热质交换原理与设备课程混合式教学的探索与实践

张振迎，杨美媛，常莉，陈艳华，陈建伟，王兴国

（华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063210）

0 引言

《热质交换原理与设备》是建环专业的一门专业核心课程，本课程是将专业中牵涉到热质交换原理及相应设备的内容进行梳理、充实和加工而形成的课程，它以动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论为基础，重点讲述发生在建筑环境与能源系统中发生的传热传质原理及相应的设备热工计算方法［1］。混合式教学模式主要是在原有传统教学模式的基础上，转变为线上线下相结合的教学模式，能够有效提高课堂效率，缓解因课时压缩而带来的繁重的教学任务压力［2］。

该课程共40课时，含讲课36课时，实验4课时。授课对象为建环专业三年级的本科生，实行小班授课，人数为30人左右。在“华北理工大学网络教学平台”上开课，采用线上教学与线下课堂教学相结合、教师主导的“知识传授”和学生主导的“大作业作品设计”并行的混合教学模式，实现课内和课外协同，提高课程的“挑战度”，提升课程学习的难度和深度，同时力争弥补建筑环境与能源应用工程专业教学体系中“热湿交换设备研发”环节缺失的不足。

1 课程现状分析

《热质交换原理与设备》课程内容理论性较强，学生学习难度较大，学习过程乏味［3-5］。笔者在多年的教学经验中发现了传统课堂教学中的弊端：（1）老师授课时间几乎占据了全部课堂时间，老师与学生几乎无互动，学生注意力不集中，学生对教师所讲内容不感兴趣。（2）讨论时间有限，学生不能及时与教师沟通，教师也不能及时了解学生的学习情况。（3）考核方式是闭卷考试，多局限于课本中的基本理论和基本技能，理论知识测试多，应用能力考查少；标准答案题多，非标准分析题少，记忆性成份所占比例较大，缺乏思维训练。（4）本课程与实践紧密相关，学生往往只掌握了理论知识，缺乏实践经验，发现问题、解决问题和创新精神的培养不够。

2 改革理念及思路

2.1 在线学习平台建设

线上的资源是开展混合式教学的前提，本课程组以学校网络教学平台建设为主，对在线学习资源进行补充完善更新，主要利用教学平台的“课程资源”和“课程学习”两个模块。同时，将其他MOOC资源推荐给学生，引导学生自主学习。网络教学综合平台中的“课程资源”包括：步进教程（提供课程各章节对应的课件和教案）；重点难点（提供重点内容和难点内容的解析）；思考与练习（练习资料：提供各类练习对应的资料）；专题讲解（以微课形式提供各知识点对应的授课视频）；知识拓展（提供热质交换原理与设备方面的拓展知识）；名词术语等。以上教学资源以PPT和微视频的形式展现。针对《热质交换原理与设备》课程主要内容，把形象化的多媒体课件和软件模拟仿真技术引入到教学中来，同时购置了东方仿真课程多媒体素材库，在PPT课件中加入以下内容：（1）大量的实物图片（如换热器、风机盘管、空气处理机组、冷却塔等），使学生对实物形成一定的感性认识；（2）大量的二维和三维动画（如蒸发器、全热新风机、冷却塔等），使学生加深对热湿交换原理以及设备工作过程的认识和理解，激发学习兴趣。“课程学习”包括：基本信息（课程简介、教学大纲、教学日历等）；答疑讨论（提供师生线上交流的场所）；课程问卷（用于课程结束后收集学生的反馈）；学习笔记（提供学生）；课程作业；试题试卷库（提供课程理论知识的练习题），根据教学大纲要求，建立了热质交换原理与设备试题库与试卷库，目前已编写试卷10套，300多道题目，每章都有相应的习题，习题侧重基本理论、知识和思维的考察，内容覆盖面广。除利用学校网络教学平台外，建立了微信群和QQ群，充分利用移动设备的便利性，作为对PC端的有效补充，微信平台主要用来发布即时通知公告，并统一回复相关问题。

2.2 实验教学基地的建设

除了课堂教学外，将培养计划中的课程实验纳入到专业课的教学过程中，由主讲教师与实验教师共同负责，安排热质交换设备相关的现场参观与讲解，使学生在课程中进行初识相关设备与系统的构成，为课堂的教学过程提供必要的感性知识。近年来，结合我校建环专业的培养特点，先后建设了喷淋室表冷器实验装置、冷却塔性能测试装置、新风热回收机性能测试实验平台、全尺度人工环境仓实验平台、空气源热泵性能测试实验平台、CO2制冷与热泵系统实验平台等，为本课程的建设增添了实验与专业实践的基地，学生可以亲自对设备进行调试和研究。实验前要求学生写出实验预习报告，做到有备而来，班级分小组进行实验，尽量让每位学生参与到实验过程中，实验结束后每位学生写一份实验结果分析报告，教师再根据实验过程中的表现和实验报告的撰写情况进行打分。

2.3 非标准讨论题目及大作业题目建设

1）课上讨论题目库的建设：如第三章设置了（1）分析忽略和考虑辐射时对湿球温度测量结果的影响，讨论如何正确测量湿球温度；（2）说明风速对人体散热的影响，以此说明为什么夏季南方人更爱开窗通风或爱开风扇等讨论题目。第四章设置了（1）空调为什么会有凝结水？（2）车库为什么会结露？怎么防止结露？（3）分析比较医院洁净室的空气处理方案等讨论题目。这些问题要求学生用实际数据进行说明，不能直接照着书和课件讲解，这样让师生之间的见面用来实现一些更加高级的教学目标，让学生有更多的机会在认知层面参与学习。

2）与实际工程联系紧密的非标准大作业课题库建设。大作业以实际工程项目训练为主导，树立“以工程实际为背景，学生自主学习”的现代教育理念［6］。大作业题目3~4人一组，各组分别完成一种室内热湿环境控制系统的方案和主要热质交换设备的《设计报告》，大作业根据CDIO教学理念的要求，从构思、设计、实施和操作四个方面锻炼学生们解决工程问题的能力［7］。最后提交的报告主要内容包括：系统构思、设计计算书、系统实施及设备图纸、运行方案分析，有能力的同学可以制作样机或模型，并提供测试报告。

2.4 线上线下教学安排

线上教学充分利用网络教学平台的各个模块，进行混合式教学。通过在线学习，传统的课堂讲授在一定程度上进行前移，让学生基本了解热质交换原理与设备的基本知识点，同时教师通过教学平台动态发现学生学习中存在的问题，及时总结与改进自己的教学环节。课堂教学通过精心设计的讨论活动为载体，教师发挥主导作用，通过创建问题背景，激发学生探究并灵活运用在线学到的基础知识。具体教学安排如表1所示。

对于部分翻转课堂教学环节，基本理论由教师课堂讲解，同时教师布置课外的学习活动，针对一些典型建筑或空间的空气热湿处理方案类题目让学生自己去阅读相关资料，并指定若干活动小组，每组3-4名同学，提出相关热湿处理方案并进行分析和比较，最终形成研究报告，课堂上各组进行分享和讨论。教师对各组报告进行点评和补充讲解。课后学生再整理相关资料和报告，进而完成反思以深化知识。

完全翻转课堂环节则提前让学生到网络教学平台上自主学习，再结合课程内容，指定活动小组进行实际调研，并对设计校核类非标准大作业进行初步分析，形成第一次报告，课堂上各小组分享讨论自己的学习成果，从而让学生了解不同热湿处理方案及热质交换设备在建筑中的实际应用方式和优缺点。课堂讨论主要包括工程案例理论知识和解决问题的思维方法，以及关键和常见问题的解答。课后，学生各小组完成设计校核类非标准大作业题目，并形成初步设计作品，课堂上对作品进行展示和讲解，教师同学对各组作品进行提问或点评，课后各小组对作品进行完善，最终上交。

表1 混合式教学安排

2.5 课程学习效果评价与考核

变革传统的考核方式，采用平时多种考核、大作业与期末答辩相结合考核、期末闭卷笔试的综合能力考核方式，注重通过课内讨论和实践中考核学生。本门课程的考核方式如图1所示。通过讲课、上课讨论、在线讨论与测试、平时小作业等环节使学生掌握课程知识，使教师了解和检验教学效果；通过大作业作品的构思、计算过程、设计说明、阶段汇报等环节使学生掌握课程知识在实际中的运用方法，并同时了解和考察学生对课程方法的掌握程度；通过大作业作品的方案、研发过程以及答辩等环节提升和考查学生的创新能力和表达能力。解决学生“平时不学，期末突击”而不能真正发挥考试的导学作用问题，提升学生的学习热情和主动参与性，同时培养学生的文献查阅能力和团队协作能力。另外，为了进一步提升学习效果，优秀的大作业作品会推荐参加学校以及各类的大学生科技竞赛。

图1 课程考核方式

3 改革成果

（1）使学生真正体验了自己所学知识在实际工程中的应用，激发了学习兴趣，提升了学习效果。学生们对非标准课上讨论题目以及大作业非常感兴趣，历年的大作业题目如实验室CO2热泵系统的蒸发器/气体冷却器设计校核、某品牌空调的蒸发器/冷凝器设计校核、自己居住的宿舍楼的热湿环境控制系统方案及设备设计、学校教学楼的热湿环境控制系统方案及设备设计、某品牌风机盘管的设计校核、某品牌冷却塔的设计校核等。学生学习由被动变为了主动，不仅加深了对课堂内容的理解，还发现自己能够利用课本的知识设计研发实际产品，使得书本中的知识“站”起来了，提升了自我成就感。调查问卷表明：90%以上的学生感到该课程改革比单纯学习课本知识有意义得多，促进了对基础知识的理解和掌握；98%以上的学生认为自己的动手能力、口头表达、团队协作能力得到提升。在大作业讨论过程中，教师们也从中获得了很多新创意，真正实现了教学相长。

（2）取得了部分科技成果和竞赛获奖，激发了学生的自信心和责任感。自2016年开始，对优秀的课程大作业作品经过加工整理后，申报专利和软件著作权，并参加各类相关的科技竞赛，目前为止，获得实用新型专利2项，软件著作权3项。获得河北省“互联网+”大学生创新创业竞赛获得铜奖1项；中国制冷空调行业大学生科技竞赛二等奖1项，三等奖2项；中国制冷学会创新大赛获得三等奖1项；获得校级大学生互联网+创新创业竞赛一等奖2项。

4 改革中遇到的问题

（1）学生对重点和难点理解不透彻，因为混合式教学方式对学生课前自主学习提出了更高的要求，也需要在线学习资源要更精准更生动的展示课程内容，照顾到学习能力程度不同的学生，使每位同学学有所获。教师也需要花费更多的精力来设计课堂的环节和建设在线学习平台，保证不浪费课上的每一分钟，使各个环节紧密连接，同时线上线下也密切配合，做到真正的有机结合。

（2）大作业需要学生用大量课外时间来完成，收获大，但负担也重；学生选题或技术路线不合适，可能到学期结束也拿不出作品。因此，选题和确定技术路线的确定也需要教师投入大量的辅导时间。同时大作业答辩容易和其他科的考试相冲突，影响了后期的大作业效果。

（3）要合理处理与其它相关课程的关系。目前我们课程安排的时间是流体力学和传热学已经上完，和建筑冷热源及建筑环境学并行开课，但是暖通空调课程还未开课。实践证明，在讲课时碰到没有出现过的暖通空调系统概念时学生普遍感到接受困难。但是通过课程大作业和讨论题正好把刚学过的传热学、冷热源及建筑环境学的知识进行综合运用，同时让学生感到学无止境。在讲述到本课程与暖通空调系统有关的内容时，尽量把学生的日常所见与课程理论联系起来，并告诉学生具体计算方法和原理将在暖通空调课程中学习。这样不仅有助于学生深入理解本课程，而且能够使学生带着问题进入后期的专业课程，有利于提高学习的主动性。

5 结论与展望

通过热质交换原理与设备课程的混合式教学的探索与实践，教师可以在线实时掌握学生的学习状态，比如学习时间、讨论、作业提交情况等，有助于教师及时答疑和调整教学侧重点，使教学处于动态可控状态。本课程改革通过翻转课堂的形式，以小组为单位，以非标准大作业为载体，引领学生自学自讲，遇到问题自己寻找答案，有效提高了教师上课的效率和缓解课时压缩带来的讲课任务繁重的压力，将课堂主导权平移给了学生，使学生在课堂上有效的讨论、交流和发言，主动、积极地展现自己，同时满足了学生个性化学习的需求，激发了他们不断追求和探索的欲望，有利于以学生为中心的教学模式的形成。具有吸引力和挑战性的非标准大作业有利于教学内容与工程实际相结合，提高学生的工程能力；并有意识地锻炼学生的文献查阅、口头表达、批判性思维、团队协作等综合能力，提升教学效果，增强学生对课程教学的满意度。