传热学课程思政建设方案与教学设计

张仙平,陈晓鸽,段敬民,徐金超,王 虹,张 垚,王 方

(1.河南工程学院 土木工程学院,河南 郑州 451191; 2.河南工程学院 人文政法学院,河南 郑州 451191; 3.中原工学院 材料与化工学院,河南 郑州 450007)

课程思政始于2014年上海的探索,形成于国家系列政策文件,2020年在《高等学校课程思政建设指导纲要》(以下简称《指导纲要》)指导下进入体系化构建阶段[1-2]。2017年后大量研究在学界展开,各高校及主管部门于2019年开始普遍开展课程思政项目建设[3]。作为落实立德树人根本任务的战略举措,全面推进课程思政建设对高校一线专业课教师来说责无旁贷。传热学是研究热量传递规律的科学,在科技和工程领域应用极为广泛,是建工、能源动力、航空航天、电力、机械、化工等许多大类专业的核心专业基础课[4-5]。在工科专业课程体系中,传热学的地位非常重要,师生普遍重视,做好课程思政能够发挥更大的示范引领作用。

安徽理工大学马衍坤等[6]对工科专业传热学课程进行分析,以“四个自信”为导向,立足“四个面向”,从“八个角度”挖掘思政元素构建案例库。南京航空航天大学谭晓茗等[7]以飞行器动力工程专业传热学课程为例,结合航空航天民航的专业特点,通过修订教材和教学大纲、设计“三步法”教学活动、梳理知识点挖掘思政元素等措施实施课程思政教学改革。华北电力大学高正阳等[8]以能源与动力工程专业传热学课程为例,从家国情怀大道理和三观、学习态度等小道理两方面设计传热学课程思政内容,收集整理国家大型工程中的传热问题作为实际案例进行爱国主义教育,梳理知识点进行小道理阐释,作者还建议思政环节及次数应合理设计。安徽工业大学楚化强等[9]以能源与动力工程专业的传热学课程为例,在每节课中设计思政融入点,通过穿插节日、人物、历史、生活、名言等探索课程思政育人机制。江苏大学张墨等[10]从教材、教学大纲、教案设计、课堂组织等多环节实施系统化课程思政,三方面设计思政融入、五角度探索教学案例。可见,当前一些高校在传热学课程思政教学方面开展了尝试,取得了较为丰硕的阶段性研究成果,但和其他课程思政类似,尚存在教师课程思政教学如何切实落地、课程思政元素如何恰当融入、课程思政体系如何高效构建等难点[11]。分析现有传热学课程思政文献,着眼于应用型本科高校的不多,针对建筑环境与能源应用工程(以下简称建环)专业的更少,大多从不同侧重点出发进行思政元素融入和教学设计,总体来看仍缺乏系统性、整体性。本文以建环专业的传热学课程为例,在应用型人才培养的总目标引领下,结合河南工程学院传热学教学团队的教学实践,探索课程思政建设路径,以期为同类课程提供一定参考和借鉴。

1 传热学课程介绍

传热学是河南工程学院建环专业的专业基础课,是核心课,第四学期开设的必修课,2015年以前为64学时,之后缩减为48学时,其中包含3个实验,共6学时。其理论性和实践性均很强,先修课程为高等数学、大学物理、工程热力学、流体力学等。传热学主要教学内容为热传导、对流传热、辐射传热、换热器等,内容多,知识点多,学时压缩本来对授课就带来了一定挑战度,这就要求思政融入必须精心做好顶层设计。

传热学是硕士研究生初试专业科目之一,根据统计,截至目前,河南工程学院八届建环专业毕业生参加硕士生考试的学生中,约70%的学生选择传热学作为初试考试科目。因此,对建环专业学生而言,学好传热学这门专业基础课程,可为后续专业课程的学习、考研深造和未来就业解决行业“卡脖子”问题打下坚实基础。

2 传热学课程思政建设方案

2.1 强化顶层设计,修订课程教学大纲,新增思政内容

课程教学大纲是教学的规范要求,是教师的教学依据,是学生的学习指南。河南工程学院加强顶层设计,2022版教学大纲首条编写原则就是“坚持立德树人”,凸显课程“育人”功能。与2019版课程教学大纲相比,增加了课程总的德育目标和每一章的思政元素。传热学教学团队分析研讨不同章节的特点,以爱国、爱党、爱专业为主线,找准思政映射与融入点,以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,凝练课程的核心价值观,坚持价值塑造、知识传授和能力培养三个目标融为一体。同时,体现“学生中心”“学为主”“学习效果为目标”“持续改进”的OBE教育理念,突出时代特色。德育目标:增强四个自信;牢固树立和努力践行社会主义核心价值观。知识目标:能够全面综合地描述实际问题的传热机理;能够陈述/解释传热基本定律的含义。能力目标:具备初步的传热实验技能,能够获取并分析实验数据;建立传热问题的物理及数学模型并求解;批判性地思考影响传热的因素。由此,形成本课程三维度教学目标。

2.2 课程思政实施路线

2.2.1 课程思政素材源

日常生活、工业和农业生产中传热现象随处可见,可挖掘或融入传热学课程的思政元素很多,若融入角度过多过细,胡子眉毛一把抓,会挤占本来就数量有限的总学时,也会造成与《指导纲要》的课程思政育人主线要求的偏差。2020年9月,习近平总书记在主持召开科学院座谈会时,提出四个面向,即面向世界科技前沿、经济主战场、国家重大需求和人民生命健康,二十大报告中继续强调,坚持这四个面向是加快实现我国高水平科技自立自强的方向和目标。把四个面向作为课程思政素材发掘源头,符合新时代新征程提出的新要求(见图1)。党的十八大以来,中国载人航天、深海深地探测、新能源技术、生物医药科技、装备制造等取得重大创新成果,中国全球创新指数排名从2012年的第34位上升至2022年的第11位,中国已进入创新型国家行列,正在加快跻身创新型国家前列。通过《大国重器》《超级工程》《大国工匠》等纪录片,把已进入并跑甚至领跑阶段的传热学相关科技介绍给学生,增强民族自豪感,激发家国情怀,让学生深刻体会到只有将个人理想融入国家追求与人民福祉,才能获得无穷力量和广阔发展空间。另一方面,我国还面临很多“卡脖子”技术,其根源就是基础研究薄弱,基础研究是科技创新的源头,而传热学就是基础学科,因此,瞄准世界传热学前沿科技,在学生心中播下立志攻坚瓶颈难题实现科技兴邦的种子。

图1 传热学课程思政实施路线图

2.2.2 课程思政案例库

根据《指导纲要》,传热学教学团队构建了五大模块课程思政教育案例库。以爱国爱党爱专业为主线,教学团队根据所设导入问题,基本上每次课选择优化融入一到两个思政元素,显隐结合,以隐为主,多维举措推进课程的育人任务。教学团队对思政案例库进行细化和优化,建成操作性较强的传热学思政教育案例库。

2.2.3 问题导向的案例法教学

贯彻以学生为中心理念,改革授课方式,体现应用型人才培养需求,采用问题导入,增加对学生的吸引力,提高学生的学习兴趣。贯通传热学专业基础课程与空气调节、供热工程等专业课程和工程实践,以专业课程和工程实践中经常遇到或出现的问题为牵引讲解知识点,进行科学设计,坚持问题导向,理论联系实际,加深学生对教学内容的理解,最终使学生真正掌握并融会贯通传热学基础知识。比如讲热导率的影响因素中是否受潮时,先给出供热工程这门专业课中所讲的室外暖气管道的横截面图片,并介绍管道保温层由内 到外分别是防腐层、保温层、防潮层和保护层,提出问题为什么要在保温层外敷设防潮层?然后再讲解是否受潮对材料热导率的影响,带着问题传授知识,把枯燥的专业知识和工程实践相结合,加深学生对知识点的理解,提高学生学以致用的工程能力。

传热学是学生考研初试主选课程之一,教学团队在授课过程中坚持把各高校考研题尤其是与工程实践关联度大的题目融入知识点讲解,帮助学生熟悉考研题目类型,深化对知识点的理解和掌握。学科竞赛是培养学生创新能力的有效抓手,授课过程中通过插入人环奖、大学生制冷空调科技竞赛、BIM应用技能大赛等学科竞赛的传热学题目,引导学生关注学科竞赛,激发学生参赛热情。

采用开篇案例法、问题案例法和综合案例法将课程思政案例以润物细无声的方式融入专业知识点,打造沉浸式课程思政教学,“抓好点”,避免课程思政生硬化、任务化、数量化,避免为了思政而思政[12]。

3 传热学课程思政教学设计

3.1 社会主义核心价值观教育

党的十八大提出二十四字社会主义核心价值观,分国家、社会和个人层面价值目标。传热学课程组主要围绕公民个人层面“爱国、敬业、诚信和友善”价值准则开展课程思政元素融入育人教育。

绪论是传热学课程的第一次课,开篇讲得是否出彩,直接关系到能否引起学生的学习兴趣。爱因斯坦说过“兴趣是最好的老师”,因此,精心设计好第一次课,开好第一扇门至关重要。潜移默化融入思政元素,有助于点燃学生的学习兴趣,激发学生的学习自觉性和积极性。在绪论课中除了要讲清楚本课程的知识框架、在专业课程体系中的地位与作用,从河南工程学院应用型人才培养定位出发,还要讲本课程的应用,再结合建环专业,重点讲述传热学在建筑及暖通空调系统节能领域的应用。通过线上平台将建筑及暖通空调系统节能的视频、学术论文、国家和河南省关于双碳战略的政策文件等资料推送给学生,并提出两道思考题:①建筑及暖通空调系统的节能方式主要有哪些?②建筑及暖通空调系统能耗和双碳战略有什么关系?让学生带着问题预习。

上课时随机提问,一方面检查学生预习情况,另一方面在点评讨论时着重强调,建筑业是我国经济的支柱和富民产业,但建筑业也是耗能大户,2018年建筑全生命周期能源消耗占全国总能耗的46.5%,碳排放占全国的51.2%;在建筑中,暖通空调系统能耗又是大户中的大户,其在公共建筑中的能耗占比为40～50%[13]。由此引入国家双碳战略目标,立足国家重大需求,让学生认识到建环专业肩负国之重任,提升学生的专业使命感、责任感和归属感,培养学生在校爱专业出校爱事业的敬业情怀。2023年2月中共河南省委、河南省人民政府印发《河南省碳达峰实施方案》中提到“建筑”二字53次,明确提出“加快优化建筑用能结构”,推行热电联产集中供暖、热泵和地热能等清洁低碳供暖。通过政策解读,让学生深刻理解绿色低碳是新时代暖通行业主动融入地方双碳战略部署的不二选择,而暖通空调系统的多种节能减排技术如太阳能利用、能量回收、高效换热设备开发等都离不开传热基础理论的支撑,激励学生学好传热学,打好基础,用专业知识回报社会。另一方面,以身作则引导学生在衣、食、住、行等方面养成勤俭节约、节能环保、绿色低碳的好习惯,比如夏天室内空调温度设置不低于26 ℃,能使用自然通风时尽量使用自然通风,最后离开教室时做到人走灯灭,多维度助力国家和地方碳减排行动。

3.2 习近平新时代中国特色社会主义思想教育

习近平新时代中国特色社会主义思想内涵丰富,系统完整,逻辑严密,党的十九大、十九届六中全提出的“十个明确”“十四个坚持”“十三个方面成就”概括了其主要内容。传热学课程主要围绕不断坚定“四个自信”进行习近平新时代中国特色社会主义思想凝心铸魂教育,通过在知识点中有机融入相关思政元素,引导学生了解世情国情党情民情,在政治上、思想上和情感上增强对党的创新理论的认同感。

第一章导热理论基础,在讲解热导率前,提出思考题:气凝胶为何可以用作航天飞行器的隔热材料?让学生通过课前预习线上平台的气凝胶科普视频和空天技术热防护学术论文,总结出气凝胶的优点,即极高的孔隙率,极低的密度,极高的隔热性能,可耐1 000 ℃以上火焰喷射和-196 ℃液氮。学生分组讨论为何气凝胶是目前热导率最低的固体材料,并选派代表回答问题,然后教师总结其机理在于独有的微孔结构和骨架形态。结合绪论所讲知识,由于气凝胶的网状骨架无限延长,使得沿骨架的导热路径或厚度无限长,导热热阻无穷大,因此骨架的固相导热量无限小;气凝胶的孔径约20～50 nm,小于空气的平均自由程70 nm,空气分子热运动能力大大降低,因此气体分子的气相导热量也无限小。气体分子失去自由活动能力而附着于微孔壁,零对流,近乎真空状态,因此对流传热量无限小。再简要提及第九章辐射传热计算中的遮热板知识点,气凝胶的无穷多孔壁相当于设置了无穷多块遮热板,因此辐射传热量也削弱到近乎最低极限。通过一个问题,关联前后章节的知识点,起到承前启后的作用,又举例验证了绪论里讲到的,在实际工程中,不是仅仅应用某一个传热方式,往往是多个传热方式联合起作用。

航天飞行器返回大气层时飞行速度为8马赫数,头锥温度可达1 800 ℃,因此,航天器的热防护材料,特别是载人航天飞行器的隔热材料对我国空天技术发展至关重要[14]。通过学生自学和课堂分组讨论与总结,立足世界科技前言,让学生感受我国从建国初期一穷二白到如今迈向航天强国的自豪和骄傲,坚定四个自信,提振实现中华民族伟大复兴中国梦的信心和决心。神舟飞天,从2003年神州5号首次载人在轨一天到2022年神州十五号将第三次在轨飞行6个月,还有天宫落成,嫦娥奔月,天问探火,北斗联网,这种辉煌的跨越式发展离不开我国航天科研院所和高校科研人员对隔热材料的不懈研发[15]。值得一提的是,在无任何经验可以借鉴的情况下,原郑州大学申长雨团队研制的宇航服头盔航天面窗成功应用到神舟七号、神舟九号宇航员舱内服上,经受住了太空中从阳光直射面的100 ℃到背阴面的-100 ℃的温差、太空辐射等[16]。中国航天事业发展史彰显了自力更生、自主创新的中国力量,让学生明白只要发扬“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神,发挥集中力量办大事的制度优势,中华民族完全有能力在世界任何高科技领域拥有话语权。本章节的课程思政教学设计见图2。

图2 导热理论基础章节的课程思政教学设计

第五章对流传热理论基础,在讲解对流传热类型前,提出思考题:生活、工程中有哪些温控过程?通过观看纪录片《动力澎湃》第一集燃烧的力量中重型燃气轮机高温叶片的创新制造,从而保证能在1327 ℃高温下正常工作;第二集绿色的脉动中白鹤滩水电站水泥温度的智能温度控制系统,埋设水管自动接通冷水以对流传热的方式给坝体降温,解决了无坝不裂的世界难题,让学生了解中国工程师在大型工程中创新性解决问题的思维和胆识,加强创新型应用型技能型人才的培养。

3.3 中华优秀传统文化教育

中华优秀传统文化是中华文明的智慧结晶,博大精深,源远流长。本文主要围绕精神形态上的中华优秀传统文化,即中华民族精神融入思政元素,比如天人合一、自强不息、团结统一、家国情怀等。

第四章导热数值解法,讲解之前,同样布置两道思考题:①传热数值模拟软件有哪些?②国内的传热数值模拟软件你熟悉的有哪些?通过学生自己查阅资料和预习学习通里关于数值传热和工业软件的学术论文、新闻报告等资料,引导学生以我国的国际数值传热学知名专家陶文铨院士为楷模,发扬中华民族精神之西迁精神,围绕国家重大需求,追求科学,淡泊名利。陶文铨院士团队多年深耕数值传热学和强化传热的研究与教学,使得我国在流动与传热的多尺度模拟领域的研究已处于国际前沿[17]。但更需认清现状,当前传热数值模拟领头软件均为发达国家,比如美国的ANSYS、德国的Star CCM、瑞典的Comsol等,国产软件几乎名不见经传。目前,中国整个工业软件的总体情况是数量多但质量不高,缺乏行业主导力,与国外软件相比还有较大差距[18]。

工业软件是智能制造的大脑和灵魂,我国在国家层面已经开始谋划布局,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》等多个重要文件均强调,要构建国产软件产业体系。河南工程学院贯彻河南省委“设计河南”决策部署,已于2022年4月启动工业软件头雁计划,同年8月获批省级重点支持建设工业软件学院[19-20]。专业学科建设、课堂教学应主动融入到国家、地方重大决策部署,区域经济发展支撑上来,顺势而为,与学校事业发展战略保持同向同行。引导学生首先熟练应用现有软件,同时深刻理解制造业是实体经济的主战场,工业软件又是制造业数字化转型的主战场。中国目前没有领先世界的自主可控的智能制造工业软件,是中国制造业强国之路上的最痛点最难点。当今,国际竞争日趋激烈,不掌握核心技术必然受制于人,进而以2023年春节档电影《满江红》饱含的奋发图强、矢志复兴的家国情怀激励学生坚定工业软件崛起信念,让青春在奋斗中闪光,在实现中华民族伟大复兴的中国梦中焕发光彩。

3.4 宪法法制教育

宪法法治教育的实质在于守法教育,通过典型工程案例分析,增强学生的法律意识,牢固树立法制观念。在从事专业工作的过程中,养成自觉遵守法律的行为习惯。

在不同章节穿插典型工程事故案例,提出思考题,和学生共同探讨分析事故背后的原因,增强学生的法律意识,精益意识,细节意识,质量意识。比如第三章非稳态导热,引入航天飞机案例。2003年美国“哥伦比亚号”航天飞机返回大气层时解体,7名宇航员殉职。有针对性地布置任务,让学生查阅资料,寻找原因在哪,上课时讨论。根据资料调查,航天飞机解体的原因很可能是航天飞机左侧机翼前缘的一块隔热瓦受损,导致航天飞机难耐由于高速摩擦产生的1 400 ℃高温气体而酿成惨剧。通过事故分析,强化学生的法制意识和细节意识,尤其是极端环境下的工作来不得半点马虎,否则损失惨重。

第七章沸腾传热,以应用为导向,引入锅炉爆管案例。我国电站锅炉爆管的主要原因有超温、腐蚀等,70%的火力发电机组停运是由于锅炉爆管导致,轻则导致经济损失,重则人员伤亡[21]。借此案例强化学生理论指导实践,指导实际工程的能力,同时要增强法律意识、敬畏意识,塑造良好的职业操守。

分析河南工程学院截止目前十届已学过传热学的本科生的学情,普遍基本计算能力有待提高,作为应用型本科高校着力培养的应用型人才,具备计算能力是最基本的要求,其直接关系到工程设计的质量。在第二章稳态导热计算题讲解时,引入典型工程事故案例,让学生明确设计阶段的计算错误是导致高大模板支架、深基坑工程、钢结构等建筑施工事故的主要原因之一,事故频发,损失巨大,甚至要追究刑事责任[22]。引导学生牢固树立法律观念,心存敬畏,讲规矩,守底线,强化质量意识。

3.5 职业理想与道德教育

教育引导学生深刻理解暖通空调制冷行业的职业精神和职业规范,增强职业责任感,培养遵纪守法、爱岗敬业、无私奉献、诚实守信、公道办事、开拓创新的职业品格和行为习惯。

第十章传热和换热器,在讲授强化传热知识点时,首先明确强化传热方法众多,有被动强化传热方式和主动强化传热方式之分,强化传热的同时往往伴随着流动阻力的增加,运行费用随着阻力的增加而增加;因此,在实际工程中,对强化传热要综合评价,坚持系统观念,培养辩证思维。当前,笔记本电脑、台式电脑、空调等老百姓日常用的涉及传热的设备尺寸越来越小,得益于强化传热的研究成果及其应用。因此,学好基础学科,为未来从事造福人类的工作夯实基础。为了进一步提高学生对计算能力的重视和认识,在讲解第六章单相流体对流传热的计算题时,引入钱学森著名的“96分故事”,学习老一辈科学家严于律己,对待学习和科学研究一丝不苟、虚心诚实的可贵品质。

4 传热学课程思政教学评价

有考核、有量化可以提升课程思政的育人效果,但课程思政是潜移默化融入专业知识点,单独进行量化考核显然有难度,违背了课程思政的初衷,也不符合《指导纲要》的要求。传热学课程每个思政案例都设有相应的导入问题,并提前发布在线上平台,对学生的作答情况和课堂上的表现进行有效评价和回复互动,从而激发学生的学习积极性和主动性。该类问题一般是开放性问题,没有统一标准答案,学生可以在线上写出对典型优秀工程案例、纪录片、优秀人物、工程事故案例等的心得体会,促使学生主动思考,梳理所想所思,所悟所感。通过教师的精心课前教学设计、课中自然融入和课后及时互动交流,帮助学生把传热学知识体系中所蕴含的丰富的思想价值和精神内涵内化为坚定信念,外化为实际行动。

5 结语

课程思政是新时代对传热学课程教学的必然要求,做好顶层规划方案和教学设计对提升育人效果至关重要。本文以建环专业传热学课程为例,结合河南工程学院应用型工业软件特色发展的实际,梳理课程知识体系,围绕爱国爱党爱专业主线,主要从四个面向深挖思政教育元素,构建五大模块课程思政案例库,进行习近平新时代中国特色社会主义思想、社会主义核心价值观、中华优秀传统文化、宪法法制和职业理想与道德教育,加强课程思政教学评价和考核,在知识传授中开展价值引导,实现价值引领、知识传授和能力培养三位一体推进,落实三全育人机制。