能源动力类专业计算机实践系列课程体系构建与实施

王计敏，郑志敏，刘典福

（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山 243002）

目前，我国的工程教育面临着培养新型工程人才和与国际接轨的双重挑战。这意味着我国高校的工程教育不仅需要提高学生应用计算机技术解决专业问题的能力，而且需要培养具有全球视野和创新意识、具备团队合作观念和跨界创新能力等特质的学生。这对高校工科专业基础课程的现有教学模式提出了新的挑战。因此，我们需要根据新工科人才的能力要求来构建和优化人才培养体系，推动计算机实践系列课程的实施，促进人文科学与工科教育更好地融合。这既有助于实现高校思政教育，又有助于提升工程类专业人才的创新综合能力，以满足现代社会对新型工程人才的需求[1-2]。

安徽工业大学的能源动力专业立足于华东地区，并辐射周边省份，具有一定的冶金特色。因此，在能源动力专业培养方案的修订过程中，结合该专业的特色优势，我们进行了基于冶金热能特色实践教学环节的改革。我们特别强调培养学生解决冶金热工问题的计算机实践能力。在传授知识的基础上，我们将思政和育人两大目标与实践过程有机融合，以实现正向协同效应。要充分实现这些目标，就需要教师充分挖掘思政教育与计算机实践课程教育之间的结合点，将爱国主义、个人道德修养以及职业生涯规划等有效融入计算机实践系列课程的教学工作中。此外，学生通过参与钢铁企业的生产实践，提高知识转化能力、计算机应用能力和创新水平。通过这一过程，我们形成了一种具有冶金特色的新模式，满足了新工科背景下能源动力类专业计算机实践系列课程的教学需求。通过这种模式培养出来的毕业生，不仅具备扎实的理论基础和丰富的专业技术知识，在能源、环境保护等领域从事设计、研发、制造和安装等工作，而且能够胜任相关行业的管理、教学和科研等任务，成为新时代中国特色社会主义所需、满足新工科人才要求的、具有冶金特色的动力工程师。

一、计算机实践教学环节存在的问题

安徽工业大学的能源动力专业开设了热力学、传热学、燃烧学、流体力学、火焰炉热工、锅炉原理等传统课程。然而，这些课程主要侧重于理论知识的传授，缺乏实际工程实践操作，也没有引导学生产生浓厚的学习兴趣。这导致了课堂教学的单调和枯燥，降低了教学质量，未能为学科的进一步发展提供有效的支持。同时，学生的学习积极性较低，他们缺乏明确的学习目标和动力，通常处于无所作为的状态，导致出勤率下降。现有的教学模式未能构建出完善的课程体系，以满足工程实践和工程师基本培训的需求。实践教学环节的效果也不尽如人意，存在一些问题，例如过于注重基础知识而忽视实际技术应用，更注重验证而忽视创新。同时，当前的教学课程体系未能及时引入能够反映“新工科”发展趋势的跨学科专业课程，比如CFD技术等。这些课程应该随着学生知识的积累而逐渐深入，却未被纳入教学计划。此外，学生缺乏计算机技术在该专业的应用实践，也限制了学生的技术水平和知识更新速度，使他们无法成为具备跨学科综合素质的新工科人才。现有的计算机实践系列课程的总体设计没有充分体现出安徽工业大学能源动力专业的冶金特色，也未能发挥出思政资源与计算机实践系列课程内容之间的互动融合效应。

二、计算机实践系列课程体系的构建

能源动力类专业的计算机实践系列课程体系以冶金行业特色为支撑，强化了计算机技术在新工科人才培养中的作用。因此，为了发挥本专业在冶金行业的优势，我们开设了冶金工业概论课程，旨在为学生将来成为能源动力专业的高级人才开启通向冶金领域的第一扇大门，让能源动力专业的学生尽早接触冶金知识和文化，以切实提高他们分析解决冶金中的能源与环境问题的能力，为专业启蒙教学做好准备。

“新工科”的建设对能源动力专业的计算机实践教学效果的要求越来越高，这也是培养学生工程实践能力和创新能力的重要途径之一。因此，教师将热工学和其他专业知识综合运用，并结合编程语言Visual Basic/C/Fortran进行计算机编程实践，从而有效提升学生运用计算机技术解决本专业实际问题的综合能力。结合专业冶金特色，我们全面展开了热工问题的计算机分析与设计，包括热工数值计算理论、热工基础算例和工程应用案例分析、热工软件开发等层次。热工计算机编程实践课程是工科学生将理论与实践联系起来的纽带，也是学生从学校顺利走向社会的桥梁。

此外，CFD技术在科学研究、产品设计和课堂教学等方面发挥着重要的作用。因此，以新工科发展为导向的跨学科能源动力专业通过引入CFD等技术，让学生熟悉常见CFD软件的基本操作方法。在此基础上，借助该类课程的开设，教师帮助学生掌握流动及传热问题数值模拟的基本理论和建模思路，学生能够利用计算流体力学相关知识解决专业问题。教师将CFD理论方法与软件实训结合起来介绍，以便学生能够掌握CFD技术原理和CFD软件的使用方法，注重理论、实训和应用的综合提高，并精心编选涉及能源动力类专业热工问题的CFD应用实例。

为了充分挖掘计算机实践系列课程的思政资源，使之与本系列课程内容有效融合，全面提升学生的综合素质，教师应结合能源动力专业课程体系的特点，针对冶金行业特色，构建基于新工科的计算机实践系列课程教学模式。这意味着以“立德”为根本教育任务，教师通过全新的“三全”育人形式（全程、全员、全课程），在传授知识这一基础目标的同时，实现计算机实践系列课程与思政内容相结合的德融教学，形成互利共生的关系。

三、计算机实践系列课程体系的实施

（一）教学内容重构

冶金工业概论课程的重点是结合钢铁冶炼过程中的设备和工艺，讲解控制整个冶金过程和“三传一反”传输现象（包括质量传输、热量传输、动量传输和化学反应）。这有助于学生理解热工学知识如何在钢铁生产实践中体现。同时，这也为教师后续开展计算机实践系列课程教学提供了冶金特色的背景。只有通过这种方式，我们才能充分发挥能源动力专业的优势，基于机理采取必要措施来进行工艺优化，改进设备以提高冶金过程的效率、提高化学反应速率。这也满足了科学研究不断深入的需求。冶金工业概论课程立足于专业教学内容，强调以学生为中心的教学实施过程，突出实践性和创新性培养，同时突显了教师身为榜样的示范引领作用。我们采用多元化的思政育人形式，实现德育，促进学生职业素养和道德素质的提升，涵盖人生观、价值观、职业道德、科学精神等多个方面的德育。

教师以冶金工业概论课程的教学内容为基础，结合新工科人才培养要求，运用计算机技术，对冶金行业中的热工问题进行编程实践和CFD软件仿真实训。热工编程实践作为专业实践课程，内容繁杂，教学难度较大。为提高实践教学效果，我们使用Microsoft Visual Basic/C/Fortran等工具，结合传热学、热力学、换热器原理与设计、流体力学、燃料及燃烧等相关知识，分别以传热学算例、工程热力学算例、工程流体力学算例、燃料与燃烧算例为基础案例，结合专业特色工程案例，将热工学等专业知识综合应用，并以此为基础进行计算机编程实践。针对大学生创新创业训练计划，我们以高炉热风炉节能模拟系统、管状换热器计算机辅助设计系统为软件开发实例，展现了软件分析与设计过程。普通工程类专业本科生最关心如何用CFD手段解决本领域的工程实际问题，学生只需熟练掌握并应用CFD软件解决本专业的工程实践问题，只需对计算流体力学相关理论进行宏观了解。然而，学生对于CFD相关的数值计算理论等内容必须深刻领会，以便逐渐学会如何自己编写CFD程序。因此，教师需要从编程实践的一些真实现象入手（如数值耗散、计算不收敛等），形象讲解计算稳定性和收敛性、计算格式等原理和要点，并引导学生从图表结果中提取数据、拟合经验方程、分析规律等。教师通过以钢包中心底吹氩多相流动问题为例，进行CFD技术原理的综合分析和编程实训，让学生能够掌握相关数值计算方法并熟练应用计算机技术。在此过程中，教师培养学生求真务实、科学严谨的精神品质。

常见的CFD软件虽然种类繁多，但界面都比较友好，使用较为方便。然而，如果使用者没有扎实的理论基础作为支撑而盲目使用，可能会导致错误的计算结果。因此，熟练掌握流体力学及其计算方法仍然是CFD使用的基础。CFD课程的教学内容应包括以下方面：CFD的基础理论构建（包括流体力学、数值计算方法等多学科基础知识；数学模型，尤其是偏微分方程的离散和求解方法、各种模型的物理意义和适用范围等），为后续的CFD软件应用打下坚实的基础。CFD软件的介绍和使用包括软件界面设置和菜单构成的介绍、课堂演示和上机实践相结合等，使学生能够快速了解CFD软件及其框架结构。我们应开发创新实践平台，实现课堂教学内容的同步语音、案例库视频演示等功能，完成课程教学案例库的建设。案例库视频演示应包括求解器FLUENT的数值计算案例、前处理软件DesignModeler和SpaceClaim的模型创建案例、GA M BIT和ICEM的网格划分案例、处理软件TECPLOT和CFD-Post的展示案例。此外，我们结合工程应用的需要，结合安徽工业大学能源与动力专业的冶金热能特色，建立CFD软件应用实例实训库，开展CFD商用软件的仿真实训。在实训案例中涉及的理论模型和关键环节都应进行上机推演。同时，教师在授课过程中，可以借助工程实例向学生讲述CFD领域科学家的先进事迹，激发学生的家国情怀，还应引入行为规范，培养学生的奋斗精神。

（二）教学方法探索

理论教学：教师应贯穿“工程应用”这一指导思想，侧重讲解理论公式的应用条件和注意事项，同时减少对理论推导过程的详细阐述。尤其在热工编程和CFD软件实训过程中，教师更适合采用工程案例进行启发式教学。教师应重点介绍CFD软件（例如FLUENT）的基本原理和操作方法，为学生提供上机实训时间和机会，同时适度减少计算理论的授课。教师应结合计算机实践系列课程所蕴含的唯物主义哲学思想，通过精心设计的教学内容将思政元素融入理论教学中，以引导学生更深入地理解科学精神。教学形式可以多样化，包括在线学习、课堂讨论、案例分析、任务驱动学习、评价等。教师根据课程大纲、教学目标和评估方式，鼓励学生自发培养学习兴趣，激发他们的学习热情。

上机教学：教师应将学生分成若干个小组，采用项目驱动式的方法进行教学，并为每个小组分配与冶热能相关的热工计算机编程案例或CFD软件实训案例。各小组的学生应在组内分工合作，结合示例和文献，深入研究并理解文献内容，进行组内讨论。随后，各小组应确定各自案例的具体研究方向，相互协作深入研究。最后，各小组应选出组长，并分批次在课堂上汇报，内容包括案例描述、建模设置、求解方法和结果分析等。根据工科专业的课程设置要求和教学目标，热工编程实践应以基础类项目为训练对象，而CFD软件实训则应在此基础上进行真实工程项目的软件操作。通过逐渐增加难度的实践，学生不仅深化了对热工基本理论的理解，提高了对计算方法、各种数学模型和离散格式的掌握程度，而且有助于他们熟悉和应用CFD技术解决工程项目的设计问题，为学生未来的毕业设计或研究工作打下坚实基础。这种将实践性任务模式与课堂教学相结合的教学方式不仅有助于培养学生发现和解决问题的能力，而且有助于培养学生的团队合作意识、思辨能力、信息检索和应用技能。

考核体系：高校改变传统的“一张试卷决定成绩”的考核模式，建立科学有效的新型考核体系，以最大限度地体现学生的真实水平。这样能够全面激发学生的学习热情，增强他们进行科学探索的主观积极性。具体措施如下：

1.基础理论考试主要测试热工相关理论知识。这部分考核注重考查学生的问题分析和解决能力，通常在第一学习阶段结束后进行。

2.上机考试要求学生完成教师规定的热工编程案例。这部分考核要求学生当堂完成计算分析并提交报告，避免学生之间的抄袭行为。

3.实训报告答辩，涉及自主探索模式下的CFD软件仿真实训。学生应分成小组，每组随机分配一个CFD问题，通过开放式讨论、练习和编程作业等步骤，强化学生对热工相关知识的掌握和应用。最后，学生需要提交研究报告并进行PPT展示。在汇报过程中，教师通过提问和报告评价等方式对各组的表现进行评估总结，同时结合各组成员的平时表现，形成学生的总评成绩。

这种考核方式不仅能够让学生以组为单位，自由平等地表达各组的想法，而且有助于各组之间就有争议的问题进行合理讨论和解决。这充分体现了教学考核目标中的思政元素，包括“工匠精神”的不断完善、“创新意识”和“团队协作意识”的培养。

网络平台：传统课堂教学所提供的信息已不足以满足学生的学习需求，因此，学校应积极提供多样化的教学环境和教育资源。计算机实践系列课程应建立在课程网络教学平台的基础上，旨在搭建一个包括教学辅助软件、多媒体课件、视频资料的综合教学平台。该平台还可以提供在线学习、案例模拟、远程测试、网络论坛等服务，学生可以通过这些服务进行合作互动和交流讨论。此外，学生还可以通过网络平台与教师实时交流，拓展师生之间互动的广度和深度，使交流更加开放和自由，不再受到地域和时空的限制。这种网络平台的建立将彻底改变传统课堂授课方式的局限性，使学生真正成为学习活动的主体，激发他们的动手能力和思考能力，提高其参与教学活动的积极性。

四、计算机实践系列课程体系的应用

根据计算机实践系列课程的教学目标，学校逐步建立了实践人才能力培养体系，其中包括编写相关课程教学大纲和教学要求。此外，学校还出版了具有特色的教材，如《CFD基础及其软件实训》和《热工计算理论与实务》。同时，学校还开发了相关教学辅助软件，如冶金工业概论多媒体辅助教学系统和热工过程数值模拟教学助手。学校还提供了可操作的计算机实践系列课程实施方案、编程基础实践案例和工程应用案例、软件仿真实训库以及课程思政教学资料库等。教师通过德融教学，使学生更深入地了解所学专业的特点，明确学习目标，并获得更大的学习动力。与往届学生相比，学生的出勤率和关注度都有所提高，学习效果也更加理想。在课上课下，学生的参与度明显提高，他们更积极地提问、参与讨论，与老师互动更频繁。他们不仅与老师讨论学业上的问题，而且咨询与个人情感和人生规划相关的问题。学生的作业态度认真，任务完成度较高，积极参与实践活动。学校组织的学生评教结果显示，学生高度认可这门课程和授课教师。学校和学院的督导专家听课后也高度评价了该课程的德融教学效果。

五、结束语

综上所述，安徽工业大学结合能源动力专业的冶金行业特色优势，按照新工科背景下能源动力工程专业人才培养的要求，融合思政育人元素，通过不断重构和探索计算机实践系列课程的教学内容和方法，充分挖掘和发挥该系列课程的德育功能，提炼出该系列课程中蕴含的中华优秀传统文化和价值观元素，让学生在学习过程中潜移默化地接受正确的精神引导和社会主义核心价值观塑造。