何秦川
(成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院,四川 成都 610059)
目前,熱工過程與設(shè)備課程已經(jīng)成為許多高校的材料類專業(yè)課程之一,成都理工大學(xué)也面向材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)了本課程,旨在培養(yǎng)具備熱工基礎(chǔ)理論及實(shí)際應(yīng)用能力的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)研究人才。但在實(shí)際教學(xué)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)本課程具有內(nèi)容較復(fù)雜、設(shè)備技術(shù)更新快及學(xué)生掌握難度高等特點(diǎn),使得實(shí)際教學(xué)質(zhì)量和所要達(dá)成的教學(xué)內(nèi)容存在差距[1,2],當(dāng)前隨著“一帶一路”等國(guó)家的倡議,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力等已經(jīng)成為人才培養(yǎng)的根本,而本課程涉及面之廣、更新速度快等理念完全符合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維[3,4]。 為此,結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)展開對(duì)教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行課程思考和改革,以提高學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和課程的教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)成果。
熱工過程與設(shè)備是材料科學(xué)與工程專業(yè)無機(jī)非金屬材料方向的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程, 共2.5 學(xué)分,40學(xué)時(shí),其中理論 40 學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn) 0 學(xué)時(shí)、上機(jī) 0 學(xué)時(shí)。 本課程在高等數(shù)學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程基礎(chǔ)、無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)、 材料物理化學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課之后,在大三學(xué)年秋季學(xué)期開出。 本課程支撐的畢業(yè)要求是能夠設(shè)計(jì)針對(duì)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案,設(shè)計(jì)滿足特定需求的材料、部件(零部件)或工藝流程,并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí),考慮社會(huì)、安全、健康、法律、文化以及環(huán)境等因素。 本課程所涉及的指標(biāo)點(diǎn):指標(biāo)點(diǎn)3-1,即能夠掌握材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的方法和技術(shù),了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素;指標(biāo)點(diǎn)3-2,即能夠基于服役條件和性能要求,設(shè)計(jì)材料的生產(chǎn)或加工工藝與設(shè)備。 本課程教學(xué)目標(biāo)是通過課程教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生具有解決熱工領(lǐng)域基本工程技術(shù)問題的能力,強(qiáng)化節(jié)能、減排和提高資源利用率的環(huán)境保護(hù)理念,具備不斷深化學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的專業(yè)能力,了解本專業(yè)方向的最新發(fā)展?fàn)顩r。 通過講授與材料熱加工有關(guān)的熱工基礎(chǔ)理論和設(shè)備知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程問題的能力。 能夠針對(duì)具體材料的服役條件和性能要求,設(shè)計(jì)材料或加工工藝流程,確定設(shè)備的選型和操作條件,實(shí)現(xiàn)設(shè)備和操作的優(yōu)化,有助于學(xué)生順利進(jìn)入并適應(yīng)無機(jī)非金屬及熱加工領(lǐng)域的工作和學(xué)習(xí)。 本文以熱工過程與設(shè)備課程為例,提出了在實(shí)際教學(xué)中存在的問題并探討進(jìn)行課程教學(xué)思考和改革。
熱工過程是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的重要研究方向之一,對(duì)學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力均提出較高的要求,是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科。 當(dāng)前,成都理工大學(xué)材料科學(xué)與工程本科專業(yè)“熱工過程與設(shè)備”課程采用的教材是由武漢工業(yè)大學(xué)出版社出版、張晉濤主編的《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》及武漢工業(yè)大學(xué)出版社出版、劉振群主編的《陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備》這兩本書,主要教學(xué)內(nèi)容包括氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用、傳熱原理、燃料的燃燒過程與設(shè)備、隧道窯的工作原理和特點(diǎn)、玻璃熔窯、回轉(zhuǎn)窯。 顯然本教學(xué)內(nèi)容的編排是按照對(duì)熱工過程機(jī)理的分析及熱工設(shè)備的工作原理分析所進(jìn)行的, 因此較容易把內(nèi)容串成一條邏輯線路,對(duì)學(xué)生把握整體框架更加有利。 但本課程涉及的內(nèi)容較為廣泛,而且不同熱工過程和熱工設(shè)備機(jī)理內(nèi)容差異甚大, 這就要求授課老師不僅要對(duì)教學(xué)內(nèi)容研磨吃透,還要對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行合理的規(guī)劃以保證學(xué)生高質(zhì)量的聽課效果, 在授課過程中需要注意到分類講述,更加注重培養(yǎng)學(xué)生利用綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程問題的能力。
熱工過程與設(shè)備課程在實(shí)際教學(xué)工作中也存在一些不利于學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)與綜合能力培養(yǎng)等問題,主要表現(xiàn)為:
(1)本課程所涵蓋的學(xué)科內(nèi)容非常豐富,包括但不限于材料工程學(xué)、物理化學(xué)、陶瓷學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科范圍,部分所講授內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生前期所學(xué)專業(yè)知識(shí)簡(jiǎn)化講解,有些則需要重點(diǎn)詳細(xì)擴(kuò)展講解分析。 當(dāng)前我院安排的教學(xué)課時(shí)為40 課時(shí),如果將課程內(nèi)容完全講授或者平均分配可能會(huì)導(dǎo)致課程重點(diǎn)不突出及學(xué)生認(rèn)知不足等問題,因此針對(duì)本專業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的課程教學(xué)的篩選和設(shè)計(jì)及其重要。
(2)由于該課程兼有理論復(fù)雜性和實(shí)踐應(yīng)用性,雖然傳統(tǒng)的課堂教學(xué)手段與教學(xué)方法在實(shí)際教學(xué)上基本能達(dá)到預(yù)期目標(biāo),但對(duì)于學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程問題的能力較差。 再加之受課程學(xué)時(shí)的限制,如果只通過教師在課堂上授課,即使課程內(nèi)容扎實(shí)全面和講解詳細(xì)具體,學(xué)生也不會(huì)容易對(duì)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容產(chǎn)生濃厚興趣,并且對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的能力得不到提高,因此該課程需要采用更多新的教學(xué)手段和方法,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力和綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的能力。 近年來也涌現(xiàn)出較多新的教學(xué)方法和模式,但如何合理選擇和實(shí)際應(yīng)用還需要緊扣本課程的培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)。
(3)課程期末考核方法是促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)、提高課堂教學(xué)及學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果的有力途徑,但單一的期末考核可能會(huì)造成學(xué)生選擇死記硬背的錯(cuò)誤學(xué)習(xí)方式,非常不利于畢業(yè)后學(xué)生將所學(xué)的這門課程的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作中去。 從培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程問題的能力出發(fā),由于該課程的應(yīng)用性很強(qiáng)和更新迭代速度較快,因此應(yīng)該采取一些新的方法來綜合考核學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)效果,并且引入創(chuàng)新和綜合應(yīng)用能力考核的因素,讓學(xué)生自主產(chǎn)生想要學(xué)習(xí)的動(dòng)力。
長(zhǎng)期以來,教學(xué)改革中都在提倡改變以“教”為主的教學(xué)方式,轉(zhuǎn)而變?yōu)橐浴皩W(xué)”為主的方式[5]。 在具體的教學(xué)改革上,我們嘗試做了一些改變。
由于熱工過程與設(shè)備課程內(nèi)容涉及較寬廣的知識(shí)面,需要講授理論和相關(guān)設(shè)備知識(shí)。 基于學(xué)時(shí)和課程的全面性考慮,針對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)無機(jī)非金屬材料方向的學(xué)生,筆者選用了武漢工業(yè)大學(xué)出版社的《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》和《陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備》兩本書作為教材。 本課程共涵蓋六章知識(shí),前三章主要講授氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用和傳熱原理等熱工基礎(chǔ)知識(shí),后三章內(nèi)容講授隧道窯和玻璃熔爐及回轉(zhuǎn)窯等熱工設(shè)備知識(shí)。 在講授過程中,要注意引導(dǎo)同學(xué)們區(qū)分不同窯爐的結(jié)構(gòu)和工作原理,區(qū)別各種窯爐的相關(guān)特點(diǎn)和分類等,從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握和理解。
在講授本課程理論部分時(shí), 由于材料科學(xué)基礎(chǔ)、物理化學(xué)、材料工程基礎(chǔ)、無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)等相關(guān)課程內(nèi)容都將在本課程中來綜合應(yīng)用,因此需要對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化、調(diào)整、精簡(jiǎn)和概括,合理完善課程順序和教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)。 例如,在基礎(chǔ)理論講授內(nèi)容中關(guān)于對(duì)流換熱過程相似準(zhǔn)數(shù)及準(zhǔn)數(shù)方程導(dǎo)出的方法,該部分內(nèi)容較為晦澀難懂,不利于學(xué)生的掌握, 但該部分內(nèi)容對(duì)于后續(xù)學(xué)習(xí)很重要,因此需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容做出一些調(diào)整,把這部分內(nèi)容帶入實(shí)際工程中, 讓學(xué)生閱讀完該部分相關(guān)的內(nèi)容后,隨后對(duì)自然對(duì)流換熱、自?;奈锢硪饬x及工程應(yīng)用問題進(jìn)行課堂討論, 幫助學(xué)生理解該部分的實(shí)際應(yīng)用,進(jìn)而進(jìn)行理論知識(shí)的深入探討。 再如講授到第五章玻璃窯爐時(shí),知識(shí)點(diǎn)主要為玻璃窯爐的分類、結(jié)構(gòu)組成和工作原理以及對(duì)窯內(nèi)溫度制度、壓力制度、泡界線制度、氣氛制度的要求,本章內(nèi)容較少并且知識(shí)點(diǎn)較易,因此教學(xué)安排為2 課時(shí),把課時(shí)更多的安排在其他重點(diǎn)章節(jié)。 當(dāng)前,講授所涉及的教材內(nèi)容一般在數(shù)年內(nèi)不會(huì)有太大的變化,但這并不意味著教學(xué)內(nèi)容就一成不變[6]。 在實(shí)際講授中,筆者還選講了一些補(bǔ)充教材的內(nèi)容, 但考慮到學(xué)生理解上的困難和課時(shí)等原因,在備課過程中盡量選擇主要的兩本教材配套內(nèi)容來幫助學(xué)生加強(qiáng)理解知識(shí)。 此外,本課程包含的技術(shù)方法會(huì)隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷更新,因此除了課程講授的內(nèi)容外,本課程的教學(xué)內(nèi)容要補(bǔ)充前沿科技動(dòng)態(tài),重點(diǎn)闡述新觀念和相關(guān)領(lǐng)域成果。 例如,讓學(xué)生主動(dòng)的查閱玻璃窯爐的文獻(xiàn)資料,了解現(xiàn)代玻璃窯爐的發(fā)展及應(yīng)用,把最新的創(chuàng)新成果能夠轉(zhuǎn)化為知識(shí)體系和教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和了解最前沿的熱工過程與設(shè)備研究。
在教學(xué)過程中, 除了采用教師面授的方式以外,可以按照課程章節(jié)的內(nèi)容來進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸M討論式、互動(dòng)啟發(fā)式、模擬實(shí)驗(yàn)等多種教學(xué)方法來進(jìn)行教學(xué)方法的改革和探索。 具體措施主要包括:
(1)充分利用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合,讓現(xiàn)代教育技術(shù)手段得以發(fā)揮,當(dāng)前高校的教學(xué)幾乎都以多媒體教學(xué)為主,但如何用多媒體教學(xué)來調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。 單一簡(jiǎn)易的去展示幻燈片會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)疲勞感,養(yǎng)成不愛記筆記和不愛動(dòng)腦思考的壞習(xí)慣, 因此要通過多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合,對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單易理解的概念采用多媒體展示,而對(duì)于反應(yīng)機(jī)理及其相關(guān)計(jì)算則采用多媒體展示和傳統(tǒng)板書相結(jié)合的形式來表現(xiàn)出來。 例如,在第一章氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用中講解運(yùn)用二流體伯努利方程對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行定性、定量分析的方法時(shí),可以先通過多媒體播放工作原理的視頻后,再通過傳統(tǒng)板書來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性和定量的實(shí)際計(jì)算,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性并加強(qiáng)對(duì)該部分內(nèi)容的掌握。
(2)通過分享式、開放式、討論式等教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂中來。 例如,通過“學(xué)習(xí)通”等平臺(tái)實(shí)施分組,然后進(jìn)行各個(gè)小組的隨堂討論或隨堂作業(yè)來讓學(xué)生積極參與進(jìn)來。 指導(dǎo)學(xué)生去主動(dòng)查閱資料書籍、討論分析后分享出來展示,從而啟發(fā)學(xué)生積極思考和課堂討論, 循序漸進(jìn)的去培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。 本課程部分章節(jié)難度較大,對(duì)于一些同學(xué)理解較為困難,老師可以通過重點(diǎn)分析和引導(dǎo)課程重難點(diǎn),激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)樂趣。 如課程第二章傳熱原理中,需要同學(xué)們了解常物性條件下固體內(nèi)部導(dǎo)熱微分方程的形式和物理意義;各類一維穩(wěn)定態(tài)條件下熱流密度及溫度的分布特征;對(duì)流換熱現(xiàn)象的完整封閉微分方程組及用其獲得定解的條件等,老師在教學(xué)課程中要突出重點(diǎn),對(duì)知識(shí)的講解要詳略得當(dāng),避免學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的疲勞感。
(3)結(jié)合科研和競(jìng)賽項(xiàng)目來培養(yǎng)學(xué)生研究和提高對(duì)熱工過程與設(shè)備有關(guān)知識(shí)的創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)科研和教學(xué)一體化模式,使科研和教學(xué)相互促進(jìn)[7]。 例如,積極宣傳和調(diào)動(dòng)學(xué)生在各種學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和學(xué)院定期舉行的科研講座等項(xiàng)目活動(dòng)來參與研究和學(xué)習(xí), 通過分享在所參加的項(xiàng)目活動(dòng)中的心得體會(huì), 并且引發(fā)其他學(xué)生思考本項(xiàng)目可改進(jìn)的可行性,極大的鼓舞學(xué)生們的創(chuàng)新思維和能力。
(4)增加本課程的教學(xué)方法評(píng)價(jià)和改進(jìn)監(jiān)督體系。例如,利用學(xué)校配套的“教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)”發(fā)布學(xué)期教學(xué)評(píng)教問卷, 可以設(shè)置本課程教學(xué)重難點(diǎn)的掌握情況、學(xué)生感興趣的教學(xué)內(nèi)容等選項(xiàng),通過學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法的評(píng)教,了解學(xué)生掌握本課程重難點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況,有選擇性地進(jìn)行拓展教學(xué)內(nèi)容和改善教學(xué)方法。
(5)加強(qiáng)雙邊多元化教學(xué),重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)能力,教學(xué)不應(yīng)該是老師一個(gè)人的課堂,而是老師和同學(xué)雙方相輔相成的共同結(jié)果,培養(yǎng)學(xué)生的主人翁意識(shí)。 要積極鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)思維,提升學(xué)生的創(chuàng)新能力,就要打破傳統(tǒng)的教學(xué)思維,如學(xué)生通過課下自主查閱本課程的文獻(xiàn)資料,并結(jié)合課本知識(shí)來總結(jié)出自己的看法和見解與老師同學(xué)們進(jìn)行研討交流。 而對(duì)于不同的同學(xué)出現(xiàn)各自不同觀點(diǎn)的情況,老師應(yīng)該進(jìn)行整理總結(jié)并最后和同學(xué)們探討講解,讓同學(xué)們對(duì)總結(jié)查閱和閱讀文獻(xiàn)的能力和語言表達(dá)能力得到了極大的自我提升,最難能可貴的是鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新發(fā)展的能力, 充分發(fā)散學(xué)生自己的思維,能夠培養(yǎng)他們從不同角度切入分析問題和解決問題的能力。 所以加強(qiáng)雙邊多元化教學(xué)不單單是使學(xué)生更好地參與在課堂學(xué)習(xí)之中,更調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新發(fā)展能力。 對(duì)學(xué)生今后的就業(yè)或是深造都是起著舉足輕重的作用。
熱工過程與設(shè)備是一門綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)且實(shí)踐性極強(qiáng)的課程,如果僅僅就單一的傳統(tǒng)考試教學(xué)手段來測(cè)評(píng)學(xué)生們的平時(shí)學(xué)習(xí)情況,很難實(shí)現(xiàn)全面有效的教學(xué)效果評(píng)價(jià),因此本課程進(jìn)行了多種考核方式相結(jié)合的綜合考核方法,考核方式主要分為平時(shí)和期末兩部分:
(1)每個(gè)章節(jié)都通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)進(jìn)行課前測(cè)驗(yàn)和課后隨堂作業(yè)的布置,課前測(cè)驗(yàn)主要是以學(xué)生們預(yù)習(xí)的內(nèi)容為主,幫助學(xué)生預(yù)習(xí)、引起學(xué)生們的興趣和思考,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生們的積極性,課后測(cè)試注重結(jié)合課程內(nèi)容重點(diǎn)對(duì)不同窯爐的工作原理進(jìn)行對(duì)比,促進(jìn)學(xué)生分類歸納知識(shí)點(diǎn)和完善知識(shí)儲(chǔ)備,從而更好地考核學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。
(2)期末考核采取考試和考查兩種方式相結(jié)合,其中理論考試占期末最終成績(jī)的60%,試題部分設(shè)置分值約20%的論述題來考核學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力和應(yīng)用綜合能力的水平。 剩余40%占比的總成績(jī)通過小組完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課堂表現(xiàn)及參加項(xiàng)目活動(dòng)等的考查方式來考核學(xué)生尋找問題、分析和解決問題的自主學(xué)習(xí)能力。
綜上,本課程考核方式的改革不僅僅是檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,更多的目的是增加學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)和用創(chuàng)新理念來鼓勵(lì)學(xué)生開拓創(chuàng)新思維,在后續(xù)改革中,還要努力創(chuàng)造機(jī)會(huì)和條件,進(jìn)一步完善熱工過程與設(shè)備課程教學(xué)手段,全面提高教學(xué)質(zhì)量,為培養(yǎng)符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求的材料專業(yè)工程技術(shù)人才貢獻(xiàn)力量。
熱工過程與設(shè)備課程內(nèi)容豐富,并且涉及學(xué)科及方法發(fā)展十分迅猛。 本課程的學(xué)習(xí)對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、實(shí)踐與創(chuàng)新能力有著切實(shí)地提高,因此有必要對(duì)熱工過程與設(shè)備課程存在的教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法及考核方式等方面進(jìn)行教學(xué)思考和改革。 在對(duì)本課程思考和改革的過程中,應(yīng)該把握三個(gè)關(guān)鍵原則, 一是針對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的特點(diǎn);二是要理解在目前的新工科建設(shè)對(duì)實(shí)踐和創(chuàng)新人才需求背景下,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神已經(jīng)成為人才培養(yǎng)的根本;三是以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)能力為導(dǎo)向, 進(jìn)一步完善本課程的教學(xué)手段,以此對(duì)其他課程思考和改革提供參考意義。