高等工程熱力學課程“四位一體”教學模式探討

曹曉東 龐麗萍 柏立戰(zhàn) 林貴平

摘要：在“新工科”建設大力推進的背景下，加強學生工程應用能力的培養(yǎng)是高校深化教學改革的重要組成部分。高等工程熱力學是一門工程應用性強的基礎理論課程，作為培養(yǎng)研究生理論聯(lián)系實踐能力的一個重要切入點，該課程教學始終貫穿“新工科”人才的培養(yǎng)理念。通過探討前沿教學拓展、工程案例設計、專題項目探究、綜合能力考核等“四位一體”的高等工程熱力學課程教學模式，著力培養(yǎng)學生自主學習和探究的興趣，形成師生交流融合的學習研究共同體，構建教學相長、教學和科研相互促進的研究生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐平臺，提升學生工程應用和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：高等工程熱力學;新工科;工程應用能力;四位一體;教學模式

中圖分類號：G6420;TK1 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：10052909（2021）05006807

隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，目前我國面臨嚴峻的產(chǎn)業(yè)變革和激烈的全球競爭。為了適應和應對這種挑戰(zhàn)，我國積極推進工程教育教學改革，著力培養(yǎng)理論與實踐相結合的高素質(zhì)應用型人才[1]。在此形勢下，高等院校的研究生教育十分重視理論與實踐的結合[2]，尤其是在工科類研究生的課程教學方面不再局限于講授基礎理論知識，而是更注重結合工程應用案例培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。近年提出的“新工科”人才概念就明確了對學生系統(tǒng)思維、問題導向、大工程觀和解決復雜工程問題等方面的培養(yǎng)要求， 這是中國科技界和教育界應對智能化信息化科技革命與產(chǎn)業(yè)革命，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展而采取的重要舉措[3]。作為一所綜合性研究型高校，北京航空航天大學充分發(fā)揮學術資源豐富、學科建設前沿性強、科研實踐氣氛活躍等優(yōu)勢，致力為研究生工程應用能力的培養(yǎng)提供良好平臺。人機與環(huán)境工程專業(yè)作為北航的傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，一直在全國同類專業(yè)評估中排名第一。高等工程熱力學是人機與環(huán)境工程專業(yè)研究生教育的重要專業(yè)基礎課程，為適應“新工科”人才培養(yǎng)要求，多年來一直積極推進和深化課程教學改革。本文以高等工程熱力學課程為切入點，探討一種強化研究生工程應用能力培養(yǎng)的教學模式。該教學模式通過學科前沿教學，激發(fā)學生學習興趣，活躍學生思維，開拓學生視野;通過工程案例設計，引導學生探究工程實際問題，實現(xiàn)從感性認識到理性認識的發(fā)展;通過專題項目探究，強化學生工程創(chuàng)新意識，體驗完成項目的成就感;采取綜合考核的方式評定學生成績，既重視基礎理論的考核，又注重學生解決實際工程問題能力的考核，以提高學生的整體學術素養(yǎng)和實踐能力。

一、課程特點

高等工程熱力學課程作為一門工程應用廣泛的重要基礎課程，已納入多個工科專業(yè)研究生培養(yǎng)課程體系，如人機與環(huán)境工程、建筑環(huán)境與能源應用工程、熱能工程、能源與動力工程、工程熱物理、機械工程、化學工程等專業(yè)。研究生教育的高等工程熱力學課程是對本科階段工程熱力學課程[4-5]的深化和拓展，包括熱力系統(tǒng)的可用能分析、熱力學普遍關系式、工質(zhì)熱力性質(zhì)計算、實際氣體狀態(tài)方程、熱力循環(huán)組織與性能評價、多組分系統(tǒng)熱力學和化學熱力學等內(nèi)容，其理論知識可用于指導實際工程中復雜熱功轉(zhuǎn)化循環(huán)過程的設計，對提高能量的利用效率、減少能量的損耗和新能源開發(fā)都具有重要理論和應用價值。

然而，高等工程熱力學課程教學內(nèi)容具有知識點繁多、概念抽象、理論性強等特點。學生在有限的課時內(nèi)很難完全理解相關概念和理論，更沒有精力和興趣將所學知識與工程實踐結合起來。因此，采用傳統(tǒng)的授課方式既難以激發(fā)學生自主學習的積極性，也無法實現(xiàn)加強學生實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。鑒于此，國內(nèi)的一些知名學者積極探索和研究高等工程熱力學課程教學模式的改革。譚羽非[6]對科技論文寫作和開卷測試相結合的考核方式進行了實踐探索，結果表明，開卷測試有助于提升學生的學習積極性和創(chuàng)新能力。劉青榮[7]和張濤[8]分別對課程的教學內(nèi)容、教學方法和考核方式的改革進行了探討，目的是提高研究生的科研和創(chuàng)新能力。其中，張濤特別指出高等工程熱力學課程教材和參考書大多內(nèi)容較多，需要首先根據(jù)所在學校學科特點建立課程框架，梳理教學內(nèi)容及思路。劉迎文和雷祥舒[9]提出一種基于互動和問題的混合教學模式，旨在有效提升學生的自主學習、團隊合作和交流表達等綜合能力。何茂剛等人[10]將強調(diào)以學生為中心，精心組織、科學評價、持續(xù)改進教學活動的OBE（Outcome-Based Education）教學模式應用于工程熱力學課程教學，并基于OBE工程教育理念設計“制冷循環(huán)”章節(jié)的教學內(nèi)容，促進學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)。柏金和王謙[11]構建“線上線下教學體系”，分析混合教學模式在教學實踐過程中可能面臨的問題，為優(yōu)化學生在線學習效果提供理論依據(jù)。

二、課程教學存在問題

在人機與環(huán)境工程專業(yè)研究生課程體系中，高等工程熱力學課程起到了承上啟下的重要作用。該課程一方面注重基礎理論的教學，旨在鞏固和深化本科階段工程熱力學的理論知識;另一方面也重視鍛煉學生應用熱力學原理分析和解決實際工程問題的能力。目前高等工程熱力學課程教學主要存在的問題，是缺乏有效培養(yǎng)研究生工程應用能力的教學模式和考核機制，具體表現(xiàn)在如下幾方面。

（一）教材內(nèi)容偏重于基礎理論，有關前沿科研成果和最新技術應用的內(nèi)容較少

傳統(tǒng)教學模式過于強調(diào)理論知識的灌輸，忽視對學生學科視野和工程能力的培養(yǎng)。在這種教學模式下，學生對熱力學概念和理論的學習只能停留在背概念、解方程和做習題上，很難有效建立起書本知識與工程實際問題之間的聯(lián)系，在學科視野和創(chuàng)新思維上也受到限制。此外，由于理論知識學習繁雜枯燥，又缺少面向?qū)嶋H工程問題的接口，以致學生認為所學知識對科研工作沒有幫助。因此，學生缺少明確的學習目標，缺乏學習興趣和動力。

（二）課程考核方式和評價標準單一

目前高校專業(yè)基礎課程考核通常采用閉卷試題考試的形式，以期末考試成績作為評價學生成績的主要標準。這種“重知識，輕能力”的考核方式只能考查學生的知識記憶和解題技巧，卻無法評價學生的實踐和創(chuàng)新能力。為了應對最終的考試，常有部分學生圍繞所謂的考試重點臨時抱佛腳，死記硬背，做題刷分等。這些學生即使在考試中取得了不錯的分數(shù)，對知識的理解也只是停留在書本上，依然不具備應用所學知識解決實際工程問題的能力。這些問題必將影響對研究生的培養(yǎng)，以及今后研究生的職業(yè)發(fā)展。

三、“四位一體”教學模式

為解決上述問題，提升高等工程熱力學課程教學質(zhì)量，對前沿教學拓展、工程案例設計、專題項目探究、綜合能力考核相融合的“四位一體”教學模式進行了探索與實踐。該教學模式堅持理論與實踐并重，鼓勵學生自主學習和探究，開拓學生視野，促進師生交流融合，以解決工程問題為導向，實現(xiàn)培養(yǎng)研究生工程應用和研究創(chuàng)新能力的目標。

（一）前沿教學拓展

教學過程中始終遵循“新工科”建設對學生系統(tǒng)思維、問題導向、大工程觀培養(yǎng)的理念，“前沿教學拓展”是培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維的關鍵，是課程學習過程中將學生帶到學科高站位的基點，是教師教學過程中把握問題導向的關鍵，是培育學生大工程觀的啟智教學過程?！扒把亟虒W拓展”教學要點如下。

第一，做好高等工程熱力學課程的基礎教學，涉及熱力學基本概念和第一定律、熱力學第二定律和熵、實際氣體狀態(tài)方程和熱力學普遍關系式等基礎知識的講解和剖析。教師在教學過程中，應從系統(tǒng)的角度對知識結構進行層次劃分，教學中不能僅滿足于按章節(jié)講清楚各知識點，更重要的是把握重點和難點，梳理知識點之間的關聯(lián)性，形成融會貫通的知識體系，為理論知識的拓展和應用打下基礎。

第二，與基礎教學相融合，以啟迪學生創(chuàng)新思維為先導，以課程知識體系為系統(tǒng)，選擇與代表性知識點相關的案例進行前沿教學拓展。教學中根據(jù)人機與環(huán)境工程專業(yè)特點和培養(yǎng)需求，選擇工程應用性強的知識內(nèi)容進行重點講解，如熱力系統(tǒng)的可用能（）分析及合理用能、工質(zhì)熱力性質(zhì)計算、熱力循環(huán)組織及性能評價等。該部分教學應緊密結合國內(nèi)外相關前沿技術案例，充分體現(xiàn)教學內(nèi)容的應用性和創(chuàng)新性。例如，在講解發(fā)動機循環(huán)知識點時，引入世界航空前沿研究“佩刀”發(fā)動機案例，闡述高溫廢熱除直接傳輸?shù)綑C載熱沉以外，還可以利用熱機循環(huán)，將高溫廢熱部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎霉?，之后再將剩余廢熱傳輸?shù)綑C載熱沉中，這種另辟蹊徑的高溫廢熱降溫方法可大大減少機載熱沉需求量。通過類似具體案例的講解，提煉前沿技術中的理論知識，引導學生主動思考，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，讓學生明白如何通過理論研究解決關鍵技術瓶頸。將多組分系統(tǒng)熱力學、化學熱力學、不可逆過程熱力學等章節(jié)作為選學內(nèi)容，教師僅進行介紹性講解，學生可自主學習和探究。

將前沿教學與基礎教學融合，其目的是通過前沿教學使學生了解前沿科研成果和工程技術，并且能夠與熱力學理論知識相關聯(lián)，以強化學生的基礎理論應用能力，培養(yǎng)學生的工程思維和創(chuàng)新意識。

（二）工程案例設計

教學過程中應體現(xiàn)“新工科”建設對學生解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的要求。工程案例設計是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的關鍵，是學生結合課程學習解決復雜工程問題的實踐，是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系工程實踐能力的重要教學環(huán)節(jié)，是教學過程中教師培養(yǎng)學生工程應用能力的著力點。工程案例設計教學要點如下。

第一，強調(diào)實踐的第一性，工程熱力學的重要理論皆源于工程實踐，是對實際熱工過程現(xiàn)象的總結和升華。相較于工程熱力學，高等工程熱力學在理論上的提升也主要體現(xiàn)在從理想工況向?qū)嶋H工況的轉(zhuǎn)變，強調(diào)工程應用的重要性。研究生學習該課程的主要目的是服務工程實踐和科研創(chuàng)新，應克服以往教學中學生主要學習精力用在理論推導和做習題上，忽視理論聯(lián)系實際，缺乏應用理論知識解決實際工程問題能力的弊端。

第二，工程案例設計是在前沿教學拓展基礎上引入的，強調(diào)通過實踐手段掌握和應用知識。比如，根據(jù)教學進程引入虛擬仿真軟件的學習和實踐，培養(yǎng)學生數(shù)學建模和模擬仿真的能力。通過講解工程案例設計，使學生直面工程問題，引導學生將理論知識與工程應用密切結合。例如，在熱力系統(tǒng)的可用能（）分析教學中，結合專業(yè)需求引入飛行器熱管理系統(tǒng)綜合性能評價與能量需求分析。不同型號、用途、任務的飛行器所面臨的熱載荷條件不同，其能量需求也不相同，需要將外環(huán)境熱載荷及內(nèi)部產(chǎn)熱進行有效管理，盡可能地將直升機能量需求與熱管理系統(tǒng)配置有效匹配起來，不僅使其溫度保持在合理范圍之內(nèi)，而且使其熱管理系統(tǒng)的綜合性能保持最優(yōu)。掌握以固定質(zhì)量代償、輸出軸功代償、引氣代償?shù)娜加痛鷥斣u價，以及能質(zhì)評價為核心的飛行器熱管理系統(tǒng)綜合性能評價理論。結合工程實例，不僅使學生能對飛行器熱管理系統(tǒng)質(zhì)量、功耗、引氣代價進行量化評價，還能夠?qū)峁芾硐到y(tǒng)的能質(zhì)匹配性進行評估。

第三，工程案例設計應關注學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。例如，在熱力循環(huán)組織及性能評價教學中開展課程實踐，布置飛行器座艙熱管理系統(tǒng)熱力循環(huán)設計大作業(yè)。學生需要應用熱力循環(huán)設計與評價、系統(tǒng)可用能分析等知識，從綜合性能和合理用能的角度出發(fā)，進行座艙熱管理系統(tǒng)熱力循環(huán)設計，在這一過程中進一步提升學生的工程應用能力。實踐中有學生提出諸如一種基于滑油廢熱回收的熱泵空調(diào)系統(tǒng)等一些創(chuàng)新性設計，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)滑油廢熱的回收利用和沖壓空氣換向等功能。學生還應用能質(zhì)分析法對該系統(tǒng)應用在直升機座艙環(huán)境中的熱管理綜合性能進行了理論分析。這些實踐訓練進一步加深了學生對系統(tǒng)和部件級的耦合熱力學過程形成的認識，強化了學生在解決實際工程問題過程中的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）專題項目探究

教學過程中應全面領悟“新工科”人才概念。該概念明確了對學生系統(tǒng)思維、問題導向、大工程觀和解決復雜工程問題等能力的培養(yǎng)要求。專題項目探究是培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維、問題導向、大工程觀和解決復雜工程問題等能力的融合環(huán)節(jié)，是學生結合課程學習提升實踐創(chuàng)新能力的關鍵過程，是研究型教學的關鍵抓手，是教學過程中培養(yǎng)學生工程應用能力的具有可持續(xù)性的創(chuàng)新教學驅(qū)動系統(tǒng)。該驅(qū)動系統(tǒng)不僅在課程教學過程中，而且在學生整個職業(yè)生涯過程中都將發(fā)揮重要的創(chuàng)新驅(qū)動作用，這個創(chuàng)新驅(qū)動系統(tǒng)兼具強化教師和學生共同學習和研究的作用。“專題項目探究”教學要點如下。

第一，充分調(diào)動學生課程學習的興趣，提高學生自主學習和探究的意識，克服傳統(tǒng)教學模式以教師為主體進行知識灌輸，學生被動學習接受、缺乏學習興趣和動力的弊端。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師”。只有提高學生對知識學習的興趣，才能引導學生自主學習和探究，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力。現(xiàn)代教育案例表明，好的教學模式需要在課堂上營造自由活躍的交流氛圍，以教師為主導、學生為主體，使學生的學習過程從被動變成主動。因此，在高等工程熱力學課程教學過程中，教師應以創(chuàng)造性思維創(chuàng)設活躍的課堂氛圍，調(diào)動學生的學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習和探究的良好習慣。

第二，以專題項目探究的模式，強化全過程的研究型教學。在工程應用性強的前沿教學部分（如系統(tǒng)可用能分析、工質(zhì)熱性質(zhì)、熱力循環(huán)）采用專題項目探究模式。首先由教師結合專業(yè)特點和國內(nèi)外前沿技術進展，設計幾個專題研究大方向，比如，高超聲速飛行器、空天飛機、先進戰(zhàn)斗機能源與熱管理技術、多電飛機技術、民機環(huán)控系統(tǒng)技術、熱管技術和人機熱力系統(tǒng)等?；趯ｎ}大方向，鼓勵學生自主學習和獨立探索，引導學生根據(jù)興趣選擇專題方向，自主確定具體探究項目，如表1所示。要求學生通過查閱文獻資料，分析相關的熱力學概念、理論和工程案例，了解學科相關方向的前沿進展和工程實踐。教師在該過程中主要起輔助作用，結合學生研究情況給予適度引導。學生需要凝練總結相關知識形成一份調(diào)研報告，以匯報答辯和課堂討論的形式，在課堂上進行交流分享，由教師和學生共同點評。學校將學生的報告匯總成《高等工程熱力學課程研討報告集》，供師生共同學習和參考。該教學環(huán)節(jié)以專題項目探究的形式，構建課程教學師生學習研究共同體，搭建教學相長、教學和科研相互促進的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐平臺。

（四）綜合能力考核

考核是課程教學的重要環(huán)節(jié)，應體現(xiàn)“新工科”人才綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。實行綜合考核機制對提升課程教學質(zhì)量有積極作用，應建立以工程應用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向的綜合考核機制。為保證教學效果，對基礎教學、前沿教學拓展、工程案例設計、專題項目探究等方面，進行綜合能力考核。將解決實際工程問題和自主學習探究的能力作為重要考核指標，融入學生最終成績評定體系中。比如，最終成績評定權重采用期末考試成績占50%，工程案例設計大作業(yè)成績占20%，專題項目探究匯報答辯成績占30%。這種考核方式，有利于鼓勵和引導學生從掌握理論知識向工程應用的思維轉(zhuǎn)換。同時，通過引入大作業(yè)和匯報答辯兩種過程考核形式，促使學生重視工程案例設計和項目探究中的自主學習和創(chuàng)新意識。需要注意的是，采用這種考核方式，需要制定合理的大作業(yè)和匯報答辯成績評判標準，以確保學生成績評定的公正性和規(guī)范性。

四、結語

高等工程熱力學課程是一門工程應用性較強的基礎理論課程，是研究生理論聯(lián)系實際能力培養(yǎng)的一個重要切入點。為適應“新工科”背景下研究生綜合能力培養(yǎng)要求和大工程對創(chuàng)新人才的迫切需求，本文著力探討了前沿教學拓展、工程案例設計、專題項目探究、綜合能力考核交互融合的“四位一體”高等工程熱力學課程教學模式，旨在鼓勵學生自主學習和探究，開拓學生視野，促進師生交流，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，加深學生對實際工程中應用熱力學概念和理論的認識，提高學生的工程創(chuàng)新和應用能力。通過前沿教學拓展，開拓學生的學科視野，夯實專業(yè)基礎，培養(yǎng)創(chuàng)新意識;通過引入工程案例設計實踐，搭建理論知識和工程應用之間的橋梁，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力;通過基于專題項目的探究，構建師生學習研究共同體，鍛煉學生自主學習、獨立探索、歸納總結和交流表達的綜合能力;通過采用綜合能力考核的方式，強化學生理論密切聯(lián)系實際的創(chuàng)新意識，實現(xiàn)培養(yǎng)基礎知識扎實、工程應用能力強、具備自主創(chuàng)新意識的復合型人才的目標?！八奈灰惑w”教學模式的實施，對師生提出了更高的要求。教師需要進行大量的前期準備工作，制定完備的教學計劃和考核標準，還要具備良好的引導和把控能力。學生在學習掌握理論知識的基礎上，需要花費一定的時間和精力進行工程案例設計和項目探究。在教學過程中，應及時總結經(jīng)驗，開展教學反思，結合實際教學情況和學生反饋，對教學效果進行分析評價，依據(jù)課程培養(yǎng)目標和學生特點及時調(diào)整教學環(huán)節(jié)，優(yōu)化過程設計。

參考文獻：

[1]吳淵明. 理論與實踐一體化教學改革探究[J]. 科教導刊， 2020（6）： 37-38.

[2]蔣雅君， 富海鷹， 趙菊梅， 等. 全日制專業(yè)學位研究生多層次實踐能力培養(yǎng)模式探討——以建筑與土木工程領域為例[J]. 高等建筑教育， 2020， 29（2）： 64-71.

[3]陳婉蘭. 高等教育語境下“新工科”人才培養(yǎng)探索[J]. 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐， 2021， 4（1）： 109-111.

[4]姚壽廣，馮國增，許津津，顧叢匯，宋印東.工程熱力學系列課程的教改理念與創(chuàng)新教學實踐[J].高等工程教育研究，2019（S1）：179-181.

[5]常金秋.工程熱力學課程教學探討[J].高等建筑教育，2018，27（2）：61-63.

[6]譚羽非.研究生高等工程熱力學課程教學中開卷測試的實踐探索[J].高等建筑教育，2006（1）：94-96.

[7]劉青榮. 高等工程熱力學教學過程中的改革和探索[J]. 教育教學論壇， 2020（27）： 146-147.

[8]張濤.高等工程熱力學教學改革初探[J].教育教學論壇，2018（31）：242-243.

[9]劉迎文， 雷祥舒. 高等工程熱力學課程的混合式教學探索和實踐[J]. 高等工程教育研究， 2019（S1）： 142-144.

[10]何茂剛， 張穎， 劉向陽. OBE教育模式在工程熱力學教學中的應用[J]. 高等工程教育研究， 2019（S1）： 121-123.

[11]柏金， 王謙. 工程熱力學線上線下混合式教學模式的構建與優(yōu)化[J]. 高等工程教育研究， 2019（S1）： 283-285.