專業(yè)認(rèn)證背景下熱工學(xué)課程教學(xué)改革探索

馮俊軍,陳 霞,丁厚成,林曉飛,胡新成

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院;2.安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

熱工學(xué)是安全工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。本課程能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程和解決熱力工程領(lǐng)域技術(shù)問題及從事相關(guān)科研奠定基礎(chǔ)。由于熱工學(xué)課程具有較強(qiáng)的理論性,名詞及概念繁雜而且高度抽象化,課程的大部分公式需要通過高等數(shù)學(xué)知識(shí)推導(dǎo)得到,許多理論模型也建立在大學(xué)物理、理論力學(xué)等抽象理論基礎(chǔ)上,導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在一定困難,影響了本課程對(duì)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的支撐,難以達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證的基本要求。針對(duì)這一問題,本文以熱工學(xué)課程在專業(yè)認(rèn)證中的支撐目標(biāo)為導(dǎo)向,從課程教學(xué)改革方面做了一些探索。

一、安全工程專業(yè)認(rèn)證的內(nèi)涵及意義

高等工程教育專業(yè)認(rèn)證源起于美國(guó),1932年成立了美國(guó)工程與技術(shù)認(rèn)證委員會(huì),之后為世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)所仿效并產(chǎn)生了許多國(guó)際性的專業(yè)認(rèn)證協(xié)議?！度A盛頓協(xié)議》是1989年由美國(guó)、加拿大、英國(guó)、愛爾蘭、澳大利亞和新西蘭等6國(guó)的民間團(tuán)體組織簽訂的國(guó)際性協(xié)議,其核心內(nèi)容是承認(rèn)簽約方所認(rèn)證的本科高等工程教育培養(yǎng)方案具有實(shí)質(zhì)等效性,認(rèn)為高校開設(shè)專業(yè)經(jīng)協(xié)議成員組織認(rèn)證后,其畢業(yè)生均達(dá)到了從事該專業(yè)工程師職業(yè)的學(xué)術(shù)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。

我國(guó)為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化與工業(yè)國(guó)際化趨勢(shì),促進(jìn)工程技術(shù)人才參與國(guó)際交流,2005年開始探索構(gòu)建具有國(guó)際實(shí)質(zhì)等效性的工程教育專業(yè)認(rèn)證制度和體系,并逐步展開專業(yè)認(rèn)證工作。2013年6月成為《華盛頓協(xié)議》預(yù)備成員,2016年6月成為該協(xié)議正式成員[2]。專業(yè)認(rèn)證工作的推廣對(duì)深化我國(guó)高等工程教育改革、保障工程教育質(zhì)量、提高本科學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力、增強(qiáng)畢業(yè)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、適應(yīng)就業(yè)創(chuàng)業(yè)國(guó)際化需求具有重要作用。

根據(jù)《工程教育認(rèn)證工作指南》,安全工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)包括通用標(biāo)準(zhǔn)以及專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)。通用標(biāo)準(zhǔn)在學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊(duì)伍和支持條件7個(gè)方面作出了明確要求;安全工程專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)是在通用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上,根據(jù)安全專業(yè)特點(diǎn)提出的特有的具體要求,包括課程體系、師資隊(duì)伍、支持條件3個(gè)方面。安全工程本科專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)反映了社會(huì)安全需要尤其是安全工程界的需要,認(rèn)證結(jié)果也代表了社會(huì)安全與安全生產(chǎn)對(duì)安全專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的認(rèn)可[3]。通過開展安全工程專業(yè)認(rèn)證,加強(qiáng)了社會(huì)對(duì)專業(yè)的認(rèn)可度,提高了人才的社會(huì)適應(yīng)性。

安徽工業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)自2007年開始招收本科生,專業(yè)依托于建筑工程學(xué)院,緊緊圍繞社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人才需求,培養(yǎng)學(xué)生掌握安全工程相關(guān)理論知識(shí)與專業(yè)技能,在建筑安全、消防安全、應(yīng)急救援、職業(yè)衛(wèi)生等安全領(lǐng)域從事專業(yè)技術(shù)工作。近年來,安徽工業(yè)大學(xué)以工程教育專業(yè)認(rèn)證為契機(jī),參照專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)開展了艱苦細(xì)致的教學(xué)改革工作,安全工程專業(yè)于2017年6月5日至7日接受了教育部專家組的現(xiàn)場(chǎng)考查,教學(xué)改革的成效得到了專家的充分肯定。這些舉措對(duì)于促進(jìn)我校安全工程教育與國(guó)際工程教育的互相認(rèn)可,提升我校安全工程專業(yè)畢業(yè)生的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

二、熱工學(xué)課程對(duì)專業(yè)認(rèn)證的支撐及存在問題

在開展安全工程專業(yè)認(rèn)證過程中,通用標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)都是以學(xué)生作為主要評(píng)價(jià)對(duì)象,評(píng)價(jià)該專業(yè)所有學(xué)生是否達(dá)到認(rèn)證規(guī)定的基本要求。首先,安全工程專業(yè)制定了符合學(xué)校定位的、適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的培養(yǎng)目標(biāo),在此基礎(chǔ)上提出了能夠支撐培養(yǎng)目標(biāo)的畢業(yè)要求。然后,依據(jù)本專業(yè)所制定的畢業(yè)要求開展畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果判斷本專業(yè)所培養(yǎng)的所有學(xué)生是否達(dá)到畢業(yè)要求。畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)的具體過程為:(1)由專門的評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)會(huì)同責(zé)任教授對(duì)每項(xiàng)畢業(yè)要求進(jìn)行分解,并列出支撐每條指標(biāo)點(diǎn)的課程,對(duì)每門課程的支撐強(qiáng)度賦值;(2)由專門的評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)指定專人對(duì)該門課程的評(píng)價(jià)依據(jù)(主要是對(duì)學(xué)生的考核結(jié)果,包括試卷、大作業(yè)、報(bào)告等)合理性進(jìn)行確認(rèn);(3)依據(jù)學(xué)生考核結(jié)果,計(jì)算各門課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐度,加權(quán)求和得出相應(yīng)的畢業(yè)要求分指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度;(4)匯總每個(gè)畢業(yè)要求分指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度,得出整項(xiàng)畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果,依據(jù)“評(píng)價(jià)機(jī)制”規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn),明確該項(xiàng)畢業(yè)要求是否達(dá)成。

安徽工業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)的畢業(yè)要求包括12項(xiàng),分別為工程知識(shí)、問題分析、設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí)。其中,熱工學(xué)課程支撐的畢業(yè)要求分指標(biāo)點(diǎn)為:(1)掌握工程力學(xué)、工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、電工學(xué)、機(jī)械基礎(chǔ)等工程基礎(chǔ)知識(shí);(2)掌握安全工程和安全科學(xué)所需的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理;(3)能夠設(shè)計(jì)基于物理、化學(xué)、電工、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)等問題的實(shí)驗(yàn)。

在開展熱工學(xué)課程畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)時(shí),評(píng)價(jià)依據(jù)為課程考試、隨堂測(cè)驗(yàn)、課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告,通過對(duì)課程考核材料的深人分析,發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在以下問題:(1)概念術(shù)語(yǔ)記不住,很多學(xué)生對(duì)于熱工學(xué)中涉及的大量概念術(shù)語(yǔ)很頭疼,往往簡(jiǎn)單地從字面上去理解概念術(shù)語(yǔ)的含義,導(dǎo)致名詞解釋時(shí)千奇百怪、錯(cuò)誤百出;(2)理論定律吃不透,由于許多理論定律闡述的是多個(gè)物理量之間的關(guān)系,而由于學(xué)生根本記不住物理量的定義,導(dǎo)致他們也無(wú)法從根本上理解該理論定律的含義,理論定律與概念術(shù)語(yǔ)嚴(yán)重分離;(3)解題方法用不了,熱工學(xué)課程學(xué)習(xí)的最終目的是依靠理論定律去解決工程實(shí)際問題,而由于學(xué)生并未吃透熱工學(xué)理論定律,就更談不上將解題方法在實(shí)際問題中活學(xué)活用了。正是由于“概念術(shù)語(yǔ)記不住、理論定律吃不透、解題方法用不了”,導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)熱工學(xué)課程時(shí)缺乏積極性,課程考核結(jié)果并不理想,影響了本課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐。

三、熱工學(xué)課程教學(xué)改革

(一)構(gòu)建課程框架

對(duì)于熱工學(xué)這類理論性比較強(qiáng)的課程,首先要構(gòu)建課程框架,用通俗易懂的語(yǔ)言描繪整個(gè)課程的主要研究目的和研究?jī)?nèi)容,從而有利于后期高效地向課程框架中填充知識(shí)點(diǎn)。這個(gè)課程框架一定要簡(jiǎn)潔明了,可以理解為一棟房子的框架結(jié)構(gòu),有了結(jié)構(gòu)之后,才能往里面填充其他材料。框架結(jié)構(gòu)合理不合理,會(huì)直接影響整個(gè)房子的穩(wěn)定性。熱工學(xué)實(shí)際上是熱能工程學(xué)的簡(jiǎn)稱,它所研究的是如何在工程中合理而有效地利用熱能。熱能的利用主要有兩種形式,直接利用和間接利用,直接利用包括加熱和制冷,這里面涉及到熱量傳遞問題;間接利用是將熱能轉(zhuǎn)化為其他形式的能源來利用,如機(jī)械能和電能,這里面涉及的是能量轉(zhuǎn)換問題;對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)問題,熱工學(xué)課程有兩大研究分支,傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)(圖1)。這就是整個(gè)熱工學(xué)的課程框架,通過這個(gè)框架可以讓學(xué)生清晰地知道熱工學(xué)到底研究什么。

圖1 熱工學(xué)課程框架

(二)建立知識(shí)體系

知識(shí)體系是建立在課程框架基礎(chǔ)上的,它給出了知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯性和關(guān)聯(lián)性。房屋框架結(jié)構(gòu)搭好之后,還需要向里面填充材料,這些材料之間不是孤立的,需要緊密地結(jié)合在框架里面。這些材料,就對(duì)應(yīng)著整個(gè)課程的知識(shí)點(diǎn)。以熱工學(xué)為例,可以采用思維導(dǎo)圖的形式把熱工學(xué)的知識(shí)點(diǎn)做成一套知識(shí)體系。通過在授課過程中不斷強(qiáng)化這套知識(shí)體系,學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)也就一個(gè)個(gè)串聯(lián)起來了,并且在他們的頭腦里面也呈現(xiàn)出這樣一幅清晰的知識(shí)地圖。從圖2可以看出,左側(cè)是課程框架,展開后是課程主干知識(shí)點(diǎn),再展開主干知識(shí)點(diǎn)能夠看到大量的分支知識(shí)點(diǎn),這樣層層疊疊地把整個(gè)課程的知識(shí)點(diǎn)自上而下地串聯(lián)了起來,給學(xué)生印象非常深刻。

圖2 熱工學(xué)知識(shí)體系示例

(三)強(qiáng)化重點(diǎn)難點(diǎn)

建立課程知識(shí)體系之后,需要從里面提煉出課程重點(diǎn)難點(diǎn),在授課過程中不斷強(qiáng)化,讓學(xué)生重點(diǎn)掌握。這些重點(diǎn)難點(diǎn)就是一棟房子的承重墻,決定著房子的穩(wěn)定性。從圖2中可以看出,課程框架下是主干知識(shí)點(diǎn),通常也是課程的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容,而主干知識(shí)點(diǎn)之間沒有層級(jí)關(guān)聯(lián)性,因此需要從縱向建立主干知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián),加深學(xué)生理解記憶。以工程熱力學(xué)的主干知識(shí)點(diǎn)為例,工程熱力學(xué)研究能量轉(zhuǎn)化規(guī)律,如熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化,熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能需要借助一套設(shè)備和物質(zhì)來實(shí)現(xiàn),這套實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為熱工設(shè)備、物質(zhì)稱為工質(zhì)。通過高溫加熱工質(zhì),工質(zhì)受熱膨脹推動(dòng)活塞向外做功,從而完成熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。把實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備和工質(zhì)作為研究對(duì)象,稱為熱力系統(tǒng);熱力系統(tǒng)里的工質(zhì)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化,它在任意時(shí)刻的物理狀態(tài)稱為熱力狀態(tài);熱力狀態(tài)的一系列變化,稱為熱力過程;熱力狀態(tài)通過一系列變化回到初始狀態(tài),稱為熱力循環(huán)。通過這樣把工程熱力學(xué)的幾個(gè)主干知識(shí)點(diǎn)建立了邏輯聯(lián)系,形成了一個(gè)縱向的知識(shí)結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 熱工學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)示例

(四)注重課程回顧

每次新課之前一定要把上節(jié)課重點(diǎn)內(nèi)容用板書梳理一遍,這個(gè)課程回顧的過程,能夠讓學(xué)生及時(shí)回想起上節(jié)課內(nèi)容,然后非常自然地跟新課內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)。以熱工學(xué)中水蒸氣這一章節(jié)為例,如果這節(jié)課要講的新內(nèi)容是水蒸氣的熱力過程,那么教師可以通過板書把上節(jié)課講的水蒸氣基本知識(shí)簡(jiǎn)要回顧一遍,包括什么是水蒸氣、如何產(chǎn)生水蒸氣、水蒸氣有哪些熱力狀態(tài)。最后回顧完水蒸氣的熱力狀態(tài),就很自然地要說到水蒸氣熱力狀態(tài)的變化,水蒸氣熱力狀態(tài)的變化就是水蒸氣的熱力過程,這樣就很自然地進(jìn)人了新內(nèi)容。采用板書教學(xué),能夠邊回顧、邊講解,還給學(xué)生留出了足夠的回想時(shí)間,效果更好。

(五)鞏固實(shí)例應(yīng)用

課程理論知識(shí)如果不經(jīng)過大量實(shí)例應(yīng)用,就很難體會(huì)到理論知識(shí)的用途,自然難以融會(huì)貫通。因此,需要將課堂內(nèi)外結(jié)合起來開展實(shí)例應(yīng)用。課堂上,教師講解案例使學(xué)生對(duì)理論應(yīng)用產(chǎn)生直觀印象;課堂外,學(xué)生通過課后練習(xí)進(jìn)一步提高應(yīng)用能力。比如,傳熱學(xué)給出了一些熱量傳遞理論,對(duì)于這些傳熱理論的應(yīng)用,就可以聯(lián)系身邊的簡(jiǎn)單案例。以教室里的暖氣片為例,暖氣片的傳熱過程就是一個(gè)典型復(fù)合傳熱過程,它包括管內(nèi)熱對(duì)流、暖氣片導(dǎo)熱、管外熱對(duì)流和管外熱輻射這四個(gè)階段,涵蓋了傳熱的三種基本方式:導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。通過這樣的一個(gè)案例展開深入講解計(jì)算,學(xué)生就可以掌握傳熱的三種基本形式及規(guī)律,并且主動(dòng)把它應(yīng)用到生活實(shí)際中。除了生活中的案例,在熱工學(xué)實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生還可以接觸到更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌咐?通過一些典型的熱工學(xué)實(shí)驗(yàn),能夠進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)概念和理論的理解。