基于STEM教育的應(yīng)用型高校熱工基礎(chǔ)教學(xué)探討

羅金武 陳花 滕鵬 張博揚(yáng) 范煦

摘要：為落實(shí)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)機(jī)制，構(gòu)建全方位的育人模式，以成都工學(xué)院為例針對(duì)機(jī)械類專業(yè)的“熱工基礎(chǔ)”進(jìn)行課程分析，基于STEM教育理念對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行探討，研究發(fā)現(xiàn)STEM教育理念能夠很好地融入熱工基礎(chǔ)課程，為同類高校綜合性課程的開(kāi)展提供了教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：STEM教育;應(yīng)用型高校;熱工基礎(chǔ);課程分析;教學(xué)策略

【中國(guó)分類號(hào)】G642? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ? ?【文獻(xiàn)編號(hào)】

在應(yīng)用型本科教育過(guò)程中，推動(dòng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)、探索利于人才培養(yǎng)的教學(xué)路徑是貫徹落實(shí)習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想的必然要求[1]。成都工業(yè)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┳鳛橐凰鶓?yīng)用型高校，始終秉持“手腦并用、學(xué)做合一”的校訓(xùn)，不斷完善人才培養(yǎng)機(jī)制鼓勵(lì)“教與學(xué)”的創(chuàng)新與實(shí)踐?！盁峁せA(chǔ)”作為一門講述熱能轉(zhuǎn)換規(guī)律（尤其是與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換）和有效利用的課程，在機(jī)械類本科專業(yè)教學(xué)中有著重要地位。我校智能制造學(xué)院總結(jié)大量國(guó)內(nèi)外同類高校機(jī)械類專業(yè)辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)并調(diào)查對(duì)口企業(yè)需求后，于2017年將《熱工基礎(chǔ)》課程全面引入機(jī)械類專業(yè)課程體系中，目前已完成教學(xué)2輪次，選課總計(jì)635人次，共10個(gè)教學(xué)班。整體來(lái)看，該課程內(nèi)容豐富，綜合性強(qiáng)，要求學(xué)生具備較高的基礎(chǔ)學(xué)科素養(yǎng)，故存在一定的教學(xué)難度，采取何種教學(xué)方式或手段則是至關(guān)重要的。對(duì)此，本文基于STEM（Science & Technology & Engineering & Mathematics）教學(xué)理念對(duì)熱工基礎(chǔ)課程進(jìn)行了課程分析并提出了教學(xué)策略。

1 STEM教育理念

STEM是科學(xué)，技術(shù)，工程，數(shù)學(xué)英文首字母的縮寫，該理念最先由美國(guó)提出，在于綜合運(yùn)用科學(xué)技術(shù)或工程知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，對(duì)綜合性、應(yīng)用型人才培養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用[2]。目前，國(guó)內(nèi)部分高校也對(duì)STEM教育理念的實(shí)踐進(jìn)行了教學(xué)上的初探。STEM教學(xué)注重知識(shí)的綜合運(yùn)用，通常以問(wèn)題或項(xiàng)目作為“驅(qū)動(dòng)”，用任務(wù)式的學(xué)習(xí)過(guò)程幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備的同時(shí)激發(fā)學(xué)生探究、實(shí)踐、合作、創(chuàng)新的能力，提升學(xué)生的知識(shí)獲得感和滿足感。在當(dāng)今全球化、信息化的驅(qū)動(dòng)下，STEM教學(xué)理念能為應(yīng)用型高校培養(yǎng)出更加優(yōu)質(zhì)的人才，也為我國(guó)教育發(fā)展提供了一條有效路徑。而熱工基礎(chǔ)作為一門需要融入多學(xué)科理論的綜合性課程，STEM教育便可在其中發(fā)揮重要作用。

2 我校機(jī)械類專業(yè)熱工基礎(chǔ)課程分析

教學(xué)內(nèi)容方面，我校機(jī)械類熱工基礎(chǔ)課程主要包含工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)兩部分內(nèi)容，依據(jù)數(shù)學(xué)模型搭建起熱科學(xué)基本理論，并以此引出現(xiàn)有熱工技術(shù)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)突出對(duì)蒸汽機(jī)、燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)、制冷機(jī)和換熱器等熱工機(jī)械設(shè)備運(yùn)行原理的描述，引導(dǎo)學(xué)生掌握熱能轉(zhuǎn)換的基本定律以及熱量傳遞的基本方式與過(guò)程。

學(xué)情方面，該課程授課對(duì)象為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械工程、機(jī)械電子工程等機(jī)械類專業(yè)本科二年級(jí)（下）學(xué)生。選課前，學(xué)生已修完高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程，對(duì)熱現(xiàn)象有感性的認(rèn)知，具備一定的機(jī)械原理分析能力。但從目前授課情況來(lái)看，課程開(kāi)展不容樂(lè)觀：學(xué)生綜合能力表現(xiàn)不強(qiáng)，實(shí)踐應(yīng)用能力欠缺，與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)存在一定差距。分析認(rèn)為主要原因在于：1）教師經(jīng)驗(yàn)不足，課前缺乏對(duì)熱工科學(xué)合理的教學(xué)引導(dǎo);2）學(xué)生興趣不高，對(duì)熱工技術(shù)掌握愿望不強(qiáng)烈;3）師生互動(dòng)不強(qiáng)，課中以講授為主的單一教學(xué)方法不利于知識(shí)傳輸和應(yīng)用擴(kuò)展。

STEM教育理念重在開(kāi)展綜合性的教學(xué)活動(dòng)，以問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成科學(xué)知識(shí)的整合和對(duì)技術(shù)的應(yīng)用。所以，將STEM教學(xué)理念貫穿下一輪的熱工基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程將是合理且可行的。

3 STEM教育理念下熱工基礎(chǔ)教學(xué)策略

3.1 師資培訓(xùn)，STEM素養(yǎng)主導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐

應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中，教師作為教學(xué)主導(dǎo)者，其STEM教學(xué)素養(yǎng)水平直接關(guān)系教學(xué)效果。應(yīng)用型高?？勺裾铡禨TEM教師能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》開(kāi)展STEM師資培訓(xùn)提升教師業(yè)務(wù)能力水平，教師在培訓(xùn)和研修的過(guò)程中不斷進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，將STEM教學(xué)理念認(rèn)知進(jìn)行全面升華。例如，在“熱輻射”課堂中引入“溫室效應(yīng)”，從科學(xué)的角度（熱輻射的吸收、反射、投射）引導(dǎo)學(xué)生探討兩者的因果關(guān)系，進(jìn)而拓展至“全球變暖”說(shuō)明環(huán)境保護(hù)工程的技術(shù)手段。

3.2 理實(shí)呼應(yīng)，項(xiàng)目化教學(xué)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

知識(shí)的掌握體現(xiàn)在實(shí)踐層面，熱工基礎(chǔ)課程理論對(duì)指導(dǎo)實(shí)踐有著重要意義，可依據(jù)教學(xué)目標(biāo)開(kāi)展切實(shí)可行的項(xiàng)目化課程考核方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。例如，將CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)軟件（Fluent、STAR-CCM+等）引入教學(xué)，將其作為工具搭建計(jì)算機(jī)仿真工程，要求學(xué)生完成“平板導(dǎo)熱”、“換熱器”、“高溫輻射”的數(shù)值模擬計(jì)算，并將仿真結(jié)果與教材中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握熱量傳遞的三種基本方式和換熱器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.3 四位聯(lián)動(dòng)，信息與資源支撐創(chuàng)新教學(xué)

STEM教育實(shí)施的保障在于良好的教學(xué)開(kāi)放環(huán)境和資源共享平臺(tái)，依據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展多樣化教學(xué)，打造以學(xué)生為中心，教師做引領(lǐng)，學(xué)校供平臺(tái)，企業(yè)提需求的“生、師、校、企”四位聯(lián)動(dòng)人才培養(yǎng)機(jī)制。例如，為探究燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)熱效率提升措施，提升相關(guān)產(chǎn)品性能，學(xué)校可搭建創(chuàng)新交流平臺(tái)分享最新科技成果，支持和鼓勵(lì)學(xué)生參與研究，教師可從熱力學(xué)第二定律中的“卡諾循環(huán)效率”和“熵”為出發(fā)點(diǎn)，揭示熱效率理想最大值，為學(xué)生指明正確的研究思路。

4 結(jié)論

熱工基礎(chǔ)作為一門綜合性學(xué)科，STEM教育可在其中發(fā)揮重要作用。提升教師STEM素養(yǎng)引導(dǎo)學(xué)生將熱科學(xué)從感性認(rèn)識(shí)升華到理性認(rèn)識(shí)的同時(shí)，課堂教學(xué)更需融合行業(yè)技術(shù)，對(duì)比國(guó)內(nèi)外差距，在“生、師、校、企”聯(lián)動(dòng)機(jī)制下引導(dǎo)學(xué)生參與科研或創(chuàng)新實(shí)踐，運(yùn)用項(xiàng)目化手段采用科學(xué)技術(shù)“工具”完成對(duì)熱工工程的認(rèn)識(shí)和改造，提升學(xué)生工業(yè)報(bào)國(guó)的信心和決心。綜上所述，STEM教育將有助于落實(shí)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)機(jī)制，構(gòu)建全方位的育人模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋立秋，蔡羞閱.加快培養(yǎng)應(yīng)用型人才[N].吉林日?qǐng)?bào)，2019-11-04（010）.

[2] 段瑤瑤.應(yīng)用型本科高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究--借鑒STEM教育理論[D].西安理工大學(xué)，2019.

基金項(xiàng)目：

成都工業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（2019ZH03）;2019年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201911116024）。

第一作者及通訊作者簡(jiǎn)介：

羅金武（1993—），男，碩士，助教，研究方向：CAD/CFD技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電一體化。