基于CDIO理念的傳熱學課程教學研究與探討

趙忠超+周根明+唐春麗

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2014.01.020

收稿日期：2013-10-11

基金項目：江蘇省“十二五”高等學校重點專業(yè)建設項目（No. 20122377）

作者簡介：趙忠超（1975-），男，江蘇科技大學能源與動力工程學院副教授，博士，主要從事強化傳熱、建筑節(jié)能方面的研究，（E-mail）12074763@qq.com。

摘要：根據(jù)教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”戰(zhàn)略目標的要求，結合CDIO教育理念和質量管理基本原則，針對傳熱學課程教學所面臨的困境，文章對該課程的教學過程、教學方法、實踐過程和考核方法等方面進行了研究與探索，分析了CDIO大工程理念下建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)傳熱學課程創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)模式。

關鍵詞：CDIO；傳熱學；教學研究

中圖分類號：G642.0；TK124 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）01-0079-04

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批適合社會需求的創(chuàng)新應用型工程人才，是中國高等教育的一項重大改革。創(chuàng)新應用型人才應具有較強的學習能力、創(chuàng)新能力、交流能力和社會適應能力[1-2]。美國麻省理工學院等四所工程大學為了實現(xiàn)學生綜合素質的培養(yǎng)目標，提出了現(xiàn)代工程教育CDIO理念——構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）。CDIO理念基于產品研發(fā)到產品運行的生命周期理論，通過工程的情景教育，讓學生主動地在實踐與課程有機聯(lián)系的學習環(huán)境中學習工程知識[3]?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”與CDIO理念在培養(yǎng)目標上是一致的，都要求在教學過程、教學方法、實踐過程和考核方法等人才培養(yǎng)過程中，體現(xiàn)大工程觀意識，以社會需求為導向，以實際工程為背景，拓展工程教育基礎，拓寬工程教育視野，著重培養(yǎng)學生創(chuàng)建和運作新產品、新流程和新系統(tǒng)的能力[4-7]。本文結合江蘇省重點專業(yè)的建設，基于CDIO理念對傳熱學課程的教學過程、教學方法、實踐過程和考核方法等方面進行研究與探索。

一、傳熱學課程教學存在的問題

傳熱學是研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學，通過傳熱學課程的教學，除了讓學生掌握基本的熱量傳遞規(guī)律外，更重要的是幫助學生學會利用已掌握的基本熱量傳遞規(guī)律，分析和解決工程實際應用中多種基本傳熱規(guī)律耦合的復雜熱量傳遞問題。該課程是建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，是工程熱力學和流體力學兩門專業(yè)基礎課基本理論的綜合應用，具有知識面廣、工程適應性和實踐性強的特點，對培養(yǎng)建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)學生分析和處理工程實際問題的能力起著重要的作用[8-9]。但目前傳熱學課程教學未能體現(xiàn)其工程應用的特征，還存在一些問題。

1.教學觀念與社會需求脫節(jié)

該課程教學重視知識的系統(tǒng)性和完整性，而缺少理論與工程應用相結合的教學內容，忽略學生工程實踐能力的培養(yǎng)，出現(xiàn)重灌輸、輕自學，重精深、輕綜合，重理論、輕實踐，重研究、輕設計的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的教學觀念與CDIO理念所倡導的注重培養(yǎng)學生獨立學習能力、分析和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力的思想相悖，已無法適應時代的發(fā)展和社會的需求。

2.課程教學內容與工程實際脫節(jié)

傳熱學課程教學內容側重于熱傳導、熱對流和熱輻射等傳熱現(xiàn)象的基本理論知識，缺乏結合工程實際案例的課堂教學，未能具體展現(xiàn)熱量傳遞規(guī)律在工程實際中的廣泛應用，學生不能用已掌握的基本理論知識綜合解決實際工程問題，這是傳統(tǒng)教育重視工程科學教育的結果，不符合CDIO倡導的樹立大工程觀，注重培養(yǎng)人才的工程實踐能力的理念。

3.教學方法缺乏創(chuàng)新

該課程教學仍以傳統(tǒng)的單向灌輸式、照本宣科式的講授方法為主，忽略了學生作為教學主體的角色地位，教學中學生缺乏積極性和主動性，只能被動參與，課堂氣氛單調、沉悶，學生很容易失去學習興趣。這樣培養(yǎng)的學生必然失去自主學習的能力，其思維模式也會變得僵化，實踐應用能力差。

4.教學實踐環(huán)節(jié)脫離實際，缺乏創(chuàng)新性

該課程實驗教學多為驗證性的演示實驗，教師講解相關實驗原理、實驗儀器的操作方法和步驟以及預期獲得的實驗結果，學生則按規(guī)定操作規(guī)程進行實驗測試、記錄，驗證預期的實驗結果和完成實驗報告。這種操作方法和流程固定、預知實驗結果的實驗課程，難以達到啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)其動手設計實驗和獨立運行實驗能力的目的。

5.課程評價體系單一、片面

傳熱學課程采用的是期末閉卷考試的考核方式，其評價導向依然將學生掌握基本理論作為唯一評價標準，缺乏知識綜合應用和工程實踐能力的考核，未能體現(xiàn)學生應用理論知識分析解決工程實際問題的能力；同時也缺少對學生課程學習過程的考核。這種重理論、輕應用的考核方式，與CDIO培養(yǎng)工程型、應用型人才的理念不相符。

二、教學理念和教學方法的改革

（一）轉變教學觀念，適應企業(yè)對創(chuàng)新應用型人才的需求

按照CDIO理念，首先應變革傳統(tǒng)的一元教育教學理念，課程的知識體系要體現(xiàn)工程教育核心，圍繞“創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)”的主線，樹立二元教育觀，以滿足企業(yè)對工程人才的需求。在傳熱學課程教學中，明確要求學生不僅要系統(tǒng)地學習基本傳熱規(guī)律的理論知識，更要能靈活應用已掌握的熱量傳遞基本規(guī)律的理論知識，去分析和解決的工程實踐中具體復雜的傳熱問題，實現(xiàn)CDIO理念所倡導的“構思、設計、實現(xiàn)和運作”的人才培養(yǎng)思想。

傳統(tǒng)的以教師為中心的教育理念，極大地束縛了學生“以用為主、主動學習、主動實踐”的學習行為[5]。教學過程中要樹立以學生為核心的教育理念，使“教”為“學”服務，讓學生成為整個教學過程的主體，教師僅是教學體系的主導者，主要對教學進程及教學秩序進行掌控，引導、啟發(fā)學生思考，組織工程案例討論，并進行歸納總結，是教師的主要職責。

（二）教學過程的調整

CDIO理念倡導工程情景教育。教學中教師應幫助學生掌握并靈活應用理論知識，以解決工程中涉及的項目設計、實施方案、設計方法、規(guī)范和技巧等問題。

在傳熱學課程教學中，應要求學生掌握基本傳熱理論并完成一項實際工程設計，這就需要熟悉工程設計流程，擬定工程項目可行性分析及項目實施方案，利用熱傳導、對流換熱和輻射換熱理論完成換熱器的熱力計算，根據(jù)熱力計算的結果完成換熱器的結構及換熱原件的設計，然后撰寫設計說明書。通過課程實驗、開放選修實驗以及大學生創(chuàng)新型實驗等工程實踐途徑，培養(yǎng)學生的工程意識，提高其解決實際問題的能力。

（三）教學方法的改進

教學中要靈活將CDIO的“構思、設計、實現(xiàn)、運作”理念有機地貫穿于教與學的各個環(huán)節(jié)。傳熱學課程教學存在的最突出的問題是教學手段單一，師生缺乏互動，學生的學習缺乏自主性、選擇性。目前，教學過程中廣泛采用多媒體教學手段，雖然多媒體教學方式較傳統(tǒng)的板書授課方式所傳遞的信息量有大大的增加，但許多教師僅僅將其作為一種演示工具，進行單向的信息傳遞，學生只能被動地接受，而且在有限的授課時間內學生所能接收的知識量非常有限。網(wǎng)絡教學作為一種新的具有時空延展性的教學手段，可以有效地克服課堂多媒體教學的不足。因此應突破傳統(tǒng)教學模式的限制，將網(wǎng)絡教育平臺作為學生課外自主學習的有益補充，使網(wǎng)絡教學成為課堂多媒體教學的延續(xù)，彌補傳統(tǒng)教學方式的不足；讓學生全天候地不受時間和地域的限制，靈活安排自己的學習進程，學生的自主和協(xié)作學習能力將得到進一步培養(yǎng)，探究與創(chuàng)新的學習興趣也將得到進一步激發(fā)。

（四）實驗教學的完善

傳熱學課程理論教學環(huán)節(jié)和實驗教學環(huán)節(jié)二者是相對獨立又相互依存、相互促進的有機統(tǒng)一體，其目的是培養(yǎng)學生應用理論知識分析和解決實際問題的能力，激勵和啟發(fā)學生思辨創(chuàng)新，是培養(yǎng)符合CDIO理念的創(chuàng)新性、工程型、應用型人才的重要環(huán)節(jié)。教學中，改變以往課程實驗教學僅有基礎性實驗的單一模式，大幅增加綜合性實驗和研究創(chuàng)新性實驗。通過基礎實驗加深學生對傳熱學基本知識、基本原理的理解，掌握基本的熱物理量的測量方法和技能以及實驗數(shù)據(jù)采集、分析的手段；通過綜合性實驗培養(yǎng)學生綜合應用所學基礎理論知識解決復雜工程中的傳熱問題的能力，這不僅可以檢驗學生對理論知識的理解程度，同時還能拓寬其知識視野，培養(yǎng)其理論聯(lián)系工程實際的思維習慣以及科研創(chuàng)新的能力。研究創(chuàng)新實驗主要是對熱量傳遞相關領域中的前沿問題或研究熱點展開討論和研究。學生通過相關文獻的查閱，了解課題的研究現(xiàn)狀、研究方法，通過設計、實施、觀察、分析得出結論，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維和自主創(chuàng)新的能力。

傳熱學課程實驗教學環(huán)節(jié)重點訓練和培養(yǎng)學生的實驗技能、工程素質和創(chuàng)新能力。實驗教學環(huán)節(jié)實施 “工程項目”教學理念，讓學生在完成項目的過程中產生利用理論知識解決工程實際問題的原始驅動力，并為完成項目主動學習理論知識，建立以學生為中心的“基于工程項目教育”的新型實驗教學模式。

（五）考核方式的改變

課程考核是測試學生知識與能力的基本手段，是教學過程的重要環(huán)節(jié)，它具有導向功能、反饋功能和評價功能等多種功能。合理的考核方式對學生選擇課程的學習方法具有導向作用，建立恰當?shù)目己耸侄慰梢允拐n程教學達到理想的效果，實現(xiàn)預期的培養(yǎng)目標。

根據(jù)現(xiàn)代工程企業(yè)對創(chuàng)新應用型工程人才的要求，體現(xiàn)CDIO理念所倡導的工程教育人才培養(yǎng)思想，傳熱學課程考核應包括人才綜合能力和自主學習、實踐創(chuàng)新能力等方面的考核內容。因此，必須改變傳統(tǒng)的“一考定終身”的卷面考核方式，采用基于過程的多元、多指標綜合考核方式，傳熱學課程總評成績由課堂表現(xiàn)考核、實驗能力考核、項目實施考核和期末考試等四部分構成。課堂表現(xiàn)考核主要考核學生平時課堂出勤、課后作業(yè)以及學生應用理論知識解決工程實踐問題的能力；實驗能力考核主要評價學生在實驗項目訓練中的工程實踐能力、知識應用能力和自主創(chuàng)新能力；項目實施考核是對學生綜合應用所學基本傳熱現(xiàn)象的理論知識，解決實際工程中復雜傳熱問題的能力的評價；期末考試采用閉卷考試，主要考核理論知識，注重知識的工程應用，考核內容為該課程的基本理論和基本方法。

三、結 語

基于CDIO理念的基本要求和總體框架，以傳熱學課程教學為平臺，研究和探索現(xiàn)代工程教育中建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)“以人為本”的教育價值觀、“以能力為中心”的教育質量觀、“以學生為主體”的教育角色觀和“以素質為中心”的人才培養(yǎng)觀。研究表明，以CDIO教育理念，實施“基于工程項目”的教學，有利于培養(yǎng)學生的工程實踐意識，有利于學生的知識重構，有利于培養(yǎng)學生的思辨能力和創(chuàng)新思維，有利于培養(yǎng)學生的綜合素質和工程能力，對培養(yǎng)現(xiàn)代工程技術創(chuàng)新應用型人才具有十分重要的意義。

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Heat transfer course teaching research based on CDIO

ZHAO Zhongchao， ZHOU Genming， TANG Chunli

（College of Energy and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， P. R. China）

Abstract： According to the requirement of “An education and training plan for outstanding engineers” issued by Ministry of Education of the P. R. China and combined with the educational concept of CDIO and quality management principles， we investigated and explored on the teaching process， teaching methods， the practice process and examination methods of heat transfer course. The innovative training mode of hear transfer course was preliminary discussed with the generalized engineering philosophy CDIO.

Keywords： CDIO； heat transfer； teaching research

（編輯 王 宣）