“雙碳”目標(biāo)下“工程熱力學(xué)（英語）”課程建設(shè)探索

劉 方，楊 麗，辛春梅，何光艷

一、引言

隨著國家“2030年碳達峰，2060年碳中和”（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)的提出，綠色與高效發(fā)展成為我國能源體系建設(shè)的未來方向［1］。面對嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題，發(fā)展可再生能源、提高能源利用效率、實現(xiàn)能源高效清潔利用對我國實現(xiàn)人口、經(jīng)濟、能源與環(huán)境持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義，同時這也對能源動力類專業(yè)的課程教學(xué)與育人工作提出了新的要求［2］。

“工程熱力學(xué)”是國內(nèi)外工科高校一門重要的基礎(chǔ)課程，覆蓋面廣，適用于能源動力類、航空航天類、機械類等多個專業(yè)。該課程主要講述熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換所涉及的物理定律、工質(zhì)熱物性計算、循環(huán)分析方法及工程實現(xiàn)途徑等［3］。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以正確地運用能量轉(zhuǎn)換基本規(guī)律進行熱工過程和熱力循環(huán)計算，掌握提高循環(huán)熱力效率的策略，這對學(xué)生理解當(dāng)今社會廣泛關(guān)注的“雙碳”目標(biāo)、能源高效利用和可再生能源開發(fā)利用等問題具有重要的理論指導(dǎo)意義［4］。中國礦業(yè)大學(xué)能源與動力工程專業(yè)基礎(chǔ)課“工程熱力學(xué)”采用全英語授課。為了助力新版課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定與實施，該課程教學(xué)團隊在原有課程基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)秀經(jīng)典案例，對教學(xué)內(nèi)容進行重新研究和設(shè)計，并采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進行教學(xué)組織形式和教學(xué)方法的改革。

二、課程建設(shè)的理念與思路

在課程教學(xué)目標(biāo)方面，為了讓學(xué)生打好基礎(chǔ)，深入理解“熱工”（工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)的簡稱）的概念及熟練應(yīng)用公式與定理，課程教學(xué)團隊認(rèn)為要注重基礎(chǔ)理論知識的灌輸及動手能力、科學(xué)思維的培養(yǎng)，要更加注重學(xué)生對能源高效清潔利用方面等能源行業(yè)背景認(rèn)知的拓展，以及對節(jié)能減排、低碳環(huán)保意識的培養(yǎng)。在國際交流愈加頻繁的形勢下，“工程熱力學(xué)”英文教學(xué)更加切合國際化專業(yè)需求及學(xué)生實際。另外，全英語授課將全面提升學(xué)生的英語應(yīng)用水平，擴展學(xué)生國際視野，對于培養(yǎng)高素質(zhì)、國際化人才具有重要意義［5］。這要求在課程建設(shè)時必須要對相應(yīng)的英語教學(xué)內(nèi)容與目的、模式與手段、教材建設(shè)等方面進行全方面地調(diào)研與實踐［6］。

高校國際化是以教育要素的全球性、交流活動的多樣化、手段的網(wǎng)絡(luò)化為特征的［7］。目前，氣候變化是全球絕大多數(shù)國家密切關(guān)注的問題，對溫室氣體的減排與能源的清潔高效利用提升到了前所未有的高度。2020年9月22日，我國在聯(lián)合國大會明確表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和?！保?］實現(xiàn)“雙碳”宏偉目標(biāo)需要各方的共同努力，其中對大學(xué)生的言傳身教必不可少?！肮こ虩崃W(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容與能源轉(zhuǎn)化利用密不可分，因此教學(xué)團隊認(rèn)為“雙碳”目標(biāo)下的“工程熱力學(xué)（英語）”課程教學(xué)一定要讓“雙碳”目標(biāo)深入學(xué)生內(nèi)心，讓學(xué)生對實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的緊迫性與復(fù)雜性有清晰的認(rèn)識，使學(xué)生樹立服務(wù)國家重大需求的使命擔(dān)當(dāng)感［9］?！肮こ虩崃W(xué)”課程內(nèi)容抽象，概念眾多，理論性非常強，邏輯嚴(yán)密，且各部分內(nèi)容交叉滲透較多，教學(xué)難度大。另外，專業(yè)課全英文授課過程中一定會遇到諸多困難，且原版英文教材內(nèi)容繁多，對于本科二年級學(xué)生來說在閱讀、理解和掌握課程內(nèi)容方面有較大的挑戰(zhàn)。因此，課程教學(xué)團隊根據(jù)學(xué)校的礦業(yè)特色以及學(xué)生英語水平，參考國外原版教材，編寫了適合本校能源與動力工程專業(yè)本科生的課程講義［10］。課程教學(xué)團隊還認(rèn)為，在該課程的全英語授課過程中，為取得較好的教學(xué)效果，達到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，還需要充分考慮教學(xué)要素的國際化、教學(xué)手段的多樣化、考核模式的創(chuàng)新性和全面性［11］。

三、課程建設(shè)調(diào)研

1.國內(nèi)外名校課程調(diào)研

巨大的二氧化碳存量以及不斷疊加的碳增量加劇著地球與人類的生存危機，減少“碳排量”和實現(xiàn)“零排放”成為了國際社會的一致性訴求［12］。因此，全球各個國家，特別是歐美發(fā)達國家紛紛加快了減排與控碳的步伐，圍繞著“碳達峰”與“碳中和”的目標(biāo)，無論是實踐運作層面還是理論研究層面，特別是在學(xué)科教學(xué)上，都注重灌輸“碳減排”的教學(xué)理念。課程教學(xué)團隊認(rèn)為這與我們的課程建設(shè)目標(biāo)相符，有必要對歐美發(fā)達國家名校課程教學(xué)進行調(diào)研。

課程教學(xué)團體通過實地考察、email 聯(lián)系、電話通訊等方式與歐美發(fā)達國家、國內(nèi)工程熱物理學(xué)科相關(guān)重點院校進行學(xué)習(xí)交流，深入調(diào)研了國內(nèi)外高校“工程熱力學(xué)”全英語課程建設(shè)的現(xiàn)狀。其中，重點調(diào)研了歐美發(fā)達國家工程熱力學(xué)課程的教學(xué)情況，了解其內(nèi)容設(shè)置、時間分配、教授方法及特點以及教授過程中存在的問題等；充分考察了國內(nèi)重點院?！肮こ虩崃W(xué)”全英語課程建設(shè)概況、教授效果與評價等。通過對國內(nèi)外高校的調(diào)查訪問，我們掌握了“工程熱力學(xué)（英語）”課程的現(xiàn)狀、建設(shè)方向與思路，并以此借鑒先進的教學(xué)方法、結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)基礎(chǔ)，建設(shè)了富有學(xué)校礦業(yè)特色的與“雙碳”目標(biāo)相結(jié)合的國際化課程標(biāo)準(zhǔn)。

2.學(xué)生喜愛度調(diào)查

由于該課程采用全英語教學(xué)模式，包括授課、課堂測試、平時作業(yè)及期末考試等，對學(xué)生的聽、說、讀、寫的要求較高，同時對教師課件的編寫、課堂講授方法也會有較高的要求。為了保證課程建設(shè)與實施的順利進行，教學(xué)團隊早在2020年3月針對大一學(xué)生進行了線上問卷調(diào)查，目的是以學(xué)生為本，調(diào)研學(xué)生意愿，選擇合理高效的教學(xué)模式。線上調(diào)查問卷共計240 份，有效調(diào)查問卷220 份。調(diào)查數(shù)據(jù)整理分析表明，大約有80%學(xué)生表示對專業(yè)學(xué)科背景及前景不了解，30%學(xué)生以英語成績差為由不贊同英文授課，60%學(xué)生希望通過小組合作進行課程學(xué)習(xí)。本著以學(xué)生為主體的教學(xué)原則，我們制定了英語水平摸底調(diào)查、“工程熱力學(xué)”經(jīng)典案例收集、小組合作交流展示等教學(xué)準(zhǔn)備活動，目的是根據(jù)學(xué)生英語水平合理設(shè)置教材難度，設(shè)計探究性活動方案，喚起學(xué)生對“工程熱力學(xué)”領(lǐng)域的探究欲望，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新性和能動性。

3.國內(nèi)外教材側(cè)重點對比分析

“工程熱力學(xué)”國內(nèi)外教材的內(nèi)容覆蓋面一般差別不大，但是國外教材通常內(nèi)容詳細(xì)、具體，習(xí)題簡單且多來源于生產(chǎn)實際；而國內(nèi)教材往往內(nèi)容短小精簡，比較深入，習(xí)題相對復(fù)雜且理論性強。因此，課程建設(shè)團隊認(rèn)為新編教材應(yīng)充分與當(dāng)今“碳減排”背景相結(jié)合，理論與生產(chǎn)實際相結(jié)合，同時在教學(xué)的過程中要逐步向?qū)W生灌輸能源高效清潔利用的理念。同時，將國內(nèi)外教材側(cè)重點進行對比之后，我們認(rèn)為特別是習(xí)題部分，除了滿足課程要求之外，也要充分照顧研究生招生考試內(nèi)容及深度，以有利于學(xué)生后續(xù)深造。

四、課程建設(shè)實踐

在教學(xué)安排上首先讓學(xué)生重點理解基本概念及基本理論內(nèi)容中的抽象模型，進而結(jié)合工程應(yīng)用對象及實例分析使學(xué)生將抽象的概念和理論與實際工程應(yīng)用對象之間建立起感性認(rèn)識和聯(lián)系，并使之力求做到舉一反三、觸類旁通，最后完成初步的科學(xué)抽象和邏輯思維分析方法的訓(xùn)練。該課程建設(shè)主要從以下七個方面進行探索。

1.教學(xué)方法研討與效果反饋提高

在教學(xué)過程中，課程教學(xué)團隊采用研討啟發(fā)式、互動式等教學(xué)方法，采用課堂講授、案例研討、視頻教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)手段，并在實踐中不斷改善。課堂講授的目的是教授該課的基本知識點，目的是使學(xué)生掌握課程的基本概念、基本過程及其內(nèi)在邏輯，教授過程可由問題引入開始。比如在講解“熱力發(fā)電廠”時，我們由問題引入：“你們宿舍每天用幾度電？排放了多少二氧化碳？”然后通過講解把生產(chǎn)每度電需要排放二氧化碳的量算出來。這樣就給學(xué)生一個非常清楚的概念，即每個人每天排放大量二氧化碳。這不僅讓他們時刻保持節(jié)約用電的習(xí)慣，還能激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考，調(diào)動課堂積極性。接著，引入解決問題的方法和思路，擴展該基本知識點的應(yīng)用方法；進而引入案例，分析這些知識點在實際問題中的使用方法；最后留一些思考性問題，讓學(xué)生課下收集相關(guān)資料、閱讀一些論文，繼續(xù)加深理解課堂知識點和擴展國際視野。

由于是用英語授課，在授課過程中要讓學(xué)生用英文思維方式學(xué)習(xí)和理解專業(yè)課的知識點，這就要求改進教學(xué)方法，充分做到以學(xué)生為主體開展教學(xué)。教學(xué)方法的改進措施主要有：采用直觀教學(xué)法，引入國外拍攝的一些熱力學(xué)相關(guān)視頻，更加生動地將知識點展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；單向傳輸式授課改為雙向互動式交流，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中處于主動地位；開展綜合專題式討論教學(xué)，鼓勵學(xué)生課堂上多提出自己的見解；引導(dǎo)學(xué)生進行課外自主閱讀，讓學(xué)生通過多種渠道進行課外學(xué)習(xí)。在課程教學(xué)過程中，及時對學(xué)生進行問卷調(diào)查，了解課程教學(xué)實施效果，并及時做出調(diào)整。同時，結(jié)合課程教學(xué)組織學(xué)生參加與本專業(yè)相關(guān)的競賽活動，鼓勵學(xué)生進行科技制作、撰寫專業(yè)論文等，提升學(xué)生利用工程熱力學(xué)理論知識解決能源高效利用、節(jié)能減排等方面問題的能力。

2.工程熱力學(xué)經(jīng)典案例收集

案例教學(xué)作為該課程的一個特色，具有較好的應(yīng)用效果。如前所述，該課程教學(xué)的目的之一是為擴大學(xué)生的國際視野。國外“工程熱力學(xué)”課程中有許多經(jīng)典案例，對理解概念、理論具有較好的啟示性。但這些案例在國內(nèi)中文教材中卻體現(xiàn)不多，因此課程教學(xué)團隊將收集、整理典型案例作為主要工作之一。團隊中的多名成員曾在國外學(xué)習(xí)、進修過，利用便利條件既直接借鑒國外高校相關(guān)課程資料，也搜集相關(guān)工程知名廠家產(chǎn)品視頻自己制作案例。在課程教學(xué)中，成員將案例盡可能地制作成相關(guān)動畫。例如在學(xué)習(xí)蒸汽動力裝置、燃?xì)廨啓C裝置、壓縮制冷裝置時，通過案例中的視頻和動畫講解，可以讓學(xué)生更好地理解工作原理及影響能量轉(zhuǎn)換效果因素，進而讓學(xué)生從工程熱力學(xué)的角度分析熱損失的原因，并找尋合適的改善措施提高能量利用效率，增強學(xué)生能源清潔高效利用的意識［13］。

3.編寫課程講義/教材

由于各學(xué)?！盁崃W(xué)”課程的側(cè)重點不盡相同，因此難以有統(tǒng)一的教科書，當(dāng)前各學(xué)校要么是依據(jù)自身學(xué)校特點優(yōu)選適合自身的教材，要么是遴選適合自己學(xué)校專業(yè)的教材章節(jié)，并在聽取學(xué)生反饋意見、專家建議以及自身實踐檢驗等積累后，形成適合自己學(xué)校專業(yè)的講義。在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校2020 版課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定，課程教學(xué)團隊認(rèn)為要編寫一套基于“雙碳”目標(biāo)大背景下的適合本校能源與動力工程專業(yè)本科生的課程講義。該講義的編寫要體現(xiàn)如下幾個方面：一是全球“碳減排”背景需求與學(xué)校的礦業(yè)特色相結(jié)合；二是充分考慮學(xué)生英語水平，參考國外原版教材；三是遵循“理論+案例+實驗+思考”的教學(xué)模式；四是展現(xiàn)工程熱力學(xué)的發(fā)展歷史、發(fā)展前景及重要人物/事件等，增強講義的可讀性［14］；五是教材應(yīng)結(jié)合實踐編寫，與能源環(huán)境大背景相結(jié)合，注重引導(dǎo)學(xué)生節(jié)能減排的能源意識；六是給學(xué)生留出獨立思考空間，以學(xué)生為本培養(yǎng)他們理論轉(zhuǎn)換為實踐的能力以及動手實驗的能力。此外，提出課程關(guān)鍵詞、生僻詞等英語詞句，供學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)及鞏固。

4.制作全英文課件與錄制授課視頻

課程教學(xué)團隊按照分章節(jié)制作了全英文課件。該課件遵循以下幾點要求：一是依照教學(xué)大綱，明確教學(xué)目標(biāo)、認(rèn)知目標(biāo)、技能目標(biāo)、情感目標(biāo)；二是闡明教學(xué)難點、教學(xué)重點；三是注重文本、圖形、聲音、影像、動畫等多媒體形式有機組合，強調(diào)交互式設(shè)計［15］；四是強調(diào)與學(xué)生互動，使學(xué)生在英語授課過程中不致于出現(xiàn)注意力分散的現(xiàn)象。根據(jù)教學(xué)大綱，以知識點為單位，課程教學(xué)團隊錄制全英語教學(xué)視頻，每個知識點約15 分鐘。錄制過程中除了準(zhǔn)確無誤表達知識點之外，還特別注意了清晰、地道的英語發(fā)音。在教學(xué)視頻中，圍繞知識點設(shè)計了針對性的提問、知識點討論及隨堂測試，每一章節(jié)結(jié)束后設(shè)計了作業(yè)題和測試題，方便同學(xué)們課前或者課后預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和鞏固。

5.加強教學(xué)團隊建設(shè)

課程建設(shè)的過程，最為重要的一點就是要加強教學(xué)團隊的建設(shè)。我們的實踐經(jīng)驗是：明確教學(xué)目標(biāo)，將能源高效清潔利用、助力“雙碳”目標(biāo)作為新教學(xué)理念；第二，定期召開課程團隊人員會議，分享授課經(jīng)驗；第三，教學(xué)團隊與科研團隊一體化建設(shè)，提高團隊的整體創(chuàng)新能力；第四，聘請有資質(zhì)的外語教師進行發(fā)音校正，使團隊成員口語發(fā)音越來越地道。

6.科研結(jié)合教學(xué)

高校教學(xué)不同于中小學(xué)教學(xué)，對科研的關(guān)注使高校教師能夠及時將最前沿的學(xué)術(shù)成果不斷充實到自己的課堂中，因此具有較高科研水平的教師，往往對教學(xué)內(nèi)容思考得更為深刻透徹，教學(xué)更易做到“深入淺出”。具體在“熱力工程學(xué)”課程的教學(xué)過程中，教師要使學(xué)生了解最新的學(xué)科現(xiàn)狀與前景，理解學(xué)科知識在當(dāng)今能源環(huán)境背景下的突出貢獻及意義，彌補原有課程知識與最新研究之間的“斷層”。此外，科研對教學(xué)的促進應(yīng)該不局限于教學(xué)內(nèi)容，教師要鼓勵學(xué)生多多參加與本課程內(nèi)容相關(guān)的科研項目，把所學(xué)知識應(yīng)用到實際問題的解決之中，以讓學(xué)生更好地理解課程知識點和提升綜合素質(zhì)。

7.“學(xué)講”式教學(xué)

“工程熱力學(xué)（英文）”課程教學(xué)采用了“學(xué)講”式教學(xué)。具體來說，按照4～5 人一組將全體學(xué)生分為若干小組，小組成員分工明確、團結(jié)合作；部分課程內(nèi)容及經(jīng)典案例分享由每組學(xué)生代表來講授；教師在講臺下聽講，發(fā)現(xiàn)學(xué)生講的錯誤之處和不完善之處加以糾正和總結(jié)。學(xué)生為準(zhǔn)備所講內(nèi)容必定仔細(xì)研讀，即達到“會學(xué)”的目的；為了在全班同學(xué)面前講好內(nèi)容必然要鍛煉上臺演講的能力，即達到“會講”的目的。在該過程中，單向傳輸式授課改為雙向互動式交流，分組學(xué)習(xí)與討論讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中處于主動地位，學(xué)習(xí)目標(biāo)性強，同時鍛煉了學(xué)生英語表達能力。本課程在實驗環(huán)節(jié)開設(shè)了課程基本實驗和創(chuàng)新實驗，并配有專門的實驗教學(xué)人員即時指導(dǎo)。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)強化了學(xué)生對理論知識的掌握和理解，對學(xué)生的學(xué)術(shù)素質(zhì)和教學(xué)效果提高均有顯著的作用。

五、課程建設(shè)效果與結(jié)語

1.課程建設(shè)效果

“雙碳”目標(biāo)下“工程熱力學(xué)（英語）”課程建設(shè)與實踐取得顯著的教學(xué)效果，達到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。一是在課堂上，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性大幅度提高，積極參與小組合作并進行經(jīng)典案例展示，從案例中歸納總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。二是學(xué)期末小組學(xué)習(xí)成果匯報效果與考試成績顯示，學(xué)生英語口語及專業(yè)詞匯量大幅度提高，學(xué)生的自信心、積極性明顯增強。三是在實驗教學(xué)中，學(xué)生們積極參與實驗訓(xùn)練，并積極撰寫實驗報告及實驗心得，總結(jié)實驗經(jīng)驗與教訓(xùn)，并在實驗考核中全體學(xué)生取得B 級以上的好成績。四是教學(xué)內(nèi)容的改進以及多樣化靈活的教學(xué)手段，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，線上課程后臺記錄顯示每章教學(xué)視頻播放高達500 余次。五是在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生積極參加能源領(lǐng)域科研活動，并在全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽等項目中取得優(yōu)異成績。尤其是2021年5月，在江蘇省第一屆節(jié)能減排大賽中，中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院學(xué)生獲特等獎1 項、一等獎3 項、二等獎1 項及優(yōu)秀組織獎。

全英文教學(xué)模式廣受外界好評。課程結(jié)束后，對學(xué)生們進行問卷調(diào)查，目的是調(diào)查教學(xué)效果及了解學(xué)生知識點掌握情況，并對該課程提出建議。調(diào)查結(jié)果顯示，70%的學(xué)生表明全英文教學(xué)模式極大提高了專業(yè)英語能力及口語表達能力，80%學(xué)生表示“學(xué)講”式教學(xué)模式拓寬知識面的同時提高了學(xué)科興趣；90%學(xué)生表示通過課程的學(xué)習(xí)認(rèn)識到了該學(xué)科對“碳減排”政策的重要性。

2.結(jié)語

我國已將降低碳排放、使用清潔能源、提升能源利用效率寫入國家戰(zhàn)略，能源高效清潔利用將是重要發(fā)展方向［16］。中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院結(jié)合全球“碳減排”背景與學(xué)校特色專業(yè)，將能源高效清潔利用貫穿于教學(xué)過程中，構(gòu)建了一套全新的“雙碳”目標(biāo)下的“工程熱力學(xué)（英語）”課程教學(xué)模式。該課程建設(shè)重新擬定了基于“雙碳”的教學(xué)目標(biāo)并采用了多元化的教學(xué)方法。教學(xué)效果表明，該課程建設(shè)不僅可以給學(xué)生灌輸能源高效清潔利用的理念，也可以提高學(xué)生的專業(yè)理論知識素養(yǎng)和應(yīng)用能力，同時為解決相關(guān)生產(chǎn)實際問題奠定了能力基礎(chǔ)，更有助于“雙碳”目標(biāo)早日實現(xiàn)，鞏固大學(xué)生建立服務(wù)國家戰(zhàn)略需求的人生理想［17］?！肮こ虩崃W(xué)”作為能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論課，在新能源領(lǐng)域人才培養(yǎng)方面有著至關(guān)重要的作用。在高等教育國際化的大背景下，“雙碳”目標(biāo)下“工程熱力學(xué)”的全英文授課教學(xué)模式值得進一步推廣［18］，而且要在教學(xué)過程中不斷創(chuàng)新、不斷完善。