新工科背景下傳熱學(xué)課程教學(xué)改革與探索

摘 要：課程教學(xué)改革在新工科背景下被教育界廣泛關(guān)注。研究基于傳熱學(xué)課程在教學(xué)過程中存在的針對性教學(xué)資源欠缺、教學(xué)方式陳舊、教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性和邏輯性不強(qiáng)以及考核形式缺乏科學(xué)性等問題，探索建立以“完善教學(xué)資源與條件為核心、改革教學(xué)方式方法為保障、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)、優(yōu)化考核為引導(dǎo)”的“四位一體”教學(xué)模式，以實現(xiàn)新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生復(fù)合型能力的有效路徑。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 新工科 教學(xué)

2017年，“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”先后提出促進(jìn)了新工科的建設(shè)與實踐，開啟了中國特色社會主義的探索工程教育改革的新模式[1-3]。新工科建設(shè)是我國高等教育在面對未來發(fā)展、科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢下的積極回應(yīng)，從而培養(yǎng)出社會需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

貴州理工學(xué)院作為地方應(yīng)用型高校，正積極開展新工科建設(shè)，基于此，《傳熱學(xué)》課程面臨更高的要求和挑戰(zhàn)?！秱鳠釋W(xué)》是新能源科學(xué)與工程專業(yè)重要的學(xué)科專業(yè)平臺課程。該課程對學(xué)生工程知識、問題分析和應(yīng)用能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，是新工科建設(shè)中亟須加強(qiáng)建設(shè)的核心課程。文章結(jié)合新工科建設(shè)和發(fā)展需要，對傳熱學(xué)課程的教學(xué)資源、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核評價體系進(jìn)行重構(gòu)，在課程教學(xué)中踐行探索的“四位一體”的教學(xué)模式，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、增強(qiáng)課程教學(xué)效果，助推新工科背景下對新能源科學(xué)與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)。

1 傳熱學(xué)課程現(xiàn)狀

1.1 針對性和合適的教學(xué)資源建設(shè)不足

傳熱學(xué)注重工程應(yīng)用，與時代發(fā)展密切，新工科背景下傳熱技術(shù)在諸多領(lǐng)域都取得了新的發(fā)展，這些變化都要求傳熱學(xué)推出新形勢發(fā)展的教材[4]。由于貴州理工學(xué)院學(xué)生基礎(chǔ)狀況和課程時長原因，難以找出與其情況高度適應(yīng)的教材或輔助教材。同時，由于該課程建設(shè)過程中，題庫、工程案例資源、跨學(xué)科融合教學(xué)資源和虛擬仿真資源及智能輔助工具資源等方面也存在不足，這也使得學(xué)生難以在有限時間內(nèi)掌握傳熱學(xué)的內(nèi)容。

1.2 當(dāng)前教學(xué)方式存在可優(yōu)化空間

傳熱學(xué)涉及導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱三種熱量傳遞方式的概念、特點和基本規(guī)律及傳熱過程與換熱器的熱計算，其內(nèi)容與工程實際聯(lián)系密切[5]。這要求掌握這些內(nèi)容需要有扎實的高等數(shù)學(xué)、數(shù)值分析、物理、流體力學(xué)和化工等多學(xué)科的知識[6]，但由于貴州理工學(xué)院學(xué)生基礎(chǔ)課程知識不牢固，如高等數(shù)學(xué)的泰勒展開式、偏微分方程和常微分方程或流體力學(xué)N-S方程等計算困難的問題，教學(xué)中只有通過占用較大比重的課時進(jìn)行講解才能降低學(xué)習(xí)的難度。但這樣一來，有限的教學(xué)時間就會十分緊張，這造成知識應(yīng)用講授時間的相對不足，學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用練習(xí)的機(jī)會也較為有限，導(dǎo)致學(xué)生很難將理論知識和實際應(yīng)用問題相結(jié)合。

1.3 教學(xué)內(nèi)容難度較大且教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性和邏輯性不強(qiáng)

《傳熱學(xué)》是一門理論概念多、理論深度大、公式繁雜，知識抽象且難理解的課程[7]。同時，傳熱學(xué)是高等數(shù)學(xué)、物理、流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課后學(xué)習(xí)的課程。但是由于前置課程與相關(guān)聯(lián)課程之間的邏輯聯(lián)系不夠明確，教學(xué)內(nèi)容較為分散或碎片化，導(dǎo)致部分內(nèi)容銜接不當(dāng)。例如傳熱學(xué)中的傅里葉熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)需要結(jié)合偏微分方程和能量守恒定律，雖然學(xué)生在高等數(shù)學(xué)中學(xué)習(xí)了偏微分方程解法，但是未學(xué)習(xí)其在數(shù)學(xué)建模中的物理意義，這使得在學(xué)生學(xué)習(xí)傅里葉定律時無法迅速將數(shù)學(xué)內(nèi)容與實際導(dǎo)熱問題聯(lián)系起來，難以學(xué)以致用。

1.4 考核引導(dǎo)不夠，欠缺科學(xué)性

貴州理工學(xué)院新能源科學(xué)與工程專業(yè)傳熱學(xué)課程設(shè)置40學(xué)時，較短的課時學(xué)生較難掌握傳熱學(xué)的基本理論知識和培養(yǎng)其應(yīng)用分析能力[8]。同時，大部分學(xué)生為了應(yīng)付考試，并未認(rèn)真學(xué)習(xí)，對于傳熱學(xué)基本理論原理一知半解，在涉及其應(yīng)用方面很難應(yīng)用起來[9]。另外，該課程最終成績由課程大綱中的考核方式?jīng)Q定：期末成績占60%和平時成績占40%。其中，平時成績的考核主要包括考勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)。雖然最終成績構(gòu)成考查了學(xué)生的平時表現(xiàn)，但是其考核仍強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識的記憶和理解，缺乏對學(xué)生應(yīng)用分析能力的考核，學(xué)生的綜合素質(zhì)提高受限[6]。

2 傳熱學(xué)課程教學(xué)模式改革與實踐

2.1 教學(xué)條件資源的優(yōu)化與完善

首先，著力建設(shè)多課程融合的知識圖譜。深入梳理《傳熱學(xué)》與《高等數(shù)學(xué)》《流體力學(xué)》《物理學(xué)》等關(guān)聯(lián)課程之間的知識重點、難點以及邏輯關(guān)系，構(gòu)建起系統(tǒng)化、邏輯化且相互關(guān)聯(lián)的知識網(wǎng)絡(luò)。這將有助于彌補(bǔ)學(xué)生在前置課程學(xué)習(xí)中的不足，使他們能夠更高效地理解和掌握傳熱學(xué)知識體系，為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。

其次，精心打造豐富且具針對性的教學(xué)案例庫。廣泛收集傳熱學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)與典型工程實施案例，將抽象的理論知識與實際應(yīng)用緊密結(jié)合。這些案例將涵蓋工業(yè)生產(chǎn)、科研創(chuàng)新以及日常生活中的各類傳熱現(xiàn)象與問題，為課堂教學(xué)提供生動且極具說服力的素材，助力學(xué)生更好地理解傳熱學(xué)原理在不同場景下的應(yīng)用，培養(yǎng)其分析與解決實際問題的能力。

接著，搭建功能完備的課外輔導(dǎo)平臺。借助線上AI助教工作臺以及其他先進(jìn)的AI軟件，整合豐富的相關(guān)資料，構(gòu)建一個能夠迅速且精準(zhǔn)解答學(xué)生問題的課外輔導(dǎo)體系。該平臺將打破時間與空間的限制，為學(xué)生提供全天候的學(xué)習(xí)支持，有效彌補(bǔ)當(dāng)前課外輔導(dǎo)在及時性與有效性方面的不足，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與主動性。

然后，創(chuàng)建虛擬實踐應(yīng)用條件資源。引入Matlab、Fluent、Aspen Plus等專業(yè)軟件，精心設(shè)計一系列傳熱學(xué)實踐問題的應(yīng)用案例與虛擬應(yīng)用項目。這些虛擬實踐資源將為學(xué)生提供逼真的實踐環(huán)境，讓他們在課堂學(xué)習(xí)中就能進(jìn)行知識的應(yīng)用練習(xí)，熟悉傳熱學(xué)在工程實踐中的模擬分析與解決方案制定過程，從而有效提升其實踐操作能力與創(chuàng)新思維能力。

最后，構(gòu)建完善的在線課程學(xué)習(xí)資源。全面收集國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)的傳熱學(xué)MOOC教學(xué)資源，并結(jié)合自制的課件、學(xué)習(xí)任務(wù)清單、題庫、拓展學(xué)習(xí)材料以及深入的工程案例分析等內(nèi)容，建立起一個內(nèi)容豐富、形式多樣的在線課程學(xué)習(xí)平臺。該平臺將為學(xué)生提供便捷的課外學(xué)習(xí)渠道，滿足他們個性化的學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)其自主學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，進(jìn)一步拓展傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)時空維度。

2.2 教學(xué)方式方法改革

首先，案例式教學(xué)會讓課堂內(nèi)容更加豐富且有趣，可有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，降低課程學(xué)習(xí)的枯燥性，增強(qiáng)課程內(nèi)容的易理解性。該教學(xué)模式以解決問題為導(dǎo)向，通過凝練需要課程知識解決的案例或?qū)嶋H問題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，如傳熱學(xué)熱傳導(dǎo)部分（見圖1）。同時，項目式教學(xué)能夠極大程度的調(diào)動學(xué)生的實踐動手能力、團(tuán)隊協(xié)作和獨(dú)立思考能錄。如熱輻射基本定律和物體的輻射特性，在課前可以給出特定的項目，要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并主要以小組為單位完成相應(yīng)任務(wù)，在過程中，學(xué)生相互討論交流，最后展示結(jié)果，教師進(jìn)行點評和解答。最后，利用Fluent、Matlab、Aspen Plus等工具模擬軟件建立的虛擬實踐應(yīng)用條件資源強(qiáng)化應(yīng)用與練習(xí)。在課堂上展示并講解知識的應(yīng)用以及解決問題或案例的過程和方法，同時給予學(xué)生課堂的虛擬練習(xí)，以提高學(xué)生應(yīng)用能力。

2.3 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與優(yōu)化

首先，提升內(nèi)容的系統(tǒng)性、邏輯性和支撐度。根據(jù)該課程支撐的畢業(yè)要求中的課程目標(biāo)，梳理整個課程的主要內(nèi)容和重點內(nèi)容模塊，整合各模塊內(nèi)容，建立對課程目標(biāo)的系統(tǒng)性支撐，提升對課程目標(biāo)的支撐度；并按照知識邏輯和學(xué)生的認(rèn)知邏輯調(diào)整各模塊內(nèi)容的前后順序。同時，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容中的應(yīng)用性：一方面更新部分教學(xué)內(nèi)容，特別是專業(yè)中應(yīng)用較多的內(nèi)容，以體現(xiàn)社會產(chǎn)業(yè)的最新的內(nèi)容；另一方面刪除部分理論性過強(qiáng)但應(yīng)用較少且不影響后續(xù)學(xué)習(xí)的知識。最后，加強(qiáng)課程之間的關(guān)聯(lián)性：加強(qiáng)與相關(guān)課程、前置課程和后置課程的聯(lián)系，充分梳理這些課程內(nèi)容的重點和難點，針對難點部分適當(dāng)重復(fù)，針對重點部分的基礎(chǔ)知識（如高等數(shù)學(xué)知識）適當(dāng)補(bǔ)充，以體現(xiàn)前后銜接性；但根據(jù)各課程支撐的畢業(yè)要求，各課程整體內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)差異性，以確定整體重點。

2.4 考核評價機(jī)制改革優(yōu)化

考核評價機(jī)制對學(xué)生學(xué)習(xí)具有重要的督促和引領(lǐng)作用。通過課程考核不僅能夠評價學(xué)生掌握課程的程度，而且還能引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有重點難點的突破。考核內(nèi)容不僅考慮學(xué)生對知識的記憶和理解，同時應(yīng)考慮加強(qiáng)學(xué)生對應(yīng)用問題的解決能力的培養(yǎng)。在本課程考核過程加強(qiáng)對過程的考查，降低期末考試成績權(quán)重?？己私M成包括平時成績（40%，即課程討論10%、學(xué)習(xí)清單10%、大作業(yè)10%和階段性測試10%）和期末考試（60%）。其中，討論包括線上和線下討論，注重學(xué)生對于易混淆概念、重要公式推導(dǎo)以及關(guān)鍵問題疑難點的討論；學(xué)習(xí)清單注重對課堂學(xué)習(xí)的及時反饋和工程問題的解決，強(qiáng)化和熟練學(xué)生對知識的應(yīng)用；大作業(yè)注重學(xué)生對傳熱學(xué)知識的拓展，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，即用Fluent、Matlab和Aspen Plus 軟件來求解題目，培養(yǎng)學(xué)生使用工具軟件的能力；階段性測試注重對學(xué)生階段性知識和應(yīng)用能力的考查，及時檢測反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況并及時調(diào)整教學(xué)思路；期末考試不僅注重學(xué)生對重點理論知識和公式推導(dǎo)的記憶和理解，同時突出對基本公式、圖表的應(yīng)用以及傳熱學(xué)工程問題的解決。

3 結(jié)語

在新工科建設(shè)和發(fā)展的背景下，以傳熱學(xué)課程現(xiàn)狀為出發(fā)點，通過從教學(xué)條件資源的優(yōu)化與完善、教學(xué)方式方法的改革、教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)和優(yōu)化考核評價機(jī)制的改革等方面不斷研究探索，使得學(xué)生易于學(xué)習(xí)和掌握傳熱學(xué)基本知識、公式推導(dǎo)和工程應(yīng)用的解決，從而推動新工科建設(shè)和發(fā)展背景下的新能源科學(xué)與工程專業(yè)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

基金項目：2022年貴州省教育科學(xué)規(guī)劃課題一般課題（課題編號：2022B030）；貴州理工學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：JGYB202439）。

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