工程教育认证背景下热工基础课程教学改革研究

[摘 要]为适应工程教育认证对应用型人才培养的要求，文章阐释了机械设计制造及其自动化专业热工基础课程的目标，根据复杂工程问题能力培养的要求优化了教学内容，探讨了面向应用型人才需求的课程考核方式，制定了期末考核方案，提出了基于实践和创新能力提升的实验设计方法，利用专业教学案例分析了课程体系改革的成效，指出了存在的问题并提出改进的措施。课程体系建设方法对提升课程教学效果及目标达成度具有指导作用。

[关键词]热工基础;课程目标;实验设计;达成度

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2023）03-0072-06

引言

热工基础是机械设计制造及其自动化专业（以下简称“该专业”）的一门工程基础类课程[1]，主要讲述热量的传递、热能与机械能转换规律，由热力学和传热学两部分构成。热力学主要讲授三大定律、热力过程及其应用，传热学主要讲授热传导、热对流和热辐射的基本原理及数值计算方法[2]。我国的工程教育认证工作经过多年的发展，认证的三大理念被广泛认同，专业的持续改进促成了专业培养方案的不断优化以适应应用型人才培养的需要，并按照要求定期进行课程体系设置。在开展认证前，一些高校的该专业未开设热工基础课程，课程体系不够完备，认证开展后相关高校加强了该专业课程体系建设，如安徽工程大学机械工程学院于2015年按照认证要求进行了第一轮培养方案修订，在机械类专业开设了热工基础课程（两个学分），课程共有32学时，其中理论教学为28学时、实验教学为4学时。课程贯彻了重基础、强实践的培养理念，着力培养学生的实践应用能力和热工过程分析能力[3]。根据专业课程知识点的延续性，将课程安排在第6学期，先修课程为理论力学Ⅱ、材料力学、工程流体力学和大学物理等，后续课程为机械制造学等专业课和实践课。

一、工程教育认证背景下课程目标和教学内容设计

（一）针对复杂工程问题能力培养的课程目标构建

工程认证将毕业要求设定为12个大项，每项对应2至4项指标点，不同的基础课和专业课分别对应不同的指标点。按照工程教育认证对课程的要求，课程可设置两个目标，对于该专业的毕业要求“工程知识”和“问题分析”具有支撑作用[4]，课程目标及对应支撑的指标点如表1所示。

（二）注重热工原理应用的教学内容设计

热工基础课程所涉及的工程热力学和传热学如单独设置课程，占用课时势必增加，工程认证要求专业总学分控制在180学分以内，故将这两门相互联系的课程合并为一门课程讲授[5]，根据课程目标，合理地选择教学内容，重点讲授热力学和传热学的基本原理及规律，结合专业特点和要求，主要偏重于熱力学部分，教学内容设计如表2所示。

二、面向应用型人才培养目标的课程综合考核方式的制定

（一）综合考核方式建议

课程最终成绩由平时成绩和期末成绩构成，两者分别占比30%、70%。平时成绩由课后作业、实验、课堂表现等部分组成，三部分各占总成绩的10%。期末成绩主要考察对热力和传热过程的分析和解答能力，以计算题为主，少量以作图题形式出现，如考察热力过程分布规律时，要求能在P-V和T-S图上熟练表示。

（二）期末考核知识体系构成

（1）热力学第一定律

重点考察开口和闭口系统的能量方程，同时考察对热力学能、推动功、流动功和焓等基本概念的掌握。例如，以输气系统充气为知识点出题，已知输气管路气体的温度和压力等状态参数、被充气系统的气体初始温度、压力和容器体积，求解将被充气系统气体的状态参数上升到一定值时输入的气体量。既考核了能量方程的应用、又检查了对热力系统总能与热力学能关系的理解，是热力学的一个典型工程应用。

（2）气体和蒸汽的性质

主要考察点包含两个方面，第一考察点为利用真实比热容、比热容直线式、平均比热容表和气体热力性质表等多种方法来计算热量;第二考察点为进一步利用多种比热容法来计算理想气体在状态变化过程中热力学能、焓和熵的变化量。

（3）基本热力过程

主要考察四个典型热力过程的温度、压力和比体积的变化规律，会求解热力学能、焓和熵等三个状态栏的变化量及过程热量、过程功和技术功等三个过程量数值，能够在P-V和T-S图上画出四个典型过程及任意热力过程，能描述热力过程的状态量和过程量的变化。

（4）热力学第二定律

主要考察卡诺循环净功和热效率的计算、可逆过程和不可逆过程的熵变规律。可以热泵或者制冷装置为例，讨论装置是否能实现既定的供热量或者制冷量，求解所能实现的最大供热量或者制冷量。

（5）传热学方面

主要考察三大热传递方式的基本方程和边界条件、不同结构的热传递建模、计算传热量。

三、基于实践和创新能力培养的课程实验设计

虽然实验在课程考核成绩中占比很小，但对于培养学生的工程实践能力和加深学生对热工原理的理解作用很大，更重要的是通过实验可以促进学生对课程的整体认识，激发学生的学习兴趣，从而提高其他考核内容的达成度，因此要对课程的实验方案详细设计。

（一）空气绝热指数测定

1.实验目的和实验装置

该实验目的是考察对热力过程原理的理解及了解绝热指数的测定方法，左边为介质为水的U形管测压计，右边为绝热材料组成容器，容器内空气与外界短时间内交换的热量忽略不计，上面带有三个气阀，最右边气阀连接充气气囊，最左边气阀连接U形管测压计，中间气阀用于导通容器与外界。

2.实验步骤

首先打开三个气阀，通过中间气阀使容器与外界导通，容器内气体的状态参数和外界环境一致，然后关闭中间气阀;通过气囊给容器充气，容器内气体压力增加，U形管测压计水柱上升到一定位置后，停止充气，记录水柱高度差，此时标记为状态1;迅速打开中间气囊并关闭，在瞬间容器内气体经历了一次绝热膨胀，再次记录水柱高度差，此时标记为状态2;将容器静置1小时以上，经过缓慢热交换后，认为容器内气体和环境气体温度相等，再次记录水柱高度差，此时标记为状态3。

3.数据处理

根据每个状态的水柱高度差可计算出气体压力，由状态1至状态2，气体经历了绝热过程，利用过程方程：

（1）

再利用理想气体状态方程[6]：

（2）

将三个状态分别列状态方程式，再利用状态2和3的比体积相等、状态3和1的温度相等，可求得式（1）中的状态1与2比体积比等于状态3与1的压力比，由此可得：

（3）

将三个状态压力代入后，即可求得绝热指数，最后可对求得的数值和书本上给出的标准值对比进行误差分析，整个实验完成。

（二）空气定压比热容测定

1.实验目的和实验装置

比热容和温度相关[7]，该实验目的是了解比热容测定原理、比热容的计算方法并发现比热容随温度的变化规律，设备包括鼓风机、流量计、加热器和比热测定仪，鼓风机将空气吹入加热器加热，通过流量计测定体积流量，比热测定仪上显示加热过程中空气的温度、加热功率。

2.实验步骤

实验过程至少需要4名学生配合，其中1名学生负责计时、1名学生负责记录流量计的指针转动圈数、1名学生负责读取加热内空气温度、1名学生负责记录数据。事先选定几组空气终了温度，比如40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃，记录相关数值。通电后从比热测定仪上记录空气的初始温度，打开鼓风机，再打开比热测定仪对空气进行加热，迅速将功率调整到一定值，同时开始计时。第1个终了温度到达时，第1名学生要立刻报出温度，第2名学生报出时间，第3名学生报出流量计圈数，第4名学生做好记录，后面几个终了温度到达时，重复这个步骤。

3.数据处理

流量计每转一圈，空气流过5升，根据时间和圈数，可算出体积流量，再根据理想气体状态方程，可算出质量流量。根据质量流量、加热器功率和初终态温度差，就能分别算出由初始温度到各终了温度的平均比定压热容。建立初终态平均温度作为横坐标、平均比定压热容为纵坐标的坐标系，将上述数据点标在坐标系中，对数据点拟合，绘制出直线。根据平均比热容直线式的表达形式（式4），从图中可以求解常数a和b，从而求解出空气定压比热容的直线式，完成了实验。

（4）

四、课程体系改革成效案例分析及启示

（一）案例概况

以安徽工程大学该专业为例，以第一轮人才培养方案修订前的2014-2015学年和修订后的2017-2018学年为例，2014-2015学年该专业大三学生共计183人，2017-2018学年该专业大三学生共计247人，从卷面成绩来看，学生对热力学基本定律和原理的理解较为透彻。大多数学生对过程功、热力学第一定律基本方程的应用、过程热量及常见状态参数的计算掌握得较好。部分学生对典型热力过程的计算、热力过程的综合分析及其在P-V图及T-S图的表示方法还有待加强。

（二）达成度分析

两个学年的课程达成度情况如表3所示，2017- 2018學年的平时成绩目标达成度比2014-2015学年低，原因在于在培养方案修订前，平时成绩的考核体系不够完善，作业量偏少、难度偏容易，不能完全反映出目标达成情况，培养方案修订后对此进行了改进，加大对作业和课堂表现的考核。2017-2018学年期末考试的两个目标达成度均比2014-2015学年提高了10%以上，且都超过了6%。综合期末和平时成绩情况，两个学年的目标达成度对比如下页图1所示，2014-2015学年目标1达成度、目标2达成度和综合达成度分别为0.73、0.53和0.69，2017-2018学年目标1达成度、目标2达成度和综合达成度分别为0.81、0.67和0.73，可见在课程改革后，课程目标达成度得到了提高。

（三）存在的问题及改进措施

从课程目标的达成情况来看，课程目标1的达成情况较好，课程目标2的达成情况偏低，主要是期末考试的达成情况不够理想，从卷面上分析，学生对正向和逆向循环的P-V图和T-S图的规律掌握得不够好，对典型的基本热力过程的曲线分布特征了解不透彻，对热力过程的综合分析理解及其在P-V图及T-S图的表示方法还要加强，可从下面两点进行改进。

一是进一步加强课程的互动，及时了解学生的学习薄弱环节，对热力循环和热力过程的分析与作图都引入工程性案例来帮助学生理解，提高学生解决工程问题的能力。

二是合理分配教学时间，对热力学基本原理的难点要仔细讲解，注重细节问题，同时鼓励学生自学热力学基本概念等较容易的知识点。

五、结语

工程教育认证强调以学生为中心，围绕培养目标和学生毕业要求的达成进行资源配置和教学安排，并将学生和用人单位满意度作为专业评价的重要参考依据;强调专业教学设计和教学实施以学生接受教育后所取得的学习成果为导向，并对照毕业生核心能力和要求，评价专业教育的有效性;强调专业应建立有效的质量监控和持续改进机制，能持续跟踪改进效果并用于推动专业人才培养质量不断提升。

工程应用型专业人才应具有系统理论的基础知识、优良的实践能力和良好的创新意识，运用工程理论和技术手段去实现工程目标，这类人才糅合了学术与技能、工程与技术。

课程体系建设对于贯彻落实工程认证理念和推动面向应用型人才培养质量具有重要的意义，本文从教学内容、考核方式、考核要点及实验设计等方面，对热工基础课程体系进行了优化，并通过教改前后的相关案例分析了教学成效，综合达成度有了进一步的提高。可见，在课程建设过程中，要不断地优化课程体系，以课程目标的达成度为抓手，提高学生的工程创新与实践能力。

[参考文献]

[1]蔡佳佳，袁银梅，张超，等.机械类热工基础课程教学改革研究与实践[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2020（3）：73-75.

[2]杨浩.大学本科机械类热工基础课程建设与教学改革思考[J].中国教育技术装备，2020（19）：97-98+107.

[3]徐青，凌长明.热工基础课程教学改革研究[J].湖南人文科技学院学报，2015（1）：114-117.

[4]王芳，吕明，王瑞金，等.面向工程教育专业认证的《热工基础（乙）》教学大纲改革[J].教育现代化，2017（28）：49-50+65.

[5]张学民，李银然，王英梅，等.工程教育认证背景下“热工基础”课程教学改革初探[J]. 教育教学论坛，2021（28）：72-75.

[6]常国峰，崔贤.不同环境因素对空气绝热指数测量误差的影响[J].实验室科学，2021（3）：31-35.

[7]苑伟民，杨文川，廖天昊，等.理想气体比热容计算公式的对比研究[J].石油工程建设，2021（2）：25-29.

[作者简介]孙铜生，安徽工程大学机械工程学院教授，博士，研究方向：机械优化设计。

[责任编辑 韦志巧]