工程教育認(rèn)證背景下實(shí)踐課程教學(xué)改革與實(shí)踐

摘 要 “換熱器課程設(shè)計(jì)”是能源與動(dòng)力工程專業(yè)中一門重要的實(shí)踐課程。文章介紹了中南大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)所開設(shè)的“換熱器課程設(shè)計(jì)”的課程特色、課程內(nèi)容，以及教學(xué)目標(biāo)，著重剖析了課程教學(xué)中存在的問題，并運(yùn)用工程教育認(rèn)證理念，從優(yōu)化教學(xué)模式、提供創(chuàng)新環(huán)境和平臺(tái)、強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)體系意識(shí)、改進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作方式、革新考核方式等方面提出了一系列課程教學(xué)改革措施，為換熱器設(shè)計(jì)及其他類似實(shí)踐課程教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞 工程教育認(rèn)證；換熱器課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐課程；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.25.034

Reformation and Practice of Teaching methods of Practical Courses in the

Context of Engineering Education Certification

——Take Heat Exchanger Design as an example

YANG Jianping， YANG Ying， LIU Liu， WANG Hongcai

（School of Energy Science and Engineering， Central South University， Changsha， Hunan 410083）

Abstract The course of Heat Exchanger Design is one of the most important practical courses for the major of Energy and Power Engineering. This paper introduces the course characteristics， course content， and the supportive relationship between teaching objectives and graduation requirements offered by the energy and power engineering major of Central South University. Then， the current status of the teaching of this course was analyzed. A series of reformation strategies for improving the teaching status were proposed based on the concept of professional accreditation of engineering education， such as optimizing the teaching mode， providing innovative environment and platforms， strengthening the awareness of standard system， improving teamwork， innovating the assessment methods， and so on. This paper provides a reference for the teaching of heat exchanger design and other similar practical courses.

Keywords engineering education certification; heat exchanger design; practical courses; course teaching

在“雙碳”背景下，培養(yǎng)具有國際視野、創(chuàng)新意識(shí)、社會(huì)責(zé)任感的創(chuàng)新型人才是高校的重要使命[1]。工程教育認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，在提升專業(yè)建設(shè)質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用[2]。工程教育認(rèn)證的基本理念是以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)[3]。參照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，中南大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)在培養(yǎng)方案中制訂了12個(gè)方面的畢業(yè)要求。實(shí)踐課程是提升學(xué)生工程素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)與能力的重要環(huán)節(jié)，對(duì)支撐畢業(yè)要求起到了重要作用。本文以實(shí)踐課程“換熱器課程設(shè)計(jì)”為例，剖析了課程教學(xué)中存在的問題，提出了一些課程教學(xué)改革措施，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求。

1 “換熱器課程設(shè)計(jì)”課程特點(diǎn)

1.1 課程內(nèi)容

“換熱器課程設(shè)計(jì)”是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門必修課，是對(duì)傳熱學(xué)理論知識(shí)一次重要的工程實(shí)踐。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握工程中常用換熱器的構(gòu)型及工作原理，熟練地綜合運(yùn)用傳熱學(xué)知識(shí)，在給定的換熱條件下開展換熱器的熱力計(jì)算和校核計(jì)算，熟練掌握換熱器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在滿足工程需要的前提下，提出具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與能力。該課程設(shè)計(jì)還要求學(xué)生嚴(yán)格按照制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制換熱器設(shè)計(jì)圖紙，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。

1.2 課程目標(biāo)

課程目標(biāo)1：能夠綜合運(yùn)用傳熱學(xué)知識(shí)，根據(jù)給定工質(zhì)傳熱、流動(dòng)特性及設(shè)計(jì)要求，通過文獻(xiàn)查閱，進(jìn)行換熱器選型與可行性分析；掌握換熱器基本設(shè)計(jì)及熱力計(jì)算方法——平均溫差法或傳熱有效度―傳熱單元法；能夠使用與熱力計(jì)算相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與導(dǎo)則，正確運(yùn)用設(shè)計(jì)手冊(cè)，掌握編程計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助繪圖方法，按照設(shè)計(jì)規(guī)范完成設(shè)計(jì)計(jì)算和圖紙繪制，設(shè)計(jì)出能滿足工程需要的換熱器。

課程目標(biāo)2：掌握換熱器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，了解國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)等，圖紙繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

課程目標(biāo)3：能夠準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)流程，能夠以口頭表達(dá)、說明書文本、圖紙等方式準(zhǔn)確、扼要地表達(dá)自己的觀點(diǎn)，闡釋設(shè)計(jì)理論依據(jù)，回應(yīng)質(zhì)疑。

2 課程教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)模式難以適應(yīng)新工科建設(shè)要求

“換熱器課程設(shè)計(jì)”僅安排1周學(xué)時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)安排是將實(shí)踐與理論知識(shí)講授環(huán)節(jié)分開，“傳熱學(xué)”關(guān)于換熱器設(shè)計(jì)的內(nèi)容僅安排2個(gè)學(xué)時(shí)，且以理論教學(xué)為重點(diǎn)，應(yīng)用案例較少[4]。在大二下學(xué)期開展的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，盡管學(xué)生能在企業(yè)接觸到一些換熱器，但大多也僅限于了解其原理，對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)和工作過程仍缺乏深入認(rèn)識(shí)。理論與實(shí)踐相互脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)面臨很多很多困惑[5]，特別是在換熱器選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不能有效地聯(lián)系理論知識(shí)，綜合拓展能力欠缺。

2.2 缺乏創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)境與平臺(tái)

課程設(shè)計(jì)任務(wù)為教師指定一種換熱器類型，要求學(xué)生在給定的換熱條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，難以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，創(chuàng)新意識(shí)得不到充分激發(fā)。此外，盡管教師鼓勵(lì)學(xué)生在完成基本設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)，能夠使用一些專業(yè)軟件對(duì)換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提出更加新穎的設(shè)計(jì)方案，但是，換熱器課程設(shè)計(jì)通常被安排在學(xué)期末，學(xué)生面臨繁重的考試壓力，導(dǎo)致大部分學(xué)生只能照搬指導(dǎo)書，缺乏提升創(chuàng)新能力的實(shí)踐條件。

2.3 缺乏對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)體系的認(rèn)識(shí)

為了保證換熱器的安全、高效運(yùn)行，換熱器設(shè)計(jì)必須遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，很多學(xué)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系缺乏深入認(rèn)識(shí)和體會(huì)，僅僅參考指導(dǎo)書來完成設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)的選擇比較隨意，所選擇的參數(shù)并不適用于設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，該課程的先修課程“工程制圖”的教學(xué)重點(diǎn)大多是在投影方法、組合體視圖、零件結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)于圖紙繪制標(biāo)準(zhǔn)涉及較少，導(dǎo)致學(xué)生繪制出的圖紙不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，主要體現(xiàn)在圖層使用不合理、線條使用混亂、尺寸標(biāo)注不規(guī)范等方面。

2.4 缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和溝通能力

教師在布置設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)進(jìn)行了分組，每個(gè)小組領(lǐng)取一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，組內(nèi)各成員之間設(shè)計(jì)參數(shù)不同，以期通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。但是，在課程設(shè)計(jì)過程中，大部分學(xué)生都是獨(dú)自完成，只有1/3左右的學(xué)生會(huì)相互討論。由于缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作，導(dǎo)致有的學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)?？ㄔ谝粋€(gè)問題上無法往前推進(jìn)，影響了設(shè)計(jì)進(jìn)度。在答辯環(huán)節(jié)，很多學(xué)生不能很好地利用專業(yè)知識(shí)、設(shè)計(jì)文稿和圖紙，有理有據(jù)地回答評(píng)委提出的問題。

2.5 考核方式單一

實(shí)踐課程成績一般由出勤成績和課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績兩部分組成，首先，該考核方式的弊端之一是沒有階段性的考核，無法體現(xiàn)課程設(shè)計(jì)過程中學(xué)生的綜合表現(xiàn)，如團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力。其次，該考核方式無法發(fā)現(xiàn)具有自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)生，不能很好地開展因材施教。再次，該考核方式難以通過教學(xué)評(píng)價(jià)反饋來改進(jìn)教學(xué)過程，不能很好達(dá)到實(shí)踐課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)。

3 課程教學(xué)改革措施

3.1 優(yōu)化教學(xué)模式

教師可采用“理論知識(shí)傳授+大作業(yè)檢驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)實(shí)踐”的教學(xué)手段，在理論知識(shí)傳授環(huán)節(jié)，綜合運(yùn)用視頻、虛擬仿真平臺(tái)，展示換熱器的制造、安裝等生產(chǎn)過程，幫助學(xué)生直觀地了解換熱器的零部件和整體結(jié)構(gòu)。在講授“傳熱學(xué)”課程“傳熱過程”內(nèi)容時(shí)布置大作業(yè)，要求學(xué)生運(yùn)用二維、三維軟件繪制換熱器示意圖，從而認(rèn)識(shí)換熱器的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用Matlab、Aspen等軟件進(jìn)行簡單的傳熱過程計(jì)算。通過以上“理論知識(shí)傳授+大作業(yè)檢驗(yàn)”環(huán)節(jié)，將集中實(shí)踐調(diào)整為階段性實(shí)踐，使學(xué)生在“傳熱學(xué)”理論知識(shí)學(xué)習(xí)階段即對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程有了清晰的認(rèn)識(shí)，有利于換熱器設(shè)計(jì)過程中設(shè)備選型、設(shè)計(jì)計(jì)算及繪圖環(huán)節(jié)的開展，同時(shí)，還可使學(xué)生熟練掌握相關(guān)軟件，在集中實(shí)踐環(huán)節(jié)將更多的精力放在換熱器設(shè)計(jì)及創(chuàng)新上。

3.2 提供創(chuàng)新環(huán)境和平臺(tái)

分層次地制訂設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生應(yīng)充分激發(fā)其設(shè)計(jì)興趣，從實(shí)際工程問題中提煉設(shè)計(jì)任務(wù)，通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性解決工程問題的能力；對(duì)于基礎(chǔ)相對(duì)較弱的學(xué)生以掌握基本的傳熱過程和設(shè)計(jì)方法為目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生意愿，仍做傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)。搭建校企協(xié)同育人平臺(tái)，讓學(xué)生實(shí)地參觀大型換熱器的制造、組裝過程，使學(xué)生更加清楚地了解換熱器的構(gòu)造和運(yùn)行過程。鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行課外拓展，積極參加各類專業(yè)競(jìng)賽，提升創(chuàng)新能力。

3.3 強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)體系意識(shí)

針對(duì)學(xué)生在換熱器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)（如參數(shù)選取、部件結(jié)構(gòu)等）錄制成微課，并上傳到線上教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生根據(jù)自身實(shí)際情況，有選擇性地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。圖紙繪制是換熱器設(shè)計(jì)中存在問題較多的環(huán)節(jié)，為了使學(xué)生最終提交的設(shè)計(jì)圖紙能夠符合國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，教師除現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和答疑外，在課程設(shè)計(jì)繪圖前還應(yīng)安排集中授課，指出圖紙中常見的問題，強(qiáng)化學(xué)生遵循國家制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制換熱器圖紙的意識(shí)。

3.4 改進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作方式

秉承“以學(xué)生為中心”的教育理念，對(duì)分組方式及分工內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)。在分組方式方面，由學(xué)生自行組合，教師進(jìn)行適當(dāng)把控，每組選出一名組長，負(fù)責(zé)課程設(shè)計(jì)過程中的協(xié)調(diào)和督促。在分工內(nèi)容方面，充分考慮學(xué)生的自主選擇性，在正式下達(dá)任務(wù)書之前，每個(gè)小組根據(jù)教師提出的工程問題，經(jīng)過充分討論后自行提出課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，并由教師把關(guān)確定最終設(shè)計(jì)任務(wù)，若學(xué)生不能提出合適的設(shè)計(jì)內(nèi)容，則由教師指定題目，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

3.5 課程考核方式的革新

摒棄以往單一的通過設(shè)計(jì)文檔（說明書、圖紙）評(píng)定成績的方式，通過“過程和結(jié)果”的考核方式，總分由過程成績、設(shè)計(jì)文檔成績、答辯成績組成，有效支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。為了體現(xiàn)各部分成績對(duì)畢業(yè)要求的支撐度，設(shè)置權(quán)重比例分別為40%、50%和10%。將換熱器設(shè)計(jì)分為4個(gè)子任務(wù)（換熱器選型、熱力計(jì)算、校核計(jì)算、圖紙繪制），每個(gè)子任務(wù)設(shè)置完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行階段性考核，及時(shí)了解學(xué)生設(shè)計(jì)進(jìn)度，重點(diǎn)考查學(xué)生是否能運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助熱力熱算、能否掌握計(jì)算機(jī)繪圖方法、繪圖過程是否遵循制圖標(biāo)準(zhǔn)、在設(shè)計(jì)中是否做出創(chuàng)新性工作。設(shè)置組內(nèi)互評(píng)對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力進(jìn)行量化考核（占過程成績的50%）。對(duì)于在設(shè)計(jì)中做出創(chuàng)新性工作的學(xué)生，在其總評(píng)成績中予以適當(dāng)考慮。

設(shè)計(jì)說明書主要從文本格式是否規(guī)范、條理是否清晰、方案論證是否嚴(yán)謹(jǐn)、熱力計(jì)算是否遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算結(jié)果是否可靠、設(shè)計(jì)方案是否具有工程實(shí)用價(jià)值等方面來考核學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力；圖紙主要從繪圖規(guī)范性、布局合理性等方面來考核學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系了解、使用現(xiàn)代工具繪圖的能力。

答辯環(huán)節(jié)重點(diǎn)考查學(xué)生講述過程是否概念清晰、邏輯性強(qiáng)、觀點(diǎn)正確，是否能有理有據(jù)地準(zhǔn)確回答答辯委員會(huì)提出的專業(yè)問題。

4 課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度分析

本輪課程改革于2022―2023年在能源與動(dòng)力工程專業(yè)2020級(jí)、2021級(jí)學(xué)生中開展，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度顯示，畢業(yè)要求支撐點(diǎn)達(dá)成度分別為0.84、0.84、0.87，整體達(dá)成度良好，說明實(shí)行差異化考核、分層次設(shè)計(jì)，可在學(xué)生達(dá)成基本設(shè)計(jì)要求的前提下，發(fā)揮學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，讓優(yōu)秀的學(xué)生脫穎而出。近兩年，學(xué)生參與各類競(jìng)賽的積極性顯著提高，獲得全國能源動(dòng)力類百篇優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4篇，全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)和三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目國家級(jí)和省部級(jí)累計(jì)立項(xiàng)10余項(xiàng)。

5 結(jié)語

“換熱器課程設(shè)計(jì)”設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)正確使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的工程設(shè)計(jì)理念；強(qiáng)調(diào)采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，力求實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化，使學(xué)生逐步建立起整體優(yōu)化的概念；注重過程化考核，開展分層教學(xué)，設(shè)置明確的基本目標(biāo)和拓展目標(biāo)，并給出對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，使學(xué)生充分發(fā)揮自己的潛力。

基金項(xiàng)目：湖南省學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目“碳達(dá)峰碳中和背景下能源學(xué)科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實(shí)踐”（2022JGYB026）；湖南省生態(tài)環(huán)境廳課題“‘雙碳’視域下能源類學(xué)科時(shí)代新人培育路徑研究”（JNZX202401）；中南大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“雙碳學(xué)術(shù)論壇鑄就能源學(xué)科時(shí)代新人的探索與實(shí)踐”（2024JGB088）；中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新時(shí)代‘雙碳’視域下勞動(dòng)教育與專業(yè)教育融合的研究與實(shí)踐”（2024JY099）；中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《工業(yè)爐窯》案例思政教學(xué)模式構(gòu)建及實(shí)踐研究”（2023JY172）。

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