新工科背景下新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)模式探討

謝新奇　趙鑫博　商佳棋　李雙　陳穎　步紅麗

【摘要】? 傳熱學(xué)是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，旨在介紹傳熱學(xué)在常規(guī)能源與新能源典型工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，為學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。針對新能源專業(yè)的傳熱學(xué)教學(xué)痛點(diǎn)，探討新工科背景下培養(yǎng)路徑。以應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)計劃為主體、以用人單位對應(yīng)用型人才的需求為核心、以傳熱學(xué)在新能源領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用為目標(biāo)，建立“三階+三化+一中心”線上線下混合教學(xué)模式，為新能源專業(yè)的人才培養(yǎng)和課程教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 新工科? ? 新能源? ? 傳熱學(xué)? ? 教學(xué)模式

引言：

能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性問題，能源戰(zhàn)略的成敗，關(guān)乎國家民族命運(yùn)。隨著全球能源格局由傳統(tǒng)化石能源向清潔高效能源的深刻轉(zhuǎn)變，我國能源結(jié)構(gòu)也正經(jīng)歷著前所未有的深層次變革，新能源在能源供給側(cè)占有越來越重要的戰(zhàn)略地位。新能源技術(shù)的加快建設(shè)將成為我國構(gòu)建更加清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

數(shù)字技術(shù)為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)開辟了新路徑，它能夠融合能源與環(huán)境實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，解決資源緊缺與需求不匹配的矛盾。數(shù)字通訊技術(shù)發(fā)展迅猛，能源系統(tǒng)的互聯(lián)與優(yōu)化依賴于人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的創(chuàng)新。能源行業(yè)的數(shù)字化監(jiān)控可以提高能源利用效率，轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)理念，協(xié)調(diào)供給側(cè)和需求側(cè)。新興數(shù)字技術(shù)的普及能夠助力清潔能源利用，帶動全球能源格局革命性、顛覆性調(diào)整。因此，加快建立與發(fā)展新能源科學(xué)與工程專業(yè)及學(xué)科，加快培養(yǎng)急需緊缺人才，破解新能源技術(shù)的共性和瓶頸技術(shù)難題，是推動我國能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的迫切需要和戰(zhàn)略選擇。傳熱學(xué)作為新能源發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科，在能源生產(chǎn)消費(fèi)、開放共享、靈活交易、協(xié)同發(fā)展等方面起到促進(jìn)作用。

一、新能源專業(yè)人才培養(yǎng)

新能源科學(xué)與工程專業(yè)是一個多學(xué)科高度交叉融合的新興專業(yè)，人才培養(yǎng)具有一定的挑戰(zhàn)性，其課程體系必須充分考慮以學(xué)科交叉為指導(dǎo)思想。結(jié)合我國新工科建設(shè)和國際工程教育發(fā)展趨勢，形成了一套完整的新能源科學(xué)與工程本科專業(yè)的培養(yǎng)模式。它具有多樣化的應(yīng)用背景、多維度的知識體系、多層次的專業(yè)構(gòu)架等特征，涉及化學(xué)、物理學(xué)、動力工程、材料科學(xué)與工程、電氣工程及其自動化、機(jī)械工程等眾多學(xué)科。在多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上，目前形成了自然科學(xué)基礎(chǔ)課程群、工程基礎(chǔ)課程群、專業(yè)基礎(chǔ)課程群、風(fēng)光能源課程群、其他新能源與儲能課程群、能源互聯(lián)網(wǎng)課程群、前沿講座課程群、實(shí)踐環(huán)節(jié)課程群、素質(zhì)拓展及個性化培養(yǎng)課程群等九大課程群，后續(xù)我們將努力加強(qiáng)完善產(chǎn)教融合支撐體系，進(jìn)一步優(yōu)化課程群體系，使之更完備、更科學(xué)、更加適應(yīng)能源戰(zhàn)略的需要。

通過課程體系引領(lǐng)新能源專業(yè)人才培養(yǎng)，使學(xué)生具備整合思維、工程推理和解決復(fù)雜工程問題的能力，適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，掌握新能源及可再生能源轉(zhuǎn)換與應(yīng)用的理論和知識，受到能源動力工程師的訓(xùn)練，具備較強(qiáng)的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，在風(fēng)光互補(bǔ)等新能源領(lǐng)域從事設(shè)備制造與組裝、發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)及技術(shù)管理等工作的應(yīng)用型人才。千秋基業(yè)，人才為先。通過對新能源科學(xué)與工程專業(yè)需要掌握的基礎(chǔ)知識、理論、方法進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計，匯聚學(xué)術(shù)聲望高、專業(yè)理論水平扎實(shí)、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的精英師資隊伍，努力培養(yǎng)新能源領(lǐng)域具有全球化視野的復(fù)合型人才。

從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去。新能源科學(xué)與工程這個新興專業(yè)順應(yīng)能源革命的實(shí)踐而生，也將在實(shí)踐中不斷豐富和發(fā)展，相應(yīng)的人才培養(yǎng)模式也應(yīng)該是開放式的、啟發(fā)式的，需要在實(shí)踐中不斷發(fā)展和完善。科學(xué)思維的培養(yǎng)，創(chuàng)新火花的點(diǎn)燃，尤勝于具體知識點(diǎn)的傳授。讓學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地?zé)釔坌履茉?，是我們的初心和使命?/p>

二、新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

宇宙中一切物質(zhì)，無論是人、樹木等生物體，還是塵土、冰川等非生物體，都具有一定的熱能。物質(zhì)具有熱能多少的宏觀表現(xiàn)就是其溫度的高低。傳熱學(xué)研究在溫差作用下熱量傳遞規(guī)律及其應(yīng)用，重點(diǎn)研究不同狀態(tài)下傳熱模式和熱量傳遞速率。[1]在能源動力、建筑環(huán)境、材料冶金、石油化工、機(jī)械制造、航空航天等工業(yè)中傳熱學(xué)發(fā)揮著重要作用;生物醫(yī)學(xué)、電氣電子、食品加工、輕工紡織、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域也都涉及傳熱研究。

傳熱學(xué)主要研究兩類問題：一是為了確定物體內(nèi)部或空間區(qū)域中的溫度分布，控制溫度保證運(yùn)行穩(wěn)定，例如太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的溫度控制;二是為了確定傳熱過程中熱量傳遞的速率，以及強(qiáng)化或削弱傳熱的技術(shù)途徑，例如生物質(zhì)氣化爐的強(qiáng)化傳熱。學(xué)習(xí)傳熱學(xué)能使學(xué)生初步了解傳熱學(xué)在常規(guī)能源與新能源典型工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，正確理解熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種熱量傳遞方式，采用能量守恒法分析傳熱問題，為以后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

結(jié)合新能源專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，目前傳熱學(xué)教學(xué)痛點(diǎn)如下：第一，照搬或微調(diào)能動、建環(huán)等能源類專業(yè)的傳熱學(xué)教學(xué)大綱，甚至與不同專業(yè)的學(xué)生合班上課，教師講授內(nèi)容毫無變化，沒有起到新能源專業(yè)基礎(chǔ)課該有的作用;第二，由于新能源專業(yè)開設(shè)時間短，大多數(shù)傳熱學(xué)授課教師由其他專業(yè)教師代替，上課時較少融入新能源專業(yè)知識，沒有搭建專業(yè)課學(xué)習(xí)的橋梁;第三，借鑒其他專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時和學(xué)分，缺乏經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，創(chuàng)新性不足，教學(xué)進(jìn)程不合理。

三、新工科背景下新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)的要求

“四新”建設(shè)是建設(shè)高等教育“質(zhì)量中國”的戰(zhàn)略一招、關(guān)鍵一招、創(chuàng)新一招，是高等教育人才培養(yǎng)的“中國方案”，是高等教育高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略布局。新工科以“新的工科專業(yè)、工科的新要求”為內(nèi)涵，注重深度交叉融合再出新，培養(yǎng)工科類專業(yè)緊缺人才。系統(tǒng)地開展以新能源專業(yè)為代表的新工科研究和實(shí)踐，對于未來新能源產(chǎn)業(yè)和智慧能源經(jīng)濟(jì)需要的新工科人才培養(yǎng)具有重要意義。[2]

傳熱學(xué)課程需要新能源專業(yè)學(xué)生獲得熱量傳遞規(guī)律的基礎(chǔ)知識，具備分析新能源工程中傳熱問題的基本能力，掌握計算新能源工程中傳熱問題的基本方法，具備解決熱能產(chǎn)生、傳遞、轉(zhuǎn)換、儲存與利用中傳熱問題的能力，能夠建立物理模型，提煉數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值計算。

傳熱學(xué)課程應(yīng)以“四有”典型案例為載體。有人：教師自身為人師表和專業(yè)過硬;有料：工程實(shí)例復(fù)雜多樣與時代接軌;有情：師生配合默契及分析過程有趣;有果：研究結(jié)果有用且解決問題有效。

傳熱學(xué)課程應(yīng)以“四求”教學(xué)理念為目標(biāo)。求真：引導(dǎo)學(xué)生追求真理和客觀公正;求新：激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和善于探究;求深：鼓勵學(xué)生深層思考和舉一反三;求用：培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用和實(shí)踐能力。

傳熱學(xué)課程應(yīng)以“三教育”為思政元素?？茖W(xué)精神教育：追求真理、批判質(zhì)疑、探究創(chuàng)新;工程倫理教育：行為規(guī)范、公正客觀、責(zé)任擔(dān)當(dāng);實(shí)踐能力教育：動手能力、團(tuán)隊協(xié)作、人際交往。

四、新能源專業(yè)傳熱學(xué)線上線下混合教學(xué)模式

以應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)計劃為主體，以用人單位對應(yīng)用型人才的需求為核心，以傳熱學(xué)在新能源領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用為目標(biāo)，建立全周期學(xué)習(xí)支持、討論互動與信息反饋的“三階+三化+一中心”線上線下混合教學(xué)模式。

（一）三階

學(xué)習(xí)追求由淺入深，由易到難。將不同維度的三個階段融入新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)。興趣喚醒，激發(fā)求知欲，構(gòu)建知識體系，提升能力，養(yǎng)成學(xué)習(xí)思維，實(shí)現(xiàn)階梯式進(jìn)步。

初階，重在興趣喚醒與知識體系構(gòu)建。課前，通過線上資源展示一些生活中的傳熱現(xiàn)象以及工程實(shí)際中的例子引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)，帶動學(xué)生自主探索其中隱藏的傳熱學(xué)知識;課中，利用數(shù)字化資源展示傳熱學(xué)相關(guān)資料及視頻，讓傳熱學(xué)學(xué)習(xí)生動化、形象化;課后，線上布置一些延伸性、發(fā)散性的思考題，深化傳熱學(xué)習(xí)，完善思維體系。

中階，強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)與同伴互助交流。課中，通過線下分組討論、互問互答、多媒體實(shí)例研討等形式豐富傳熱學(xué)習(xí)過程，讓每一個學(xué)生參與進(jìn)來。采用同伴學(xué)習(xí)與互評、課堂互動任務(wù)點(diǎn)達(dá)成、思維導(dǎo)圖繪制等形式進(jìn)行評價。實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”，以“學(xué)生分享為主，教師總結(jié)為輔”的教學(xué)模式，培養(yǎng)應(yīng)用型“一材多用”的綜合性人才。

高階，實(shí)現(xiàn)技能實(shí)操與團(tuán)隊協(xié)作，進(jìn)行思維延展。學(xué)生通過線下傳熱學(xué)課程設(shè)計和團(tuán)隊協(xié)作展示的形式完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐協(xié)作，再通過線上的方式提交文獻(xiàn)檢索與綜述、任務(wù)核查與反思。[3]教師將傳熱學(xué)與新能源利用建立起紐帶，為學(xué)生專業(yè)課的深度學(xué)習(xí)打好根基，如圖1所示。

（二）三化

1. 互動參與化

課前：問題導(dǎo)向，教師針對傳熱知識點(diǎn)設(shè)置線上問題，要求學(xué)生帶著問題進(jìn)行學(xué)習(xí)，找出答案回到線下課堂討論，鼓勵學(xué)生提問，并完成線上前測。

課中：實(shí)例分析，喚醒興趣，構(gòu)建知識體系;線下生講生評，創(chuàng)造互辯學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)深度學(xué)習(xí);團(tuán)隊展示，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作、實(shí)踐能力。

課后：發(fā)布線上后測、章節(jié)測試、作業(yè)與討論，通過互評完成同伴學(xué)習(xí);課后作業(yè)注重鞏固反思，并回溯學(xué)習(xí)過程;提升學(xué)生的推理能力、互助學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力。

2.課程思政化

挖掘傳熱學(xué)與新能源聯(lián)系中的思政元素。例如：將熱能融合于新能源利用，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展思想和節(jié)能意識;利用傳熱學(xué)理論知識解釋生產(chǎn)生活中的傳熱現(xiàn)象;正確對待和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證學(xué)術(shù)誠信;對余熱廢熱的處理，要考慮環(huán)境、生態(tài)、安全等因素。

3.評價多元化

目前各高校傳熱學(xué)課程的考核方式多為期末考試占總成績的70%-80%，實(shí)驗(yàn)、出勤、作業(yè)等占總成績的20%-30%，這不利于全能型人才的培養(yǎng)。應(yīng)用型人才有別于研究型人才，注重的是會應(yīng)用，淡化理論性的推演過程，針對這樣的人才需求，應(yīng)打破傳統(tǒng)的成績考核方式，全方位多角度評價，[4]建立如圖2的多元化評價機(jī)制。

（三）一中心

教育的主體是學(xué)生，新工科背景下新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)模式應(yīng)以學(xué)生為中心。

五、結(jié)束語

通過分析新能源專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，深挖教學(xué)改革痛點(diǎn)。結(jié)合“四新”建設(shè)對高等教育的要求，對新能源專業(yè)傳熱學(xué)課程教學(xué)模式進(jìn)行探索，形成了“三階+三化+一中心”線上線下混合教學(xué)模式，符合當(dāng)前疫情常態(tài)化的大背景。無論是理論教學(xué)還是實(shí)踐教學(xué)，如何將新能源利用與傳熱學(xué)課程有機(jī)融合，是新時代高校師生需要深入探索和研究的重點(diǎn)。

作者單位：謝新奇? ? 趙鑫博? ? 商佳棋? ? 李雙? ? 陳穎? ? 步紅麗? ? 吉林建筑科技學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].第五版，北京：高等教育出版社，2019.

[2]趙宇，肖進(jìn)，陳磊，杜文漢，袁洪春，熊超.基于新工科背景下的新能源科學(xué)與工程專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)探討[J].天工，2018（09）：29.

[3]商佳棋，李鵬飛，謝新奇，李雙.新工科背景下新能源專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究[J].四川建材，2022（02）：247-248.

[4]李雙，王晨，劉婉婷，曹倩，張語.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下的線上線下教學(xué)模式的構(gòu)建與探索[J].中國新通信，2021，23（12）：164-165.