新工科背景下“汽轮机原理”混合式教学改革

摘要：在新工科背景下，高等院校对于培养具有多学科交叉背景的创新性新型工科人才既是当务之急，也是长远之策。“汽轮机原理”是能源与动力工程专业的一门重要的必修课，为顺应新工科发展方向，提升汽轮机课程教学效果，培养学生的创新能力，结合在生产现场的调研和对该专业人才技能需求特点，本文提出了完善教学内容体系与教学资源和手段、应用和推广课程项目混合式教学、创新实验教学与实践环节等具体措施，为满足新工科培养模式所要求的提高创新能力和多学科交叉背景的工科本科专业课程的教学提供了有益的参考。

关键词：新工科；汽轮机原理；混合式教学

中图分类号：G642.0文献标识码：A

“汽轮机原理”是高校工科能源动力类专业一门主要的专业必修课，要求学生掌握汽轮机的工作原理和特性，熟悉汽轮机的基本结构和强度等知识，具备分析和解决汽轮机工作中出现问题的能力，实现提高能源利用效率和节能减排，保障国家能源安全。课程要求学生首先要掌握“工程热力学”“传热学”和“流体力学”等基础性理论课程，熟悉与热力发电厂、集控运行等相关的专业课程，该课程具有理论性、实践性和学科交叉性都很强的特点，教师授课和学生学习的难度较大［1］。

以产业交叉融合为特点的新经济迅速发展，迫切需要具有多学科交叉背景、具有创新能力的新工科人才。加快建设新工科教育体系是高等教育的迫切需求，高等学校工科教育将向培养以创新型和复合型人才为特点的新工科的方向发展。“汽轮机原理”专业课程都具有实践性强、涉及多领域学科、教学内容复杂和抽象等特点，如何充分利用有限的学时资源，获得“宽”与“专”并重的专业课教学效果成为新工科培养背景下，高等学校的专业课程教师共同面临的教学重点和难点［2］。本文结合本专业师资力量和学生基础等实际情况，针对“汽轮机原理”课程的本科教学，制定了完善教学内容体系和教学资源和手段、应用和推广项目式混合教学、创新混合式实验教学等具体解决措施，进行不同方向的探索和研究，以提升教学效果，适应新工科背景下的人才培养与教学。

一、完善教学内容体系与教学资源和手段

结合学科前沿、行业标准，理论课程内容需要与时俱进，注重教材内容的更新。教材的绪论中应补充汽轮机的发展史和主要特点及国内外发展现状；扭叶片级的讲解中介绍三维热力设计思路和特点；汽轮机轴封及其系统中介绍先进的布莱登汽封技术特点；汽轮机主要零部件结构与振动中更新主流的600MW以上特别是1000MW超超临界机组的结构特点；汽轮机调峰运行重点介绍深度调峰对汽轮机安全运行的重要影响和解决措施。教师在教学过程中要及时追踪汽轮机技术发展前沿，调整或删减教材中陈旧、落后的技术等相关教学内容，通过网络学习平台给学生补充汽轮机发展新技术和新方法，突出新工科教学的前沿性、创新性和学科交叉性，强化学生创新意识［3］。

蒸汽在汽轮机级内流动及能量转换、汽轮机的变工况等内容理论性较强，且课时偏多，学生自主学习难度较大。建议学生登录南京工程学院教务处网络学习空间，进入“汽轮机原理”的学习通网络教学平台进行教学内容的课前自主学习，如图1所示。学习通具有丰富的网络教学资源、完善的电子资源库与CAI课件，以及每节课内容的教学视频，帮助学生完善知识储备。学习平台具体由学习活动、课程内容和更多资料三大部分组成，学习活动具有随堂练习、主体讨论、分组任务，签到、问卷等功能，课程内容和更多资料模块有助于学生借助学习平台全面的网络教学资源进行课前预习和课后复习。

学生在网络教学平台学习通或课程学习互助交流群中进行教学资料或视频的在线学习，授课教师可将每章节知识点汇总、学习重难点、课后自测等材料上传至网络平台。教师根据学生学习效果的反馈，在课堂教学过程中增加翻转课题、专题研讨等环节，做到重难点突出、广度深度兼具，提高教学效果。教师应建立班级课程学习群，督促学生注重平时积累，避免出现平时不学、考前突击的现象。

利用学习通可方便获取学生考勤、课堂互动、课后作业与平时测验成绩等资料，便于后期教学效果的数据分析与统计。建立多元化考核评价模式，加强过程化和参与度考核。线上和线下混合式学习的优势互补，给学生提供开放、共享的课程学习平台，通过网络教学平台建设及教学资源和手段的完善，有助于提高学生独立自主学习能力，提升教育和教学质量，适应新工科背景下创新型人才的培养。

二、应用和推广课程项目混合式教学

积极引用和推广项目混合式教学模式，其指导思想是以项目为载体，突出学生的主体作用，加强师生互动交流，激发学生的创新意识，培养创新能力。教师在开展项目式教学的过程中，首先要根据教学目标做好课程定位；其次要根据教学内容和培养目标确定项目式教学内容，要使项目式教学符合学生的认知［4］，把体现创新意识作为考核要点。我院根据“汽轮机原理”课程教学大纲、培养目标，将项目式教学规划为四个子项目。项目一：汽轮机汽封技术与应用；项目二：汽轮机初终参数对其经济性评价指标的影响分析；项目三：汽轮机凝汽器特性及冷端优化研究；项目四：汽轮机故障诊断技术及应用。为了培训学生自主学习能力，项目教学采用线上线下混合指导学习。主要实施步骤为：（1）理解项目目的，针对项目展开充分的调研，主要包括项目相关数据、信息、文献的检索和收集，并对调研结果汇总和分析。（2）通过对学生分组选题、研讨，进行课程项目分解，指导项目实施流程与进度安排，撰写项目报告。组间可通过研讨等方式进行学习交流，教师应通过腾讯会议等线上平台或线下面授，针对课程项目中的问题和疑惑进行解答指导。（3）邀请行业内专家或校友在线介绍课程项目的实际问题，交流现场经验和新技术，提高学生理论联系实际的能力。项目式混合教学提倡学生在教师的协助下自主学习并掌握教学内容的任务点，如项目一的任务点有：了解汽轮机汽封技术的科技前沿与发展动态，理解汽封的基本结构和先进制造工艺，以及对汽轮机运行的安全性和经济性的重要意义；广泛阅读相关科技文献，探索分析提高汽轮机经济性的措施；通过项目式混合教学，学生主动查阅和收集相关科技文献等资料，分工合作的方式不仅能够拓展学生知识面的广度和深度，还能激发学生的创新意识，培养基本的科学研究素养［5］。

三、创新混合式实验教学与实践环节

混合式实验教学作为一种新的实验教学体系，可以引导课程实践教学改革方向。积极开展实验教学创新，培养学生的动手能力和创新技能。传统的实验教学受到学时数、实验装置数量的限制，而新的实验模式可以与互联网、云计算、虚拟仿真等技术相结合，不受实验场地和设备数量的局限，打破实验室在时间和空间上的限制，根据生产实际需求和产业发展步伐，积极开发或引进虚拟实验平台，为培养学生的创新技能提供更好的资源和平台。混合式实验教学不仅降低了实验教学成本，更重要的是培养了学生自主学习和科研探索能力，对提高人才培养质量具有重要意义［6］。

在学校和各级部门科技创新项目申报和实施过程中，积极鼓励和帮助学生使用MATLAB、Labview等计算机软件及语言，合作开发各种线上虚拟实验平台和实验项目。如通过汽轮机检修，有助于深刻理解汽轮机零部件缺陷与运行时发生故障之间的联系。为了使学生能够在进入工作岗位后尽快适应和胜任现场工作要求，建议针对汽轮机检修方面的教学内容，可通过汽轮机虚拟仿真检修平台引导学生自主学习来完成安装与检修的实践环节，考核评价由线上过程考核和线下实验考核结果综合评判，重点提升学生线上的学习与沟通和线下的分工与协作的能力。

针对汽轮机课程设计实践环节，在完成“汽轮机原理”的课程学习后，学生需要完成一台小型汽轮机的通流部分的热力设计与结构绘图。主要完成内容为：（1）通过该设计掌握汽轮机热力设计的原则、方法和步骤。（2）熟悉汽轮机原则性热力系统的组成和回热系统的计算；掌握汽轮机本体结构组成与作用，明确主要零部件在整个机组上的作用、位置和相互关系。（3）系统地总结、巩固并加深对汽轮机课程知识的理解和运用，并提高机械设备的绘图能力。这培养了学生分析解决问题的能力和对工程技术问题的严谨认真的作风。

教师和学生利用Python语言合作开发了汽轮机课程设计网站，也可利用手机打开网站，方便学生随时使用，网站首页如图2所示。学生在进行汽轮机课程设计时，将整个设计任务按相对独立的模块化的课程设计教学方式进行，改变了传统的手算方式，通过在线辅助设计，大大提升了计算效率，且便于学生及时查找设计时出现的不合理参数的选择，便于查找错误和方便设计结果校核，可以建立起学生设计的信心和热情，体验到工程设计的过程的快乐，有助于对课程设计内容实现系统化的掌握。在汽轮机课程设计网站和软件的开发与升级优化过程中，既培养了学生的创新和工程实践技能，又丰富了学校的教学实践资源。

我院“汽轮机原理”课程设置了两个课内实验，分别为综合性“汽轮机叶片自振频率测定实验”和验证性“临界转速实验”，但由于学生人数较多，实验仪器陈旧和数量不足，使得学生需要分批次进行，学生的动手能力和实验创新能力得不到深层次的培养。以提高学生创新实践能力为宗旨，建议开发或引进汽轮机振动在线监测实验平台，主界面如图3所示。这不仅满足课程实验教学环节的需要，而且有利于学生对课程汽轮机主要零部件的结构与振动相关内容有更深入的理解，特别是汽轮机常见故障的信号分析与诊断，这部分内容对于学生来说感觉到抽象并晦涩难懂，通过实验平台振动故障数据库的建立，分析具体的振动故障信号及其特征来判断振动故障类型，可提高学生学习效果，并鼓励学生设计出更多的创新性实验，举一反三，触类旁通，发表自己的见解，既强化了实验教学的效果，又培养了学生解决工程实际问题的应用能力和创新能力。

结语

新的时代背景下，高等学校的教育改革将朝着新工科培养模式进行转变，对“汽轮机原理”的课程教学提出更高要求。可以通过合理规划教学内容体系，完善教学资源和手段，强化师生协同的混合式教学，创新混合式实验教学与实践环节，满足新工科背景下人才培养的要求。同时，教师需要积极探索和实践混合式教学改革，不断提高自身创新能力，鼓励学生敢问、敢想、敢挑战，激发学生学习专业课的兴趣，培养学生解决实际问题的能力，落实以学生为中心的工程教育理念，提高学生工程实践能力和创新意识，确保培养理论联系实际的创新型人才的目标，在实践中不断总结并提高，推动社会的进步与发展。

参考文献：

［1］靳智平，王毅林.电厂汽轮机原理及系统［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］吴爱华，候永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济［J］.高等工程教育研究，2017（1）：18.

［3］张川，王保文.面向新工科培养模式的汽轮机原理课程教学方法的思考［J］.教育教学论坛，2018（10）：190192.

［4］邓海龙，康贺铭.项目教学模式在先进制造技术课程中的应用［J］.黑龙江科学，2022，13（19）：110112.

［5］王娟，葛晓霞，王毅林，等.新工科背景下能源与动力工程专业人才创新能力培养［J］.中国现代教育装备，2024（3）：7577.

［6］郭文普，杨百龙，孙晓艳，等.通信网技术基础课程线上线下混合实验教学的探索与实践［J］.教育教学论坛，2024（4）：9396.

基金项目：南京工程学院教学建设项目（项目编号：JXJS2023018）

作者简介：王翔（1981—），男，汉族，安徽铜陵人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事能源与动力工程专业研究与教学。