熱能工程實(shí)踐教學(xué)改革的探索

摘要：以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才為目標(biāo)，對熱能工程實(shí)踐教學(xué)平臺構(gòu)建及組織實(shí)施進(jìn)行研究和改革。創(chuàng)建了分層次、模塊化的熱能工程實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)施了開放實(shí)驗(yàn)室與網(wǎng)上預(yù)約相結(jié)合的教學(xué)組織模式，開展了啟發(fā)式、討論式和參與式教學(xué)的探索。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)得到了明顯提升。

關(guān)鍵詞："實(shí)踐教學(xué); 熱能工程; 教學(xué)改革; 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè); 人才培養(yǎng)

中圖分類號： G 642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1009-895X（2020）02-0179-05

DOI： 10.13256/j.cnki.jusst.sse.2020.02.014

Exploration on Reform of Practical Teaching for Thermal Energy Engineering

FAN Fengxian， HU Xiaohong

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Aiming at cultivating innovative and entrepreneurial talents，we studied the reform on the platform construction and implementation of the practical teaching for thermal energy engineering.A hierarchical and modularized practical teaching system was created for thermal energy engineering，and the teaching organization mode was implemented with open laboratory by online reservation.Moreover，elicitation，discussion，and participative teaching methods were explored in the course teaching.It turns out that the students’ integrated qualities have been remarkably improved，including engineering practice capacity，autonomous learning ability，innovative thinking and innovation ability.

Keywords：

practical teaching; thermal energy engineering; teaching reform; innovation and entrepreneurship; talent cultivation

隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，國家高度重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)。專業(yè)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，創(chuàng)新是創(chuàng)業(yè)的靈魂，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心是大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)踐教學(xué)是工科教育至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的重要途徑[1-4]。然而，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)通常是通過提供模擬有關(guān)現(xiàn)象的裝備和儀器，幫助學(xué)生理解和鞏固理論課程知識。這種實(shí)踐教學(xué)不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為滿足當(dāng)今社會對大學(xué)生專業(yè)技能與創(chuàng)新能力的綜合要求，必須對實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革。上海理工大學(xué)熱能工程實(shí)踐教學(xué)依托學(xué)校能源動力工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（以下簡稱“實(shí)驗(yàn)中心”），以及熱能工程國家級特色專業(yè)與上海市本科教學(xué)高地，近年來，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承“將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與素質(zhì)教育相結(jié)合、與專業(yè)人才培養(yǎng)相結(jié)合”的理念，以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才為目標(biāo)，在實(shí)踐教學(xué)平臺構(gòu)建和組織實(shí)施上不斷進(jìn)行研究和探索，取得了可供復(fù)制推廣和參考借鑒的實(shí)踐教學(xué)成果。

一、熱能工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺構(gòu)建

熱能工程專業(yè)實(shí)踐課程是針對燃燒學(xué)、鍋爐設(shè)備及運(yùn)行、清潔燃燒技術(shù)等專業(yè)課程開設(shè)的，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中心資源，根據(jù)“基礎(chǔ)—應(yīng)用—提高—創(chuàng)新”的循序漸進(jìn)的人才培養(yǎng)規(guī)律，對實(shí)踐教學(xué)平臺進(jìn)行分層次、模塊化建設(shè)，創(chuàng)建了由淺入深、層次分明、可適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系。表1給出了實(shí)踐教學(xué)平臺的模塊劃分及組成。

（一）模型演示模塊

模型演示模塊是為了使學(xué)生理解熱能工程專業(yè)理論課程的教學(xué)內(nèi)容，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)而開設(shè)的。將知識有效地傳授給學(xué)生始終是每一位教師追求的目標(biāo)。雖然在理論課程的教學(xué)中可以借助多媒體，通過動畫和圖形展示裝置構(gòu)造和系統(tǒng)過程，但由于仍是平面呈現(xiàn)，學(xué)生不能直觀、深入地了解結(jié)構(gòu)全貌。帶領(lǐng)學(xué)生到鍋爐廠、電廠等企業(yè)實(shí)習(xí)，觀察實(shí)際設(shè)備，存在安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間成本，以及教學(xué)進(jìn)度與生產(chǎn)進(jìn)程協(xié)調(diào)的問題，而且也很難觀察到裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實(shí)體模型具有良好的直觀性和靈活性，模型演示能更立體、較真實(shí)地呈現(xiàn)出熱能工程裝備及系統(tǒng)的布置情況，一些比較復(fù)雜的設(shè)備能夠看到內(nèi)部構(gòu)造，或者通過拆卸可以觀察到組件構(gòu)成，從而彌補(bǔ)多媒體教學(xué)與進(jìn)廠實(shí)習(xí)的不足。通過模型演示模塊教學(xué)，學(xué)生加深了對裝備與系統(tǒng)的基本構(gòu)架、工作原理、工作過程以及實(shí)際應(yīng)用的理解，提高了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)了工程實(shí)踐能力。

（二）專業(yè)訓(xùn)練模塊

專業(yè)訓(xùn)練模塊旨在強(qiáng)化熱能工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。該模塊包括四個子模塊（見表1），主要設(shè)備和實(shí)驗(yàn)臺架如圖1所示，其中，燃料分析子模塊配有較為完備的固體和液體燃料特性分析裝置;鍋爐水動力特性子模塊設(shè)有兩套自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺;污染物排放控制子模塊配有除塵、脫硫和脫硝實(shí)驗(yàn)臺架;燃燒與煙氣分析子模塊擁有自主研發(fā)的能源島熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其自動控制系統(tǒng)，并配有奧氏煙氣分析儀、Testo350型便攜式煙氣分析儀和Gasboard3000型在線式煙氣分析儀。通過該模塊，使學(xué)生全面掌握熱能工程專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，并樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）虛擬仿真模塊

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為一種新的教學(xué)思路。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種基于軟件技術(shù)開發(fā)的數(shù)字化、虛擬化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可為專業(yè)實(shí)踐課程提供全新的教學(xué)環(huán)境[5-6]。實(shí)驗(yàn)中心開設(shè)了一系列虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，形成了具有特色的熱能工程實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真模塊。

虛擬仿真模塊是模型演示模塊和專業(yè)訓(xùn)練模塊的有力補(bǔ)充。該模塊能夠提供模型演示模塊無法演示的過程，如鍋爐爐內(nèi)燃燒過程等，能夠克服專業(yè)訓(xùn)練模塊實(shí)驗(yàn)裝備投資高、實(shí)驗(yàn)方式過于刻板、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以拓展的不足。通過虛擬仿真模塊實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)際的有機(jī)融合，強(qiáng)化了學(xué)生的專業(yè)知識應(yīng)用能力。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)靈活方便，學(xué)生可以自行搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，完成不同實(shí)驗(yàn)，從而學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力得到了鍛煉。通過該模塊，一些富有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生顯露出來，成為創(chuàng)新實(shí)踐的參與者。

（四）創(chuàng)新實(shí)踐模塊

創(chuàng)新實(shí)踐模塊是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的必然要求，是實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)所在。開設(shè)該模塊的目的是對有創(chuàng)新潛質(zhì)的部分學(xué)生進(jìn)行精英式培養(yǎng)，為這些學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)踐的場所和導(dǎo)師，引導(dǎo)其參與創(chuàng)新項(xiàng)目，全方位提升其創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)中心除擁有多個綜合實(shí)驗(yàn)臺可供學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)踐外，還充分利用兩個省部級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事熱能工程學(xué)科科學(xué)研究、裝備開發(fā)的專職教師的科研平臺，以及與行業(yè)內(nèi)知名企業(yè)和研究所建立的產(chǎn)學(xué)研基地，有力延伸了創(chuàng)新實(shí)踐模塊的教學(xué)空間。例如，2018年獲批立項(xiàng)的國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“液化石油氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰特征的分析”就是基于實(shí)驗(yàn)中心自有的液體燃料燃燒綜合實(shí)驗(yàn)臺而提出的，2018年結(jié)題的上海市級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“上海理工大學(xué)校區(qū)大氣顆粒物濃度分布及污染分析”則是借助專職教師的科研平臺開展的。圖2為學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)中心自有的液體燃料燃燒綜合實(shí)驗(yàn)臺（左）和能源島熱電聯(lián)產(chǎn)綜合實(shí)驗(yàn)臺（右）開展創(chuàng)新實(shí)踐。

二、熱能工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)組織實(shí)施

先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)組織實(shí)施模式在學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。實(shí)驗(yàn)中心充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和規(guī)律，在實(shí)踐教學(xué)組織形式和教學(xué)方法上積極探索，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)提供了新思路。

（一）組織形式

傳統(tǒng)的熱能工程實(shí)踐教學(xué)（即熱能工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)），僅涉及專業(yè)訓(xùn)練模塊的內(nèi)容，組織教學(xué)時(shí)教師將學(xué)生分組排出課程表，指導(dǎo)學(xué)生集中完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)[2]。這種教學(xué)組織形式課時(shí)有限，造成設(shè)備的利用率和學(xué)生的參與度不高。為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，實(shí)驗(yàn)中心開拓出開放實(shí)驗(yàn)室與網(wǎng)上預(yù)約相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)組織形式。

開放實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，在實(shí)踐內(nèi)容、實(shí)踐時(shí)間和實(shí)踐難度等方面給予學(xué)生充分的自主權(quán)[7-8]。在這種模式下，學(xué)生能夠根據(jù)個人能力和興趣愛好選擇實(shí)踐項(xiàng)目，能力強(qiáng)的學(xué)生可以多開展實(shí)踐項(xiàng)目、開展難度更大的實(shí)踐項(xiàng)目。實(shí)踐時(shí)間由學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)上預(yù)約平臺提前預(yù)約，網(wǎng)上預(yù)約平臺可以將參與實(shí)踐的學(xué)生人數(shù)與實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行良好的匹配。

開放實(shí)驗(yàn)室與網(wǎng)上預(yù)約相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)組織形式因?qū)嵺`模塊的不同而存在差異性。模型演示模塊重在觀察、操作較少，實(shí)行個人預(yù)約，同一時(shí)段預(yù)約人數(shù)上限為10人。專業(yè)訓(xùn)練模塊中的綜合性實(shí)驗(yàn)需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，學(xué)生自由組合為3～5人的團(tuán)隊(duì)，確定團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，由團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人完成預(yù)約;其他實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生獨(dú)立完成，實(shí)行個人預(yù)約，同一時(shí)段預(yù)約人數(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備或臺架數(shù)目相匹配。虛擬仿真模塊不受人數(shù)、時(shí)間和空間的限制，學(xué)生通過電腦、手機(jī)等終端設(shè)備登錄網(wǎng)上預(yù)約平臺后，即可使用相應(yīng)資源。創(chuàng)新實(shí)踐模塊與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目緊密結(jié)合，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在網(wǎng)上預(yù)約平臺對項(xiàng)目進(jìn)行登記，并按季度提交進(jìn)展報(bào)告。

（二）教學(xué)方法

傳統(tǒng)的灌輸式實(shí)踐教學(xué)模式下，教師主講，學(xué)生跟隨，學(xué)生按照教師指令操作設(shè)備，一般不會出現(xiàn)意料之外的現(xiàn)象和問題。在開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式下，學(xué)生自主預(yù)習(xí)實(shí)踐報(bào)告，自主進(jìn)行設(shè)備操作，實(shí)踐過程中必然會出現(xiàn)多種情況和問題。因此，教師的參與必不可少，教師仍然是教學(xué)的靈魂，教學(xué)方法決定著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中心對高等教育教學(xué)方法進(jìn)行研究，推陳出新，將啟發(fā)式、討論式和參與式教學(xué)方法全方位引入實(shí)踐教學(xué)。

啟發(fā)式教學(xué)根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容，采用啟發(fā)誘導(dǎo)方法給學(xué)生提供廣闊的思考空間，使其思維能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉，是高等教育創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要途徑之一[9]。在專業(yè)訓(xùn)練模塊的教學(xué)中，采用了啟發(fā)式教學(xué)法，即在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，通過提出啟發(fā)性問題，引導(dǎo)學(xué)生思考、歸納、激發(fā)學(xué)生的求知欲，同時(shí)檢驗(yàn)和強(qiáng)化學(xué)生的預(yù)習(xí)效果;進(jìn)入操作階段后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，有針對性地提問，以調(diào)動學(xué)生的主動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。以煤的工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)為例，教師依次提出了“為什么需要進(jìn)行煤的工業(yè)分析？”“煤的工業(yè)分析需要測定哪些指標(biāo)？”“這些指標(biāo)對煤的工業(yè)利用有何影響？”“如何測定這些指標(biāo)？”，在實(shí)驗(yàn)過程中，向?qū)W生提問“煤的組成有哪幾種基準(zhǔn)表示？“實(shí)驗(yàn)采用的煤樣屬哪種基準(zhǔn)？”“煤有哪些種類？”“能否根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷煤樣的種類？”從而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮教學(xué)中的主體作用，收到了良好的效果。

在討論式教學(xué)中，教師通過組織學(xué)生討論和發(fā)言，強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和分析解決問題的能力，并引導(dǎo)學(xué)生的思維觸及學(xué)科前沿，使學(xué)生的知識體系得以鞏固、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得以提升[10]。在實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生遇到問題向教師提問，教師不直接給出問題的答案，而是召集同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生就該問題發(fā)表各自的見解，逐步引導(dǎo)學(xué)生以找到問題所在和解決問題的方法。在實(shí)驗(yàn)操作完成后，教師再次召集學(xué)生就實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論和分析，將實(shí)驗(yàn)原理和方法與工程實(shí)際案例和學(xué)科前沿發(fā)展動態(tài)聯(lián)系起來，在師生的討論式互動中將新知識傳授給學(xué)生，以最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。以煙氣成分分析及燃燒污染物監(jiān)測實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)完成后召集學(xué)生討論奧氏煙氣分析儀與Testo350型便攜式煙氣分析儀獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及兩種煙氣分析儀的工作原理和特點(diǎn)，進(jìn)而將討論引申到其他煙氣分析儀，以及煙氣監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

在參與式教學(xué)法的運(yùn)用中，讓學(xué)生感到自己并不是簡單地操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而是能夠借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行專業(yè)研究探索，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有重要作用[11-12]。在專業(yè)訓(xùn)練模塊教學(xué)中，主動向?qū)W生提問相關(guān)知識點(diǎn)，如果學(xué)生能夠迅速準(zhǔn)確回答，則增加問題難度，向更深層次、更前沿的問題滲透，鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺無法滿足學(xué)生的實(shí)踐要求時(shí)，為其推薦導(dǎo)師開展創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目;如果學(xué)生面露困惑，則提示相關(guān)知識點(diǎn)，激發(fā)其探尋答案，使學(xué)生手腦并用。在虛擬仿真模塊教學(xué)中，教師在評審學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，除給出成績外，還給出繼續(xù)探索的建議，鼓勵學(xué)生由驗(yàn)證已知科學(xué)規(guī)律向探索未知科學(xué)問題轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的積極性和主動性，為創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目發(fā)掘有創(chuàng)新熱情和潛質(zhì)的學(xué)生。例如，程序點(diǎn)火及火焰監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中，部分學(xué)生不再滿足于在實(shí)驗(yàn)工況下對火焰的定性觀測，而提出不同空燃比下火焰溫度、結(jié)構(gòu)、傳播速度的問題，在教師的引導(dǎo)下，他們設(shè)計(jì)了管道內(nèi)液化石油氣+空氣預(yù)混燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程的創(chuàng)新試驗(yàn)，申報(bào)并獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

三、結(jié)束語

高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生基于專業(yè)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。圍繞這一目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中心對熱能工程實(shí)踐教學(xué)平臺構(gòu)建、組織形式和教學(xué)方法等方面進(jìn)行研究和探索，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的有效融合，全面提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，促進(jìn)了教育教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面提高。依托熱能工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生申請并獲批2018年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)，同時(shí)獲批上海市級和校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目共計(jì)11項(xiàng)，各級項(xiàng)目覆蓋學(xué)生56人。上海理工大學(xué)熱能工程實(shí)踐課程特色明顯，成效顯著，具有引領(lǐng)示范作用，可復(fù)制推廣到其他高等學(xué)校的熱能工程專業(yè)，同時(shí)可為工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革提供參考和借鑒。

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（編輯： 程愛婕）