对我国热工基础课程发展的一些思考

对我国热工基础课程发展的一些思考

摘要：本文在简要回顾热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出对该类课程发展的一些思考和意见。认为，热工基础类课程作为介绍热能的有效合理利用及转换与传递规律的课程，应当成为工科类学生的一门公共技术基础课。

关键词：工程热力学；传热学；课程历史与发展；思考和建议

热工课程以研究热能的有效利用及转换与传递规律为其基本内容，在工科许多大类专业的人才培养中具有重要地位。在我国，热工基础课程一般指工程热力学与传热学两门课程，内容主要由工程热力学与传热学组成的“热工学”或“热工基础”也属于热工基础课程的范畴。本文的讨论主要针对这三类课程来进行。

至上世纪末，我国热工课程开设的情况是：有150余所高等工业学校开设热工类课程，分布在除台湾、西藏、青海三省区以外的境内高校。全国热工课程教学的一般情况是：(1)热工课程的设置主要在能源动力类、石油化工类、航天航空类、土建类、交通运输、轻纺食品等大类专业；(2)热工教学实验以验证性为主，测试手段比较落后，设备比较陈旧：(3)已经出版了一批由我国作者自行编写的工程热力学、传热学与热工学教材。

6年多来，经过“211工程”、“985工程”建设项目的支持，我国热工实验教学情况有了较大改观，开课的大类专业面有所扩大，机械类专业目前大多开出了少学时的热工学课程。同时通过教育部组织的面向21世纪教学内容和课程体系的改革，以及21世纪初高等教育教学改革项目的实践，出版了一批面向21世纪课程教材，使我国热工课程教材的内容有了较大的更新，编著水平也明显提高。在近十年中，国际上工业先进国家也同时在进行着类似的改革，并出现了一批比较优秀的新教材。与这些先进国家的热工课程教学和新教材相比较，我国还有一定的差距，某些方面差距还比较大。

本文在简要回顾了热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年中热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出作者的意见，以求教于国内同行专家和教师。

一、国外、境外热工课程教学发展情况

1．热工课程教学的历史

近代热科学的产生与初期的发展集中在欧洲国家。根据文献[1]的观点，热科学研究的起源可以追溯到Galileo时代(1592)，而且早期热学作为物理学的一部分，热力学与传热学的研究是溶为一体的，例如Boltzmann从热力学证明了Stefan由实验得出的辐射四次方定律。又如热力学第二定律的创建人之一Kelvin 在1862年用以下的方法来估算地球的年龄：假设地球之初是温度均匀(3900℃)的圆球，热扩散率为常数，取为岩石沙砾之值，利用Fourier导热微分方程，按半无限大物体计算，从初温冷却到目前地层深处的温度梯度(1℃／27．8m)需要9800万年。按现代的观点看，Kelvin显然求解了一个传热学的问题。

无论热力学还是传热学，其发展都经历了从“科学”到“工程”的过程，即，从初期作为物理学一部分的热学演变、发展成密切结合工程实际的“工程热力学”与“工程传热学”。以传热学为例，[2]在19世纪的物理学中热量传递方式只有导热与辐射，其基本定律均已得到解决。然而大量的工程问题中还遇到流体与固体间的热交换，虽然牛顿早在1701年就提出了对流换热的初期思想，但并没有真正解决工程计算问题，一直到进入20世纪，经过一批主要是德国科学家的努力，包括Prandtl、Karmann、Nusselt、Blasius以及后来的Eckert，也有前苏联科学家(如Kirpichev等)的贡献，传热学开始由“科学”演变成“工程”，其中整理试验数据的量纲分析方法或相似原理引入传热学的对流换热是一个标志性的转折。第二次世界大战后，传热学的研究中心由德国转移到美国，其中Jakob、Karmann及Eckert 三位德国科学家的移居美国起了很大的作用。欧美国家工程热力学与传热学课程的开设始于何时，暂时无法查考。就教材而言，最早的一本传热学可能是德国科学家Grober的著作(1921)。[3]然而影响较大的要推McAdams的“Heat transmission”(1933)。[4]随后Jakob与Hawkins的教材，[5]Eckert的教材[5]相继问世，成为20世纪40～50年代的代表作。Holman的传热学第一版出版于1963年。[7]此后欧美以及前苏联的传热学教材出版情况可见文献[8]。

2．近代热工课程开设情况

到20世纪80年代后，工程热力学与传热学已经成为欧美国家机械类学生的必修课，有的学校还设为工科学生的基础课。根据我们的调查统计，在境外的高等工程教育中，传热学与热力学课程的开设相当普遍。[9]我们曾经调查过国外20余所大学开设热工课程的情况。从返回的调查表看出，机械工程系、化工系、核能工程系、材料系等均普遍开设热工类课程。有的学校把热学类课程作为工学院的公共课程，如美国依阿华(Iowa)州立大学工学院在2000年开出的81门课程中(不含基础课)，包括有电子、信息、计算机、控制、电磁场等系列的课程，其中热学方面的基本课程有4门，即热力学I、热力学II、传热学及热流系统设计。麻省理工、普渡大学及密西根大学等，热力学和传热传质学都是机械系设置的主要课程之一。表1是密西根大学工学院机械系学科基础和专业课课程学分情况，从中可以看出热工理论课程所占的分量。

在美国高等学校中，机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次，即(1)基本层次，该层次中的课程一般覆盖了该校机械系各个研究方向的最基本的原理，是所有学生的必修课，在这一层次课程中均包含热力学与传热学的基本原理课程在内。(2)专门化层次，该层次中按专门方向不同而分成若干组课程供学生选修。欧美这样的课程设置值得我们借鉴。

3．最近十年美国热工课程教学的发展

在最近十年中，美国高等学校工科热工课程的教学呈现出许多新的发展趋向值得我们重视。首先在热工课程教材方面，美国高校中出现了像Cengel与Boles 的Thermodynamics——An Engineering Approach，[10]Cengel的Heat transfer——A practical approach，[11]Incropera／DeWitt的Fundamentals of heat transfer[12]这样取材丰富、构思新颖、内容先进的教材。有关这些教材特点的而热工基础课程也常常被选为进行工程技术课程的双语教学的对象。[18]这里涉及到许多具体问题：在编写汉语教材时怎样照顾到双语教学的需要?怎样选择英语工程热力学与传热学教材?怎样循序渐进地进行教学，以真正收到双语教学的实效而不流于形式?

7．对我国中青年热工课程教师学术趋向的思考

要提高我国热工课程教学质量，关键在于教师。与我国人才队伍总体情况一样，我国热工课程教师队伍的主体已经由30～45岁的中青年教师所构成。这个主体的特点是学历层次较高，大多数具有博士学位，一般具有硕士学位。为使我国热工课程教学接近或者达到发达国家的平均水平，关键在于这支教师队伍。就他们的学术发展而言，目前他们的学术趋向面临一个主要问题是：是否需要将热力学与传热学融为一体，固然可以有所侧重，但是不是不要截然分开?这方面，国外的一些情况值得我们借鉴：英国的Spalding是著名的计算传热学与流体力学专家，但是他也写过一本工程热力学的教科书：[19]Cengel以他的传热学教科书而知名，但他同时又是工程热力学教科书的作者，[10]而且Cengel的工程热力学与他的传热学同样著名；田长霖教授是熟知的传热学大家，但他与Lienhard合作写过一本统计热力学教科书。[20]将熵产分析用于传热问题的首创者Bejan也是集热力学与传热学于一身的知名学者。[21-22]我国的中青年热工课程教师值得对此进行思考。

参考文献：

[1]Cheng K C．Historical development of the theory of heat and