基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的工程熱力學(xué)課程教學(xué)探索

尤彥彥 毛明明 楊彬彬 齊曉霓 王有鏜

[摘要]工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為我國(guó)高等工程教育發(fā)展指明了方向。在深入理解工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證基本理念的基礎(chǔ)上，高校對(duì)工程熱力學(xué)教學(xué)進(jìn)行了深刻反恩，重新明確了課程定位，革新了教學(xué)思路，探索靈活的教學(xué)方法，加大課程實(shí)踐力度，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證要求，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證;工程熱力學(xué);人才培養(yǎng);教學(xué)探索

[中圖分類(lèi)號(hào)]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]2095-3437（2019）12-0071-03

2013年6月，中國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證工作全面展開(kāi)。截至2017底，全國(guó)已有198所高校的846個(gè)工科專(zhuān)業(yè)通過(guò)了教育部高等教育教學(xué)評(píng)估中心和中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)的認(rèn)證，由此表明，我國(guó)工程教育質(zhì)量及其保障機(jī)制得到了國(guó)際工程教育界的認(rèn)可，標(biāo)志著我國(guó)工程教育已邁出了國(guó)門(mén)，走向了世界。

工程熱力學(xué)作為能源動(dòng)力類(lèi)、機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是工程教育認(rèn)證課程體系中不可或缺的課程，課程支撐學(xué)生工程知識(shí)、問(wèn)題分析、開(kāi)發(fā)/解決方案、研究、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、終身學(xué)習(xí)等多個(gè)方面的畢業(yè)要求，屬“強(qiáng)支撐”課程，教學(xué)工作開(kāi)展直接關(guān)系到學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成度。為此，深刻把握工程教育認(rèn)證三個(gè)基本理念——成果導(dǎo)向，以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)為主線，重新定位課程，革新教學(xué)思路，調(diào)整教學(xué)方法，進(jìn)行有效的實(shí)踐教學(xué)改革有著非常重要的意義。

一、課程定位

工程教育認(rèn)證背景下，工程熱力學(xué)課程性質(zhì)并沒(méi)有沒(méi)變，但是課程承載的東西不同了，除了知識(shí)，要同時(shí)兼顧能力、思維、環(huán)境與社會(huì)、人文素質(zhì)等。如此，教學(xué)過(guò)程將不限于課上、教室和書(shū)本，課堂必將變?yōu)榻涣髦R(shí)、碰撞思維和體悟情感的場(chǎng)所。相對(duì)于陳述性知識(shí)而言，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)更注重策略性知識(shí)（如何學(xué)習(xí)、如何思維）的傳授，重視學(xué)科理念，學(xué)科思想的傳播，還要滲透人文素質(zhì)教育在其中，可見(jiàn)工程熱力學(xué)承載的是“全人”的培養(yǎng)，教師要緊跟時(shí)代步伐，不斷深入思考，及時(shí)轉(zhuǎn)變教育教學(xué)觀念。

二、先進(jìn)的教學(xué)理念

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證以成果為導(dǎo)向，實(shí)質(zhì)是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以學(xué)生的畢業(yè)要求為導(dǎo)向，因此無(wú)論是培養(yǎng)目標(biāo)制定、課程體系設(shè)置，還是教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展都必須進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，從需求開(kāi)始。教師要充分把握教育教學(xué)規(guī)律和學(xué)科發(fā)展方向，運(yùn)用先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)教學(xué)，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證要求，以下是筆者近幾年在工程熱力學(xué)教學(xué)中的幾點(diǎn)粗淺實(shí)踐，期待與同行們進(jìn)行交流。

（一）以研究的態(tài)度從事教學(xué)

要通過(guò)課程教學(xué)達(dá)成學(xué)生對(duì)問(wèn)題分析、開(kāi)發(fā)/解決方案、研究等方面的畢業(yè)要求，可嘗試以研究的態(tài)度從事教學(xué)，把每一個(gè)概念與科學(xué)理論看成是一個(gè)重新發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，使學(xué)生得到創(chuàng)新思維的啟發(fā)。像平衡狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程這幾個(gè)抽象的概念，它們?cè)谡麄€(gè)學(xué)科體系中的地位和作用，類(lèi)似于開(kāi)展研究、建立模型之前做的一些必要假設(shè)與簡(jiǎn)化，將復(fù)雜的熱力過(guò)程簡(jiǎn)化成易研究、可研究、方便研究的熱力過(guò)程，一個(gè)理想的熱力學(xué)過(guò)程。研究實(shí)際氣體通用狀態(tài)方程時(shí)用到的對(duì)應(yīng)態(tài)原理，實(shí)則是相似原理結(jié)合無(wú)量綱分析，該方法也是研究流體流動(dòng)、傳熱問(wèn)題的常用方法。氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率影響因素分析采用單因素分析法，若考慮因素間交互作用，常用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)完成，以上均為工程研究中常用到的方法。另外，授課過(guò)程中還可以設(shè)置一些啟發(fā)思維發(fā)問(wèn)，比如卡諾循環(huán)熱效率那么高，為何實(shí)際的氣體動(dòng)力循環(huán)、蒸汽動(dòng)力循環(huán)都不采用卡諾循環(huán)，特別是蒸汽動(dòng)力循環(huán)，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)等溫的吸放熱等，從而將學(xué)生帶入到思考之中。我們知道唯有學(xué)思結(jié)合，才有可能創(chuàng)新。

（二）將知識(shí)講成通俗的故事

在2018年第十屆全國(guó)高等院校制冷及暖通空調(diào)學(xué)科發(fā)展與教學(xué)研討會(huì)大會(huì)報(bào)告上，清華大學(xué)史林教授分享工程熱力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)時(shí)講到，要“用最淺顯的語(yǔ)言，最通俗地把一個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明白，把一件事情說(shuō)明白，把一種方法說(shuō)明白，將熱力學(xué)的本質(zhì)講明白”。另外，還有“將知識(shí)講成通俗的故事”，全國(guó)模范教師、河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院李春利教授一直這樣實(shí)踐著化工原理課程的講授。前輩們的這些經(jīng)驗(yàn)特別適用于像熱力學(xué)這類(lèi)以抽象理論為基礎(chǔ)的難教難學(xué)難懂的課程。為了達(dá)到上述效果，筆者在課程中恰當(dāng)采用比擬法，并堅(jiān)持將更多的日常生活和工程案例融入教學(xué)過(guò)程中，使抽象的知識(shí)更接地氣。如準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程比擬成電影或視頻播放，一幀一幀靜態(tài)圖片最后得到連續(xù)畫(huà)面，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在P-v、T-s圖上同樣也是一條連續(xù)的實(shí)線;將“門(mén)窗緊閉的房間開(kāi)冰箱門(mén)能否降溫”“夏天開(kāi)空調(diào)時(shí)為何有水不停流出”“冬季戴眼鏡的人進(jìn)入溫暖的屋內(nèi)，眼鏡片上出現(xiàn)一層‘霧如何解釋”等一系列日常現(xiàn)象引入課程。同時(shí)展示課題組一直以來(lái)在低品位能源利用技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展的研究工作與成果，特別是低濃度煤礦瓦斯熱氧化和催化氧化關(guān)鍵技術(shù)及裝置示范運(yùn)行等。以上做法大大拉近了學(xué)生與知識(shí)之間的距離，使學(xué)生感覺(jué)到知識(shí)不都是高冷的，而是有溫度的，甚至是帶有人類(lèi)情感的。

（三）深化“全人”培養(yǎng)，加強(qiáng)人文素質(zhì)教育

在高等工程教育中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生人文素質(zhì)的培養(yǎng)，是學(xué)生人性自我完善和身心健康發(fā)展的內(nèi)在需要，也是社會(huì)對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的要求。通過(guò)人文素質(zhì)教育有利于促進(jìn)學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，從而激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立專(zhuān)業(yè)自信。專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中滲透人文素質(zhì)教育具有先天優(yōu)勢(shì)，屬于更深層次的人文教育。首先是該類(lèi)課程教學(xué)時(shí)間長(zhǎng)，占理工科總學(xué)時(shí)的一多半，其次是人文素質(zhì)與專(zhuān)業(yè)研究相同，前者是精神支柱、是追求真理的動(dòng)力，后者是實(shí)踐，另外教師對(duì)于教學(xué)的熱情和態(tài)度、自身人文素質(zhì)對(duì)學(xué)生有著更直接、廣泛和深遠(yuǎn)的影響。教師自身要對(duì)工作、對(duì)科研、對(duì)生活抱有極大的熱情，敢于提出自己獨(dú)到的見(jiàn)解，愿意與學(xué)生分享自己的生活科研經(jīng)歷。具體教學(xué)過(guò)程中可采用將熱力學(xué)史或身邊的人物、事件融入其中的方法，如熱力學(xué)發(fā)展史上焦耳和邁爾分別在實(shí)驗(yàn)和理論方面對(duì)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律、熱力學(xué)第一定律做出了巨大貢獻(xiàn)，前者堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證近30年，后者則傾其一生來(lái)捍衛(wèi)“真理”，早年因受學(xué)術(shù)界排斥，曾一度精神失常;還有克勞修斯，他從明確地表述熱力學(xué)第二定律到正式引入“熵”的概念，足足經(jīng)歷了15個(gè)春秋。身邊事件則有像“無(wú)氯氟聚氨酯新型化學(xué)發(fā)泡劑”這項(xiàng)革命性顛覆性的世界發(fā)明，是由我校畢玉遂教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心研究了13年的成果。這些例子無(wú)論在科學(xué)精神方面還是研究方法方面都值得學(xué)生們認(rèn)真學(xué)習(xí)，深入思考。

（四）有效的交流反饋評(píng)價(jià)機(jī)制

要真正做到以學(xué)生為中心，將教學(xué)工作做到實(shí)處，需要建立有效的教學(xué)反饋和評(píng)價(jià)機(jī)制，特別是來(lái)自教師自身和教學(xué)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的反饋與評(píng)價(jià)。教師的自我反饋如下：首先，課程結(jié)束要及時(shí)進(jìn)行教學(xué)分析，包括經(jīng)驗(yàn)與不足，形成總結(jié)材料。其次，在課程分析的基礎(chǔ)上撰寫(xiě)發(fā)表教研論文，至少2年1篇，因?yàn)樽珜?xiě)教研論文的過(guò)程即是對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行深度反思的過(guò)程，也是與同行進(jìn)行認(rèn)真交流學(xué)習(xí)的過(guò)程，是對(duì)教育教學(xué)規(guī)律認(rèn)真把握的過(guò)程。關(guān)于團(tuán)隊(duì)反饋則指課程教學(xué)組內(nèi)部的教學(xué)研討與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，此處強(qiáng)調(diào)的是形成制度，確保落地，而不是“紙上談兵”，哪怕每學(xué)期僅進(jìn)行1次，因?yàn)榇蠹沂谡n一致、面向的對(duì)象也基本一致，組內(nèi)定期交流既有利于師資隊(duì)伍建設(shè)，又有利于教學(xué)改革的深入開(kāi)展，當(dāng)然也鼓勵(lì)教師走出去，參加相應(yīng)的學(xué)科發(fā)展與教學(xué)研討會(huì)，與更多的同行交流，同時(shí)還可以深入了解教育教學(xué)發(fā)展新導(dǎo)向。最后是教學(xué)評(píng)價(jià)，可探索述職報(bào)告、同事評(píng)價(jià)、敘事研究等制度，從“物本”向“人本”轉(zhuǎn)變，充分體現(xiàn)教師在評(píng)估中的主體地位與人性價(jià)值，從不同方面加強(qiáng)評(píng)估的溝通與對(duì)話。

三、靈活的教學(xué)方法

“教學(xué)有法，教無(wú)定法，貴在得法”，也許最好的方法就是那些最能契合課程特點(diǎn)、最能激起學(xué)生興趣、最能觸動(dòng)學(xué)生心坎、最能兼顧到學(xué)生畢業(yè)要求和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的方法。工程教育認(rèn)證對(duì)支撐課程均有著明確的定位，基于課程定位，在保證對(duì)課程有足夠了解的前提下，包括基本知識(shí)、知識(shí)架構(gòu)、學(xué)科思想、學(xué)科理念、學(xué)科背景，甚至工程應(yīng)用等，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)法。比如關(guān)于熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的講解，可以采用“先人為主”的方法，先給出公式，說(shuō)明用途，再逐一推導(dǎo)，最后強(qiáng)調(diào)各式中不同符號(hào)的含義和注意事項(xiàng)，這樣學(xué)生先在整體思路上對(duì)這部分較難的知識(shí)有一個(gè)清晰的架構(gòu)，整個(gè)過(guò)程才能變得不那么“懵”。而像理想氣體熱力過(guò)程這種具有并行結(jié)構(gòu)的知識(shí)，可采用“精講其一”的方法，其余通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂由不同小組的學(xué)生完成，同時(shí)該部分內(nèi)容進(jìn)行還可引導(dǎo)學(xué)生采用“填表+繪圖”的形式完成，這樣不同過(guò)程對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容一目了然，過(guò)程方程、初終態(tài)參數(shù)關(guān)系、P-v，T-s圖，過(guò)程熱力學(xué)能變化、焓變和熵變、過(guò)程功量和熱量等。

四、有效的實(shí)踐環(huán)節(jié)

（一）重視課程實(shí)驗(yàn)

課程實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，加深學(xué)生對(duì)熱力學(xué)基本理論知識(shí)的理解，同時(shí)訓(xùn)練分析、處理、解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，獲得有效結(jié)論等各方面的綜合能力。為了達(dá)到更好的效果，本課程采用任課教師自己帶實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)驗(yàn)時(shí)特別提醒學(xué)生要深入了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)構(gòu)思及擴(kuò)展應(yīng)用，要熟悉熱工參數(shù)像溫度、壓力、流量、空氣濕度等基本量的測(cè)量方法。例如空氣定壓比熱測(cè)定的原理是比熱容的定義，按照此定義進(jìn)行實(shí)驗(yàn)構(gòu)思，具體實(shí)施則通過(guò)對(duì)流動(dòng)的工質(zhì)進(jìn)行加熱，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)空氣溫升對(duì)應(yīng)的加熱量，從而計(jì)算空氣的平均比定壓熱容，實(shí)驗(yàn)同時(shí)還要引導(dǎo)學(xué)生去思考更多的問(wèn)題，如空氣定壓比熱與壓力是否有關(guān)，相應(yīng)定容比熱如何獲取，若用實(shí)驗(yàn)獲取定容比熱，開(kāi)展工作將存在什么困難等。

（二）開(kāi)展專(zhuān)題拓展

為了增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，開(kāi)拓大學(xué)生知識(shí)視野，了解熱力學(xué)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，可恰當(dāng)開(kāi)展專(zhuān)題拓展講座。像中央臺(tái)經(jīng)濟(jì)半小時(shí)節(jié)目清華同方“熱泵技術(shù)，十年冷暖”，這一既節(jié)約能源又減少污染物排放的技術(shù)屬我們國(guó)家環(huán)保產(chǎn)業(yè)的又一項(xiàng)新技術(shù)，其最驚艷的亮相是在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上，清華同方的水源熱泵技術(shù)就在奧運(yùn)村里派上了用場(chǎng)，贏得了各國(guó)代表團(tuán)的贊許，助推了綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)和人文奧運(yùn)理念的成功實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該講座既培養(yǎng)了學(xué)生們的愛(ài)國(guó)情懷，又使學(xué)生們對(duì)地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵技術(shù)的熱力學(xué)原理有了更深刻的理解，對(duì)知識(shí)的工程應(yīng)用有了更直觀的感受，另外，通過(guò)與同方負(fù)責(zé)人的訪談，學(xué)生還間接了解了企業(yè)的生存發(fā)展之道和新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)化過(guò)程等知識(shí)。

（三）布置課程小論文

本著鞏固知識(shí)，強(qiáng)化熱力學(xué)分析方法和培養(yǎng)解決問(wèn)題能力的原則，工程熱力學(xué)教學(xué)要結(jié)合當(dāng)前熱力學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)及社會(huì)上與熱力學(xué)相關(guān)的熱點(diǎn)問(wèn)題，給學(xué)生分組布置小論文任務(wù)，比如“有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)分析”“二氧化碳超臨界循環(huán)”“冷熱電三聯(lián)產(chǎn)”“能源大系統(tǒng)”“溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)”“水源、地源、空氣源熱泵循環(huán)等”等相關(guān)主題的論文。各組學(xué)生要就選題查資料、展開(kāi)討論、分工合作、撰寫(xiě)論文、制作PPT、進(jìn)行答辯等，這種以學(xué)生為中心的自學(xué)活動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，有利于發(fā)揮他們的創(chuàng)新能力、溝通交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（四）組織學(xué)生參加專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽

將熱力學(xué)知識(shí)與各種創(chuàng)新實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，依靠學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)、學(xué)院“一專(zhuān)業(yè)、一社團(tuán)、一賽事”創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)、山東高校低品位能源及余熱利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，鼓勵(lì)學(xué)生積極組隊(duì)參加各種學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目，如大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽、交通科技大賽、大學(xué)生應(yīng)用型人才綜合技能大賽、全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新研究項(xiàng)目、第二課堂科創(chuàng)項(xiàng)目等。近幾年實(shí)施的項(xiàng)目有“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)聲光電互補(bǔ)系統(tǒng)”“農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)查分析”“新型半導(dǎo)體制冷車(chē)載冰箱”“電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)的研發(fā)”等。通過(guò)參賽培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和專(zhuān)業(yè)自信，增強(qiáng)了學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，提升了其綜合素質(zhì)。

五、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)實(shí)施工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，對(duì)于培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的優(yōu)秀工程技術(shù)人才具有重要意義，但是對(duì)于現(xiàn)行高校的工程教育也提出了更高的要求，加快了高校工程技術(shù)人才培養(yǎng)的步伐。工程熱力學(xué)作為能源動(dòng)力類(lèi)、機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)工程教育認(rèn)證課程體系中不可或缺的一門(mén)課程，承載著多方面的畢業(yè)要求。高?？梢酝ㄟ^(guò)革新教學(xué)理念、變換教學(xué)方法、進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐等措施，以適應(yīng)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求，努力培養(yǎng)出具有當(dāng)代工程觀的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。