机械类专业《热工基础及流体力学》课程教学思考与改革

赵庆娟 孙金超

摘 要：熱工基础是本科院校机械大类专业开设的一门综合性的专业必修课程。热工基础课程知识点多、理论性强、概念抽象，各部分知识点相对独立。在热工基础课程的理论教学与实践教学过程中依然存在很多问题，针对这些问题和不足，依据新工科及工程教学的要求有针对性的进行了深入而全面的思考与探索。该文在注重学生工程应用能力和创新能力培养的基础上提出热工基础课程的教学改革措施与方案。该教学改革措施能够满足“新工科”建设及人才培养的要求，同时也为机械类专业热工基础课程的教学提供一些可参考的思路。

关键词： 热工基础及流体力学  理论教学  教学改革  机械类

中图分类号：TK3-4;O35-4;G642.0       文献标识码：A

Thinking and Reform on the Teaching of Thermal Fundamentals and Hydrodynamics in Mechanical Specialty

ZHAO Qingjuan  SUN Jinchao*

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin，  Guangxi Zhuang Autonomous Region， 541004 China）

Abstract： Thermal Fundamentals is a comprehensive professional compulsory course for mechanical major offered by undergraduate colleges and universities. Thermal Fundamentals has many knowledge points， strong theory and abstract concepts， and the knowledge points of each part are relatively independent. There are still many problems existing in the theoretical teaching and practical teaching process of Thermal Fundamentals. In view of these problems and shortcomings，  according to the requirements of new engineering and engineering teaching， the in-depth and comprehensive thinking and exploration have been targeted to carry out. This paper puts forward the teaching reform measure and plan of Thermal  Fundamentals on the basis of focusing on the cultivation of students' engineering application ability and innovation ability.  This teaching reform measure can meet the requirements of "new engineering" construction and talent training， and also provides some reference ideas for the teaching of Thermal  Fundamentals for mechanical specialty.

Key Words： Thermal Fundamentals and Hydrodynamics; Theory teaching ; Teaching reform; Machinery

根据2018年9月发布的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0意见》，高校明确了新工科建设的发展方向。自此教育部对新形势下高等教育教学和人才培养提出了更高的要求，重点推进新工科的发展建设[1]。随着科技的迅猛发展，在机械电子、冶金、机械制造、航空航天等领域热科学的应用越来越广泛，热科学成为各类人才工程素质培养的重要内容。《热工基础及流体力学》是一门传授热科学及流体力学基本理论及原理的重要理论课程[2]。《热工基础及流体力学》课程内容的设置为适应应用型人才培养的要求，着重于工科类人才基础知识、基本能力及综合素质的培养，能够实现以基础理论知识联系生活和工程实践，培养学生应用多种知识和技能解决实际问题的能力。

在国际形势错综复杂的当下，尤其是在很多产业遭遇“卡脖子”技术约束的背景下，需要紧跟国家能源发展战略，提高能源利用效率，积极推进《热工基础及流体力学》课程的教育教学改革，达成培养大学生的综合能力和创新思维的目的，进而提高大学生的综合素养，培养复合型、创造型人才，满足社会的发展和需求。

1 《热工基础及流体力学》课程特点

《热工基础及流体力学》课程由工程热力学，传热学和流体力学三个篇章构成，该课程知识点多、理论性强、概念抽象，但三个部分的知识点即相对独立，又联系紧密。该课程的主要内容包括：热能和机械能以及其他形式能之间相互转换规律、热量传递规律、流体宏观机械运动规律及其应用。教学目标是使学生在学习过程中有效掌握工程热力学、传热学和流体力学的基本概念和基本规律，并能够应用工程热力学、传热学及流体力学基础知识对各种热现象、热交换过程及相关流体运动特性进行分析，为培养和提高学生的实践能力和创新思维打下基础。《热工基础及流体力学》课程在机械类专业中占有重要地位，是机械类专业的核心专业基础课程。在机电类相关专业中《热工基础及流体力学》课程更显得尤为重要，由于在设备的设计和使用过程中大量存在能量转换、热量传递以及流体力学相关问题，大多机电产品在设计时都要进行传热设计或考虑热控制的问题，有时还要考虑流体的能量转化等问题[3-5]。该课程的学习有助于学生对热科学及流体力学方面的科学素养和科学思维方式的培养。

2 《热工基础及流体力学》课程理论教学及实践教学的现状分析

《热工基础及流体力学》是机械类专业的核心课程之一，课程涉及了工程热力学、传热学和流体力学这3个部分内容，其中《工程热力学》部分包含了热力学基本概念、热力学基本定律、几种工质、理想气体的热力过程、气体和蒸汽的流动、蒸汽动力循环和制冷循环等内容；《传热学》部分包含了热量传递的基本方式、导热、对流传热、辐射传热和传热过程与换热器等内容；《流体力学》部分包含了流體及其物理性质、流体静力学、流体动力学基础及粘性流体的管内流动等内容，三部分之间相对独立。在教学过程中存在的主要问题是课程涵盖内容多且相对独立，各个知识点分散不能达到系统化，安排的学时量较少，只有48学时，课程内容安排非常紧凑，导致学生不能够很好的理解和消化课堂所学内容。又由于3个部分都涉及到大量的专业术语及复杂繁多得公式，这导致了《热工基础及流体力学》这门课程不仅知识体系逻辑性强、概念抽象，还需要学生掌握数量庞大的公式以及学会必要的工程参数查表，因此课堂教学抽象枯燥，导致学生对知识的掌握难度大，缺乏热情。在《热工基础及流体力学》课堂教学中，在课程涵盖内容多而学时量少的情况下，教师注重的是学生对知识点的掌握程度，很少关注学生工程实际应用能力的培养，授课过程中缺乏工程实例的引用，很难激发学生的课上学习兴趣，达不到预计的教学效果[6-7]。

由于《热工基础及流体力学》课程具有极强的理论性、实践性、应用性和工程性，培养和提高学生解决实际工程问题的能力的途径，主要依赖于《热工基础及流体力学》课程的实践教学环节来实现的。但是在实际的教学活动中实验课学时量不足，甚至由于实验条件和学时安排的原因一些高校不开展“热工基础”实验课程，开设实验课程也仅仅被作为理论教学的辅助，实验课授课方式仍然采用传统的“教师在实验课上讲解设备结构，操作流程，注意事项，并给学生演示实验操作步骤，学生轮流模仿操作，课后写实验报告”的实践教学形式，《热工基础及流体力学》实验教学还面临着实验设备缺乏或不足的问题，因此实验教学过程中，经常会出现少数学生有机会操作，多数学生只能围观的现状，这使得大多数学生没有掌握实验操作步骤，甚至不了解设备或仪器的内部结构和工作原理，大幅度降低了学生的学习兴趣和学习热情，忽视了学生实践能力和创新能力的培养。导致学生很难将所学到的《热工基础及流体力学》相关知识与生活和工程实践相关联，不能做到理论联系实际，更无法达到学以致用的教学目的。

3 《热工基础及流体力学》教学改革措施的研究与讨论

针对《热工基础及流体力学》课程内容特点以及理论和实践教学过程中存在的不足，对课程教学方法和手段进行总结和思考，在注重学生工程应用能力和创新能力培养的基础上，提出“热工基础”课程的教学改革措施和实施方案。

3.1基于专业需求的理论教学方案调整

在机械类专业中开设《热工基础及流体力学》课程，首先遇到就是课程涵盖内容多，而课时不足的问题，这直接导致教学内容和知识点的传授难以实现面面俱到，因此解决课程内容多而学时少的矛盾是首要问题。首先以工程认证为标准制定本科生毕业要求，对课程目标和课程内容进行梳理，结合专业特点对课程教学内容进行调整和优化。针对《热工基础及流体力学》课程特点，采用一条主线贯穿始终的教学思路。以能量守恒为线索将课程内容融会贯通，形成一个整体。改变传统教学中将《热工基础及流体力学》课程当作三个独立部分的做法，在确保《工程热力学》《传热学》《流体力学》三个篇章各自特点的同时，将三个篇章联系起来，即统一又保持相对立性，使教学内容更具系统性。以社会热点以及学科前沿为导引进行讨论，提高学生学习主动性，建立科学思维方式，进一步提升学生解决工程领域中与热科学及流体力学相关问题的能力[4，7-8]。

3.2《热工基础及流体力学》课程教学方法和手段的改革

《热工基础及流体力学》课程主要是以教师为主引导课堂教学，学生被迫接受的模式，教学模式并没有得到根本的转变。由于《热工基础及流体力学》课程内容涵盖面广，学时设置少，单位时间学生接受信息量过大，学生被动学习，很难快速的理解和消化所学内容，在这样的情况下，学生失去了学习和探索的兴趣。为了让学生积极参与到课堂教学过程中，有效的改善教学效果，达到提高学生综合素质的目的，对《热工基础及流体力学》教学方法和手段进行改进。

3.2.1教学中加强教师的导学作用，以学生为主体，重视理论联系实际。

按照专业特点调整和安排教学内容和教学环节，针对难理解和难消化的知识点，安排习题课，在精讲多练的过程中对知识点进行反复强化和吸收。采用引导式教学，在教学过程中教师根据知识点精心设计问题，在知识点传授的过程中适当的时间提出相關问题，引导学生深入思考，带动学生才遇到课堂中来，即从传统的教师主导讲授的课堂转变为有问题、有思考、有讲解、有总结的互动式和启发式课堂教学模式。最大程度的调动学生学习的积极性和主动性，促使学生能够做到理论联系实际，针对实际问题进行思考并给出解答。

3.2.2有效利用信息化教学手段，采用多样化授课方法相结合的授课方式

由于《热工基础及流体力学》课程具有大量的专业术语以及复杂繁多的公式，知识体系理论性和逻辑性强、概念抽象难懂，还涉及到大量公式推导等特点，在实际教学过程中，需要采用多媒体教学和板书相结合的方法进行授课，充分利用信息化教学手段的直观性和生动性，设计并制作生动而丰富的多媒体教案，通过视频、虚拟仿真技术等手段，将像卡诺循环、热功转换、熵等抽象难懂的内容生动的展示给学生，使学生更容易接受、消化和理解晦涩难懂的知识点，以取得良好的教学效果。

3.2.3充分发挥网络教学平台的优势，实现多平台互补的课堂结构的改革

网络教学平台不但有课程教学大纲、教学进度、考核方式等教学资料，方便学生了解和查阅。教学平台还为学生提供教学课件、试题库等资源，学生可以根据自己的需要通过网络教学平台随时进行学习。学生可以通过网络教学平台对《热工基础及流体力学》课程进行课前预习和课后复习，在学习过程中遇到的难以理解和消化的问题在平台上可以随时向教师提问，实现学生和教师的良好互动，教、学双方都参与到教学过程中来，发挥了学生的学习的自主性。

3.3基于科技创新项目及竞赛的实践教学改革

在应用型本科教育的大背景下，实验教学是高校实践教育的重中之重，实验教学效果的优劣直接体现了高校人才培养的质量[9]。在新工科建设的背景下，开设《热工基础及流体力学》这门课程目的在于培养学生在工程设计过程中，采用热科学的思维方式，保证机械类工业设计的可靠性。《热工基础及流体力学》实验课程也同时保证了学生对所学习的理论知识进一步的理解以及巩固，锻炼学生实践设计能力和工业产品设计水平，以达到培养学生的创新能力的目的。

为了提高实验教学的效果，促使学生将理论知识与实践相结合，将科技创新类的活动以及科技竞赛加入到学生的实践学习中，将《热工基础及流体力学》与其他机械及电子类专业基础课程相结合，完成一个完整的工业产品设计，系统化的培养学生的创新能力和动手能力，最终提高工程教育教学质量。学生通常以小组形式开展科技创新活动及竞赛活动，推动教学、科技创新、比赛相结合的实践教学改革。

3.3.1开设创新型综合实践课程

面向全校开展科技创新型综合实训课程选修课，组织多学科及多专业的学生共同参与到科技创新项目中来，多学科交叉，可以实现知识互通互助的目的，共同完成课程设置的训练题目。以机电专业的工业机器人设计与应用为例，为了增加机器人的可靠性很稳定性，往往驱动电机设计时需要在保证散热的前提下，同时为了防止粉尘和液体进入需要对电机进行密闭，这时可以通过材料和结构的优化设计以及传热学相关计算，将机器人结构进一步简化，避免增加过多的散热系统。可以通过将热工知识和实际应用相结合的训练过程中，达成综合实践训练的效果和目的。

3.3.2鼓励学生积极参加学校组织的各类竞赛活动

2019年教育部发布文件《关于深化本科教育教学改革，全面提高人才培养质量的意见》，文中提到要实现以赛促教，同时以赛促学的目标，但是要理性参赛。选择与机械类专业具有较大相关性的比赛，例如互联网+大学生创新创业大赛，中国教育机器人大赛等等，在竞赛过程中涉及到《计算机辅助设计》《机电一体化技术》《热工基础及流体力学》《机器人技术》《单片机》等课程，能过达到以赛促学的综合实践实训的目的。一般参与竞赛的学生以大学二年级和大学三年级为主，大学一年级打好专业基础，大学二年级和大学三年级可以对所学的知识进行综合运用，这非常符合学生的学习规律。在整个竞赛过程中，学生需要学习和深化大量的相关专业知识，在团队中各自发挥作用，在这个过程中学生构建自身的优势，并确定自身的特长，在这一过程中，不但提高了学生的动手能力和逻辑思维能力，还大大激发了学生进行综合技能训练的积极性，培养团队协作精神，最终达成提高学生创新能力和实践动手能力的目的。

4 结语

综上所述，该文针对机械大类专业《热工基础及流体力学》课程在教学中出现的问题，提出理论课程和实践课程改革方案。通过理论教学内容的优化及教学方法的改进，有利于提高教学效果和建立学生自主学习习惯，让学生在实践的过程中进一步理解和掌握所学内容。通过创新性实践教学让学生掌握热科学的思考方式，创新性完成基础知识学习与实践技术相结合的学习过程，引导学习学习的自主性，为学生今后从事相关科研工作和解决实际工程问题奠定必要的热工理论基础。

参考文献