一流課程《工程熱力學(xué)》的教學(xué)創(chuàng)新研究與實(shí)踐

張冬潔 饒國燃 宋 侃

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 珠海 519088）

0 前言

一流課程的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)“雙一流”學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)元素。人類文明發(fā)展至今，化石能源短缺以及燃燒化石能源帶來的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，已經(jīng)成為全球難題。大力開發(fā)清潔的新能源和對現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)的節(jié)能改造已經(jīng)成為基本國策，在國民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用中，均需要具備熱工的基本素養(yǎng)。《工程熱力學(xué)》是一門研究能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科，研究各種能源利用的理論基礎(chǔ)，它不僅是能源相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，也被列為眾多工科專業(yè)的必修課[1]，如機(jī)械工程、材料工程、化學(xué)工程、生物工程等。因此，針對《工程熱力學(xué)》教學(xué)中的現(xiàn)存問題進(jìn)行課程改革，打造一流課程，更好地服務(wù)廣大本科生，意義重大。

1 教學(xué)目標(biāo)及課程關(guān)鍵問題

一流課程，就是金課，是指教育部實(shí)施一流課程“雙萬計(jì)劃”建設(shè)的10000 門左右國家級(jí)一流課程和10000 門左右省級(jí)一流課程[2]。一流課程的主旨是掀起教育界的“質(zhì)量革命”，實(shí)現(xiàn)中國教育的內(nèi)涵式發(fā)展。秉承本校培養(yǎng)“復(fù)合應(yīng)用型人才”的定位以及“地方大學(xué)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)服務(wù)”的要求，課程教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）理解和掌握熱力學(xué)的基本概念和基本定律，在學(xué)習(xí)過程中具備較強(qiáng)的自學(xué)能力。

（2）利用基本理論對熱力學(xué)過程進(jìn)行分析，解決熱力學(xué)相關(guān)工程問題，培養(yǎng)邏輯性思維，培養(yǎng)運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)及工程知識(shí)解決復(fù)雜問題的綜合能力。

（3）掌握熱力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，能理論聯(lián)系實(shí)際，科學(xué)地分析與解釋數(shù)據(jù)。

（4）了解國內(nèi)外能源現(xiàn)狀和前沿信息，具備能源憂患意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，學(xué)會(huì)高效用能。

（5）掌握團(tuán)隊(duì)合作方法，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和高效處理問題的能力。

結(jié)合本課程的講授情況，梳理出的現(xiàn)存問題大致如下：

（1）以教師講授為主體，未能及時(shí)建立反饋環(huán)節(jié)，“教”與“學(xué)”不能有機(jī)聯(lián)系，由于學(xué)習(xí)科目多，本課程內(nèi)容也較多，課時(shí)有限，學(xué)生容易發(fā)生畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果。

（2）作為基礎(chǔ)學(xué)科，理論內(nèi)容抽象，邏輯性強(qiáng)，學(xué)習(xí)理解難度大，傳統(tǒng)的輸入式導(dǎo)向講授，學(xué)生不容易形成知識(shí)的系統(tǒng)化，缺乏邏輯性思維，遇到實(shí)際問題無從下手，做不到學(xué)以致用。

（3）教學(xué)活動(dòng)以課堂講授為主，沒有考慮到學(xué)生的差異性，好學(xué)生的學(xué)習(xí)需求未得到充分滿足。

（4）專業(yè)理論知識(shí)與工程實(shí)踐聯(lián)系不夠密切，學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確，學(xué)習(xí)興趣和熱情未充分激發(fā)。

（5）考核以試卷測驗(yàn)為主，過程性評測不夠充分，未能及時(shí)鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生，發(fā)揮他們的帶動(dòng)作用。

基于以上學(xué)情分析，本課程引入以“學(xué)生為主體，問題為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)模式和“輸出導(dǎo)向（OBE）”的教學(xué)理念，在教學(xué)過程中注重教學(xué)方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一流課程建設(shè)。

2 教學(xué)改革內(nèi)容與實(shí)踐

從我國“教”字的寫法到西方“Education”一詞的起源，都反映了教育的本質(zhì)，要實(shí)現(xiàn)“教”和“學(xué)”兩種行為的有機(jī)聯(lián)系與結(jié)合，教師引導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)。培養(yǎng)品格，訓(xùn)練思維，增長知識(shí)與技能，成長為有思想、有智慧、符合社會(huì)需要的人才。

課程本身是師生的紐帶，是實(shí)現(xiàn)教育目的、培養(yǎng)人才的基本保障[3]。做好課程改革，即是回歸教育本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的主體意識(shí)，以成果為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)教學(xué)過程，取得好的教學(xué)效果。

2.1 教學(xué)大綱的修訂

能源是人類文明發(fā)展的支柱，《工程熱力學(xué)》作為一門能源基礎(chǔ)課程，是人類實(shí)現(xiàn)能源開發(fā)和節(jié)能減排的重要工具。全課程講解與能源的開發(fā)和利用緊密結(jié)合，引入課程思政元素，結(jié)合國內(nèi)外能源現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生保護(hù)環(huán)境、高效用能的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感；介紹我國在新能源開發(fā)方面所取得的巨大成就，引導(dǎo)大學(xué)生樹立“中國自信”和學(xué)好本門課程的信心。

本次修訂的目的是強(qiáng)化教書育人的“育人”環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)育人與育才相統(tǒng)一[4]。在掌握知識(shí)體系的同時(shí)，也形成向上的價(jià)值觀和品格，具備科學(xué)思維和職業(yè)精神，為將來步入社會(huì)成為一名合格的工程師或科學(xué)工作者打下基礎(chǔ)。

本課程總課時(shí)為48 學(xué)時(shí)，包含6 個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。教材選用國家級(jí)規(guī)劃教材[5]，結(jié)合人才培養(yǎng)需求，教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)精簡和優(yōu)化，刪減熱力學(xué)一般關(guān)系式、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)、熱力學(xué)第三定律等復(fù)雜的熱力學(xué)問題部分；重點(diǎn)講授熱力學(xué)第一定律、第二定律、氣體與蒸汽性質(zhì)和基本熱力過程等基本理論，強(qiáng)化訓(xùn)練，讓學(xué)生構(gòu)建好熱力學(xué)知識(shí)體系；與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合緊密的章節(jié)，如噴管、壓氣機(jī)、動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)等，以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)，側(cè)重培養(yǎng)他們利用基礎(chǔ)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用仿真與實(shí)操相結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.2 教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)的創(chuàng)新

針對學(xué)情反映出的問題，實(shí)施本課程的教學(xué)改革。具體創(chuàng)新方法歸納為：“問題”開篇促思考；課堂分享增信心；教研相輔提興趣；“輸出”檢驗(yàn)見成效；過程考核帶后進(jìn)；評測反饋重改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)學(xué)生為主體，問題和成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)模式。

（1）“問題”開篇促思考

“問題導(dǎo)向”模式的核心思想是調(diào)動(dòng)學(xué)生的大腦，在教學(xué)過程中引發(fā)學(xué)生的思考，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用基本的知識(shí)，多角度思維，邏輯推理出問題的答案。在本課程課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，將相關(guān)的課程概念和原理融匯在問題之中，圍繞問題展開分析討論，獲得解決問題的方法和技巧，并及時(shí)提出思考題進(jìn)行鞏固訓(xùn)練，注重教學(xué)效果考查?！皢栴}導(dǎo)向”教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的密切結(jié)合，重視學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新進(jìn)取精神的培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

比如，在第一章基本概念及定義里，結(jié)合全球化石能源危機(jī)難題，指明提高設(shè)備熱功轉(zhuǎn)化效率是解決難題的途徑之一，如何讓更多的熱變?yōu)楣Γ啃枰莆諢嶙児^程中熱量和功量的計(jì)算，一個(gè)問題將一節(jié)課要達(dá)到的最終效果明確體現(xiàn)出來，學(xué)習(xí)目的明確，能充分激發(fā)學(xué)生的求知欲。

（2）課堂分享增信心

作為一門學(xué)科的基礎(chǔ)課，經(jīng)過長期摸索得到的理論，必然存在一些難于深入理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)。比如，第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程，要想獲得熱變功的基本定律和定量計(jì)算，要用到反映氣體或蒸汽性質(zhì)的狀態(tài)方程或圖表，可逆過程的功量和熱量基本計(jì)算公式，還要掌握住焓、熵、熱力學(xué)能、技術(shù)功這些基本參數(shù)的計(jì)算方法，并善用能量守恒這一基本定律，大部分同學(xué)一見到復(fù)雜的公式就會(huì)有畏難情緒，感覺內(nèi)容晦澀，無法深入學(xué)習(xí)。但也有一部分優(yōu)秀的學(xué)生，有學(xué)習(xí)興趣，能踏實(shí)分析。教學(xué)中，通過講解一個(gè)典型熱力過程的分析過程，梳理出一般步驟，然后布置課下自學(xué)作業(yè)，讓學(xué)生研讀教材，整理分析思路，再采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，在課堂分享自己對于知識(shí)點(diǎn)的理解，教師點(diǎn)評、指證，深入引導(dǎo)。

通過實(shí)踐，這種方式充分開發(fā)了優(yōu)秀學(xué)生的潛能，訓(xùn)練他們的表達(dá)能力和邏輯思維能力，并帶動(dòng)全體同學(xué)共同學(xué)習(xí)重要知識(shí)點(diǎn)，印象深刻。課堂分享不僅增強(qiáng)分享者的自信，也在學(xué)生中樹立標(biāo)桿，激發(fā)其他同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)好本門課程的自信。

（3）教研相輔提興趣

秉承本校培養(yǎng)“復(fù)合應(yīng)用型人才”的定位，對學(xué)校師資提出“雙師型”要求，即教師既要具備理論教學(xué)的素質(zhì)，也應(yīng)具備實(shí)踐教學(xué)的素質(zhì)，鼓勵(lì)教師做好科研。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師多數(shù)具備工程經(jīng)歷和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，建立了專業(yè)相關(guān)的工程案例庫，并申請有多個(gè)科研項(xiàng)目，這為課程教學(xué)提供了良好的素材。在授課過程中將這些素材與知識(shí)點(diǎn)講解有機(jī)融合，每一章均有與之對應(yīng)的素質(zhì)拓展題目設(shè)定，拓寬了學(xué)生視野，提高了學(xué)習(xí)的興趣，通過相關(guān)訓(xùn)練，讓學(xué)生體會(huì)到基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用。授課過程中，部分學(xué)生就題目展開了深入思索，提出了自己的見解，體現(xiàn)出創(chuàng)新能力。

（4）“輸出”檢驗(yàn)見成效

以知識(shí)點(diǎn)“熱力循環(huán)”講解為例，熱泵（冷暖型）空調(diào)這個(gè)日常家用設(shè)備，是采用了熱力循環(huán)的逆循環(huán)方式。授課之初設(shè)置了“計(jì)算題：在冬季，房間為維持恒定的室內(nèi)溫度需要10kW 熱量，分別采用冷暖空調(diào)和電暖器方式，各需要消耗多少電量？”，要求學(xué)生根據(jù)本課堂所學(xué)能計(jì)算。課程首先講解了正循環(huán)的熱力學(xué)問題抽象，熱效率分析，然后以此為參照，學(xué)生自學(xué)逆循環(huán)知識(shí)點(diǎn)，采用分組討論和上臺(tái)分享的形式，共同進(jìn)行熱力學(xué)問題抽象，獲得逆循環(huán)的制熱系數(shù)和制冷系數(shù)公式。最后利用獲得的基本公式計(jì)算出了兩種采暖方式的耗電量，明確得出空調(diào)供暖可以比電加熱節(jié)約70%的電費(fèi)。

整個(gè)課程設(shè)置了多個(gè)類似計(jì)算題，通過訓(xùn)練增強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)認(rèn)同感和自信心。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參與到相關(guān)的研究課題，真正做到教研相輔，學(xué)生可以學(xué)到如何撰寫專利和科技論文，為科學(xué)研究做好儲(chǔ)備。

（5）過程考核帶后進(jìn)，評測反饋重改進(jìn)

課程考核是人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。對于重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，多采用平時(shí)和期末考試兩個(gè)考核環(huán)節(jié)，期末考試占比一般在60%以上，且以筆試閉卷為主。學(xué)生為了取得好成績，更重視考前的突擊復(fù)習(xí)，只為了考試臨時(shí)強(qiáng)化記憶概念，無法深入理解和應(yīng)用，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

本課程采用“問題”導(dǎo)向和“輸出”導(dǎo)向的教學(xué)方式，便于增加課程的過程性考核，在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀學(xué)生，并采用適當(dāng)加分形式激勵(lì)他們在小組討論和課題分析中發(fā)揮積極作用，帶動(dòng)后進(jìn)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)共同進(jìn)步。此外，每一節(jié)內(nèi)容均設(shè)置課堂思考題，結(jié)合學(xué)習(xí)通和問卷星等線上軟件，進(jìn)行課堂測驗(yàn)，收集和整理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，重點(diǎn)答疑解惑，梳理授課過程的問題，及時(shí)改進(jìn)。

2.3 教改成效

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過了多年的課程教學(xué)，在近3年申報(bào)《工程熱力學(xué)》相關(guān)教改課題3 項(xiàng)，建立了課程習(xí)題庫和相關(guān)工程案例庫，并對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，申請相關(guān)專利。校級(jí)、院級(jí)督導(dǎo)組評教、學(xué)生反饋良好，學(xué)生評教主講老師均為優(yōu)秀。通過課程小組討論和翻轉(zhuǎn)課題等教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，學(xué)生的答疑人次較上一屆有近30%的提升，課程優(yōu)良率由40.7%提升到55%，不及格率由6.4%降低到2.9%。引導(dǎo)和啟發(fā)式教學(xué)挖掘出部分優(yōu)秀學(xué)生參與到科研項(xiàng)目研究，鍛煉了他們的創(chuàng)新能力，有5 人分別進(jìn)行了2 項(xiàng)專利的撰寫并得到受理。

3 總結(jié)

《工程熱力學(xué)》是能源專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課，基于現(xiàn)有學(xué)情，本文進(jìn)行了教學(xué)改革和創(chuàng)新。修訂了教學(xué)大綱，全課程講解與能源的開發(fā)和利用緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感和職業(yè)精神；授課過程實(shí)施“以學(xué)生為主體，問題和成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)模式。通過教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，本成果可為工科基礎(chǔ)課程的“一流課程”建設(shè)提供參考。