基于熱交換器原理及應(yīng)用課程的項目式教學(xué)模式研究

張亮 朱瑞紅 田林超 王華山 陳賀敏

[摘要]熱交換器原理及應(yīng)用課程是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，但該課程的部分理論知識復(fù)雜、抽象，僅通過教師的課上講授學(xué)生難以理解。課題組將項目式教學(xué)模式引入該課程的教學(xué)過程以完善其教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，同時培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)與解決問題的能力，并以合理的方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核。改革后的教學(xué)得到了學(xué)生的一致好評，通過分析7個方面、5個等級的教學(xué)質(zhì)量網(wǎng)上評價，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的特別滿意率達(dá)63%、滿意率達(dá)到100%。

[關(guān)鍵詞]項目式教學(xué);課程改革;熱交換器原理及應(yīng)用

[中圖分類號]G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0059-03

一、熱交換器原理及應(yīng)用課程的特點與教學(xué)現(xiàn)狀

（一）熱交換器原理及應(yīng)用課程的特點

熱交換器原理及應(yīng)用課程是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課。該課程所涵蓋的知識可將鍋爐原理、熱力發(fā)電廠等專業(yè)課程中所涉及的換熱器方面的相關(guān)知識進(jìn)行縱向延伸，同時可使傳熱學(xué)、流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的抽象理論知識具體化、應(yīng)用化。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解3大熱交換器的換熱特點及應(yīng)用范圍，理解換熱器的傳熱有效度，掌握換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟。

（二）熱交換器原理及應(yīng)用課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.教學(xué)方式單一

該課程主要采用的教學(xué)方式為教室內(nèi)板書授課。該授課方式最大的特點：教師是整個教學(xué)過程的主體，將主要精力放在如何將專業(yè)知識傳遞給學(xué)生，整個教學(xué)過程的重點在于教師怎樣教，較少關(guān)注學(xué)生是否進(jìn)行了有效的學(xué)習(xí)。熱交換器原理及應(yīng)用課程所涉及的換熱器種類繁多，同時換熱器部分理論知識比較抽象，換熱過程所涉及的部件較多，整個換熱過程比較復(fù)雜，故單一的教學(xué)方式難以滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。

2.教學(xué)內(nèi)容與科技發(fā)展不同步

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，大量的強(qiáng)化換熱方法可用于換熱器，如納米流體強(qiáng)化換熱、脈動流場下流體的強(qiáng)化傳熱、往復(fù)運動條件下流體的傳熱特性、波壁管內(nèi)流體的強(qiáng)化換傳熱等，這就要求教師不斷更新知識，并對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。但是，這部分知識不能及時擴(kuò)充到正在應(yīng)用的教材中，使得教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)發(fā)展有所脫節(jié)。

3.學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)能力不足，不能學(xué)以致用

當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)形式主要為被動的接受學(xué)習(xí)，缺少主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)方面的訓(xùn)練，造成學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)能力不足。學(xué)生所學(xué)知識與生產(chǎn)實踐所需知識不能及時匹配，當(dāng)生產(chǎn)實踐中需要學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識解決問題時，學(xué)生往往感覺無從下手。

4.考核方式死板

當(dāng)前的課程成績主要由占較小比例的平時成績和實驗成績（各占10%）以及占較大比例的卷面考試成績（80%）組成。平時成績的打分依據(jù)主要為學(xué)生的出勤率、學(xué)生的課上表現(xiàn)以及課后作業(yè)完成情況;卷面成績的打分依據(jù)為試題標(biāo)準(zhǔn)答案。僅靠上述3種考核方式來考查學(xué)生對這門課的掌握程度，得出的考核結(jié)果不夠全面也不夠客觀。比如有些卷面成績高的學(xué)生，解決實際問題的能力并不強(qiáng)，而有些卷面成績不高的學(xué)生，卻有較好的解決實際問題的能力。在生產(chǎn)實習(xí)過程中我們同樣發(fā)現(xiàn)，卷面成績與動手能力沒有直接關(guān)系，經(jīng)常出現(xiàn)卷面成績好的學(xué)生動手能力卻很差的情況。所以任課教師需要新的考核方式，令考核結(jié)果更加客觀。

二、項目式教學(xué)模式的引入對熱交換器原理及應(yīng)用課程教學(xué)的整體改善

（一）對教學(xué)方式的改善

項目式教學(xué)的引入改變了教室內(nèi)板書授課（總學(xué)時為48學(xué)時，板書授課占了42學(xué)時）為主的教學(xué)方式，將板書授課的48學(xué)時減少了12學(xué)時，并將這12學(xué)時中的4學(xué)時用于討論課，其余的8學(xué)時用于項目式教學(xué)。這種改變可使教師為整個教學(xué)過程主體朝著學(xué)生為學(xué)習(xí)主體的方向轉(zhuǎn)變。討論課的實施過程中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主查閱、收集、整理關(guān)于熱交換器原理及應(yīng)用方面的有用資料，主動了解不同種類熱交換器的特點，理解換熱器部分理論知識以及簡單的換熱過程。項目式教學(xué)的引入旨在培養(yǎng)學(xué)生主動解決問題的能力，以下是討論課及項目式教學(xué)的具體實施過程。

（1）設(shè)置合適的開放性題目，讓學(xué)生從該范圍中選擇自己感興趣的題目。

（2）制訂討論課的具體實施方案。討論課采用學(xué)生講課的方式。師生若對學(xué)生講課內(nèi)容有疑問，可進(jìn)行現(xiàn)場提問，任課教師與其余小組根據(jù)該小組所做內(nèi)容與回答問題的情況進(jìn)行評價。

（3）制訂三級項目的具體實施方案。三級項目實施過程可分為3個階段。

第一階段：首先，學(xué)生課下查閱熱交換器參數(shù)及換熱規(guī)律的相關(guān)書籍，自行解決遇到的各種基礎(chǔ)問題。其次，假若關(guān)鍵問題不能解決，可以分3步走。第一步，小組成員問進(jìn)行討論。第二步，咨詢其他小組的同學(xué)。第三步，向任課教師請教。最后，完成三級項目計劃中的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

第二階段：課上答辯。首先，每個小組派1名代表上臺對第一階段的整體內(nèi)容進(jìn)行講解。其次，其他小組學(xué)生對該組同學(xué)進(jìn)行提問，并根據(jù)所做內(nèi)容與回答問題的情況進(jìn)行評價。最后，任課教師對該小組所做內(nèi)容進(jìn)行評價。

第三階段：所有小組均上交1份修改完善后的三級項目任務(wù)書及PPT，教師根據(jù)任務(wù)書及PPT的整體質(zhì)量進(jìn)行評價。

（4）制訂討論課和三級項目的評價標(biāo)準(zhǔn)和評分要求，采取學(xué)生組內(nèi)自評、組間互評與教師評分相結(jié)合的評價方式，教師與學(xué)生的評分各占50%。

（5）以熱交換器原理及應(yīng)用三級項目為基礎(chǔ)，將其中的優(yōu)秀項目進(jìn)行修改完善后推薦為大創(chuàng)活動的項目。

（6）以熱交換器原理及應(yīng)用三級項目為基礎(chǔ)，將熱交換器傳熱特性與鍋爐設(shè)備的效率聯(lián)系起來，相關(guān)的計算結(jié)果可以以論文的形式展現(xiàn)出來。這樣既可提升學(xué)生論文寫作能力，又可提升學(xué)生科研創(chuàng)新成果的交流與展現(xiàn)能力。

項目式教學(xué)模式可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，使得整個教學(xué)過程朝著有效教學(xué)的方向發(fā)展。

（二）對教學(xué)內(nèi)容的完善

項目式教學(xué)模式要求教師和學(xué)生主動查閱、收集、整理換熱器相關(guān)資料，在查詢資料過程中教師和學(xué)生可主動了解換熱器原理及應(yīng)用方面的前沿性知識，如納米流體是如何強(qiáng)化換熱的，將納米流體用于強(qiáng)化換熱器的換熱有何利弊，外加擾動流場如何用于換熱器的換熱，換熱器內(nèi)換熱管管型對換熱器綜合換熱效率的影響等，如此，部分前沿性知識就可比較自然地融入傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中。

（三）對學(xué)生學(xué)習(xí)能力提升效果的改善

項目式教學(xué)模式可以將學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動的接受學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃拥陌l(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)。該教學(xué)模式還可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并在了解問題限制條件的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的解決策略，在實施解決方案的過程中不斷地反思、調(diào)整解決方案，最終培養(yǎng)學(xué)生用元認(rèn)知策略解決問題的能力。學(xué)生在元認(rèn)知策略的作用下，可將所學(xué)理論知識與生產(chǎn)實踐中的問題迅速匹配，以較快地提出問題最優(yōu)解決方案來解決生產(chǎn)實踐中的實際問題，達(dá)到學(xué)以致用的目的。通過項目式教學(xué)的不斷訓(xùn)練與強(qiáng)化，可培養(yǎng)學(xué)生以下能力。

（1）能夠運用工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)及熵增原理的知識對能量轉(zhuǎn)換過程中能量的利用與損失以及對換熱設(shè)備的受力與變形進(jìn)行表述、建模和求解。

（2）能夠應(yīng)用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)基本原理，使學(xué)生對熱交換器基本系統(tǒng)的構(gòu)成有進(jìn)一步的了解，為著重研究不同類型熱交換器的熱量傳遞提供理論基礎(chǔ)。

（3）具備工程應(yīng)用中各類換熱器的設(shè)計和校核計算能力，掌握換熱器的設(shè)計、選型、計算、優(yōu)化、日常維護(hù)等相關(guān)知識。

（4）能設(shè)計并實施與熱交換器相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律測試實驗，分析實驗結(jié)果，驗證或優(yōu)化模型參數(shù)，獲取有效結(jié)論。

（5）能應(yīng)用專業(yè)軟件模擬不同類型熱交換器內(nèi)的換熱過程，預(yù)測熱量傳遞效果，并了解模擬計算的局限性。

（6）能夠就熱交換器換熱過程中出現(xiàn)的問題與業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流，了解當(dāng)今國際先進(jìn)熱交換器的設(shè)計理念、發(fā)展趨勢以及所面臨的挑戰(zhàn)。

（四）對考核方式的完善

項目式教學(xué)的引入豐富了考核的內(nèi)容，課程由以往的卷面考試作為考核學(xué)生的主要形式改為由5大部分表現(xiàn)來綜合考核。這5大部分分別為平時表現(xiàn)、討論課、項目、實驗和結(jié)課考試。

（1）平時表現(xiàn)：本門課程的所有環(huán)節(jié)均要求學(xué)生參與并簽到，不得缺勤。無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格。

（2）討論課及課程項目：要求學(xué)生根據(jù)討論以及項目題目分組查閱資料，歸納總結(jié)，撰寫報告，制作答辯PPT。討論課及課程項目采用抽簽的方式確定各小組的匯報人及其匯報順序。每位學(xué)生的討論課和課程項目成績由學(xué)生組間互評、組內(nèi)自評和教師評分3部分構(gòu)成。組間互評成績?yōu)槊總€組對除本組以外的其他小組所進(jìn)行的綜合評價;組內(nèi)自評成績評分依據(jù)為每個組員在組內(nèi)的貢獻(xiàn);教師根據(jù)學(xué)生的資料查閱整理情況、PPT講解及回答問題情況、針對其余同學(xué)的提問參與交流情況來評分。討論課及課程項目成績分別占總成績的10%和30%。

（3）實驗：要求學(xué)生認(rèn)真準(zhǔn)備，全程參與。實驗過程中學(xué)生可重點關(guān)注項目式教學(xué)中的工程實踐問題，最后獨立完成實驗并按時提交實驗報告。實驗成績占總成績的10%。

（4）結(jié)課考試：為夯實理論基礎(chǔ)，提高學(xué)生解決問題的能力，結(jié)課考試的試卷客觀題（選擇、判斷、填空等）比例盡量控制在20%以內(nèi)。結(jié)課考試占總成績的50%。

（5）課程總成績不滿60分者，本課程考核為不合格。

跟以前的考核方式相比較，完善后的考核方式能得出更全面、更客觀的考核結(jié)果，對學(xué)生的評價更加公平、公正，同時各個教學(xué)階段的教學(xué)效果能得到較細(xì)致地反饋，便于教師了解學(xué)生是否進(jìn)行了有效學(xué)習(xí)，為其改進(jìn)教學(xué)提供重要參考，同時可為教育評價提供重要依據(jù)。

三、項目式教學(xué)的實施及其產(chǎn)生的初步效果

以2014級能源與動力工程專業(yè)學(xué)生為研究對象，熱交換器原理及應(yīng)用課程在該年級首次實施項目式教學(xué)。實施項目式教學(xué)后，學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，解決工程實際問題的能力有了較大提高;部分學(xué)生可自行發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計問題，并親自動手用合理的方法分析并解決問題;學(xué)生的創(chuàng)新能力有了較大提高，部分學(xué)生申請了實用新型專利。

基于熱交換器原理及應(yīng)用課程的項目式教學(xué)模式得到了學(xué)生的一致好評。學(xué)校通過教務(wù)處教學(xué)平臺對教師的教學(xué)效果從7個方面展開綜合評價，這7個方面分別是為人師表、尊重與幫助學(xué)生、課程組織與設(shè)計、講解與表達(dá)、體現(xiàn)以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)模式、課程教學(xué)過程的管理與考核以及學(xué)生相關(guān)知識、能力、思想方面的提高情況。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺對這7個方面展開評價，每個方面的評價均分為5個等級即很滿意、滿意、基本滿意、不滿意、很不滿意，每個等級對應(yīng)的評價分值分別為4.8、4.3、3.8、3.3、2.8，算出每個小項的單項均值，然后對7大項進(jìn)行加權(quán)平均，計算出總的教學(xué)質(zhì)量評價結(jié)果，具體計算方法如表1所示：

通過熱交換器原理及應(yīng)用的網(wǎng)上評價結(jié)果可以看出，無不滿意的評價，基本滿意的學(xué)生比例占5%，很滿意及滿意的學(xué)生占95%，這從側(cè)面說明了項目式教學(xué)模式的推行比較成功，教學(xué)效果得到了學(xué)生的一致好評。該課程在2017年春季學(xué)期獲得教學(xué)質(zhì)量評價網(wǎng)上評價第2名（38門課程參評），比2016年的同期網(wǎng)上評價的第19名（39門課程參評）上升了17個名次，被評為燕山大學(xué)優(yōu)秀課程。

四、結(jié)論

熱交換器原理及應(yīng)用課程教學(xué)實踐證明，開展項目式教學(xué)可改善該課程的教學(xué)方法，完善其教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題的能力與創(chuàng)新能力，完善對學(xué)生的考核方式，因此能得到學(xué)生的一致好評。