“內燃機原理”課程研究型教學改革探索

趙振峰　張衛(wèi)正　孫柏剛　韓愷

［摘 要］ 在傳統(tǒng)能源與動力工程專業(yè)的新工科改造背景下，結合“雙一流”建設，打造“金課”建設，進行研究型教學課程改革探索，突出以學生為中心，側重學習能力、認知能力、創(chuàng)新意識、解決實際問題能力的培養(yǎng)。通過探索傳統(tǒng)課程“內燃機原理”的理論教學和實踐教學相結合的研究型教學改革模式，充分發(fā)揮課程研究對象的特殊性，結合北京理工大學在內燃機領域的科研積累，將科研成果轉化為教學案例融入研究型課堂，以案例式教學為主線實現理論教學和實踐教學的融合，以達到培養(yǎng)學生實際能力的目的。

［關鍵詞］ 研究型教學；內燃機原理；案例教學；能源與動力工程

［基金項目］ 2019年度北京理工大學“新工科背景下以學生為中心的能源與動力工程專業(yè)培養(yǎng)模式改革”（2019ZXJG022）；2020年度北京理工大學“內燃機原理課程研究型教學改革探索”

［作者簡介］ 趙振峰（1974—），男，山西長治人，博士，北京理工大學機械與車輛學院教授，博士生導師，主要從事動力機械總體理論與技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0077-04［收稿日期］ 2023-02-23

2018年6月，教育部在成都召開新時代全國高等學校本科教育工作會議，指出要堅持“以本為本”，把本科教育放在人才培養(yǎng)的核心地位、教育教學的基礎地位、新時代教育發(fā)展的前沿地位［1］。采用新理念、新內容、新方法、新技術建設突出以學生為中心，注重能力培養(yǎng)，具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流“金課”，已成為當前高等教育教學改革工作中的重要任務。

一、“內燃機原理”課程現狀與背景分析

“內燃機原理”課程主要以內燃機產品為研究對象。由于內燃機結構復雜，涵蓋熱、機、流、電等多個學科，因而“內燃機原理”課程涉及燃料、燃燒熱化學、氣流、高壓噴霧、燃燒組織、排放控制、性能匹配等眾多內容，具有很強的工程性和實踐性。

當前，內燃機技術飛速發(fā)展，新技術、新理論層出不窮，因此課堂教學內容的動態(tài)更新成為必要環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)的課堂教學內容存在一定的技術滯后性，教學模式和課堂形式較為單一，難以有效激發(fā)學生的學習興趣，對形式能力及創(chuàng)新意識培養(yǎng)存在一定的不足。因此，各大高校針對“內燃機原理”傳統(tǒng)教學模式進行了積極改革與優(yōu)化［2-4］。

由于“內燃機原理”課程在能源與動力工程專業(yè)車用內燃機方向具有核心地位，完成該課的研究型課程改革具有很好的專業(yè)引領與示范作用，因而高?？梢砸渣c帶面，在整個專業(yè)迅速推廣研究型教學模式。

二、研究型教學改革思路

（一）總體架構

將原“內燃機原理”的理論環(huán)節(jié)與“內燃機性能仿真”的實踐環(huán)節(jié)有機結合，對知識點進行整合與梳理，提煉了10個研討主題、8個實踐主題、5個實驗主題。同時，從科研成果中選出具有代表性的5款發(fā)動機作為課堂教學和實踐環(huán)節(jié)的基本載體，要求學生以小組合作的形式依托所選擇的發(fā)動機機型開展課題研討和實踐研究，貫穿課程始末，并最終以實際研究能力、課堂研討能力、理論學習情況等作為本課程的考核依據。

（二）教學目標

通過研究型教學擬達到如下教學目標。

1.通過課堂理論教學，使學生知悉和理解內燃機技術理論的發(fā)展歷史、重大技術突破的背景與影響。

2.通過研究型課堂教學，使學生掌握內燃機的工作原理、基本計算方法，能夠利用基本知識和計算方法等技能分析并解決內燃機復雜工程問題。

3.通過主題引導的討論與研究，使學生掌握能源與動力工程專業(yè)重要文獻資料的來源和獲取方法，培養(yǎng)綜合運用內燃機理論和專業(yè)技術手段完成項目研究的能力，以及綜合應用各學科知識分析解決復雜實際工程問題的能力。

4.通過項目研究，使學生具備運用計算機和工程軟件解決復雜內燃機性能問題的基本技能，能夠完成研究報告和研究答辯，具備通過口頭或書面方式表達自己的想法，進行項目規(guī)劃和項目研究的基本專業(yè)素養(yǎng)。

5.通過課程實驗環(huán)節(jié)，使學生掌握本專業(yè)相關實驗的具體原理和操作過程，具備實際動手操作和規(guī)劃實驗的能力及專業(yè)技能。

三、研究型教學具體措施

（一）課程內容整合與課堂組織

根據“內燃機原理”課程的教學內容，建立了各章節(jié)與預期學習成果之間的對應支撐關系，并且針對預期學習成果設計相應的教學策略，梳理教學內容之間的邏輯關系，并提煉了各章節(jié)的核心知識點和難點等內容。圍繞各章節(jié)的核心內容，從理論知識和專業(yè)技能兩方面建立學生學習能力的培養(yǎng)路線，“內燃機原理”課程各章節(jié)邏輯網絡圖與核心內容如圖1所示。

圍繞各章節(jié)的核心內容，從理論知識和專業(yè)技能兩方面建立學生學習能力的培養(yǎng)路線，如圖2所示。

（二）研究型教學環(huán)節(jié)設計

研究型教學貫通課程始終，教師可以將每章的核心知識點和難點聯系科研實際及當下熱點問題等凝練成討論主題，鼓勵學生課上展開討論，以激發(fā)學生理論聯系實際的研究興趣，培養(yǎng)學生利用理論知識分析內燃機的相關現象和基本特性的能力。

針對每一章的核心知識點和難點，將研討內容設計為10個主題，包括：主題1：提高發(fā)動機性能的途徑研討；主題2：替代燃料的應用及其前景研討；主題3：理論循環(huán)與實際循環(huán)的差異討論；主題4：增壓的技術難點與趨勢探討；主題5：汽油機爆震解決途徑與應用研討；主題6：新型燃燒模式探討；主題7：燃燒優(yōu)化途徑研討；主題8：噴油規(guī)律優(yōu)化途徑探討；主題9：內燃機排放控制技術應用討論；主題10：汽車節(jié)能技術研討。

研討時要求學生根據主題講授理論知識，自主查閱相關文獻資料，分小組做主題發(fā)言準備；要求學生能夠綜合運用內燃機理論知識和專業(yè)技術手段完成研討課題轉向研究，能夠在限定范圍內分析和解決研討課題給出的基本要求。

通過討論主題，學生能夠查閱并獲取能源與動力工程專業(yè)重要的文獻資料；能夠綜合運用內燃機理論知識和專業(yè)技術手段完成內燃機專題項目的研究；能夠綜合應用各學科知識分析解決內燃機領域復雜的實際工程問題。

針對每一章的核心知識點和難點，設計了針對不同小組的發(fā)動機課內實踐環(huán)節(jié)。課內實踐共8個主題，包括：主題1：循環(huán)功及指標計算分析；主題2：內燃機理論循環(huán)計算對比研究以及內燃機實際因素影響研究計算；主題3：各因素對充量系數影響規(guī)律的計算研究；主題4：汽油機放熱規(guī)律計算研究；主題5：柴油機放熱規(guī)律計算研究；主題6：供噴油規(guī)律計算研究；主題7：內燃機性能特性計算研究；主題8：內燃機綜合經濟性計算研究。

通過項目研究學習，學生可以運用計算機和工程軟件解決內燃機的復雜性能問題；能夠在小組中有效工作并與小組中的其他人有效合作；能夠撰寫結構完整、邏輯合理、內容翔實的專業(yè)研究報告；能夠創(chuàng)建思路清晰、內容豐富的演示文稿，并充滿自信地完成研究成果答辯；能夠準確表達專業(yè)想法并順利與他人溝通；能夠合理規(guī)劃項目并組織項目研究。

課內實踐環(huán)節(jié)要求學生至少學會1個專業(yè)軟件，可以借助專業(yè)軟件建立內燃機子系統(tǒng)、整機仿真模型，并針對所給課題開展專題研究，培養(yǎng)學生利用計算機及工程軟件解決內燃機復雜性能問題的能力；通過小組合作共同開展項目研究，鍛煉和培養(yǎng)學生小組合作的能力。

針對實驗性強、難理解的章節(jié)設計了相關實驗環(huán)節(jié)。實驗環(huán)節(jié)與教學內容對應情況如下：實驗1：內燃機熱平衡實驗；實驗2：內燃機進氣渦流比測試與流場可視化測試實驗；實驗3：供噴油系統(tǒng)噴油參數可視化測試實驗；實驗4：汽油機性能；實驗5：柴油機性能。

通過實驗環(huán)節(jié)的學習，學生能夠制訂詳細的實驗計劃，并組織和規(guī)劃本專業(yè)相關實驗；能夠動手操作相關實驗儀器設備；能夠正確理解實驗結果并對實驗結果進行合理分析和解讀。

（三）典型案例庫建設

結合教學內容與科研實際，建立和完善了5種典型的內燃機機型庫，以激發(fā)學生的學習興趣與熱情。

根據“內燃機原理”課程內容，結合北京理工大學能源與動力工程系多年來在軍、民用內燃機方面的科研成果，建立和完善了5種典型的內燃機機型作為學生小組研究及討論的對象，貫穿全部課程內容，包括課堂討論、仿真實踐、課外研究等各個環(huán)節(jié)。

入選的內燃機機型是典型內燃機，各具特點，涵蓋了強調排放性能優(yōu)越的車用汽油機、經濟性能優(yōu)越的車用柴油機、追求高功率密度的軍用柴油機、追求重油和輕量化的無人機發(fā)動機、追求大缸徑的船用柴油機等。

四、預期學習成效

（一）預期成效

通過研究型課堂教學改革，使學生在以下能力方面得到鍛煉。

1.通過案例研討分析，學生能夠綜合應用相關知識解決內燃機的復雜工程問題。

2.提升學生查閱專業(yè)文獻資料、綜合運用各學科知識分析本領域實際問題的能力。

3.培養(yǎng)學生工程專業(yè)軟件應用能力、實際操作能力，能夠利用現代化工具解決內燃機的復雜性能問題。

4.培養(yǎng)學生的小組協(xié)作能力、報告撰寫能力、答辯表達能力、溝通協(xié)調能力。

5.訓練學生實驗規(guī)劃能力、動手操作能力、實驗結果分析能力。

（二）實際效果

“內燃機原理”研究型教學改革在北京理工大學能源與動力工程系已試運行2年，從學生課程考核、學生評價、督導組評價來看效果良好，同時，從北京理工大學的研究生入學專業(yè)面試、筆試等情況來看也有明顯效果。

五、考核方式

“內燃機原理”課程采用研究型教學，其核心是轉變教學主體，即教學主體由教師轉變?yōu)閷W生。因此，本課程的考核評價體系進行了相應調整，考核占比為平時成績50%、期末考試成績50%。其中，平時成績主要考查學生的課堂討論表現、研究項目質量、答辯情況、回答問題情況、上機實踐操作情況等。

為了客觀地反映學生的學習效果，本課程結合教學內容與科研實踐，建立了典型的內燃機機型庫，涵蓋了車用汽油機、車用柴油機、軍用柴油機、船用柴油機、無人機動力等不同應用平臺的5種發(fā)動機。這5種機型是從能源與動力工程系教師科研項目中選出的具有代表性的機型，具有較完善的資料儲備、技術基礎、性能數據。

各小組針對所選擇機型開展項目研究和課題研討，避免了千篇一律導致的評價偏差，同時激發(fā)了學生的學習興趣與熱情。考核評價環(huán)節(jié)充分考慮每名學生的學習效果，制定了相應的效果考核標準，考核范圍涵蓋研討課堂表現、研究項目的答辯表現、提問及問題回答情況、研究報告撰寫質量、上機實踐操作情況及實驗操作等。

最后，平時成績匯總折合成百分制取50%計入考核成績。平時考核更側重于研究能力、操作能力、知識的應用能力等考查。期末考試成績重點考核學生對基本概念、基礎知識的掌握情況，以填空題、計算題、論述題為主。綜合兩種考核方式，可以全面、客觀地考查學生對“內燃機原理”課程的掌握情況。

參考文獻

［1］新時代全國高等學校本科教育工作會議召開［EB/OL］.（2018-06-22）［2023-01-14］.https：//www.gov.cn/xinwen/2018-06/22/content_5300334.htm.

［2］任成龍，王儉樸.《內燃機原理》課程教學的改革與優(yōu)化［J］.教育教學論壇，2016（21）：77-78.

［3］萇轉，吳凈.基于能力培養(yǎng)的《內燃機原理》課程教學模式改革［J］.科技創(chuàng)新導報，2015（15）：145-146.

［4］謝翌，李偉，阮登芳，等.“內燃機原理”的教學創(chuàng)新與綜合培養(yǎng)方法［J］.教育教學論壇，2020（50）：139-141.

Exploration of Research-oriented Teaching Reform of Internal Combustion Engine Principle

ZHAO Zhen-feng， ZHANG Wei-zheng， SUN Bai-gang， HAN Kai

（School of Mechanics and Vehicles， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract： Under the background of the new engineering transformation of traditional energy and power engineering majors， combining with the “double first-class” construction， building the construction of golden courses， implementation of? the curriculum reform has been carried out. Research-oriented teaching focuses on students as the center， laying Particular emphasis on the cultivation of learning ability， cognitive ability， innovative consciousness and the ability to solve practical problems. This research-oriented teaching reform mode combining theory and practice teaching of the traditional course of Internal Combustion Engine Principle， gives full play to the particularity of the course research object. It combines Beijing Institute of Technologys research fruits of internal combustion engine， transforms the scientific research achievements into teaching cases and integrates them into the research classroom， with case teaching as the main line to realize the integration of theoretical teaching and practice teaching， achieving the goal of students practical ability training.

Key words： research-oriented teaching; internal combustion engine principle; case teaching; energy and power engineering