“案例中心”教學(xué)模式在少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程中的實(shí)踐

卜 詩(shī)，劉紅梅，許偉剛，彭 劍

（常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164）

傳熱現(xiàn)象廣泛存在于自然界、日常生活和工程實(shí)踐活動(dòng)中，小到穿衣取暖，大到航天器熱防護(hù)，傳熱問題幾乎無處不在。傳熱學(xué)自20世紀(jì)30年代成為獨(dú)立學(xué)科以來，經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)形成系統(tǒng)完備的專業(yè)架構(gòu)［1］。隨著人類科學(xué)技術(shù)活動(dòng)在深度和廣度上的不斷延伸，傳熱學(xué)領(lǐng)域的新問題、新理論、新方法正在持續(xù)出現(xiàn)，例如微納尺度傳熱、稀薄介質(zhì)傳熱、極端條件下的非傅里葉現(xiàn)象等，對(duì)新時(shí)期傳熱領(lǐng)域人才的理論功底、專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。在新工科建設(shè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的大背景下［2］，如何從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等各方面對(duì)“傳熱學(xué)”課程實(shí)施持續(xù)深化改革，以適應(yīng)國(guó)家和社會(huì)對(duì)新時(shí)代高素質(zhì)復(fù)合型人才的需求，是迫切需要解決的問題。

一、少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

“傳熱學(xué)”廣泛設(shè)置于各類各層次高校的學(xué)科基礎(chǔ)課門類中，在能源動(dòng)力類專業(yè)中，“傳熱學(xué)”普遍作為必修課，至少有50個(gè)學(xué)時(shí)。但在機(jī)械大類下的絕大多數(shù)專業(yè)中，“傳熱學(xué)”的學(xué)時(shí)安排較少，有時(shí)僅作為選修課。作者承擔(dān)了常州大學(xué)過程裝備與控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等非能源動(dòng)力類專業(yè)的“傳熱學(xué)”教學(xué)任務(wù)，以過程裝備與控制工程為例，“傳熱學(xué)”僅安排了24個(gè)學(xué)時(shí)，這就使教學(xué)活動(dòng)的開展受到了很大限制。傳熱學(xué)本身的學(xué)科屬性，也對(duì)少學(xué)時(shí)課程教學(xué)提出了挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)如下。

（一）課程難度高

“傳熱學(xué)”課程理論性極強(qiáng)，包含物理模型構(gòu)建、復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)公式選用等抽象要素，如果沒有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，在面對(duì)大量的偏微分方程和數(shù)值計(jì)算任務(wù)時(shí)，將難以適從。作者調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，即使是在高等數(shù)學(xué)考試中取得較好成績(jī)的學(xué)生，其具備的工具素養(yǎng)也難以支撐傳熱學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。在學(xué)時(shí)安排少、課程難度大的情況下，更不可能再擠出時(shí)間為學(xué)生進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

（二）教學(xué)內(nèi)容多

“傳熱學(xué)”內(nèi)容豐富，知識(shí)點(diǎn)多，以高等教育出版社的《傳熱學(xué)（第五版）》（陶文銓編著）為例，全本教材共計(jì)11個(gè)章節(jié)567頁(yè)，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)超過60個(gè)［3］。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，極難在覆蓋全部?jī)?nèi)容的同時(shí)保證教學(xué)質(zhì)量。作者面向的授課對(duì)象正處在專業(yè)基礎(chǔ)課云集、學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)繁重的階段，在這一情況下，難以促使學(xué)生利用課外時(shí)間通過“啃書本”自學(xué)一門少學(xué)時(shí)的選修課。

（三）學(xué)習(xí)需求弱

作者通過調(diào)研了解到，大多數(shù)學(xué)生選修少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程的出發(fā)點(diǎn)，僅是希望以最少的精力投入獲得學(xué)分，少有對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)和能力提升的需求。即使出于考研目的而引起重視，也極易在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生畏難情緒或因時(shí)間精力不夠而放松學(xué)習(xí)。在一些學(xué)生的認(rèn)知中，“傳熱學(xué)”對(duì)將來的工作沒有任何用處。作者在面向2018級(jí)學(xué)生的教學(xué)過程中，嵌入了很多與真實(shí)生活密切相關(guān)的傳熱現(xiàn)象例子［4］，但這種常規(guī)的案例教學(xué)很難充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更難培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

基于上述客觀因素，少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程形同“雞肋”，教師“教”得枯燥乏味，學(xué)生“學(xué)”得草草了事。如前所述，傳熱學(xué)應(yīng)用廣泛，機(jī)械大類學(xué)生也會(huì)經(jīng)常運(yùn)用傳熱學(xué)知識(shí)解決問題，若不具備堅(jiān)實(shí)的學(xué)科素養(yǎng)，在面對(duì)各類能量傳遞問題時(shí)，將會(huì)束手無策。因此，如何在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，建立專業(yè)理論素養(yǎng)，提升實(shí)踐創(chuàng)新能力，是少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程迫切需要解決的問題。

二、“案例中心”教學(xué)模式的構(gòu)建

為應(yīng)對(duì)少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，作者和教學(xué)團(tuán)隊(duì)打破了傳統(tǒng)的“知識(shí)點(diǎn)平推”模式，改革了常規(guī)的案例嵌入方式，構(gòu)建了內(nèi)容立體、方式多元、考核靈活的“案例中心”模式，面向常州大學(xué)2019級(jí)過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了實(shí)踐。與采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的2018級(jí)授課對(duì)象進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明新模式在興趣激發(fā)、知識(shí)學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)等各方面均取得了更加突出的成效。

“案例中心”模式的基本思路是，教學(xué)活動(dòng)圍繞實(shí)際工程案例展開，案例不再是教學(xué)內(nèi)容的點(diǎn)綴，而是成為教學(xué)活動(dòng)的核心。學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行有組織的理論學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練和創(chuàng)新活動(dòng)。教師提供真實(shí)的工程案例，學(xué)生根據(jù)興趣意愿進(jìn)行自主選擇，圍繞案例自行組隊(duì)。教師為每項(xiàng)案例制定設(shè)計(jì)目標(biāo)，通常具體到特定的工程性能指標(biāo)參數(shù)。學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行目標(biāo)分析、路徑規(guī)劃和任務(wù)分工。近似真實(shí)的情景模擬方式，使學(xué)生迅速完成了從“旁觀者”到“主人翁”的角色認(rèn)知轉(zhuǎn)變，學(xué)習(xí)興趣、參與熱情和責(zé)任意識(shí)得到了充分激發(fā)。學(xué)生在案例實(shí)施過程中同步進(jìn)行知識(shí)積累、能力訓(xùn)練和創(chuàng)新實(shí)踐。教學(xué)活動(dòng)深度融合了“合作學(xué)習(xí)法”“翻轉(zhuǎn)課堂”“線上線下混合”“思政融入”等要素［5-8］，豐富了“案例中心”模式的內(nèi)涵。成績(jī)考核面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求，融入了項(xiàng)目路演環(huán)節(jié)，學(xué)生通過多媒體自主展示案例成果。經(jīng)過第一輪面向2019級(jí)過程裝備與控制工程專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐，證明了新模式能夠有效解決少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程難度高、內(nèi)容多、需求弱的問題，取得了理想的教學(xué)成效。

作者和教學(xué)團(tuán)隊(duì)為課程準(zhǔn)備了“防冰型氣水分離器”“熔噴牽伸通道傳熱工藝”等四個(gè)案例，均來源于教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)的產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)項(xiàng)目，是面向地方產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需求的真實(shí)案例，將其用于“傳熱學(xué)”“案例中心”模式教學(xué)，可以讓學(xué)生切身經(jīng)歷企業(yè)的技術(shù)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)，既貫徹落實(shí)產(chǎn)教融合政策，又有利于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)。以案例為中心構(gòu)建的教學(xué)實(shí)施路徑如圖1所示。

圖1 “案例中心”模式教學(xué)實(shí)施路徑

（一）項(xiàng)目提出

第1次課向?qū)W生介紹“案例中心”教學(xué)方式、學(xué)習(xí)要求和考核方法。實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)平鋪直敘的教學(xué)方式已感到厭倦和排斥。新模式從一開始就讓學(xué)生感到耳目一新，激發(fā)了參與的積極性。不同于普通的案例嵌入，一旦案例成為課程核心，便可更加有機(jī)地融入思政元素。比如，對(duì)于“防冰型氣水分離器”，因其應(yīng)用場(chǎng)景是極地環(huán)境下的船舶與海洋工程平臺(tái)，將國(guó)家海洋開發(fā)戰(zhàn)略、全球氣候變化與極地航道開發(fā)、能源安全等要素嵌入，可幫助學(xué)生建立國(guó)際視野、升華愛國(guó)情懷。在項(xiàng)目提出階段設(shè)計(jì)的思政融入，更加提升了學(xué)生對(duì)于案例任務(wù)的自豪感，加深了對(duì)將要學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)重要性的認(rèn)識(shí)，從源頭提高了學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

（二）組建團(tuán)隊(duì)

學(xué)生圍繞案例自行組隊(duì)，仿照“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽模式，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行分工。情景模擬促使每位學(xué)生都樹立了主人翁意識(shí)，杜絕了企圖濫竽充數(shù)、蒙混過關(guān)的僥幸心理，對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)起到了有效的督促作用。根據(jù)常州大學(xué)“專創(chuàng)融合”教學(xué)改革項(xiàng)目建設(shè)要求，課程結(jié)束后，選擇部分優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)參與校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培育。因此，各團(tuán)隊(duì)之間存在良性競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神、團(tuán)隊(duì)合作能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)具有顯著作用。項(xiàng)目提出和組建團(tuán)隊(duì)總計(jì)1個(gè)學(xué)時(shí)即可完成。

（三）目標(biāo)分析

第2～4次課，學(xué)生圍繞項(xiàng)目進(jìn)行目標(biāo)分析，明確完成最終工程設(shè)計(jì)目標(biāo)需要掌握的理論知識(shí)和工具技能。以“防冰型氣水分離器”為例，設(shè)計(jì)目標(biāo)是：構(gòu)建分離器流道，在0～5 m/s工況下，滿足分離效率要求，并能將-10℃空氣加熱至0℃以上。如果讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)，從零基礎(chǔ)開始解決此類專業(yè)性強(qiáng)的工程問題，難度是顯而易見的。若沿著“導(dǎo)熱→對(duì)流→輻射→換熱器設(shè)計(jì)”的常規(guī)順序推進(jìn)教學(xué)，學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)重，效率低，無助于設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成。本階段采用直擊要害、精準(zhǔn)教學(xué)的方式，圍繞完成案例目標(biāo)須掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。本案例關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)濃縮至三處：（1）對(duì)流傳熱物理現(xiàn)象和過程本質(zhì)；（2）內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流傳熱；（3）強(qiáng)化傳熱方法、原理及評(píng)價(jià)。教材中涉及篇幅不超過20頁(yè)，這就大幅減輕了學(xué)習(xí)壓力，也幫助學(xué)生建立了信心。不同案例需要掌握的工具技能存在共性，不外乎數(shù)值模擬中的“幾何建模→網(wǎng)格建立→傳熱解算”流程。幾何建模須掌握的AutoCAD、Solidworks等工具已在前期“機(jī)械制圖”“工程軟件應(yīng)用”課程中涉及，學(xué)生掌握良好；網(wǎng)格建立和傳熱解算只需初步掌握ICEM、Fluent等專業(yè)軟件的簡(jiǎn)單操作，教師進(jìn)行幾次操作演示即可幫助學(xué)生掌握大體流程。

本階段對(duì)精簡(jiǎn)后的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)式講解，圍繞少量工具軟件進(jìn)行簡(jiǎn)明的操作培訓(xùn)，明確任務(wù)路徑，只需6個(gè)學(xué)時(shí)即可完成。

（四）案例實(shí)施

第5～11次課，學(xué)生開始進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)施。圍繞理論學(xué)習(xí)，作者已在“超新在線課程學(xué)習(xí)平臺(tái)”完成了“傳熱學(xué)”線上課程建設(shè)，基本覆蓋了全部知識(shí)點(diǎn)，包含視頻、習(xí)題、文獻(xiàn)等各種資源，延伸了教學(xué)的時(shí)空廣度，提高了教學(xué)靈活性。線下為答疑時(shí)間，針對(duì)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和工具實(shí)操過程中遇到的問題進(jìn)行輔導(dǎo)。打破傳統(tǒng)的“排排坐”模式，以項(xiàng)目組為單位自由安排座位，便于研討交流，營(yíng)造輕松的課堂氛圍。融入翻轉(zhuǎn)課堂，不定期組織匯報(bào)，學(xué)生通過多媒體進(jìn)行階段性成果展示，教師點(diǎn)評(píng)，學(xué)生互評(píng)。實(shí)踐證明，上述方法極大地調(diào)動(dòng)了積極活躍的課堂氛圍，加快了案例實(shí)施進(jìn)度，也使學(xué)生加深了對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解掌握。以“防冰型氣水分離器”為例，線下僅用2個(gè)學(xué)時(shí)就使學(xué)生完成了對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握。利用8個(gè)學(xué)時(shí)，進(jìn)行傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、幾何建模、仿真分析、方案迭代。通過反復(fù)實(shí)操，學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、工具技能、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)精神等各方面素質(zhì)均得到大幅提升。

學(xué)生提交設(shè)計(jì)方案后，在機(jī)械學(xué)院金工廠和3D打印實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助下，完成結(jié)構(gòu)加工制作。利用4個(gè)學(xué)時(shí)，借助小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)施傳熱性能測(cè)試，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)。每位學(xué)生都能全程參與測(cè)量段安裝、傳感器布置、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)，避免了“少數(shù)人做，多數(shù)人圍觀”的現(xiàn)象。

從理論學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、案例實(shí)施階段，充分凸顯了學(xué)生的主體地位。

（五）成績(jī)考核

成績(jī)考核的第一部分為期終測(cè)試，教師根據(jù)不同案例的實(shí)際情況設(shè)計(jì)考題，考查知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用能力，由于知識(shí)點(diǎn)并非面面俱到，可精簡(jiǎn)題量，利用1個(gè)學(xué)時(shí)完成考試，成績(jī)權(quán)重40%。第二部分為項(xiàng)目路演和設(shè)計(jì)報(bào)告，各組分別制作多媒體展示材料，在課堂上用10分鐘完成項(xiàng)目路演，教師點(diǎn)評(píng)，學(xué)生互評(píng)。全部項(xiàng)目匯報(bào)共計(jì)1個(gè)學(xué)時(shí)。教師根據(jù)路演情況和設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分，成績(jī)權(quán)重60%。

“案例中心”模式更加注重過程考核和實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)緩解畏難情緒、減輕應(yīng)試壓力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣具有積極作用。多媒體制作和路演答辯還能鍛煉學(xué)生的圖文表達(dá)和語(yǔ)言表達(dá)能力。

三、教學(xué)實(shí)施成效

采用“案例中心”教學(xué)模式，使少學(xué)時(shí)“傳熱學(xué)”課程獲得了積極理想的教學(xué)成效，表現(xiàn)在以下幾方面。

1.理論知識(shí)掌握更加牢固。相比于接受常規(guī)教學(xué)模式的2018級(jí)學(xué)生，2019級(jí)學(xué)生的卷面成績(jī)優(yōu)秀率提高了30%，基礎(chǔ)理論掌握情況顯著改善，學(xué)生普遍形成了較好的學(xué)科素養(yǎng)。

2.實(shí)踐創(chuàng)新能力大幅提升。通過仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)操，學(xué)生的工具技能和動(dòng)手能力得到切實(shí)提升，為今后畢業(yè)論文和研究生階段學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)，也為走上工作崗位做好了準(zhǔn)備。值得一提的是，學(xué)生自主設(shè)計(jì)的新型氣水分離器流道結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)性能超出了設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)期，得到了企業(yè)用戶的肯定和好評(píng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還被推薦參加校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培育，預(yù)備參加更高層級(jí)的“雙創(chuàng)”競(jìng)賽。

3.主觀能動(dòng)性顯著加強(qiáng)。通過團(tuán)隊(duì)合作、情景模擬、理論聯(lián)系實(shí)際和成果產(chǎn)出，學(xué)生切身感受到知識(shí)的力量，品嘗了創(chuàng)新的快樂，不再為了獲得學(xué)分學(xué)習(xí)，而是真實(shí)產(chǎn)生了對(duì)自身能力進(jìn)步的渴求。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于難度大、內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的專業(yè)基礎(chǔ)課程，如果一味遵循常規(guī)的“滿堂灌”教學(xué)方式，很難在較短的學(xué)時(shí)內(nèi)達(dá)到理想的教學(xué)效果，反而浪費(fèi)了珍貴的學(xué)習(xí)時(shí)間。“案例中心”教學(xué)模式從具體項(xiàng)目出發(fā)，學(xué)生為主，教師引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)，通過多種軟硬件渠道和現(xiàn)代化教學(xué)手段，完成理論學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)實(shí)操，使學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)、實(shí)踐創(chuàng)新能力和主觀能動(dòng)性同時(shí)得到大幅躍升，教學(xué)成效十分顯著，充分適應(yīng)了新工科建設(shè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育大背景下對(duì)高素質(zhì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求。