項(xiàng)目式+SPOC混合教學(xué)模式下“內(nèi)燃機(jī)排放與控制”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

摘 要 隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，高校能源動(dòng)力類課程也面臨新一輪的課程改革。內(nèi)燃機(jī)排放與控制是能源與動(dòng)力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)限選課，但課程研究對(duì)象抽象復(fù)雜，關(guān)鍵系統(tǒng)及設(shè)備僅通過(guò)傳統(tǒng)面授的方式學(xué)生難以理解。實(shí)踐證明，將數(shù)值仿真技術(shù)融入項(xiàng)目式教學(xué)，并以SPOC的線上線下混合式教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，學(xué)生可以更加全面而深入地掌握理論知識(shí)。改革后，學(xué)生的工程問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新思維均得到顯著提升，團(tuán)隊(duì)協(xié)作和表達(dá)能力也得到了鍛煉。

關(guān)鍵詞 SPOC；項(xiàng)目式教學(xué)；數(shù)值仿真；課程改革

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.3.038

Teaching Reform and Practice of \"Emission and Control of Internal Combustion Engine\" Course under Project-based and SPOC Hybrid Teaching Mode

WANG Qiang1， XU Yuting2， Wang， He3， Ma Shihui1

（1.School of Vehicle and Energy， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004;

2. Chinese Academy of Customs Administration， Qinhuangdao， Hebei 066004;

3. School of Electronics amp; Information Engineering， Heilongjiang University of Science amp; Technology， Harbin， Heilongjiang 150022）

Abstract With the transition of China's energy structure towards green and low-carbon， energy and power courses in universities are also facing a new round of curriculum reform. Internal combustion engine emissions and control is an important elective course in the field of energy and power engineering. However， the research objects of the course are abstract and complex， and key systems and equipment are difficult for students to understand through traditional face-to-face teaching. Practice has proven that integrating numerical simulation technology into project-based teaching and reconstructing teaching content using SPOC's blended online and offline teaching mode can enable students to have a more comprehensive and in-depth understanding of theoretical knowledge. After the reform， students' engineering problem-solving ability and innovative thinking have been significantly improved， and their teamwork and expression abilities have also been exercised.

Keywords SPOC; project-based teaching; numerical simulation; curriculum reform

內(nèi)燃機(jī)排放與控制是高等院校工科專業(yè)一門重要的專業(yè)限選課，該課程建立在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程化學(xué)、燃燒學(xué)及控制工程等課程內(nèi)容基礎(chǔ)上，可以有效拓展能源與動(dòng)力工程專業(yè)動(dòng)力機(jī)械方向?qū)W生的專業(yè)知識(shí)面。隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，教育部于2022年4月印發(fā)了《加強(qiáng)碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》[1]，為高校能源動(dòng)力類課程人才培養(yǎng)提供了指導(dǎo)。內(nèi)燃機(jī)排放與控制課程作為與“雙碳”目標(biāo)高度契合的專業(yè)課程，適應(yīng)性的教學(xué)改革勢(shì)在必行。通過(guò)合理的教學(xué)架構(gòu)調(diào)整、將數(shù)值仿真技術(shù)融入項(xiàng)目式教學(xué)，可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，降低工程認(rèn)知負(fù)荷，幫助學(xué)生更快掌握理論知識(shí)，并學(xué)以致用解決工程實(shí)際問(wèn)題。

1" 內(nèi)燃機(jī)排放與控制課程存在的問(wèn)題

1.1" 教學(xué)模式單一，學(xué)時(shí)分配有待優(yōu)化

在教學(xué)方法上，該課程已經(jīng)擺脫了依靠板書或電子課件授課的傳統(tǒng)形式，借助多種現(xiàn)代化教學(xué)工具，不斷升級(jí)擴(kuò)充教學(xué)課件，教學(xué)手段日趨豐富多樣。然而，這些方法仍屬于傳統(tǒng)的線下面授教學(xué)模式，過(guò)于單一，缺乏對(duì)線上優(yōu)秀教學(xué)資源的利用，無(wú)法滿足對(duì)學(xué)生課程知識(shí)與能力培養(yǎng)方面的需求。根據(jù)往年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在課下學(xué)習(xí)時(shí)往往無(wú)法抓住重點(diǎn)，對(duì)課程的知識(shí)架構(gòu)缺乏宏觀的認(rèn)知。另外，國(guó)內(nèi)外新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，也需要及時(shí)準(zhǔn)確地融入教學(xué)中。這就造成前沿知識(shí)與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容在學(xué)時(shí)分配上的互相擠壓，亟須找到科學(xué)合理的方法重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，而以SPOC為基礎(chǔ)的混合式教學(xué)模式是解決該問(wèn)題的一種有效手段[2]。

1.2" 課程內(nèi)容的研究對(duì)象工程性強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)方式下學(xué)生難以理論聯(lián)系實(shí)際

內(nèi)燃機(jī)排放與控制課程涉及汽（柴）油機(jī)的機(jī)內(nèi)、機(jī)外凈化技術(shù)，無(wú)論是氣缸內(nèi)燃燒過(guò)程還是氣缸外三效催化轉(zhuǎn)化器的氧化還原，對(duì)學(xué)生而言都過(guò)于抽象復(fù)雜。傳統(tǒng)的教學(xué)方式以電子課件、視頻展示為主，學(xué)生往往只是識(shí)記系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，死記硬背相關(guān)機(jī)理，對(duì)工程問(wèn)題很難有具象化的概念，更難以聯(lián)系實(shí)際提出解決辦法與技術(shù)創(chuàng)新。因此，結(jié)合具體章節(jié)內(nèi)容并將數(shù)值模擬融入各個(gè)環(huán)節(jié)，為解決上述問(wèn)題提供了一種教學(xué)改革思路[3]。

1.3" 國(guó)內(nèi)外前沿技術(shù)與傳統(tǒng)教材資源不匹配而造成的知識(shí)學(xué)習(xí)滯后性

國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)成果不斷迭代更新，導(dǎo)致傳統(tǒng)教材、參考資料等線下資源已無(wú)法及時(shí)匹配前沿知識(shí)，造成學(xué)生對(duì)專業(yè)內(nèi)新理論、新技術(shù)學(xué)習(xí)的滯后性愈發(fā)顯著。例如：柴油機(jī)智能精度改進(jìn)技術(shù)、氫內(nèi)燃機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)理等國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)問(wèn)題，都屬于本課程大綱內(nèi)知識(shí)點(diǎn)的拓展與延伸，然而學(xué)生并不能從傳統(tǒng)的教材中獲得相關(guān)的理論知識(shí)。因此，以項(xiàng)目式教學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值仿真課題，持續(xù)加入前沿的工程案例等改革措施，有利于培養(yǎng)能力更為全面的人才。

2" 項(xiàng)目式+SPOC混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

2.1" 項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)

在“內(nèi)燃機(jī)排放與控制”課程講授過(guò)程中，教師可以穿插講解數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)加深學(xué)生的理解，還可以在項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)若干子課題，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐以掌握解決工程實(shí)際問(wèn)題的流程與方法[4]。

例如，在學(xué)習(xí)第三章汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）時(shí)，可以把氣缸內(nèi)不同活塞頂面結(jié)構(gòu)下缸內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值仿真結(jié)果展現(xiàn)給學(xué)生，使其對(duì)渦流、滾流、擠流、紊流等缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)形式有更為直觀而深刻的理解。又比如在第六章柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)中，學(xué)生很難理解柴油車顆粒物捕集器DPF（圖1）內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、凈化機(jī)理、應(yīng)力分布、工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等知識(shí)。相關(guān)的數(shù)值仿真的過(guò)程結(jié)果均可展示給學(xué)生，如圖2中化學(xué)反應(yīng)期間的選擇性規(guī)律、圖3中噪聲特性。這樣學(xué)生便能更為直觀地理解DPF這一關(guān)鍵設(shè)備工作過(guò)程的微觀機(jī)理與參數(shù)效應(yīng)，從而提出提高捕集效率的創(chuàng)新性方案。

可以預(yù)見(jiàn)的是，將數(shù)值仿真技術(shù)融入各個(gè)能源動(dòng)力類課程，會(huì)對(duì)學(xué)生掌握工程理論知識(shí)起到一定的促進(jìn)作用。

上述數(shù)值仿真的過(guò)程，在項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)中需精心設(shè)計(jì)子課題內(nèi)容，讓學(xué)生在分組后，小組之間的研究?jī)?nèi)容既有關(guān)聯(lián)又無(wú)法復(fù)制。例如整體式反應(yīng)器仿真項(xiàng)目三個(gè)子課題：①氧化氮還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析；②整體式反應(yīng)器中氧化氮還原反應(yīng)的效率分析；③整體式反應(yīng)器中的熱應(yīng)力分析。教師可以利用SPOC發(fā)布三級(jí)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、報(bào)告撰寫要求、軟件學(xué)習(xí)教程、典型案例資源等。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施期間，以團(tuán)隊(duì)形式完成課題，并需分工明確，完成幾何建模、初始及邊界條件的選取、結(jié)果分析、報(bào)告撰寫、答辯匯報(bào)等工作。最終考核時(shí)，教師則根據(jù)答辯情況、項(xiàng)目報(bào)告撰寫質(zhì)量、計(jì)算結(jié)果文件的準(zhǔn)確性綜合評(píng)定，結(jié)課時(shí)需提交報(bào)告。

2.2" SPOC線上混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

如前文所述，科技前沿知識(shí)在課堂教學(xué)中的引入會(huì)改變傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)時(shí)的分配。將數(shù)值仿真融入教學(xué)環(huán)節(jié)后，傳統(tǒng)理論授課部分的學(xué)時(shí)會(huì)進(jìn)一步被壓縮。因此，本文提出利用MOOC+SPOC的混合式教學(xué)方法，將部分教學(xué)資源如軟件教程、工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)文件、數(shù)值計(jì)算案例、大國(guó)工匠科技成果等放置于線上平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)。同時(shí)，利用Bloom認(rèn)知體系對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行分類。線下側(cè)重能力訓(xùn)練部分，線上側(cè)重知識(shí)部分的拓展內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程側(cè)重態(tài)度的養(yǎng)成部分。借助中國(guó)大學(xué)慕課MOOC精品課程資源，改革為線上線下混合式教學(xué)，如表1。

在混合式教學(xué)過(guò)程中緊密結(jié)合我國(guó)能源改革的新形勢(shì)，注重本課程在節(jié)能減排方面關(guān)鍵技術(shù)和重大突破的教學(xué)。同時(shí)，為突出學(xué)生的主體意識(shí)、全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，改變“老師講、學(xué)生聽(tīng)”教學(xué)模式，讓學(xué)生自主選擇與本課程相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行匯報(bào)分享。使學(xué)生關(guān)注熱點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題創(chuàng)新方法與教科書之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，真正實(shí)現(xiàn)“我的課堂我做主”。

在授課過(guò)程中，通過(guò)課程導(dǎo)入、信息交互、概念交互案例剖析、反饋總結(jié)等過(guò)程，進(jìn)行科研項(xiàng)目與課程內(nèi)容融合講授的組織與實(shí)施。將我國(guó)最先進(jìn)的技術(shù)如濰柴動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)熱效率突破52.28%、我國(guó)研制出全球首套氨氫融合復(fù)合動(dòng)力燃料供給系統(tǒng)等內(nèi)容融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神，堅(jiān)定科技報(bào)國(guó)的信念。

2.3" 學(xué)生高階能力的培養(yǎng)

教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該是“學(xué)”的效果而非“教”的過(guò)程，以“學(xué)”為中心的教學(xué)改革是高等教育發(fā)展的重要方向。能源動(dòng)力類課程在運(yùn)用項(xiàng)目式+線上SPOC教學(xué)模式時(shí)，首先應(yīng)設(shè)計(jì)明確的、可衡量的、有層級(jí)的教學(xué)目標(biāo)。基于Bloom認(rèn)知規(guī)律，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重學(xué)生高階能力的培養(yǎng)，如分析、綜合、評(píng)價(jià)與創(chuàng)新能力。

例如，內(nèi)燃機(jī)排放與控制課程中，關(guān)于柴油機(jī)機(jī)外凈化設(shè)備DPF（顆粒物捕集器）的教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)利用圖片或動(dòng)畫進(jìn)行展示，灌輸式地講解其原理與特點(diǎn)。這種教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生僅能識(shí)記知識(shí)點(diǎn)、掌握基本概念，無(wú)法獨(dú)立分析DPF參數(shù)間的耦合關(guān)系，更不能創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、優(yōu)化顆粒物捕集器。采用項(xiàng)目式教學(xué)進(jìn)行改革后，形成了集參與式、探究式、體驗(yàn)式于一體的教學(xué)模式。

對(duì)項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)時(shí)，可借助思維導(dǎo)圖工具循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生掌握DPF的設(shè)計(jì)流程（包括幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)理模型的構(gòu)建、參數(shù)效應(yīng)的分析、關(guān)鍵參數(shù)的迭代判定準(zhǔn)則等）。學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)踐，借助仿真工具將課堂所學(xué)的理論知識(shí)學(xué)以致用，獨(dú)立完成DPF的工程設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

同時(shí)，在項(xiàng)目式教學(xué)中，也可以適時(shí)地結(jié)合阿奇舒勒TRIZ創(chuàng)新理論方法，如反饋、嵌套、抽取、分割等原理，讓學(xué)生在已有的內(nèi)燃機(jī)排放凈化技術(shù)上提出創(chuàng)新，借此鍛煉學(xué)生的高階創(chuàng)新能力，如學(xué)生在項(xiàng)目中提出在柴油機(jī)后處理中將DPF與消聲器合并的設(shè)計(jì)思路，或者在DPF上直接采用電熱絲加熱以實(shí)現(xiàn)再生等。在該過(guò)程中，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)也在不知不覺(jué)中得到鍛煉。學(xué)生分小組在完成DPF設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)主動(dòng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有技術(shù)，整合其他課程（如內(nèi)燃機(jī)原理、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)等）所學(xué)知識(shí)完成建模與分析。上述過(guò)程中，教師應(yīng)在線上SPOC環(huán)節(jié)恰當(dāng)?shù)靥峁┘夹g(shù)資料，方便學(xué)生檢索前沿技術(shù)。

以上教學(xué)改革措施可推廣至能源動(dòng)力類其他課程，將對(duì)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新等高階能力的培養(yǎng)有顯著效果。

3" 教學(xué)效果

在內(nèi)燃機(jī)排放與控制課程教學(xué)中，課程組已完成了包括2019級(jí)、2020級(jí)能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生兩個(gè)教學(xué)周期的教學(xué)改革。實(shí)施項(xiàng)目式+線上線下混合式教學(xué)后，學(xué)生自主支配學(xué)習(xí)重點(diǎn)，調(diào)研查詢資料解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力大大提高。由于采用分小組完成不同子課題的形式，學(xué)生的溝通表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)得到了培養(yǎng)，創(chuàng)新能力也有了一定程度的提高。

課程依據(jù)全程監(jiān)控的理念進(jìn)行考核，包括6個(gè)部分，分別為出勤、SPOC學(xué)習(xí)測(cè)驗(yàn)成績(jī)、討論課、三級(jí)項(xiàng)目綜合訓(xùn)練、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)和結(jié)課考試。平時(shí)出勤成績(jī)采用扣分制，每缺勤一次扣平時(shí)成績(jī)1分，無(wú)故曠課5次以上者取消本次課程成績(jī)。課程三級(jí)項(xiàng)目成績(jī)由兩部分組成：第一部分為項(xiàng)目結(jié)果的準(zhǔn)確性、工程可行性，占60%；第二部分為研究報(bào)告撰寫及匯報(bào)情況，占40%。SPOC線上教學(xué)環(huán)節(jié)的考核則根據(jù)視頻后習(xí)題的成績(jī)及單元測(cè)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定。

根據(jù)考核成績(jī)分布可知，學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果有所提高，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更為深入，能夠進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)教師講授的理論知識(shí)。學(xué)生能夠獨(dú)立調(diào)研前沿科技知識(shí)，對(duì)課程中的理論知識(shí)如機(jī)內(nèi)凈化燃燒機(jī)理、SCR選擇性吸收還原微觀過(guò)程等的理解更加透徹，對(duì)工程問(wèn)題的全面性認(rèn)識(shí)有所提高，考慮問(wèn)題的思路也得以打開。

教學(xué)效果評(píng)價(jià)方面，建立了閉環(huán)反饋評(píng)價(jià)體系[5]。以能源與動(dòng)力專業(yè)2019級(jí)動(dòng)力機(jī)械1班為教學(xué)改革效果調(diào)研對(duì)象，學(xué)生樣本數(shù)為21，基于MyCOS（麥可思教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)）發(fā)布匿名調(diào)查問(wèn)卷，關(guān)于混合式教學(xué)的反饋結(jié)果如表2所示。

不難看出，學(xué)生對(duì)線上教學(xué)資源的認(rèn)可度良好。經(jīng)過(guò)以上教學(xué)改革，學(xué)生至少掌握了一種利用數(shù)值仿真解決工程問(wèn)題的方法。8名同學(xué)基于該課程項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行深入研究，開展了本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，其中1人的論文獲得燕山大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文。

由于能源動(dòng)力類專業(yè)研究對(duì)象的復(fù)雜性，很難結(jié)合實(shí)驗(yàn)廣泛地開展教學(xué)。因此，數(shù)值模擬在能源動(dòng)力類課程中的推廣改革將是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。若在各類課程中合理使用，不但有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程實(shí)際案例的理解，還為其他培養(yǎng)環(huán)節(jié)如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4" 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬與項(xiàng)目式教學(xué)融合的方法，能夠有效提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，促進(jìn)其科學(xué)思維與工程能力的培養(yǎng)。同時(shí)，結(jié)合SPOC線上線下混合式教學(xué)重塑課程內(nèi)容，能夠更加科學(xué)合理地實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的分配，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與科學(xué)素養(yǎng)。

基金項(xiàng)目：2022年度燕山大學(xué)課程改革項(xiàng)目“‘內(nèi)燃機(jī)排放與控制’課程SPOC混合式教學(xué)改革的探索與實(shí)踐”（2022XJJG006）；燕山大學(xué)課程思政示范教學(xué)改革項(xiàng)目“內(nèi)燃機(jī)排放與控制”（2021KCSZ003）。

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