利用上课小专题、课后发材料给学生自学等形式进行相关内容的学习。使学生能认识该课程在专业中的重要性,同时也提高了学生学习的积极性。

2.教学内容应与专业平台建设相吻合

为了适应社会的发展和培养综合素质人才的要求,拓宽专业口径、增强就业的适应性,需要进行专业平台建设。安全专业从众多的专业课中提炼本专业共同的工程技术原理和方法,构建专业平台课程体系。[3,4]课程教学体系一般由基础课、专业基础课和专业课3个层次组成,新办专业必须明确哪些课程是专业基础课、哪些是专业课,以便任课教师明确课程性质,确定课程教学内容。“工程热力学与传热学”课程就是其中的专业基础课程之一,是后续专业课程中涉及热能转换与传递规律和设备内容的基础和桥梁。因此,课程的开始就应按照课程体系层次安排,而不能先开设专业基础课,后开基础课。进行学科建设时,应组织召开专业教学研讨会,进行教学计划的安排和课程教学内容的调整,避免不按照课程衔接顺序开课,同时避免出现有些教学内容重复和遗漏等问题。

三、深化课程教学改革,加强实验教学环节

1.板书结合多媒体教学,构成立体教学结构

“工程热力学和传热学”属于专业基础课,具有较深的理论和丰富的数学表达方式,表现为理论推导多、公式多。以往的传统板书式教学方法非常适合,通过教师边写黑板边讲解的过程,学生掌握非常容易,且印象深刻。但是,随着多媒体技术的发展,单一的板书教学形式已经不能完全呈现一些教学内容,而通过多媒体技术的声、形、色及动作,能更好地将深奥的抽象内容、实际工业过程得以充分的展示,便于学生理解和掌握,教学效果毋庸置疑。但是,多媒体教学也应避免简单的文字描述、大量的文字罗列、页面切换快、教师讲得快等不足,应利用生动的动画图像、清晰的文字注解和优美的声音等多媒体信息将课程内容展现出来。另外,应对教学内容进行划分,哪些内容采用板书讲解,哪些内容采用多媒体展示。通过传统和新型教学手段结合,能增加学生的学习兴趣,促进学习的积极性,从而提高课堂教学效果。

2.教学与科研相结合,相得益彰

教学过程中要注意科研与教学的有机结合,使教学科研并举。一方面,教学能促进科研。教学过程本身就是一个不断学习的过程,不仅需要看教材教参、查文献资料等进行备课,而且还要向同事、同行请教,课堂教学中学生或好或差的反映也需要我们不断思考和总结。此外,备课、讲课和答疑等环节也不断加深对教材内容的理解,及时纠正自身原来的一些对概念和问题不清晰、似是而非的理解,强化一些基本理论和基本方法的掌握,对科研工作有所帮助。同时,在教学过程中,还会形成一些新的想法和思路,成为科学研究的火花。另一方面,科研也能促进教学。通过参与和开展与教学内容相关的科研,就能及时掌握本学科最新的发展动态,准确地理解和把握本学科的特点、研究方法及其与其他学科之间的关系,并在讲课时,将自己的科研体会、科研成果、学术动态等补充到教学过程中,不仅开拓学生的视野,提高学习的动力,而且能提高教学质量。反之,就难以对所教学的内容深刻理解、融会贯通,思路狭隘,讲起来生硬空洞,听起来索然无味,课堂死气沉沉。

3.采用案例教学法

案例教学法[5,6]是安全专业最为常见的教学方法。教学过程中的典型安全事故案例一方面能囊括专业工程的所有知识点,是对专业工程的全面认识;另一方面各种经典的案例本身就是一个良好的教育典范,大部分的安全法律法规、规范都是通过血的教训总结出来的。通过案例分析法使枯燥的理论变成一个个具体的案例,提高了学生学习的兴趣。同时,使学生完成查资料、讨论、分析、提出整改措施、总结经验教训的一体化学习过程,既锻炼了学生的动手能力,又激发了思维积极性。比如讲混合气体热力性质时,结合某瓦斯爆炸案例,可以给学生讲解瓦斯爆炸必须具备三个条件:一定浓度的甲烷、一定温度的引火源和足够的氧,从而分析混合气体配比的极限条件,如何避免等。又如讲非稳态导热问题时,可以结合某过热器管破裂案例,分析其破裂的原因:长期超温,外表面在高温粉尘的冲刷和氧化作用下逐渐减薄,局部热应力集中导致材料屈服变形等。

4.课程实验教学建设

实验教学是课程教学的延续,也是课堂教学的辅助手段。通过实验教学环节,不仅能使学生进一步理解课堂教学的理论知识,而且能提高学生的动手和实践能力。实验的开设应注意一些问题:(1)避免以往“小型、分散、积少成多”的实验室建设思路。我校安全专业实验室建设起步晚,在实验室建设中应遵循“结合学科前沿和专业特色”的原则,通过邀请专家科学论证,集中资金进行建设、并实现院系实验资源的共享。(2)与教学大纲一致。新修订的教学大纲一般考虑了学科和课程的发展,实验教学也应跟上形势,不能凭借单一的仪器仪表进行,可采用先进的科学技术手段来丰富实验教学,如采用计算机模拟实验、可视化教学录像等。(3)防止实验和课程教学脱节。[6]以往的教学环节安排往往先学习理论知识,再做实验,时间跨越比较大,容易导致脱节现象。应当把实验融入到教学环节中去,利用实验环节学习理论知识,而不是巩固理论知识。

四、结束语

我校安全工程专业是结合学校行业特点开设的特色专业,随着石油、石化行业科学技术迅猛发展,安全专业由于其本身的特殊性和复杂性,要求我们不断的探索和思考。在课程建设过程中,应顺应时代发展对人才培养的要求,不断学习、发现和总结,才能有效的提高“工程热力学和传热学”课程的教学质量和效果,才能培养出符合时代精神的人才。

参考文献:

[1]翟小伟,邓军.突出行业特点的安全工程专业教育研究[J].中国安全科学学报,2008,18(1):90-94.

[2]中国石油大学(华东)教务处.本科生培养方案.2008:92-96.

[3]付祥钊.建筑环境与设备工程专业本科教育设置平台课程的研究[J].高等建筑教育,2004,13(3):58-59,62.

[4]林日亿.热质交换原理与设备课程建设的思考[J].中国石油大学学报(社会科学版),2007(S1):67-69.

[5]葛秀坤,邵辉,赵庆贤.高素质安全工程专业人才培养的探讨[J].江苏工业学院学报,2008,9(3):113-115.

[6]陈川.关于安全专业教学的若干思考[J].管理观察,2009,(2):148-149.

(责任编辑:苏宇嵬)