中国教育

2005-11-21　　　　能源动力学科教学指导委员会

由于缺乏资料，我们一时无法得到其他历史悠久高校工科教学中热工课程开设的记录。但总的说来，当时各个高校中开设热工课程的工科专业面是相当宽的。

20世纪50年代初，全国进行院系调整。从课程设置而言，凡是设有机械系的学校都开设热力学课程。后各校动力机械部分纷纷从机械系分出，单独设系，在动力机械系内热力学课程教学得到进一步加强。至于传热学 ，在50年代初一般只作为工程热力学中的几章予以介绍，并未单独设课。当时 ，国家提出全面向苏联学习，哈尔滨工业大学被定为工科院校全面学习苏联的样板。50年代中期 ，学制定为五年。哈工大与有关学校聘请了一批苏联专家，培养了一批教师，建立了一批专业，教学计划基本上采用苏联的。当时所用教材主要为苏联作者的 中译本，如李特文的《工程热力学》等^[3-7]。

1952年 ，在北京大学任教的王补宣教授编著的《热力学》由上海中外书局出版^[8]。至于“传热学”,在50年代初一般只作为热力学课程中的部分章节来讲授，并未单独设课。1954年 ，由王补宣教授翻译的苏联米海耶夫的教材《传热学基础》在国内出版^[9]，该书俄文版曾两度获得斯大林奖，翻译本以忠实原著、译文流畅而脍炙人口，被国内有关院校普遍采用 。我国在能源动力类专业中的热工课程的教学，自此按“工程热力学”与“传热学”分别进行。从1956年开始，国家号召我国高等学校教师在学习苏联教材的基础上，根据我国实际情况自己编写教材^[2]。1958年 ，由杨世铭、陈大燮教授编著的《传热学》由电力出版社出版^[10]。此后 ，我国作者自行编著的一批热工教材陆续出版^[11-13]。

在我国热工课程教学中，值得大书一笔的是教育部热工教材编审委员会（后改为教学指导委员会）的设立和所进行的工作。1960年 ，当时的高教部组建了热工教材编审委员会，陈大燮教授出任主任，王补宣、杨世铭教授为副主任，委员有夏彦儒教授等。该委员会分别制定了我国“工程热力学”、“传热学”及“热工学”的第一部教学大纲，组织作者出版了一批我国学者自行编写的教材，奠定了我国热工类课程的教学基础。1985年 ，教育部重新组建了高等工业学校热工课程教学指导委员会，王补宣、杨世铭教授受命出任主任与副主任，至今已经是第四届。该委员会主持制定了“工程热力学”、“传热学”课程的基本要求^[14]，多次召开了全国热工课程教学研讨会，对我国热工课程教材的建设与教师队伍的成长起了重要作用。

1.1.2 热工课程开设现状

到20世纪末，我国共有150余所高等工业学校开设有热工类课程，分布在除台湾、西藏、青海三省以外的境内有关高校。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”课程教材。

经过近5年来“211工程”建设等项目的支持，我国热工实验教学情况有了较大的改观，开课的大类专业面也有所扩大，机械类专业目前也大多开出了少学时的“热工学”课程。例如 ，清华大学对机械系、精密仪器系、汽车系、力学系等开设了有48学时的“热工基础教程”，同时出版了一批“面向21世纪课程教材”。但是，与国际上工业先进国家的热工课程教学相比较，还有较大的差距。

1.2 国外热工课程教学发展情况

1.2.1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^[15]的观点，热科学研究的起源可以追溯到Galileo的时代(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 /27.8 m）需要9800万年。从现代的观点看，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、发展成为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^[16]，在19世纪的物理学中 ，热量传递方式只有导热与辐射，其基本定律均已经得到解决。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年提出了对流换热的初期思想，但并没有真正解决计算问题 。一直到20世纪 初，经过一批主要是德国科学家的努力，包括Prandtl、Karman、Nusselt、Blasius以及后来的Eckert，也有苏联科学家（如Kirpichev等）的一份贡献，传热学开始由“科学”演变成为“工程”。其中 ，整理试验数据的量纲分析方法或者相似原理引入传热学的对流换热是一个标志性的转折。二次大战以后，传热学的这一研究的中心由德国转移到美国，其中Jakob、Karman以及Eckert三位德国科学家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）^[17]。然而影响比较大的则要推McAdams的《Heat transmission》（1933）^[18]。随后，Jakob 与 Hawkins 的教材^[19]、Eckert的教材^[20]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^[21]。此后欧美以及苏联 出版的《传热学》可见文献^[22]。

1.2.2 近代热工课程开设情况

到20世纪80年代，“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基础课程。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^[23]。我们曾经给国内外数十所大学有关系科发函调查，对我们调查问卷给以反馈的学校包括：美国的依利诺依斯大学（Urbana-Champain分校），明尼苏达大学，加州大学（Santa Barbra分校），赖斯（Rice）大学，克列姆逊（Clemson）大学，夏威夷大学及佛罗里达国际大学；加拿大的多伦多大学；日本的京都大学、九州大学；英国的杜汉（Durham）大学、里兹（Leeds）大学及格拉斯哥（Glasgow）大学；新加坡的南洋理工大学，国立新加坡大学；韩国的汉城大学，韩国高等科学技术学院（KAIST）及 我国香港特别行政区的香港大学及香港科技大学等。从这些返回的调查表可以看出，在境外，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。以麻省理工、普渡大学及密西根大学为例，其机械系的课程设置如下：

（1）麻省理工学院机械工程系

2.001 材料力学； 2.002 材料力学II； 2.003系统、模态与控制；2.005热流工程I；2.006热流工程II；2.007设计引论；2.008设计与制造II；2.009产品工程过程；2.14控制系统原理；2.171数字控制系统的分析与设计；2.192动态战略规划；2.25高等流体力学；2.26可压缩流体动力学；2.40热力学；2.51传热传质学；2.52热迁移过程模化与方法；2.63技术的应用；2.6722实验室项目；2.739产品设计与开发；2.744产品设计；2.792J定量生理学；器官移植系统；2.852制造系统分析；2.993机械工程专题

（2）普渡大学工学院机械系

ME200 热力学I；ME203力学工程设计引论；ME270力学基础I；ME274力学基础II；ME290一年级讲座；ME300热力学II；ME309流体力学；ME325传热传质学；ME352机械设计I；ME413噪声控制；ME444CAD；ME452机械设计II；ME463工程设计；ME475自动控制系统。另有本科及研究生的可修学分的专门方向课程21门。

（3）密西根大学工学院机械系

密西根大学的机械系在美国名列前茅。UM机械系相当于我国高校学科基础和专业课的44必修学分中热工理论类课程有9学分，占20%：“工程热力学І”3学分，“传热学”4学分，“流体力学”3学分。选修课程中还有“工程热力学Ⅱ”3学分。各类课程学时分配比例如下表：

表2 密西根大学工学院机械系学科基础和专业课课程学分

从上面可以看出，美国高等学校机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次：（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，是系所有学生的必修课，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。

可以看出，欧美国家工科学生学习热工课程的专业门类远较目前我国高等学校的专业门类要宽。这固然与欧美国家的通才教育制度有关，但是在我们拓宽专业口径、把节能作为我国中长期能源规划的首要工作的情况下，欧美这样的课程设置值得我们借鉴。

1.2.3 最近十年美国热工课程教学的发展

在最近10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》^[24], Cengel 的《Heat transfer- A practical approach》^[25],Incropera/DeWitt 的《Fundamentals of heat transfer》^[26] 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详细分析参见文献[22]。

在热工实验方面，20世纪末美国高校也进行了面向21世纪的探索。例如，美国普渡大学DeWitt等三位教授进行了题为“Curriculum for the 21th Century” 的研究^[27]，对于传热学实验提出了以下改革内容：

1）to conduct fewer “traditional” experiments, creating the time for the students to perform team projects（减少“传统”的实验，增加学生进行团队项目的时间）；

2）to provide challenging industrial design projects（增加有挑战性的工程设计项目）；

3）to offer “hand-on” experience（给予动手训练机会）；

4）to partner with industrial sponsors（训练与工程界合作）；

5）to nurture the communication of the project result（培养交流项目结果的能力）。

为此，该校改进了原有的实验系统，配备了数据采集系统，同时从工业界不断引入设计性的实验课题，并分解成为team project（团队项目）的内容。从普渡大学机械系的这一改革思路看，强调了减少传统的实验，增加来自工业界实际项目的训练；强调了团队合作的训练；强调了培养交流与动手的能力。

当然，传统的实验还是需要的，这是加深学生对教学内容的理解以及培养动手能力的环节。在传统实验的内容与组织上也要注意综合性的培养。我们来看普渡大学ME315的传统传热学实验课程的内容：

表2 普渡大学机械系ME315实验课程实验项目

由表可见，就这些传统的实验内容而言，其综合性与测试技术的训练也是比较好的。

2. 热工基础课程在工科各专业人才培养中的地位

热工课程以研究热能与其他形式能量的转换规律、有效利用及热量传递规律为其基本内容。它在工科许多大类专业的人材培养中的具有重要地位，我们认为：热工课程的基本知识应当成为工科各专业学生必须具备的技术素质，热工课程应当成为我国工科学生、尤其是机械类专业的学生的共同的工程基础课程。兹从以下几方面予以说明。

2.1 从自然现象与各类工程物理过程的本身及执行可持续发展能源政策来看

热现象是自然界中最普遍的物理现象，同时各个工程技术领域中及日常生活中的各种其他形式能量最终大都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中。因而 ，作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热工课程，不仅应是许多大类专业的重要技术基础课，而且也应是面向21世纪所有工科类专业学生的一门公共技术基础课 。

鉴于过去一二百年中西方国家实现工业化过程中资源大量消耗、环境严重污染的情况，联合国在1989年提出了“可持续发展”战略。我国政府在1994年编制的“中国21世纪议程”中指出，走可持续发展的道路是中国在未来几年和21世纪发展的需要 和必然的选择。我国的人均能源资源并不丰富，我国的资源发展必然走资源节约型的道路。我国中长期能源发展规划制定了节能优先战略。提高能源利用率是确保我国中长期能源供需平衡的先决条件,中国人口基数大，到21世纪中叶将超过15亿。无论是从国内资源还是世界资源的可获量考虑,中国只有创造比目前工业化国家更高的能源效率，才可能在有限的资源保证下，实现高速经济增长和达到中等发达国家人均水平。如果用国际上先进的技术和设备替代现有落后技术和设备，全部节能潜力可达目前能源消费量的50％，如用国内已有的先进技术和设备进行落后设备的更新，总节能潜力可达目前能源消费量的30％。

因此，无论从电力的生产、能源的节约以及工业生产过程的本身特点来看，工科学生应该具备合理用能、节能的意识并懂得其基本的技术，而热工课程的内容是合理用能及节能理论中的最基础与核心的部分。

2.2 从各大类专业所包括的技术领域中所固有的热现象来看

热量的传递及与其他形式能量的转换现象广泛地存在于生产技术部门中，而且常常成为制约某一技术发展的关键问题 。我们以本科专业目录修订方案中所确定的21大类专业为例，列出了其有关的热现象，如表3所示。

由表3可见，在新专业目录的21类专业中，除了测绘类外，热现象及其基本规律的知识对于其 他20大类专业的生产与研究活动都有重要影响。

2.3 从高新技术和近代数理理论的发展情况来看

最近一二十年科学技术的发展涌现出大量高新技术（例如微细尺度传热与流动）及现代数学物理的研究方法与理论（例如分形 、分叉与混沌），而传热传质问题在这些高新技术及现代研究方法理论中起着举足轻重的作用。由于学科的交叉，这些高新技术也许一时还不能简单地归属前述常规的某一大类专业中去，但它们的发展毫无疑问地会对21世纪各工程技术领域 产生重大的影响。

由上可见，热科学虽然形成于18世纪英国产业革命时期，但直至今日仍然是自然科学和技术科学领域中十分活跃的学科，它的基本知识与规律大量地、不同程度地应用于几乎是各个工程领域（且不说热力学中熵的概念在经济与社会科学中推广应用），为了有效合理地使用我国的能源资源，作为面向21世纪的每一个工科学生，应当具备一定的热科学的知识。

表3 不同大类专业中的主要热现象举例

3. 热工基础课程知识体系的基本要求

见基本要求修改稿。

4. 对各大类工科专业开设热工基础课程的建议

我们对不同大类专业中开设热工课程的设想如表4所示。

表4 各大类专业开课设想

5．开设热工类课程的必备教学条件

5.1 教师条件

45岁以下的本课程教师应具备动力工程及工程热物理一级学科的博士或硕士学位 。

5.2 实验条件

应能开出由课程基本要求规定的必须的教学实验，应积极创造条件为学有余力的学生开出综合性、设计性的实验。实验可以单独设课。

5.3 教材条件

一般应当采用由部省级出版社出版的经过某一层次审阅的教材，鼓励有较丰富教学经验和科研实践的教师根据各校具体情况自行编写教材，建议其内容要经过一定程序的审核 。学校应该积极购置近期国外相关的教材，以为教师备课等参考。

5.4 其他教学资源条件

要积极采取条件，积累各种教学资源，包括课程素材库、CAI教学软件 、国家级试题库。为适应学生个性教学的需要，为部分学有余力的学生创造进一步钻研的条件，可组织讲座、课外科技活动等。

6．热工基础课程今后教学改革与发展的重大研究和建议

6.1 热工课程教材怎样适应不同类型学生的培养需要

按照本文前面所述的观点，在工科21类专业中，至少有6大类专业应该开出 多学时的“工程热力学”与“传热学”的课程，其中能源动力类是最典型的一个大类专业。我国目前设有这个大类专业的学校有130余所^[28]。按照教育部分类办学的思想（研究型，教学型以及介于其间的类型），这100多所学校不可能是属于同一类型的学校。那么同是多学时 ，“工程热力学”与“传热学”在教材上是否要有所区分？还是可以采用同一种教材由主讲教师酌情选讲？如果有区分，区分主要在哪些方面？这一问题涉及到热工课程教学指导委员会在制定基本要求以及今后组织教材编写方面的一个基本考虑，需要通过深入研究取得一个共识。

6.2 如何使教材内容适时地跟上学科与工程技术的发展

近代工程技术的发展给本科“传热学”教学带来了巨大的变化^[22]，“工程热力学”的教学内容也不同程度地存在类似的情况。例如 ，20年前的本科生教材很少有关于火用分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析设备过程的能量利用情况。

相对于“传热学”，“工程热力学”的国内外教材的内容显得似乎过于稳定，近年来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如，当前中国的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在面向21世纪工程热力学教材上，对新的、先进的能源利用方式（联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等）是否应该有适当的反映？超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及我国要积极研发的方向，在新教材和今后的教学中也应有相应的地位。

6.3 热工课程实验教学的改革与更新应当怎样进行

热工课程所反映的两门学科——热力学与传热学，都是应用科学，实验教学无疑是完整的课程教学的组成部分。多年的经验表明，实验教学的改革与发展 在某种程度上比课程本身还要困难，主要是涉及到设备的购置、更新所需的经费问题。在国家实施“211工程”二期或者“985工程”的建设中 ，怎样利用有限的资源（财力）来改革、更新热工教学实验，值得重视。在建设实际动手的实验台位时，是否也可利用多媒体的工具建设或购置一些“软件实验”作为补充^[29]？在动手的实验方面，苏联曾经出版过有关“传热学”实验教学的图书^[30]，80年代热工教学指导委员会也组织出版过这样的图书^[31]。目前有否必要再组织出版这样的参考书？

6.4 在热工课程的教材与教学过程中怎样加强学生的能力与创新精神的培养

近期世界范围的内的教育改革都十分注意对学生解决问题的能力与创新精神的培养，这从最近出版的美国教材中可以明显看出^[16-18]。由于中外教育体制、教育传统和教学理念方面的不同，在吸收西方教材先进经验的同时，我们应当努力探索适应我国具体情况的措施与方法。过去的实践表明，教师本身除了从事教学以外一定要参加科研，以丰富自己的学识、提高自己的业务水平；在教学过程中 ，每位教师都应努力将教学内容与自己的学术经历结合起来，努力使书本上的资料成为活生生的实例；在教学法方面应注意启发性，辅以对部分学有余力学生的讲座等课外活动 。这些都能收到一定成效。但是从总体上说，热工课程教学中探索对学生的能力与创新精神的培养仍然是进一步研究的课题。

6.5 能否开出经过整合的新型热工课程

为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的、新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都有个如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，这其中的关键是要减少过程的熵产（或不可逆损失）以及强化传递过程。这是它们共同的最重要的东西，可否开设一门综合热力学，传热学、传质学和流体力学的新课——例如可称之为“热设计及优化”。国外目前已经有这类图书出版，作为第一步 ，可以翻译过来作为参考教材。如果关于“优化”的内容能具体结合一些专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。

6.6 热工课程的双语教学应当怎样进行

双语教学是目前教育部提倡进行的一项教学改革，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^[32]。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？

6.7 对我国中青年热工课程的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》^[33]；Cengel以他的传热学教科书而知名，但他同时又是 《工程热力学》的作者^[34]，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Lianhard合作写过一本 《统计热力学》^[35]。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^[36，37]。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] 交通大学校史编写组. 交通大学校史（1896－1949）.上海：上海教育出版社，1986. 73,145-147,281-291,350-351,407-408,457-469

[2] 刘露茜，陈贻芳主编. 交通大学校史（1949－1959）.北京：高等教育出版社，1996.46

[3] 李特文. 工程热力学(1，2，3册). 宁榥，徐华舫译，上海：龙门联合书局,1953-1954

[4] 阔尔尼茨基，鲁滨斯坦主编. 普通热工学（1，2，3，4册）.李佑华，东北工学院热工教研组译，北京:高等教育出版社，1956-1957

[5] 雅斯特列姆斯基著. 工程热力学（1，2册）.沈维道译，北京:水利电力出版社,1956-1957

[6] 雷科夫著. 热传导理论.裘列均，丁履德译，北京:高等教育出版社,1955