基于新工科的“內(nèi)燃機(jī)原理”課程改革與實(shí)踐

劉海峰， 堯命發(fā)， 許之興， 鄭尊清

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072）

新工科建設(shè)是在“卓越計(jì)劃”基礎(chǔ)上提出的一項(xiàng)以“主動(dòng)布局、設(shè)置和建設(shè)服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求、面向未來發(fā)展的工程學(xué)科與專業(yè)，培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才”為主要目標(biāo)的教育改革行 動(dòng)[1-2]。新工科作為工程教育改革的最前沿和新方向，具有典型的“頭雁效應(yīng)”，引領(lǐng)和支撐“四新”建設(shè)構(gòu)成高等教育“質(zhì)量革命”的基本載體和主要內(nèi)容[3]。推進(jìn)新工科建設(shè)是主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革、發(fā)展新經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)略競爭、推動(dòng)高等教育改革創(chuàng)新的迫切需要[4]。2017年，教育部啟動(dòng)新工科建設(shè)，推動(dòng)形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”。天津大學(xué)圍繞新工科建設(shè)“天大行動(dòng)六問”，問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)、問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容、問學(xué)生志趣變方法、問學(xué)校主體推改革、問內(nèi)外資源創(chuàng)條件、問國際前沿立標(biāo)準(zhǔn)，積極布局施策，全方位推進(jìn)新工科建設(shè)[5]。

內(nèi)燃機(jī)是汽車、船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、坦克/裝甲車輛、高速軍艦的主導(dǎo)動(dòng)力，是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的“動(dòng)力心臟”。天津大學(xué)“內(nèi)燃機(jī)原理”課程的歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代潘承孝先生在北洋大學(xué)開設(shè)的《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》課程。1952年史紹熙教授組建了內(nèi)燃機(jī)專業(yè)，使天津大學(xué)成為新中國成立后國內(nèi)最早建立內(nèi)燃機(jī)專業(yè)的高校之一。天大內(nèi)燃機(jī)從專業(yè)建立之初，就踐行高等學(xué)?！敖虒W(xué)”和“科研”兩個(gè)中心的實(shí)踐，在國內(nèi)率先開展內(nèi)燃機(jī)學(xué)科的科學(xué)和工程應(yīng)用研究，建立了內(nèi)燃機(jī)研究室。長期以來，“內(nèi)燃機(jī)原理”課程依托天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研優(yōu)勢，在課程講授過程中始終堅(jiān)持基礎(chǔ)理論知識(shí)與學(xué)科前沿相結(jié)合，以解決國家不同發(fā)展時(shí)期內(nèi)燃機(jī)技術(shù)瓶頸為牽引，形成了一批具有天大特色的“內(nèi)燃機(jī)原理”教學(xué)資源。近年來，天津大學(xué)“內(nèi)燃機(jī)原理”本科課程實(shí)施了系列教學(xué)改革措施，在教學(xué)環(huán)節(jié)上注重理論與科研實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)注重虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了課程思政、創(chuàng)新思維與專業(yè)知識(shí)的有機(jī)融合，2019年“內(nèi)燃機(jī)原理”獲天津市一流本科建設(shè)課程。

一、 “內(nèi)燃機(jī)原理”課程特點(diǎn)

“內(nèi)燃機(jī)原理”課程是能源動(dòng)力工程專業(yè)的核心課程。該課程是應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，建立專業(yè)思維的重要課程，是動(dòng)力方向的必修課。內(nèi)燃機(jī)是現(xiàn)代工程技術(shù)科學(xué)發(fā)展較快的領(lǐng)域之一，是多學(xué)科理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，“內(nèi)燃機(jī)原理”課程呈現(xiàn)以下3個(gè)主要特點(diǎn)。1）綜合性：該課程涉及多學(xué)科理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，是能動(dòng)專業(yè)四門核心專業(yè)基礎(chǔ)課熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)核心知識(shí)的綜合應(yīng)用體現(xiàn)。2）前沿性：是現(xiàn)代工程技術(shù)科學(xué)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，涉及低碳和碳中性燃料的應(yīng)用、先進(jìn)燃燒理論和燃燒技術(shù)的發(fā)展，以及發(fā)動(dòng)機(jī)—電池—電機(jī)混合動(dòng)力的發(fā)展等。3）創(chuàng)新性：提供了豐富的創(chuàng)新性思維訓(xùn)練的案例，體現(xiàn)了知行合一的實(shí)踐精神、科學(xué)發(fā)展的辯證法；是系統(tǒng)性思維、聯(lián)想性思維、批判與包容性思維鍛煉的重要載體。

但在以往的“內(nèi)燃機(jī)原理”課程教學(xué)中，往往只是將內(nèi)燃機(jī)視為單純機(jī)電部件進(jìn)行講授，缺乏多學(xué)科交叉，與當(dāng)前新一輪內(nèi)燃機(jī)效率提升和雙碳目標(biāo)的產(chǎn)業(yè)變革不匹配，與新工科背景下課程建設(shè)需求不匹配，同時(shí)課程也存在著高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度不足的問題。

二、 課程改革的目標(biāo)導(dǎo)向

課程基于以往教學(xué)中存在的問題，以價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)為目標(biāo)進(jìn)行改革。1）價(jià)值塑造。在課程教學(xué)中，通過內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的國家重大需求介紹、老一代科學(xué)家奮斗精神和家國情懷介紹，以及在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域重大的原理創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)明介紹，激發(fā)學(xué)生勵(lì)志解決內(nèi)燃機(jī)卡脖子技術(shù)難題的興趣和熱情，培養(yǎng)愛國主義情懷，踐行課程育人、思政育人。2）知識(shí)傳授。學(xué)生能夠記憶和理解內(nèi)燃機(jī)原理基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)方法，能夠應(yīng)用掌握的基礎(chǔ)知識(shí)，分析內(nèi)燃機(jī)燃燒過程和性能，并能設(shè)計(jì)簡單的研究實(shí)驗(yàn)。3）能力培養(yǎng)?；谡n堂講授、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠綜合評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)適用于不同動(dòng)力源應(yīng)用場景需求的匹配特性，了解面向未來內(nèi)燃機(jī)所需的技術(shù)原理創(chuàng)新方向，并提出創(chuàng)新性見解，從而培養(yǎng)出具有高級(jí)思維和綜合能力的專業(yè)人才。

三、 課程改革的具體措施

“內(nèi)燃機(jī)原理”課程體系建設(shè)圍繞價(jià)值塑造、知識(shí)傳授及能力培養(yǎng)的課程目標(biāo)，從考核評(píng)價(jià)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)團(tuán)隊(duì)4個(gè)方面進(jìn)行了改革，突出課程多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，進(jìn)一步提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)以及課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。項(xiàng)目改革思路與舉措如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目改革思路與舉措

1. “內(nèi)燃機(jī)原理”課程考核評(píng)價(jià)方法

改進(jìn)課程成績?cè)u(píng)定方式，在考試中減少被動(dòng)學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)占比，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。課程最初考核平時(shí)成績占比10%，期末考試占比90%；隨后增加了平時(shí)研討考核點(diǎn)+實(shí)驗(yàn)，合計(jì)占比20%，其中實(shí)驗(yàn)包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)，從而使期末考試占比降低到80%。進(jìn)一步教學(xué)改革后，將一些創(chuàng)新研討升級(jí)為高階創(chuàng)新項(xiàng)目，學(xué)生課下準(zhǔn)備后圍繞特定的項(xiàng)目主題進(jìn)行匯報(bào)，再增加20%的平時(shí)成績占比，期末成績占比降低到60%。

2. “內(nèi)燃機(jī)原理”課程教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)中不斷優(yōu)化課程講授內(nèi)容，在夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定的揚(yáng)棄，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)日新月異的技術(shù)發(fā)展，融入課程思政，將內(nèi)燃機(jī)理論知識(shí)和最新科技創(chuàng)新發(fā)明相融合，給學(xué)生展示從原理到技術(shù)創(chuàng)新的脈絡(luò)以及新工科背景下多學(xué)科交叉的魅力。降低教師講授比例，加入案例式教學(xué)，“以學(xué)生為主，師生互動(dòng)”的教學(xué)模式有利于提高學(xué)生積極性和學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力[6]。以內(nèi)燃機(jī)誕生以來重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明所體現(xiàn)的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新要素，設(shè)計(jì)若干創(chuàng)新課程模塊并與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)討論、開展創(chuàng)新思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。同時(shí)，依托內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舉辦的高層次講座、學(xué)術(shù)報(bào)告、國際暑期學(xué)校等資源，將最新的科技成果融匯到“內(nèi)燃機(jī)原理”課程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)中，拓展學(xué)生的國際視野。同時(shí)，結(jié)合基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)高階創(chuàng)新項(xiàng)目（成績占比20%），例如讓學(xué)生提出將傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)改為氫氣、氨氣、天然氣等低碳零碳燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的具體策略和方案，探討人工智能對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的提升及場景應(yīng)用等當(dāng)前國家重大需求和國際前沿?zé)狳c(diǎn)，提升學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，通過“學(xué)以致用”激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新精神，提高挑戰(zhàn)度。

3. “內(nèi)燃機(jī)原理”課程教學(xué)方法

在教學(xué)方法上進(jìn)一步改變傳統(tǒng)的教師注入式教學(xué)方式，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)的特征，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用能力。而且，為了保證教學(xué)效果，采用了每班不到30人的小班授課模式。采用課堂理論教學(xué)、操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)踐，四位一體、互相協(xié)同和促進(jìn)的教學(xué)模式。1）課堂理論教學(xué)方面，在知識(shí)傳授的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究能力。在課堂教學(xué)中，避免填鴨式的知識(shí)灌輸，加入“探究性留白”，更多將前沿進(jìn)展、經(jīng)典案例、高水平論文等科學(xué)研究引入到教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生用已學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題、自主探索，使學(xué)生真正參與知識(shí)創(chuàng)新的過程，啟發(fā)創(chuàng)新性思維。教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)科學(xué)觀點(diǎn)、科學(xué)態(tài)度與科學(xué)方法，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。此外，每章教學(xué)完成后，由學(xué)生自主進(jìn)行章節(jié)總結(jié)并課堂展示，使學(xué)生在構(gòu)建知識(shí)框架的過程中提高系統(tǒng)思維能力。同時(shí)，教師根據(jù)學(xué)生的各章總結(jié)展示，發(fā)現(xiàn)其學(xué)習(xí)過程中的薄弱點(diǎn)，在后續(xù)課程中針對(duì)其薄弱點(diǎn)和重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行深入講解，從而提高學(xué)生的知識(shí)理解水平。2）操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，通過真實(shí)操作性實(shí)驗(yàn)（如內(nèi)燃機(jī)性能參數(shù)調(diào)整、汽油機(jī)速度特性與負(fù)荷特性、柴油機(jī)噴油參數(shù)測試等實(shí)驗(yàn)），使學(xué)生在課堂所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固，并在實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析過程中，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)。3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架難以開展的實(shí)驗(yàn)，如缸內(nèi)氣體流動(dòng)、燃油噴霧霧化、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒火焰發(fā)展、有害排放物的生成演化歷程等，通過采用仿真實(shí)驗(yàn)的形式，結(jié)合學(xué)生的興趣自由選擇虛仿的模塊來實(shí)現(xiàn)。4）科研實(shí)踐方面，對(duì)于學(xué)有余力和有濃厚興趣的學(xué)生，引導(dǎo)其加入不同研究團(tuán)隊(duì)正在開展的科研工作中，依托在研項(xiàng)目開展研究探索型實(shí)驗(yàn)和科研實(shí)踐活動(dòng)。綜上提出的教學(xué)方法結(jié)合學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)要求、認(rèn)知水平，采用分階段、分層次、分模塊的方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力，從而達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求。

4.“內(nèi)燃機(jī)原理”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)

組建一支教學(xué)科研相長，年齡結(jié)構(gòu)合理的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員中既有長江學(xué)者、杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金獲得者，將最新的前沿理論和技術(shù)傳授給學(xué)生，講授前沿理論和技術(shù)突破體現(xiàn)的創(chuàng)新方法，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維；又有從教30年以上具有豐富內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教授，可以夯實(shí)學(xué)生需要掌握的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系。在實(shí)驗(yàn)板塊安排專門老師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以及科研實(shí)踐。通過教學(xué)團(tuán)隊(duì)的組建，從基礎(chǔ)知識(shí)體系、科技前沿分享、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐鍛煉不同維度提升了學(xué)生的獲得感，在不同維度也使學(xué)生更好地與團(tuán)隊(duì)老師形成了有效互動(dòng)。

四、 教學(xué)設(shè)計(jì)樣例

1956年，布盧姆等人提出認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)分類體系[7]，1994年，安德森等人進(jìn)行了修訂，將認(rèn)知過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造6類。在“內(nèi)燃機(jī)原理”的教學(xué)中，可相應(yīng)地分為傳授知識(shí)、培養(yǎng)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力3個(gè)模塊。下面通過一個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)樣例展現(xiàn)布盧姆目標(biāo)教學(xué)法在“內(nèi)燃機(jī)原理”教學(xué)中的應(yīng)用（見圖2）。

圖2 布盧姆目標(biāo)教學(xué)法在“內(nèi)燃機(jī)原理”教學(xué)中的應(yīng)用

1. 教學(xué)設(shè)計(jì)樣例的理論講解

以示功圖和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性為例。示功圖能定性定量地顯示氣缸內(nèi)工作過程的實(shí)際情況，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱和動(dòng)態(tài)過程分析，是研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過程和動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能等不可缺少的重要依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性是指發(fā)動(dòng)機(jī)主要的性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況參數(shù)變化的規(guī)律，對(duì)深入理解和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配尤為重要。但從以往的教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)示功圖的應(yīng)用，以及在汽油機(jī)、柴油機(jī)特性曲線的分析及對(duì)比上仍有困難，因此，示功圖和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性是“內(nèi)燃機(jī)原理”理論教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在初步理論教學(xué)中要求學(xué)生會(huì)分析不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)（自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、壓燃式和點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)）的示功圖。要求學(xué)生能復(fù)述運(yùn)行特性（負(fù)荷特性、速度特性和萬有特性）的含義，會(huì)分析其變化規(guī)律及原因。進(jìn)一步在課程中耐心引導(dǎo)，利用典型論文和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，讓學(xué)生對(duì)實(shí)際研究中的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析思考，提升其探索欲望，提高解決問題的能力，在主動(dòng)思考過程中，加深對(duì)知識(shí)的理解。

2. 教學(xué)設(shè)計(jì)樣例的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

示功圖及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也是“內(nèi)燃機(jī)原理”教學(xué)中的重中之重。該部分課程安排4學(xué)時(shí)的驗(yàn)證與探究實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合的示功圖測量與燃燒分析實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過虛擬仿真訓(xùn)練掌握實(shí)驗(yàn)室操作規(guī)范和實(shí)驗(yàn)操作步驟，示功圖的測取方法，速度特性、負(fù)荷特性、萬有特性曲線的制取原理和方法。在實(shí)驗(yàn)過程中，以學(xué)生為主體，由傳統(tǒng)的演示性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主操作的探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師做好輔助安全工作，鼓勵(lì)學(xué)生積極提出問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣，鍛煉其動(dòng)手能力、合作精神和探究創(chuàng)新精神，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)有更加深刻的認(rèn)識(shí)，為以后的研究工作奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)完成后，要求學(xué)生自主完成數(shù)據(jù)處理分析和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)有更深刻的理解。

3. 教學(xué)設(shè)計(jì)樣例的虛擬仿真

內(nèi)燃機(jī)工作過程中，缸內(nèi)進(jìn)行著極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包括氣流運(yùn)動(dòng)、噴霧破碎蒸發(fā)、燃油與空氣的混合、燃燒反應(yīng)過程等，影響著燃燒過程和有害物質(zhì)的生成。然而臺(tái)架實(shí)驗(yàn)只能對(duì)燃燒過程進(jìn)行宏觀分析，難以捕捉缸內(nèi)詳細(xì)過程。因此，課程團(tuán)隊(duì)充分利用內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)燃機(jī)燃燒領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，將先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)燃燒測試技術(shù)與科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真教學(xué)資源，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)燃機(jī)示功圖測量、進(jìn)氣流動(dòng)、燃油噴霧、燃燒過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——內(nèi)燃動(dòng)力裝置燃燒與熱力循環(huán)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

該仿真實(shí)驗(yàn)包括示功圖測量與燃燒分析、缸內(nèi)氣體流動(dòng)可視化、燃油噴霧混合過程、火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、壓縮自燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、典型有害排放物生成特性與新型燃燒方式認(rèn)知三層次七模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（見圖3）。

圖3 三層次七模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

4. 教學(xué)設(shè)計(jì)樣例的創(chuàng)新探索

以國家和產(chǎn)業(yè)需求為驅(qū)動(dòng)，圍繞雙碳目標(biāo)、有害污染物控制、高效燃燒等設(shè)立高階創(chuàng)新挑戰(zhàn)項(xiàng)目。2020年，我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，這將加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，低碳技術(shù)勢必成為我國和全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新“發(fā)動(dòng)機(jī)”。課程團(tuán)隊(duì)以傳統(tǒng)汽柴油燃料向零碳燃料（如氨、氫燃料）發(fā)展為例，設(shè)計(jì)創(chuàng)新項(xiàng)目案例。1）教師引導(dǎo)?！皟?nèi)燃機(jī)原理”課程最后一章節(jié)為“新型燃燒方法及替代燃料發(fā)動(dòng)機(jī)”，課堂上教師以常見的汽油均質(zhì)混合氣壓燃著火、柴油均質(zhì)混合氣壓縮著火、部分預(yù)混燃燒、反應(yīng)控制壓燃等燃燒方式及天然氣、生物柴油等替代燃料為例，引導(dǎo)學(xué)生分析替代燃料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案及優(yōu)劣之處。2）課下調(diào)研。學(xué)生課下自主調(diào)研總結(jié)氨、氫燃料的理化性質(zhì)特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、學(xué)以致用，根據(jù)所學(xué)“內(nèi)燃機(jī)原理”理論知識(shí)，分析氨、氫燃料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢和技術(shù)難點(diǎn)，并在課堂上進(jìn)行展示。3）分組選題。針對(duì)氨、氫燃料應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的技術(shù)瓶頸，讓學(xué)生根據(jù)興趣從氨的穩(wěn)定著火、氨的未燃NH3-NOx排放、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒抑制策略、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放控制方法等方向進(jìn)行選題并組隊(duì)，約4～5人一組。讓學(xué)生調(diào)研零碳燃料氨和氫應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒和排放控制技術(shù)并提出自己的見解，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用仿真模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。4）成績?cè)u(píng)定。高階創(chuàng)新項(xiàng)目通過各項(xiàng)目小組的評(píng)比競賽，成績納入到課程總評(píng)成績，形成平時(shí)作業(yè)+實(shí)驗(yàn)課程+高階創(chuàng)新性項(xiàng)目（成績占比10%+10%+20%）+期末考試（60%）的成績?cè)u(píng)價(jià)體系。提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)加入科研團(tuán)隊(duì)（附加定性評(píng)價(jià)），從而把優(yōu)秀項(xiàng)目延伸為畢業(yè)設(shè)計(jì)以及研究生課題。

通過高階創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，一方面使學(xué)生正確全面了解國家戰(zhàn)略需求與技術(shù)發(fā)展趨勢、科技發(fā)展前沿成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣，立志服務(wù)國家戰(zhàn)略需求與國防安全。另一方面，研究性、創(chuàng)新性、綜合性內(nèi)容的加入，可以拓展知識(shí)體系的寬度和深度，使學(xué)生不僅能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)有問題，還有能力學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)去解決未來發(fā)展出現(xiàn)的問題，從而提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維能力。

五、 結(jié) 語

通過“內(nèi)燃機(jī)原理”課程建設(shè)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，運(yùn)用課程思政、個(gè)人價(jià)值塑造、小班授課與關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的研討、高階創(chuàng)新項(xiàng)目等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到顯著提升，提高了學(xué)生分析問題與解決問題的能力。實(shí)現(xiàn)了技能教學(xué)向思維方式引導(dǎo)的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性普遍提高，解決了學(xué)生創(chuàng)意思維日益增長與教學(xué)內(nèi)容廣度和深度不足的矛盾，學(xué)生們更多地參與到科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，為高熱效率低碳發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)等領(lǐng)域貢獻(xiàn)智慧，點(diǎn)燃同學(xué)們對(duì)內(nèi)燃動(dòng)力的創(chuàng)新熱情。

“內(nèi)燃機(jī)原理”課程建設(shè)成果也將服務(wù)于內(nèi)燃機(jī)相關(guān)高校、企業(yè)、科研院所以及整個(gè)社會(huì)的科普。通過持續(xù)的課程建設(shè)，使課程在國內(nèi)能動(dòng)專業(yè)內(nèi)燃機(jī)方向人才培養(yǎng)中發(fā)揮引領(lǐng)和示范作用。

致 謝：

感謝天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李志軍教授和王燦博士對(duì)本篇論文的貢獻(xiàn)。