聚焦基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的專業(yè)課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以制冷原理與技術(shù)課程為例

孔祥強(qiáng)，李 瑛，衣秋杰

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

大學(xué)教育能夠幫助學(xué)生構(gòu)建特定的專業(yè)認(rèn)知模型，形成各個(gè)專業(yè)自身的思維方式、專業(yè)語言和行為方式，而建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和知識(shí)整合教學(xué)理論對此具有很好的指導(dǎo)作用。在此過程中，課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)作為知識(shí)傳遞的基本單元，是構(gòu)成完整知識(shí)體系和架構(gòu)的根本著力點(diǎn)，對知識(shí)點(diǎn)的凝練、理解和應(yīng)用的深度與廣度直接影響著“教”和“學(xué)”的效果。

王瑜等在傳熱學(xué)課程教學(xué)中引入了“五問反思報(bào)告”體系，促使學(xué)生主動(dòng)思考如何運(yùn)用課程知識(shí)點(diǎn)，有力培育了學(xué)生科技創(chuàng)新能力。陳世強(qiáng)等在地下通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)課程中通過溝通、點(diǎn)亮和突出共通的知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)迭代和專業(yè)課程認(rèn)知建構(gòu)。朱林華等基于對高分子材料學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)分析，建立了適用于情景教學(xué)模式知識(shí)點(diǎn)的典型素材庫，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)場景化。周越等認(rèn)為知識(shí)點(diǎn)是課程內(nèi)容體系和教學(xué)目標(biāo)直接對應(yīng)的一個(gè)命題，提出了一種從教學(xué)材料中提取知識(shí)點(diǎn)的操作程序，包括分類、約束、萃取、選擇和延伸等5 個(gè)環(huán)節(jié)。楊東明等依托百科語料和遠(yuǎn)程監(jiān)督思想，研究了知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系提取算法，用來構(gòu)建層次分明、關(guān)系明確的課程知識(shí)體系，能夠有效提升在線教育平臺(tái)的教學(xué)效果。龔龑等從思辨教學(xué)、知識(shí)點(diǎn)過程化、知其所以然等方面，對知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神的關(guān)聯(lián)培養(yǎng)在工科課堂中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。王麗清提出了一種面向特定目標(biāo)的知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性量化分析和教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)點(diǎn)和目標(biāo)的精準(zhǔn)對應(yīng)和完整覆蓋，使內(nèi)容快速適應(yīng)目標(biāo)的變化。戚桂美等以章節(jié)知識(shí)點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，以核心目標(biāo)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為中心，提出了專業(yè)課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，保證了課程之間的有效銜接和整體性。

以上研究均以課程知識(shí)點(diǎn)為切入點(diǎn)，從不同的角度和層面對課程教學(xué)改革提出了一些具體思路并進(jìn)行了實(shí)踐，有力提升了教學(xué)質(zhì)量。鑒于此，本文以制冷原理與技術(shù)課程為例，深入探討以課程知識(shí)點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)和著力點(diǎn)的課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)的途徑與方法，充分體現(xiàn)概念清晰化、碎片網(wǎng)絡(luò)化、知識(shí)前沿化、課程思政化、資源多元化的特點(diǎn)。

一、制冷原理與技術(shù)課程性質(zhì)和目標(biāo)

制冷原理與技術(shù)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的必修課程，也是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程。該課程與工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、工程流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)緊密相關(guān)，同時(shí)又與工程實(shí)踐密切聯(lián)系。該課程有48 學(xué)時(shí)，其中理論授課44 學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)4 學(xué)時(shí)。課程教學(xué)內(nèi)容主要包括制冷熱力學(xué)基礎(chǔ)、制冷方法、制冷劑、蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析計(jì)算、制冷設(shè)備等。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)理解掌握制冷基礎(chǔ)知識(shí)和主要理論，了解當(dāng)前制冷行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r與發(fā)展方向，具備先進(jìn)的節(jié)能減排理念、創(chuàng)新精神和國際視野，為后續(xù)課程和從事制冷領(lǐng)域工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。尤其是學(xué)生能夠利用所學(xué)理論知識(shí)和技術(shù)手段識(shí)別、表達(dá)和分析制冷領(lǐng)域中的復(fù)雜工程技術(shù)問題，獲得有效結(jié)論，并理解其局限性。同時(shí)，在對制冷循環(huán)、設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，具有采用新理論、新技術(shù)、新材料的創(chuàng)新意識(shí)。

該課程的前修基礎(chǔ)課程、技術(shù)支撐課程和后續(xù)應(yīng)用課程見表1。前修基礎(chǔ)課程在傳熱性能、熱力循環(huán)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性評價(jià)、流動(dòng)特性等方面為制冷原理與技術(shù)課程內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)。比如，制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)、冷凝是傳熱學(xué)中典型的沸騰換熱過程，蒸氣噴射式制冷的核心部件噴嘴是流體力學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，工程熱力學(xué)中的熱力學(xué)第一定律和第二定律是制冷系統(tǒng)熱性能評價(jià)的根本依據(jù)。技術(shù)支撐課程主要體現(xiàn)在控制、測試、設(shè)備、性能提升技術(shù)等方面。后續(xù)應(yīng)用課程及實(shí)踐環(huán)節(jié)主要面向制冷、熱泵、復(fù)合能量系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 制冷原理與技術(shù)的前后銜接課程

二、制冷原理與技術(shù)課程教學(xué)存在問題分析

作為專業(yè)核心課程之一的制冷原理與技術(shù)課程，具有理論邏輯性強(qiáng)、實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)、知識(shí)綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了更好地完成課程目標(biāo)，切實(shí)支撐相應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，需要著力解決以下一些問題。

1.學(xué)生對于基本概念的內(nèi)涵和外延表述不清楚、理解不全面準(zhǔn)確、應(yīng)用能力不足。概念是思維的基本單位，也是學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)。概念不清晰會(huì)導(dǎo)致整個(gè)知識(shí)體系的基礎(chǔ)不牢固，往往成為許多問題的根源。

2.課程知識(shí)點(diǎn)零散呈現(xiàn)碎片化，知識(shí)結(jié)構(gòu)不能形成系統(tǒng)化和整體化。知識(shí)點(diǎn)的凝練和相互銜接關(guān)系是完成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)，知識(shí)點(diǎn)的不連貫和不系統(tǒng)會(huì)直接影響學(xué)生的應(yīng)用知識(shí)能力和拓展創(chuàng)新能力。

3.教材內(nèi)容更新速度難以契合制冷技術(shù)的新發(fā)展，新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新應(yīng)用的融入度較小。書本知識(shí)與當(dāng)前學(xué)科發(fā)展最新水平、工程實(shí)際之間的偏差較大，間接導(dǎo)致學(xué)生課堂學(xué)習(xí)積極性降低。

4.課程思政教學(xué)資源不足，思政教育內(nèi)容與課程專業(yè)知識(shí)深度融合不夠。將思政教育有機(jī)融入專業(yè)教育教學(xué)全過程，是高校實(shí)現(xiàn)立德樹人的重要途徑。要高效發(fā)揮課堂主陣地作用，有賴于課程思政元素的深度挖掘并與時(shí)俱進(jìn)。

三、聚焦基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)

(一)制冷原理與技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)

根據(jù)課程教學(xué)大綱要求，基于學(xué)生現(xiàn)狀、發(fā)展需求以及專業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力培養(yǎng)，全面分析凝練出30 個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如圖1 所示?？梢钥闯觯n程講授內(nèi)容總體分為5 大模塊：緒論、制冷方法、蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、制冷設(shè)備。其中，緒論內(nèi)容包括制冷的定義、研究內(nèi)容、應(yīng)用和發(fā)展歷史等，制冷方法內(nèi)容包括現(xiàn)有各種制冷方法的基本原理、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用領(lǐng)域等，蒸氣壓縮式制冷內(nèi)容包括理想/理論/實(shí)際壓縮式制冷循環(huán)、兩級(jí)壓縮式制冷循環(huán)、復(fù)疊式制冷循環(huán)、CO跨臨界制冷循環(huán)、制冷劑等，吸收式制冷內(nèi)容包括溶液熱力學(xué)基礎(chǔ)、單效/雙效/兩級(jí)溴化鋰吸收式制冷、氨吸收式制冷等，制冷設(shè)備內(nèi)容包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)等。

圖1 制冷原理與技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)匯總

各模塊的授課學(xué)時(shí)和所含知識(shí)點(diǎn)數(shù)量見表2。從分配比例來看，蒸氣壓縮式制冷和吸收式制冷兩個(gè)模塊的授課共計(jì)33 學(xué)時(shí)，占總授課學(xué)時(shí)的75%，其間要講授19 個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這兩個(gè)模塊的內(nèi)容是制冷原理與技術(shù)課程的核心知識(shí)內(nèi)容。

表2 制冷原理與技術(shù)課程授課學(xué)時(shí)和知識(shí)點(diǎn)分配

課程模塊的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)在內(nèi)容上具有相對的整體性和獨(dú)立性，知識(shí)點(diǎn)之間又有著橫縱向的緊密銜接。在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容都有相應(yīng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。圖2 為蒸氣壓縮式制冷模塊的部分知識(shí)點(diǎn)的具體內(nèi)容，其中符號(hào)“☆”代表講授內(nèi)容重點(diǎn)，符號(hào)“◎”代表講授內(nèi)容難點(diǎn)。

圖2 蒸氣壓縮式制冷模塊的部分知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容

如圖2 所示，第12 個(gè)知識(shí)點(diǎn)“理想循環(huán)”是講授內(nèi)容重點(diǎn)，其中如何通過理想循環(huán)特性來指導(dǎo)并引出當(dāng)前的節(jié)能技術(shù)是講授難點(diǎn)。又如，理論循環(huán)是第13 個(gè)知識(shí)點(diǎn)“理論循環(huán)/實(shí)際循環(huán)”的講授內(nèi)容重點(diǎn)，其中的難點(diǎn)為壓焓圖(p-h 圖)和循環(huán)特性熱力計(jì)算。p-h 圖在蒸氣壓縮式制冷模塊中具有非常重要的作用，是進(jìn)行循環(huán)性能分析、熱力計(jì)算的基礎(chǔ)。

(二)課程知識(shí)體系的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在制冷原理與技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容的編排設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，全過程、全方位聚焦課程知識(shí)點(diǎn)。從不同層面和角度深刻闡述基本概念和專業(yè)術(shù)語的來源、內(nèi)涵、外延和工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)概念清晰化和知識(shí)理解應(yīng)用精準(zhǔn)性；同時(shí)，充分挖掘知識(shí)點(diǎn)之間的橫縱向聯(lián)系，形成具有目標(biāo)引領(lǐng)、功能明確的知識(shí)點(diǎn)群，實(shí)現(xiàn)知識(shí)碎片網(wǎng)絡(luò)化和知識(shí)體系培養(yǎng)連貫性；而且，注重將工程現(xiàn)實(shí)性和方向前瞻性的理論知識(shí)與技術(shù)應(yīng)用融入到教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)技術(shù)前沿化和知識(shí)綜合應(yīng)用實(shí)踐性。

以知識(shí)點(diǎn)“制冷定義”為例。制冷的通常定義：用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將物體冷卻，使其溫度降低至環(huán)境溫度以下，并保持這個(gè)溫度。此定義描述字?jǐn)?shù)雖然不多，但其內(nèi)涵很豐富，在課堂上可以從5個(gè)方面予以清晰闡釋。一是制冷研究的對象是熱量，根據(jù)溫度高低又可區(qū)分為熱和冷兩種表現(xiàn)形式，由此關(guān)聯(lián)到前修課程的熱量、傳熱方式、傳熱過程等概念；二是制冷與自然冷卻的不同，涉及到熱量傳遞方向、自發(fā)過程和非自發(fā)過程、能量補(bǔ)償?shù)戎R(shí)，并可簡要引出實(shí)際應(yīng)用的電驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)和熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)；三是制冷溫度分類，適當(dāng)引出制冷方法模塊；四是采用循環(huán)的方式能夠保持這個(gè)溫度，引出制冷領(lǐng)域的熱力循環(huán)；五是一定時(shí)間和一定空間的表述引出制冷能力，與課程后面的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)銜接。

又如，在講解制冷系數(shù)COP 的概念時(shí)，將其理論意義和當(dāng)前的節(jié)能技術(shù)緊密聯(lián)系，包括：國家提倡的公共建筑夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不低于26℃，將地下水、海水、土壤作為高溫?zé)釁R、熱濕解耦技術(shù)等。在講解多級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)和復(fù)疊式制冷循環(huán)時(shí)，深入分析兩種循環(huán)之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成知識(shí)點(diǎn)之間的銜接。在講解兩級(jí)吸收式制冷循環(huán)時(shí)，相對于單級(jí)吸收式循環(huán)，增加了1 個(gè)中間壓力，從循環(huán)構(gòu)造角度來看，這與兩級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)是相似的，這種知識(shí)點(diǎn)之間的類比能夠強(qiáng)化知識(shí)理解和應(yīng)用創(chuàng)新。同時(shí)，結(jié)合知識(shí)點(diǎn)專題講解制冷技術(shù)在能效提升、環(huán)保制冷和應(yīng)用拓展方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹當(dāng)前的制冷技術(shù)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)問題，如空氣取水、數(shù)據(jù)中心冷卻、電動(dòng)車熱管理、太陽能制冷等。

圖3 顯示出課程全部30 個(gè)知識(shí)點(diǎn)的大體順序關(guān)聯(lián)?？梢钥闯?，各知識(shí)點(diǎn)之間均有直接或間接的相互關(guān)聯(lián)，形成了一個(gè)有機(jī)的整體架構(gòu)，也即課程知識(shí)體系。比如，緒論模塊的2 個(gè)知識(shí)點(diǎn)貫穿所有模塊中，制冷設(shè)備模塊與蒸氣壓縮式制冷模塊、吸收式制冷模塊之間相互依托交融；知識(shí)點(diǎn)3(熱力循環(huán))緊密對接知識(shí)點(diǎn)12(理想循環(huán))、知識(shí)點(diǎn)13(理論循環(huán)/實(shí)際循環(huán))和知識(shí)點(diǎn)24(吸收式制冷概述)；知識(shí)點(diǎn)18 的制冷劑熱物性是知識(shí)點(diǎn)16 和20 的熱力計(jì)算基礎(chǔ)和依據(jù)，也是知識(shí)點(diǎn)21 與22 的制冷循環(huán)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)。

圖3 課程知識(shí)點(diǎn)之間的順序關(guān)聯(lián)

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)課程思政育人理念，發(fā)揮課堂主渠道在“三全育人”體系中的協(xié)同效應(yīng)?；谡n程知識(shí)點(diǎn)整合教學(xué)資源，深入挖掘思政元素，在課程教學(xué)過程中全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。比如，介紹我國能源動(dòng)力類專業(yè)發(fā)展歷史、動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科和制冷領(lǐng)域的著名專家學(xué)者及主要貢獻(xiàn)等；介紹北京2022 年冬奧會(huì)采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，成為首次大規(guī)模使用二氧化碳制冷劑的奧運(yùn)會(huì)，這些能夠很好地激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷和民族自豪感，并使學(xué)生深刻理解創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力內(nèi)涵?；趪抑卮髴?zhàn)略需求和社會(huì)熱點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知和興趣點(diǎn)設(shè)定思政案例元素，如當(dāng)前碳達(dá)峰碳中和背景下，制冷與新能源、儲(chǔ)能、新材料之間的交叉融合理論研究和工程應(yīng)用案例。

教學(xué)資源多元化是實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的有效途徑和基本保證。充分學(xué)習(xí)、研究和利用各類教學(xué)資源，包括國內(nèi)外教材和參考書、學(xué)術(shù)研究論文、在線教育平臺(tái)、專業(yè)網(wǎng)站、工程設(shè)計(jì)手冊、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等，將教學(xué)資源和課程知識(shí)體系有機(jī)銜接在一起。

四、結(jié)束語

聚焦課程知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)體系設(shè)計(jì)，能夠使得課程知識(shí)點(diǎn)所承載的內(nèi)容和功能更加豐富多元。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在掌握基本理論知識(shí)的同時(shí)，專業(yè)素養(yǎng)、科技素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、知識(shí)應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維、職業(yè)素養(yǎng)等都得到了有效培養(yǎng)和提升?；诖?，制冷原理與技術(shù)課程被評為山東科技大學(xué)本科“精彩課堂”。本文提出的專業(yè)課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)方法具有良好的實(shí)踐可操作性，適用于工科類專業(yè)課程教學(xué)，能夠更好地助力大學(xué)生素質(zhì)教育發(fā)展。