新工科人才培養(yǎng)中熱工理論基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

張欣宇　楊曉宏　賈彥　高虹

摘? 要? 為培養(yǎng)新工科人才，在融入思政教育和節(jié)能減排的背景下，對熱工理論基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，借助內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，通過課程設(shè)計(jì)優(yōu)化，課堂中融入數(shù)值模擬CFD方法和Matlab數(shù)值計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)課和理論課有機(jī)結(jié)合，通過思維導(dǎo)圖的方式，注重知識點(diǎn)的梳理等方法達(dá)到教與學(xué)的有效互動(dòng)。采用課程考核方式的多樣性有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。通過課程教學(xué)效果反饋，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的不斷優(yōu)化。

關(guān)鍵詞? 熱工理論基礎(chǔ)；教學(xué)改革；教學(xué)效果；課程考核

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0042-04

0? 引言

在全球經(jīng)濟(jì)飛速增長的背景下，我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，這無疑推動(dòng)了綠色能源的開發(fā)和利用，而對太陽能、風(fēng)能等新能源的開發(fā)和利用直接關(guān)系能源的轉(zhuǎn)換和傳遞。熱工理論基礎(chǔ)課程是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課。課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握能量轉(zhuǎn)換傳遞規(guī)律，正確運(yùn)用能量轉(zhuǎn)換定律和節(jié)能定律綜合分析熱工過程，特別是熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的規(guī)律、方法及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，熱量傳遞的基本規(guī)律，為學(xué)生畢業(yè)后從事電力生產(chǎn)設(shè)計(jì)、熱力系統(tǒng)革新、新能源開發(fā)利用等提供熱工問題的判斷、計(jì)算和綜合分析能力。熱學(xué)課程更加面向工程實(shí)際理論和實(shí)踐研究，在當(dāng)前節(jié)能減排、太陽能光熱光伏發(fā)電、新能源開發(fā)利用的大背景下，能源、環(huán)境、航空航天、機(jī)械、材料、化工、微電子、信息工程、生物和醫(yī)學(xué)工程、軍事等領(lǐng)域內(nèi)的諸多科學(xué)問題直接或間接建立在熱工研究的基礎(chǔ)之上，熱學(xué)理論和應(yīng)用進(jìn)展在高新科技發(fā)展中占有重要地位。

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)熱工理論基礎(chǔ)課程橫跨五個(gè)大的學(xué)科門類，作為工程質(zhì)量認(rèn)證的必修課程，目前全校開設(shè)熱工基礎(chǔ)[1]（含工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)）的專業(yè)有新能源科學(xué)與工程、環(huán)境科學(xué)與工程、交通運(yùn)輸工程、車輛工程、金屬制造、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等，年授課人數(shù)達(dá)到400余人次，同時(shí)本課程也是多專業(yè)多領(lǐng)域的考研專業(yè)課之一，貫穿多個(gè)交叉學(xué)科。熱工理論基礎(chǔ)A課程總共設(shè)置56學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)為50學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為6 學(xué)時(shí)，該課程包括工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分。工程熱力學(xué)[2]部分主要研究熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，傳熱學(xué)部分主要研究熱量傳遞的規(guī)律，可見該課程是一門研究能量傳遞和轉(zhuǎn)換規(guī)律的“熱科學(xué)”。課程的特點(diǎn)是：內(nèi)容多且涉及的相關(guān)知識廣，涉及高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電工學(xué)、流體力學(xué)等先修課程，同時(shí)應(yīng)用范圍廣，不僅涉及日常生活，各行各業(yè)與能量傳遞和轉(zhuǎn)換問題有關(guān)的領(lǐng)域都有應(yīng)用。在知識體系中，工程熱力學(xué)部分內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，傳熱學(xué)[3]部分各種熱量傳遞方式彼此獨(dú)立，圖表和經(jīng)驗(yàn)公式、半經(jīng)驗(yàn)公式多，熱力循環(huán)和傳熱過程分析抽象難懂，公式推導(dǎo)難，物理量多，作業(yè)難度大。而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研訓(xùn)練相對較少，造成學(xué)生眼高手低，不利于新工科人才的培養(yǎng)。

基于以上特點(diǎn)，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，提升教學(xué)效果，使學(xué)生更高效、更深刻地理解課程內(nèi)容，結(jié)合多年教學(xué)效果的積累，筆者在教學(xué)過程中嘗試改進(jìn)教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)手段，獲得了良好的教學(xué)效果。

1? 課程教學(xué)改革的內(nèi)容

1.1? 充分利用內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

以知識點(diǎn)為單元，分知識點(diǎn)課前導(dǎo)學(xué)、預(yù)習(xí)資料、課堂講授、課后討論、拓展資料、提出問題等。首先，通過內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺上傳課程介紹、課程標(biāo)準(zhǔn)或教學(xué)大綱、課程設(shè)計(jì)表，以及相關(guān)的基礎(chǔ)信息資料等。其次，進(jìn)行課程建設(shè)，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)知識點(diǎn)分為學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)要求、學(xué)習(xí)重點(diǎn)、學(xué)習(xí)難點(diǎn)、學(xué)習(xí)例題或案例。在優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上傳與知識點(diǎn)相關(guān)的科學(xué)知識，比如，生活實(shí)例的視頻、動(dòng)畫演示、預(yù)習(xí)資料和在線小測試、提供線上或紙質(zhì)文檔以及PPT資料供學(xué)生預(yù)習(xí)和測試，保證學(xué)生的資料利用率和對預(yù)習(xí)知識的掌握。使學(xué)生不受時(shí)間和空間限制進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。利用課堂效果進(jìn)行問卷調(diào)查，收集學(xué)生對課程的建議，及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容及方式，達(dá)到“教”與“學(xué)”的有效溝通。

1.2? 課程設(shè)計(jì)的優(yōu)化

合理劃分知識點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和每節(jié)課的教學(xué)反饋，深入細(xì)致地分析教學(xué)內(nèi)容，對不同的內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法與手段，選擇最佳的教學(xué)形式，合理劃分板書講授內(nèi)容、多媒體PPT講授內(nèi)容、互聯(lián)網(wǎng)了解內(nèi)容，總結(jié)教學(xué)效果，經(jīng)過多輪次課程效果綜合評價(jià)，設(shè)計(jì)出適合多班課、小班課不同班型的課程設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)如圖1所示。

1）課前的教學(xué)準(zhǔn)備：包括教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)進(jìn)度的安排。

2）課上的教學(xué)模式的運(yùn)用：包括學(xué)習(xí)者中心與有效教學(xué)策略、學(xué)習(xí)效果的評估方法及創(chuàng)新性教學(xué)方法?？梢愿鶕?jù)教學(xué)內(nèi)容將板書、多媒體及教學(xué)平臺等多種教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合[4]。選擇適合學(xué)生為主講、教師輔助啟發(fā)式教學(xué)的小知識點(diǎn)，比如理想氣體的基本熱力過程，在教師講授完多變的熱力過程后，可以分組討論后讓學(xué)生講授定容、定壓、定溫及絕熱四個(gè)基本熱力過程。

3）課后的知識鞏固：包括推薦的教學(xué)資源、課后作業(yè)及課后討論。將知識單元以思維導(dǎo)圖的形式對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，建立知識點(diǎn)之間的區(qū)別和聯(lián)系；鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生MOOC與開設(shè)相同專業(yè)的其他院校進(jìn)行同步學(xué)習(xí)；鼓勵(lì)學(xué)生參與大學(xué)生科技創(chuàng)新及節(jié)能減排大賽，將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際，增強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生的科研意識。

1.3? 課堂中融入數(shù)值模擬CFD方法和Matlab數(shù)值計(jì)算

嘗試采用多種教學(xué)模式相結(jié)合增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在傳熱學(xué)部分可以采用數(shù)值模擬CFD和Matlab模擬實(shí)驗(yàn)[5-6]，引導(dǎo)學(xué)生模擬一維穩(wěn)態(tài)常物性無內(nèi)熱源的圓管導(dǎo)熱過程，將動(dòng)態(tài)傳熱過程以及溫度云圖以畫面的形式展示出來，直觀的熱量傳遞過程促進(jìn)了學(xué)生對知識點(diǎn)的理解。引導(dǎo)學(xué)生分析圓管熱傳導(dǎo)過程中溫度的變化規(guī)律，從而計(jì)算出熱量傳遞的速率，進(jìn)而將知識點(diǎn)擴(kuò)展到管內(nèi)外具有冷熱流體的傳熱過程，如

圖2所示，為基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化翅片的傳熱過程，舉一反三加深知識點(diǎn)的理解和掌握?！秱鳠釋W(xué)》（第五版）具有豐富的課后資源，可以利用工具軟件題目給出的二維碼獲取軟件程序，學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改就可以得到結(jié)果，將班級學(xué)生以小組為單位進(jìn)行劃分并提前一周進(jìn)行自主選題，課堂邀請學(xué)生參與演示，小組之間討論互評結(jié)果。使學(xué)生能夠獨(dú)立地將掌握的數(shù)值分析方法應(yīng)用到具體的傳熱過程，動(dòng)手模擬探索生活過程中的傳熱現(xiàn)象，如果在模擬過程中遇到問題，便會互相討論、主動(dòng)查找書籍資料探究其原因，這樣的學(xué)習(xí)模式將高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、熱工理論基礎(chǔ)的知識融會貫通，不但能增加課堂生動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生科研探索的精神[7]。

1.4? 實(shí)驗(yàn)課與理論課的有機(jī)結(jié)合

目前新能源專業(yè)熱工理論基礎(chǔ)課程開設(shè)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)為：“氣體定壓比熱測定實(shí)驗(yàn)”“圓球?qū)醿x測定黃砂導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)”“強(qiáng)制對流管外換熱實(shí)

驗(yàn)”，依次對應(yīng)比熱容、熱傳導(dǎo)和對流換熱的理論教學(xué)部分。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單易操作，適合本科學(xué)生。針對實(shí)驗(yàn)所對應(yīng)的理論內(nèi)容講授完畢便可以緊接著布置實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證，使理論與實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上有很好的銜接，更好地促進(jìn)知識的理解與掌握。通過學(xué)生設(shè)計(jì)初步的實(shí)驗(yàn)方案，與實(shí)驗(yàn)教師給定的參考方案進(jìn)行對比分析，最后完善最終的實(shí)驗(yàn)方案[8]。這樣的三步法使學(xué)生將所學(xué)理論知識充分的應(yīng)用，小組互相討論、分析、預(yù)測結(jié)果，在學(xué)習(xí)的同時(shí)鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，測試數(shù)據(jù)的記錄，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的整理，全過程的實(shí)戰(zhàn)促進(jìn)知識的應(yīng)用和掌握。

1.5? 重視知識點(diǎn)的梳理整合

由于本課程存在物理量多、公式多、基本定律理解抽象難懂、知識點(diǎn)之間前后聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，對單元知識點(diǎn)需要通過思維導(dǎo)圖的方式進(jìn)行梳理，建立各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系與區(qū)別。比如工程熱力學(xué)基本概念基本定律講解完成后，需要學(xué)生進(jìn)行知識整合，通過狀態(tài)參數(shù)描述可逆過程，根據(jù)理想氣體的性質(zhì)分析四個(gè)基本的熱力過程，并將熱力過程表示在P-v圖和T-s圖上，同時(shí)能夠熟練地計(jì)算熱能與功之間的相互轉(zhuǎn)換。課后課堂筆記的整理同樣非常重要，教師需突出重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生區(qū)分重點(diǎn)內(nèi)容、掌握內(nèi)容、了解內(nèi)容。教師通過平時(shí)課堂練習(xí)和作業(yè)了解學(xué)生對知識的理解程度，課堂例題講解是對知識點(diǎn)理解的促進(jìn)，通過課后作業(yè)批改及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行糾正。

1.6? 課堂中融入思政教育

以育人和專業(yè)知識傳授及能力培養(yǎng)為目標(biāo)， 將思政教育融入課程當(dāng)中，培養(yǎng)德才兼?zhèn)淙姘l(fā)展的新工科人才。在講解熱力學(xué)第一定律、第二定律時(shí)，由于能量是守恒的，既不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失，只能由一種形式轉(zhuǎn)換為另外一種形式或從一個(gè)物體傳遞到另外一個(gè)物體。因此，灌輸學(xué)生在保障生態(tài)文明的前提下，提高能源的利用率及節(jié)能環(huán)保意識?！敖虝恕笔敲课唤處煹氖姑?，在傳授知識的同時(shí)融入正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀是非常必要的。大學(xué)階段是一個(gè)人“三觀”形成的關(guān)鍵期，教師有責(zé)任提供正確的引導(dǎo)。教育學(xué)生作為內(nèi)工大學(xué)子應(yīng)始終銘記 “博學(xué)躬行、尚智明德” 的校訓(xùn)。在尊重學(xué)生的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“教”與“學(xué)”的有效互動(dòng)[9]。從心理學(xué)角度看，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力源于內(nèi)在的能量，教師采用鼓勵(lì)式教學(xué)，肯定學(xué)生付出的努力，能提升學(xué)生的成就感和價(jià)值感，有利于教師發(fā)現(xiàn)和發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新思維。

2? 課程考核方式改革

熱工理論基礎(chǔ)課程覆蓋面廣、知識點(diǎn)多，應(yīng)采取靈活多樣的考核辦法。總成績由平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)成績、考試成績?nèi)糠纸M成，所占比例依次為30%、10%、60%?？己酥屑哟罅似綍r(shí)成績所占的比例，平時(shí)成績一方面重視學(xué)生出勤、課后作業(yè)、思維導(dǎo)圖、課堂筆記，通過此部分的考核，提高學(xué)生的聽課注意力，鍛煉學(xué)生提煉課程重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的能力，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；另一方面注重課堂表現(xiàn)，每個(gè)小組成員須分工協(xié)作，任務(wù)明確，通過資料查找、PPT報(bào)告、回答問題情況等分別打分，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、口頭表達(dá)能力和應(yīng)變能力。

3? 教學(xué)效果的反饋

教學(xué)效果反饋對教師改進(jìn)教學(xué)方法是非常必要的。教師可以通過學(xué)生課前導(dǎo)學(xué)測試正確率發(fā)現(xiàn)學(xué)生不理解的知識點(diǎn)并在課堂中進(jìn)行重點(diǎn)講解；通過課后作業(yè)和階段性單元測試及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的書寫錯(cuò)誤和容易混淆的物理量，通過作業(yè)講解及時(shí)修正；可以采用問卷調(diào)查、與學(xué)生面對面溝通等多種方式相結(jié)合了解和評價(jià)學(xué)生對知識的掌握情況。教師需要記錄并總結(jié)教學(xué)效果反饋，給出切實(shí)可行的方案，逐輪次進(jìn)行課程優(yōu)化。

4? 結(jié)束語

結(jié)合筆者的一線課程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作為教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容不斷探索適合教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法。隨著教學(xué)方法的不斷更新，積極嘗試新的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)線上線下相互促進(jìn)、隨時(shí)切換，并不斷對其調(diào)整以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。教師應(yīng)該把握和修正學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，要把培養(yǎng)學(xué)生的“熱科學(xué)”的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)思維作為重點(diǎn)[10]，使學(xué)生具備對具體熱力設(shè)備的能量傳遞和轉(zhuǎn)換的分析和解決問題的能力。教師與學(xué)生應(yīng)在互相尊重的前提下實(shí)現(xiàn)“教”與“學(xué)”的有效互動(dòng)，不斷地與學(xué)生進(jìn)行溝通和交流，從而改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，與學(xué)生共同探索提高學(xué)習(xí)效率的新途徑。

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*項(xiàng)目來源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“本科教學(xué)中熱工理論基礎(chǔ)課程教學(xué)改革效果探究”（基金編號：2022220）。

作者簡介：張欣宇，副教授；楊曉宏，通信作者，教授；賈彥，博士，教授；高虹，博士，副教授。