基于专业认证的热工基础课程教学改革探究

王咏梅, 雒 琦, 牟晓斌, 田 斌, 黄晓鹏

(甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

能源是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础,当前我国通过热能形式被直接或间接利用的能源占总能源利用的90%以上。“热工基础”是专门研究热能利用的基本规律、提高能量转换经济性的技术途径以及热能利用过程和其他热现象中热量传递规律的一门专业基础课,被广泛应用于能源、动力机械、电力、冶炼、化工和航空航天等专业领域,在工程教育中占有举足轻重的地位。工程教育专业认证作为高校本科工程教育质量的保障制度是国际通行的[2]。我国于2005年开始试行工程教育专业认证,次年正式加入《华盛顿协议》,这表明我国的工程教育认证体系被国际认同,我国的高等教育走向世界。当前,几乎所有的高等院校都以饱满的热情积极加入工程教育专业认证之行列。对机械类专业而言,工程教育认证体系把加强热工类课程建设作为必要条件提出[3]。这说明热工基础知识是机械类各专业人才工程素养的重要组成部分。自20世纪80年代以来,欧美国家已把“工程热力学”和“传热学”作为机械类专业的必修课程。由何雅玲教授等[4]对近年来工业发达国家20多所知名高校中热工课程的调查可知,该课程在机械工程系、材料系、核能工程系、化学工程系等广泛开设,一些学校甚至将其作为公选课在工科院校推广[4],如美国Iowa State University工学院在某年开出热力学Ⅰ、热力学Ⅱ、传热学和热流系统设计4门热工课程,占非基础课程的5%。通过对国内外农林类高校同类专业课程设置和毕业生就业市场人才需求的调查,甘肃农业大学在2019年机械类专业人才培养方案中修订或增设“热工基础”课程。为了完善专业课程体系建设,适应工程教育专业认证对应用型创新人才培养的要求,本文着眼于甘肃农业大学热工课程传统教学中出现的漏洞和不足,就教学内容、教学方法、课程考核和实践教学改革提出一些建议。

1 目前教学中存在的问题

多年来,甘肃农业大学农业机械化及其自动化、机械制造及其自动化和车辆工程等专业方向均开设热工基础课程,其主要内容为热工技术理论基础,涵盖工程热力学(Engineering Thermodynamics)和传热学(Heat Transfer)两篇。课程内容多、概念繁杂易混、理论抽象难懂、工程应用性强,并且涉及大量的理论公式推导和状态参数列表及线算图,其研究方法既有经典热力学宏观方法,也有理论分析、数值计算和实验研究相辅相成的方法。学习目标在于培养学生研究热学问题的科学思维方式和工程素养。在传统教学思维的桎梏下,该课程教学长期存在较为突出的弊病。

1.1 课程内容方面

构成热工基础课程的工程热力学篇和传热学篇原本是两门相互独立的科目。热功转换必须遵循的热力学第一定律和第二定律是工程热力学的理论基础;工质的热力性质、热力过程和热力循环、热机与制冷装置的工作原理以及提高其热效率或制冷系数的技术途径,是工程热力学的主要研究内容。所有热能利用都伴随着传热。热量如何从高温热源转移至低温热源,怎样优化和控制传热过程以最大限度地降低可用能的损耗,这些属于传热学的研究范畴。该课程内容偏多,且与流体力学和高等数学紧密相关。但目前针对甘肃农业大学机械类专业设置的热工基础课程仅有32学时的理论教学。在如此受限的时间内完成诸多内容的讲授,时间紧迫,且无相关的实验和实训教学来辅助理论学习,学习过程既仓促又枯燥,教学效果欠佳。

1.2 教学方法方面

1.3 教学考核方面

课程考核在教学活动中至关重要,它是衡量教师教学质量和教学效果的重要尺度,是检验学生学业知识水平的必要措施。合理有效的考核方法不仅能激发和鞭策学生积极主动学习,还能及时发现并矫正教学过程中出现的诸多问题,实现“教学相长”。当前热工基础课程的考核权重明显倾向于期末闭卷考试,综合成绩以“平时成绩×30%+末考成绩×70%”的方式计算。其中,平时成绩一般仅考虑学生的上课考勤和课后作业质量。这样考核的弊端在于强调基本理论与记忆性内容的考察,忽略对学生实际应用的能力考核;考核形式单一,存在“末考定成败”的突出问题,缺乏来自不同教学活动的过程性考核,难以全面、客观、准确地评判学生的学习行为和学习效果;课程考核的优劣只出自教师而搁置了学生的主体意识和自我评价。考核评价丧失其导向、反馈、激励、调节的作用,导致学生“重理论,轻实践”、“重知识,轻能力”、“重结果、轻过程”[5]。

1.4 实践教学方面

长期以来,甘肃农业大学热工基础课程教学计划中的实验教学时数为0。如前所述,该课程许多概念和理论抽象难懂,在教学过程中若只是纸上谈兵,而无演示、验证、设计或创新性实验来夯实对理论知识的理解应用、激发学生的学习兴趣、养成勤思考爱动手的习惯,何谈“实践出真知”。加强理论联系实际,通过实践创新教学活动引领学生以积极探索的求真创新意识发现问题和解决问题,注重其创新能力的培养,这是教育改革的核心任务。

2 课程改革方法

为解决好目前教学中存在的上述问题,本文从以下几个方面阐述“热工基础”课程的教学改革方案。

2.1 优化教学内容

由于课时数相对较少,作为非能源动力类专业,必须要结合专业特点和人才培养目标对热工教学内容进行合理取舍。我们要依据2015版工程教育专业认证体系中对高校本科生的毕业要求[6],通过社会调研,剖析热工课程目标、学习内容和学生毕业要求之间的关联度,构建以热能利用和热机工作原理为背景、以能量守恒定律为基础的完整课程体系。融会贯通各部分教学内容,将“工程热力学”和“传热学”知识有机结合,使学生能够位于高处从学科角度系统学习课程内容、理解具体问题。以基本概念、基本定律和基本原理为中心,夯实理论基础,强化拓展应用。同时,教学内容要为后续专业课程及科研训练做铺垫,展现相关的科研成果及前沿热点问题。例如,对于车辆专业,热工课程的工程热力学篇聚焦于汽车发动机的热效率及其提高途径,传热学篇则围绕汽车发动机和散热器的热量传递展开;对于农业机械化及其自动化专业,工程热力学内容侧重于农机设备热能的动力利用或直接利用效率,传热学则倾向于机械装置与接触介质之间的传热传质问题[7]。

2.2 教学方法的改革

为了提高教学效果,优化教学质量,加强学生能力和素质的培养,必须对传统的教学方法进行改革。

2.2.1 以工程应用为背景,开展启发式教学

《学记》曰:“道而弗牵,强而弗抑,开而弗达”[8]。道而弗牵,师生关系才会亲和融洽;强而弗抑,学生才会求知若渴;开而弗达,学生才会独立思索积极探究。在开课绪论中要引导学生解惑“热工基础学什么?”。我们以工程应用为背景,指出提高热能动力装置(即热机)的经济性(或热效率)是学习的核心问题。那么提高热机经济性与哪些因素有关?通过提问启发使得学生明白,热机能量转换不能违背热力学第一、第二定律,其热效率与工质的热力性质、热力过程和热力循环紧密相关。另外,一切热机的热效率不可能达到100%,耗散效应不可避免,即热机的工作过程自始至终伴随着热量的传递。由此引出热量传递的基本方式,即热传导、热对流和热辐射。这样,完整的课程教学体系就在教师循循诱导中清晰呈现。

在教学过程中要加强教师的导学作用,重视理论联系实际,围绕专业的特点和工程应用安排各个教学环节。这就要求教师能够依据教学具体要求,结合工程或生产生活实例,提出独特、新颖、贴近学生生活或认知的、使学生感兴趣的问题,触发学生的求知欲望和学习潜能。 比如,在传热学引言中曾这样设问:人体通常为恒温,若室内温度在夏季和冬季都维持20℃,那么在冬季与夏季人在室内所穿衣服可否一样?在多层平壁导热章节中也曾这样设问:在玻璃窗的大小、玻璃厚度及室内外的对流换热条件都相同的条件下,双层玻璃窗的散热损失为什么要小?增大空气夹层的厚度可否增强双层玻璃窗的隔热效果?问题提出后,教师启发引导学生利用已有的知识和经验,相互讨论探知正确答案。教师针对学生的讨论情况,引申出相关的教学重点和难点作详细的讲解,使学生完成理论学习和问题解答。

2.2.2 丰富教学资源,充实教学活动

教学活动的开展是一个复杂的过程,既要有教师的适时引导,又要有学生的主动参与,更少不了教学资源的有利支撑。为了提高学生的学习兴趣,教师要与时俱进,充分利用信息时代的电子计算机技术,设计和制作精美的多媒体课件,通过动画、实验视频和数值模拟等手段将热机热功转换、热传递现象生动直观地展示给学生[9]。将静态变为动态,将抽象变为形象,使得原来枯燥乏味的教学活动变得有声有色、引人入胜。我们可凭借互联网和信息技术,通过不同的渠道挖掘拓展相关教学资源,充分利用雨课堂、超星尔雅和中国大学MOOC等网络教育平台,共享优秀教学资源,以补充课堂教学内容。基于丰富的教学资源,创设和开展形式多样的教学活动,切实激励和增强学生主动钻研的求知欲望,有效提升学习效能。

2.2.3 开展混合式教学改革

随着信息技术与现代教育的深度交融,混合式教学模式已发展为高等教育教学改革的一个风向标。该教学模式以现代信息技术为依托,将传统课堂面授(C-Learning)与在线学习(E-Learning)有机结合,可灵活采用多种教学资源和教学方法,既有效解决该课程内容多、学时少的矛盾,又利于学生自主构建知识体系和自主学习能力的培养。推进热工课程混合式教学改革,建设网络教学平台,学生可以在此了解课程教学大纲、教学日历、考核方式等内容,还可以观看和下载教学课件、重点难点教学微视频、试题库、拓展资料等资源,并进行在线讨论和测试等。教师可以适时进行监测,并给予及时的学习评价。

2.3 考核方式的改革

课程考核改革的原则应突出过程评价和能力评价,由“学习成绩”评价转向“学习成效”评价,评价指标应多维度、多元化。亦即学习评价不仅仅是测试结果评价,还包括学生学习探究过程和平时表现的评价,将课程考核渗透到课程教学的全部周期内。考核方式由单一型向多样性转变,成绩评定由传统教学的期末一次性、终结性考试向过程化、科学化转变。通过指导学生完成讨论性、自主性、研究性学习任务,采取灵活、多元的考核方式,能充分调动学生学习的自主性和创造性,促进有效学习。

热工基础课程考核要强调过程考核,引导学生由重视“考试成绩”逐步转变为重视“学习过程”。目前学生结课综合成绩以“过程评价×60%+末考成绩×40%”的方式来计算。其中,过程评价成绩由上课表现(出勤、讨论)、在线学习评价(随堂测试、在线讨论)、课程作业、阶段性测试和“任务型”拓展训练组成,各项所占的权重分别为15%、20%、25%、25%和15%。同时,学习评价还应强调学习者的主体意识,既包含师长对其学习情况的评判,也要考虑其自评和互评。

2.4 实践教学的改革

实验教学服务于理论教学。目前甘肃农业大学热工基础课程的实验教学为空白,严重制约了学生的理论学习和实践应用。因此,需要补充必要的演示性实验和验证性实验,通过接触实物和动手操作,使学生对状态参数、热力循环、热机的热功转换原理和传热过程有更加系统深刻的认识。其次,开发开放性、综合性实验也是必须的,如特殊的可压缩多孔介质热物性参数的测定实验、提高热机热效率实验、复杂工况下传热系数的测定实验和强化传热实验等,要激励引导学生独立设计实验方案和实验过程,提高学生解决热工程问题的能力。再者,科研促教学,吸纳学生参加科研创新项目,将热工知识应用到具体的工程问题,进行综合实践训练,既可以使学生夯实已学知识,又能挖掘未学而需要的新知识。比如,甘肃农业大学农机、林学专业的学生参加科研训练所做的中药材、木材多功能干燥装置设计,其传热过程比较复杂,学生对有些传热学知识如太阳能辐射换热以及木材干燥过程中的热湿传导机理等未系统学习,但经过此次训练,学生已掌握其基本规律。

3 结束语

农业机械装备制造、农产品加工、车辆工程和林业机械等领域都普遍存在热设计和热控制的问题,热工基础作为农林院校机械类专业学生认知体系中不可或缺的一部分被日益重视。在当前工程教育专业认证的背景下,研究热工课程的教学改革具有重要意义。教师应结合人才培养目标和社会需求,确立课程目标、课程内容与学生毕业要求三者间的对应联系,科学规划教学内容,将工程热力学和传热学各部分内容融会贯通,构建以热能利用和提高动力循环装置热效率为主导的完整教学体系。丰富教学资源,充实教学活动,开展基于工程应用的启发式教学,搭建网络教学平台,推行混合式教学改革。根据“全过程、多元化、考能力”原则,创设突显过程性考核的多维度学习评价体系。同时,建设热工实验平台,改进实践教学,并依托科技创新项目,提高学生自主学习和动手实践能力,培养创新意识和创新能力。