“双碳”目标下“工程热力学（英语）”课程建设探索

刘 方，杨 丽，辛春梅，何光艳

一、引言

随着国家“2030年碳达峰，2060年碳中和”（以下简称“双碳”）目标的提出，绿色与高效发展成为我国能源体系建设的未来方向［1］。面对严峻的能源环境问题，发展可再生能源、提高能源利用效率、实现能源高效清洁利用对我国实现人口、经济、能源与环境持续协调发展具有重要意义，同时这也对能源动力类专业的课程教学与育人工作提出了新的要求［2］。

“工程热力学”是国内外工科高校一门重要的基础课程，覆盖面广，适用于能源动力类、航空航天类、机械类等多个专业。该课程主要讲述热能和机械能相互转换所涉及的物理定律、工质热物性计算、循环分析方法及工程实现途径等［3］。通过该课程的学习，学生可以正确地运用能量转换基本规律进行热工过程和热力循环计算，掌握提高循环热力效率的策略，这对学生理解当今社会广泛关注的“双碳”目标、能源高效利用和可再生能源开发利用等问题具有重要的理论指导意义［4］。中国矿业大学能源与动力工程专业基础课“工程热力学”采用全英语授课。为了助力新版课程质量标准的制定与实施，该课程教学团队在原有课程基础上，结合国内外优秀经典案例，对教学内容进行重新研究和设计，并采用翻转课堂教学模式进行教学组织形式和教学方法的改革。

二、课程建设的理念与思路

在课程教学目标方面，为了让学生打好基础，深入理解“热工”（工程热力学与传热学的简称）的概念及熟练应用公式与定理，课程教学团队认为要注重基础理论知识的灌输及动手能力、科学思维的培养，要更加注重学生对能源高效清洁利用方面等能源行业背景认知的拓展，以及对节能减排、低碳环保意识的培养。在国际交流愈加频繁的形势下，“工程热力学”英文教学更加切合国际化专业需求及学生实际。另外，全英语授课将全面提升学生的英语应用水平，扩展学生国际视野，对于培养高素质、国际化人才具有重要意义［5］。这要求在课程建设时必须要对相应的英语教学内容与目的、模式与手段、教材建设等方面进行全方面地调研与实践［6］。

高校国际化是以教育要素的全球性、交流活动的多样化、手段的网络化为特征的［7］。目前，气候变化是全球绝大多数国家密切关注的问题，对温室气体的减排与能源的清洁高效利用提升到了前所未有的高度。2020年9月22日，我国在联合国大会明确表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。”［8］实现“双碳”宏伟目标需要各方的共同努力，其中对大学生的言传身教必不可少。“工程热力学”课程教学内容与能源转化利用密不可分，因此教学团队认为“双碳”目标下的“工程热力学（英语）”课程教学一定要让“双碳”目标深入学生内心，让学生对实现这一宏伟目标的紧迫性与复杂性有清晰的认识，使学生树立服务国家重大需求的使命担当感［9］。“工程热力学”课程内容抽象，概念众多，理论性非常强，逻辑严密，且各部分内容交叉渗透较多，教学难度大。另外，专业课全英文授课过程中一定会遇到诸多困难，且原版英文教材内容繁多，对于本科二年级学生来说在阅读、理解和掌握课程内容方面有较大的挑战。因此，课程教学团队根据学校的矿业特色以及学生英语水平，参考国外原版教材，编写了适合本校能源与动力工程专业本科生的课程讲义［10］。课程教学团队还认为，在该课程的全英语授课过程中，为取得较好的教学效果，达到预期的教学目标，还需要充分考虑教学要素的国际化、教学手段的多样化、考核模式的创新性和全面性［11］。

三、课程建设调研

1.国内外名校课程调研

巨大的二氧化碳存量以及不断叠加的碳增量加剧着地球与人类的生存危机，减少“碳排量”和实现“零排放”成为了国际社会的一致性诉求［12］。因此，全球各个国家，特别是欧美发达国家纷纷加快了减排与控碳的步伐，围绕着“碳达峰”与“碳中和”的目标，无论是实践运作层面还是理论研究层面，特别是在学科教学上，都注重灌输“碳减排”的教学理念。课程教学团队认为这与我们的课程建设目标相符，有必要对欧美发达国家名校课程教学进行调研。

课程教学团体通过实地考察、email 联系、电话通讯等方式与欧美发达国家、国内工程热物理学科相关重点院校进行学习交流，深入调研了国内外高校“工程热力学”全英语课程建设的现状。其中，重点调研了欧美发达国家工程热力学课程的教学情况，了解其内容设置、时间分配、教授方法及特点以及教授过程中存在的问题等；充分考察了国内重点院校“工程热力学”全英语课程建设概况、教授效果与评价等。通过对国内外高校的调查访问，我们掌握了“工程热力学（英语）”课程的现状、建设方向与思路，并以此借鉴先进的教学方法、结合现有的教学基础，建设了富有学校矿业特色的与“双碳”目标相结合的国际化课程标准。

2.学生喜爱度调查

由于该课程采用全英语教学模式，包括授课、课堂测试、平时作业及期末考试等，对学生的听、说、读、写的要求较高，同时对教师课件的编写、课堂讲授方法也会有较高的要求。为了保证课程建设与实施的顺利进行，教学团队早在2020年3月针对大一学生进行了线上问卷调查，目的是以学生为本，调研学生意愿，选择合理高效的教学模式。线上调查问卷共计240 份，有效调查问卷220 份。调查数据整理分析表明，大约有80%学生表示对专业学科背景及前景不了解，30%学生以英语成绩差为由不赞同英文授课，60%学生希望通过小组合作进行课程学习。本着以学生为主体的教学原则，我们制定了英语水平摸底调查、“工程热力学”经典案例收集、小组合作交流展示等教学准备活动，目的是根据学生英语水平合理设置教材难度，设计探究性活动方案，唤起学生对“工程热力学”领域的探究欲望，提高学生学习的积极性、创新性和能动性。

3.国内外教材侧重点对比分析

“工程热力学”国内外教材的内容覆盖面一般差别不大，但是国外教材通常内容详细、具体，习题简单且多来源于生产实际；而国内教材往往内容短小精简，比较深入，习题相对复杂且理论性强。因此，课程建设团队认为新编教材应充分与当今“碳减排”背景相结合，理论与生产实际相结合，同时在教学的过程中要逐步向学生灌输能源高效清洁利用的理念。同时，将国内外教材侧重点进行对比之后，我们认为特别是习题部分，除了满足课程要求之外，也要充分照顾研究生招生考试内容及深度，以有利于学生后续深造。

四、课程建设实践

在教学安排上首先让学生重点理解基本概念及基本理论内容中的抽象模型，进而结合工程应用对象及实例分析使学生将抽象的概念和理论与实际工程应用对象之间建立起感性认识和联系，并使之力求做到举一反三、触类旁通，最后完成初步的科学抽象和逻辑思维分析方法的训练。该课程建设主要从以下七个方面进行探索。

1.教学方法研讨与效果反馈提高

在教学过程中，课程教学团队采用研讨启发式、互动式等教学方法，采用课堂讲授、案例研讨、视频教学相结合的教学手段，并在实践中不断改善。课堂讲授的目的是教授该课的基本知识点，目的是使学生掌握课程的基本概念、基本过程及其内在逻辑，教授过程可由问题引入开始。比如在讲解“热力发电厂”时，我们由问题引入：“你们宿舍每天用几度电？排放了多少二氧化碳？”然后通过讲解把生产每度电需要排放二氧化碳的量算出来。这样就给学生一个非常清楚的概念，即每个人每天排放大量二氧化碳。这不仅让他们时刻保持节约用电的习惯，还能激发学生兴趣，引导学生思考，调动课堂积极性。接着，引入解决问题的方法和思路，扩展该基本知识点的应用方法；进而引入案例，分析这些知识点在实际问题中的使用方法；最后留一些思考性问题，让学生课下收集相关资料、阅读一些论文，继续加深理解课堂知识点和扩展国际视野。

由于是用英语授课，在授课过程中要让学生用英文思维方式学习和理解专业课的知识点，这就要求改进教学方法，充分做到以学生为主体开展教学。教学方法的改进措施主要有：采用直观教学法，引入国外拍摄的一些热力学相关视频，更加生动地将知识点展示给学生，提高学生的学习兴趣；单向传输式授课改为双向互动式交流，让学生在学习中处于主动地位；开展综合专题式讨论教学，鼓励学生课堂上多提出自己的见解；引导学生进行课外自主阅读，让学生通过多种渠道进行课外学习。在课程教学过程中，及时对学生进行问卷调查，了解课程教学实施效果，并及时做出调整。同时，结合课程教学组织学生参加与本专业相关的竞赛活动，鼓励学生进行科技制作、撰写专业论文等，提升学生利用工程热力学理论知识解决能源高效利用、节能减排等方面问题的能力。

2.工程热力学经典案例收集

案例教学作为该课程的一个特色，具有较好的应用效果。如前所述，该课程教学的目的之一是为扩大学生的国际视野。国外“工程热力学”课程中有许多经典案例，对理解概念、理论具有较好的启示性。但这些案例在国内中文教材中却体现不多，因此课程教学团队将收集、整理典型案例作为主要工作之一。团队中的多名成员曾在国外学习、进修过，利用便利条件既直接借鉴国外高校相关课程资料，也搜集相关工程知名厂家产品视频自己制作案例。在课程教学中，成员将案例尽可能地制作成相关动画。例如在学习蒸汽动力装置、燃气轮机装置、压缩制冷装置时，通过案例中的视频和动画讲解，可以让学生更好地理解工作原理及影响能量转换效果因素，进而让学生从工程热力学的角度分析热损失的原因，并找寻合适的改善措施提高能量利用效率，增强学生能源清洁高效利用的意识［13］。

3.编写课程讲义/教材

由于各学校“热力学”课程的侧重点不尽相同，因此难以有统一的教科书，当前各学校要么是依据自身学校特点优选适合自身的教材，要么是遴选适合自己学校专业的教材章节，并在听取学生反馈意见、专家建议以及自身实践检验等积累后，形成适合自己学校专业的讲义。在前期调研的基础上，结合学校2020 版课程质量标准的制定，课程教学团队认为要编写一套基于“双碳”目标大背景下的适合本校能源与动力工程专业本科生的课程讲义。该讲义的编写要体现如下几个方面：一是全球“碳减排”背景需求与学校的矿业特色相结合；二是充分考虑学生英语水平，参考国外原版教材；三是遵循“理论+案例+实验+思考”的教学模式；四是展现工程热力学的发展历史、发展前景及重要人物/事件等，增强讲义的可读性［14］；五是教材应结合实践编写，与能源环境大背景相结合，注重引导学生节能减排的能源意识；六是给学生留出独立思考空间，以学生为本培养他们理论转换为实践的能力以及动手实验的能力。此外，提出课程关键词、生僻词等英语词句，供学生预习、复习及巩固。

4.制作全英文课件与录制授课视频

课程教学团队按照分章节制作了全英文课件。该课件遵循以下几点要求：一是依照教学大纲，明确教学目标、认知目标、技能目标、情感目标；二是阐明教学难点、教学重点；三是注重文本、图形、声音、影像、动画等多媒体形式有机组合，强调交互式设计［15］；四是强调与学生互动，使学生在英语授课过程中不致于出现注意力分散的现象。根据教学大纲，以知识点为单位，课程教学团队录制全英语教学视频，每个知识点约15 分钟。录制过程中除了准确无误表达知识点之外，还特别注意了清晰、地道的英语发音。在教学视频中，围绕知识点设计了针对性的提问、知识点讨论及随堂测试，每一章节结束后设计了作业题和测试题，方便同学们课前或者课后预习、复习和巩固。

5.加强教学团队建设

课程建设的过程，最为重要的一点就是要加强教学团队的建设。我们的实践经验是：明确教学目标，将能源高效清洁利用、助力“双碳”目标作为新教学理念；第二，定期召开课程团队人员会议，分享授课经验；第三，教学团队与科研团队一体化建设，提高团队的整体创新能力；第四，聘请有资质的外语教师进行发音校正，使团队成员口语发音越来越地道。

6.科研结合教学

高校教学不同于中小学教学，对科研的关注使高校教师能够及时将最前沿的学术成果不断充实到自己的课堂中，因此具有较高科研水平的教师，往往对教学内容思考得更为深刻透彻，教学更易做到“深入浅出”。具体在“热力工程学”课程的教学过程中，教师要使学生了解最新的学科现状与前景，理解学科知识在当今能源环境背景下的突出贡献及意义，弥补原有课程知识与最新研究之间的“断层”。此外，科研对教学的促进应该不局限于教学内容，教师要鼓励学生多多参加与本课程内容相关的科研项目，把所学知识应用到实际问题的解决之中，以让学生更好地理解课程知识点和提升综合素质。

7.“学讲”式教学

“工程热力学（英文）”课程教学采用了“学讲”式教学。具体来说，按照4～5 人一组将全体学生分为若干小组，小组成员分工明确、团结合作；部分课程内容及经典案例分享由每组学生代表来讲授；教师在讲台下听讲，发现学生讲的错误之处和不完善之处加以纠正和总结。学生为准备所讲内容必定仔细研读，即达到“会学”的目的；为了在全班同学面前讲好内容必然要锻炼上台演讲的能力，即达到“会讲”的目的。在该过程中，单向传输式授课改为双向互动式交流，分组学习与讨论让学生在学习中处于主动地位，学习目标性强，同时锻炼了学生英语表达能力。本课程在实验环节开设了课程基本实验和创新实验，并配有专门的实验教学人员即时指导。实验教学环节强化了学生对理论知识的掌握和理解，对学生的学术素质和教学效果提高均有显著的作用。

五、课程建设效果与结语

1.课程建设效果

“双碳”目标下“工程热力学（英语）”课程建设与实践取得显著的教学效果，达到了预期教学目标。一是在课堂上，学生学习主动性大幅度提高，积极参与小组合作并进行经典案例展示，从案例中归纳总结经验教训。二是学期末小组学习成果汇报效果与考试成绩显示，学生英语口语及专业词汇量大幅度提高，学生的自信心、积极性明显增强。三是在实验教学中，学生们积极参与实验训练，并积极撰写实验报告及实验心得，总结实验经验与教训，并在实验考核中全体学生取得B 级以上的好成绩。四是教学内容的改进以及多样化灵活的教学手段，使学生学习兴趣浓厚，线上课程后台记录显示每章教学视频播放高达500 余次。五是在老师的指导下，学生积极参加能源领域科研活动，并在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、大学生创新训练计划、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等项目中取得优异成绩。尤其是2021年5月，在江苏省第一届节能减排大赛中，中国矿业大学电气与动力工程学院学生获特等奖1 项、一等奖3 项、二等奖1 项及优秀组织奖。

全英文教学模式广受外界好评。课程结束后，对学生们进行问卷调查，目的是调查教学效果及了解学生知识点掌握情况，并对该课程提出建议。调查结果显示，70%的学生表明全英文教学模式极大提高了专业英语能力及口语表达能力，80%学生表示“学讲”式教学模式拓宽知识面的同时提高了学科兴趣；90%学生表示通过课程的学习认识到了该学科对“碳减排”政策的重要性。

2.结语

我国已将降低碳排放、使用清洁能源、提升能源利用效率写入国家战略，能源高效清洁利用将是重要发展方向［16］。中国矿业大学电气与动力工程学院结合全球“碳减排”背景与学校特色专业，将能源高效清洁利用贯穿于教学过程中，构建了一套全新的“双碳”目标下的“工程热力学（英语）”课程教学模式。该课程建设重新拟定了基于“双碳”的教学目标并采用了多元化的教学方法。教学效果表明，该课程建设不仅可以给学生灌输能源高效清洁利用的理念，也可以提高学生的专业理论知识素养和应用能力，同时为解决相关生产实际问题奠定了能力基础，更有助于“双碳”目标早日实现，巩固大学生建立服务国家战略需求的人生理想［17］。“工程热力学”作为能源领域的基础理论课，在新能源领域人才培养方面有着至关重要的作用。在高等教育国际化的大背景下，“双碳”目标下“工程热力学”的全英文授课教学模式值得进一步推广［18］，而且要在教学过程中不断创新、不断完善。