基于專業(yè)認證的“熱工基礎(chǔ)”教學改革探索

聶少武 李天興 蘇建新 李聚波

[摘 要] “熱工基礎(chǔ)”是機械設(shè)計制造及其自動化和機械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，在機械類課程體系中具有重要的地位。針對該課程特點及學生情況，首先進行了學情分析，基于工程教育專業(yè)認證背景提出了該課程的教學目標，其次剖析了當前課程教學過程中存在的主要問題，最后從課程思政、教學內(nèi)容、教學方法和課程評價方面進行了教學改革探索。通過教學改革使學生在掌握知識的同時，提高分析解決工程問題的創(chuàng)新思維能力和自主學習能力，最終促使該課程教學目標的達成。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)認證;熱工基礎(chǔ);教學改革;課程目標達成

[基金項目] 2019年度河南科技大學教育教學改革研究項目“新工科背景下‘機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用教學改革的探索與實踐”（2019-49）;2021年度河南科技大學教育教學改革研究與實踐項目“工程教育認證背景下‘熱工基礎(chǔ)教學改革探索與實踐”（2021BK150）

[作者簡介] 聶少武（1983—），男，河南洛陽人，博士，河南科技大學機電工程學院副教授，主要從事齒輪設(shè)計制造技術(shù)研究;李天興（1975—），男，河南孟州人，博士，河南科技大學機電工程學院副教授，主要從事齒輪測量技術(shù)研究;蘇建新（1971—），男，河南洛陽人，博士，河南科技大學機電工程學院副教授，主要從事齒輪成形磨削技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）12-0071-04 [收稿日期] 2021-07-07

引言

目前我國高校將開展工程教育認證作為專業(yè)建設(shè)的首要任務(wù)[1，2]。工程教育認證標準針對人才培養(yǎng)提出了知識、能力和素養(yǎng)三個方面共計12條畢業(yè)要求，為了滿足這12條要求，對支撐畢業(yè)要求的課程體系進行改革和探索十分必要。

“熱工基礎(chǔ)”課程是機械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，目前已成為現(xiàn)代工程技術(shù)人才必備的技術(shù)基礎(chǔ)知識。掌握合理利用能源的基本知識和理論是新世紀復合型人才應(yīng)具備的重要工程素質(zhì)[3]，開設(shè)“熱工基礎(chǔ)”課程的主要作用是要提高學生在各自專業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能環(huán)保意識，將節(jié)能原理和措施應(yīng)用于專業(yè)實踐。通過本課程的學習使學生掌握熱力學和傳熱學中的基本概念、基本定律和基本工程計算，并能利用熱工知識分析解決工程中的熱力過程和傳熱問題。2016年，我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)通過了工程教育認證，之后根據(jù)持續(xù)改進的需要，我校修訂了新的專業(yè)培養(yǎng)方案，在專業(yè)認證的背景下，“熱工基礎(chǔ)”課程的教學課時和教學目標都發(fā)生了較大的變化，以往的教學模式無法達成課程教學目標，因此，必須對該課程進行教學改革與探索。

一、課程特點及學情分析

“熱工基礎(chǔ)”課程主要分為熱力學和傳熱學兩部分，綜合了工程熱力學和傳熱學的基礎(chǔ)知識，涵蓋了熱力學定律、熱力過程、理想氣體的性質(zhì)、熱工設(shè)備及裝置、熱量傳遞的三種方式及各自數(shù)學模型和傳熱換熱計算等內(nèi)容。課程知識繁多且瑣碎，基本定理和基本定律較多，理論性強，計算公式較多，一些概念比較抽象難以理解，學生學習起來枯燥乏味，興趣不高。另外，該課程實踐性較強，很多知識點與實踐聯(lián)系比較緊密，如動力裝置和制冷裝置在現(xiàn)實生活中比較常見，傳熱過程的分析在日常生活中都有體現(xiàn)。如果學生能夠在日常生活中善于觀察，理論聯(lián)系實際、學以致用，則更容易掌握課程理論知識。

我校“熱工基礎(chǔ)”課程主要面向大三學生在第6學期授課。在基礎(chǔ)知識方面，學生之前已經(jīng)先修了“高等數(shù)學”“大學化學”“大學物理”等課程，一方面具備了求導、微分、積分等數(shù)學知識;另一方面對熱力學基本定律和一些基本概念也有了一定的了解。在專業(yè)課程方面，他們已經(jīng)學過了流體力學專業(yè)基礎(chǔ)課程，對流體的性質(zhì)、狀態(tài)、連續(xù)性微分方程、動量微分方程、伯努利方程等具備了一定的理論基礎(chǔ)。這些通用知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識的積淀為熱力學和傳熱學（尤其是對流換熱）的學習奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

依據(jù)工程教育認證標準及專業(yè)培養(yǎng)方案中的畢業(yè)要求，“熱工基礎(chǔ)”課程的教學目標主要包括三個方面：（1）知識目標：具備熱力學和傳熱學方面的工程專業(yè)知識，并能在熱力過程和傳熱過程中進行運用;（2）能力目標：綜合運用熱力學和傳熱學中的基本定理和基本定律，能夠?qū)碗s的熱力過程和傳熱問題進行分析、計算，并提出解決方案;（3）素養(yǎng)目標：通過對熱力學和傳熱學的學習，樹立節(jié)能環(huán)保的意識，培養(yǎng)正確的世界觀和價值觀。

二、教學問題分析

結(jié)合專業(yè)認證背景下“熱工基礎(chǔ)”課程的教學目標，對當前課程教學狀況進行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)教學過程還存在著一些問題，如果這些問題得不到及時有效解決，該課程的教學目標將無法達成。

（一）教學課時與課程內(nèi)容不匹配

“熱工基礎(chǔ)”課程特點是理論性強，知識點瑣碎復雜，學生要學好這門課程需要花費較多的時間理解和掌握課堂知識。新的培養(yǎng)方案中，該課程的理論學時由之前的26學時壓縮至18學時。根據(jù)該課程的教學目標和教學任務(wù)，授課內(nèi)容依然要涵蓋熱力學兩大定律、理想氣體性質(zhì)及熱力過程、三種傳熱方式的基本概念及傳熱換熱計算等內(nèi)容，相對之前授課內(nèi)容并無明顯減少，結(jié)果出現(xiàn)了教學課時與課程內(nèi)容不匹配的現(xiàn)象。學生要在有限的課堂時間內(nèi)去學習消化更多的課程知識，導致學生跟不上課堂節(jié)奏，學習效果受到很大影響。

（二）授課知識內(nèi)容與實際工程問題脫節(jié)

“熱工基礎(chǔ)”課程除了理論性強之外，也有很強的實踐性，很多知識點與日常生活、工程實際聯(lián)系比較緊密，如熱機的工作效率、空調(diào)的制冷原理、暖氣管道的傳熱問題、雙層玻璃的隔熱問題、蒸汽管道的散熱問題等。由于課時受限，在以往的授課過程中，過多地強調(diào)知識灌輸，關(guān)注點聚焦于有限的課堂時間內(nèi)講完課程知識點，而忽略了實際工程問題的引入，造成學生對課程理解不夠深入，不知道學習這門課程到底有何用處，學生對這門課程興趣度不高。另外，過多關(guān)注書本知識，缺少實際工程問題的引入，導致學生在學習過程中注重知識點的死記硬背，忽略了利用知識分析、解決實際工程問題能力的提升，這種教學方法不能促使課程教學目標的達成。

（三）教學手段與課程評價方式單一

“熱工基礎(chǔ)”課程理論性強，推導公式較多，為便于學生理解，早期教學采用板書形式，學生反饋效果比較好，但是在一些知識點講解上，由于缺乏相關(guān)的圖片、視頻動畫，理解起來不直觀，如流體的流態(tài)層流和湍流。新版培養(yǎng)方案的修訂使得該課程學時大幅減少，為了能完成課程內(nèi)容，授課方式轉(zhuǎn)變成了PPT多媒體教學，圖文并茂，加深了學生對知識點的理解，但是缺少了相關(guān)公式的推導過程，在一些難以理解的知識點上，學生聽起來懵懵懂懂，如穩(wěn)定流動能量方程式、克勞修斯不等式等公式的推導。如何在教學過程中協(xié)調(diào)板書和多媒體教學方式之間的關(guān)系值得進行探索。另外，本門課程的考核方式采用平時作業(yè)、實驗和期末考試相結(jié)合的綜合評價方式，由于學生課后作業(yè)抄襲現(xiàn)象比較嚴重，所以平時作業(yè)呈現(xiàn)的結(jié)果不能反映出學生的真實學習情況;因此，無法對學生的平時學習進行實時監(jiān)控，授課方法得不到及時調(diào)整，使得期末考試成績達不到預期，課程的教學目標也無法達成。

三、教學改革探索

根據(jù)新版培養(yǎng)方案規(guī)定的畢業(yè)要求，結(jié)合工程教育認證下“熱工基礎(chǔ)”課程的教學目標，本文從課程思政元素的融入、教學內(nèi)容的編排重構(gòu)、教學方法的轉(zhuǎn)變和課程評價方式多樣化等方面進行了教學改革和探索。

（一）課程思政元素的融入

課程思政是利用課堂這個平臺將思想引領(lǐng)、專業(yè)學習、技能訓練有機結(jié)合在一起，是高等院校政治思想教育工作的發(fā)展趨勢，是新時代立德樹人理念的創(chuàng)新和升華，能潛移默化幫助學生健康成長[4]，從而實現(xiàn)以人為本、素質(zhì)教育和“三全育人”的教育目標[5]。對于“熱工基礎(chǔ)”這門課程，在課程教學過程中很有必要融入課程思政元素，讓學生意識到該課程與生活息息相關(guān)，認識到該課程的性質(zhì)及其在專業(yè)課程體系中的重要性。該課程也有很多知識點與思政元素相關(guān)聯(lián)，如通過介紹我國能源的利用問題及節(jié)能減排措施，可以培養(yǎng)學生樹立節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的意識;通過介紹熱力學兩大定律的形成過程，可以培養(yǎng)學生“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學世界觀及科學探索奉獻精神。這些課程思政元素的融入，一方面可以端正學生的學習態(tài)度，強化學生對學習的再認識;另一方面也能激發(fā)學生對課程的學習熱情。

（二）教學內(nèi)容的編排重構(gòu)

針對“熱工基礎(chǔ)”課程教學課時少、授課內(nèi)容多，兩者不匹配問題，提出了教學內(nèi)容分類編排重構(gòu)的方法。為了讓學生在有限的課時內(nèi)真正地學好、學懂這門課程，除了采用PPT多媒體教學為主、板書為輔的授課方式外，還增加了在線課程的學習，授課方式采用線上線下混合教學方式。對于一些熱力學的基本概念、基本定律和基本定理、傳熱學傳熱方式的介紹等常識性內(nèi)容，采用錄制單個知識點短視頻的形式，并發(fā)布到學校在線開放課程平臺，鼓勵學生課前在線學習;對于一些理論與實踐聯(lián)系緊密的知識點，如熱力設(shè)備的工作循環(huán)、穩(wěn)態(tài)導熱、傳熱問題、換熱問題等，采用PPT多媒體教學進行課堂講解，在講解過程中，通過PPT圖片或視頻引出工程問題，引導學生分析，培養(yǎng)分析解決問題的能力;對于一些理論性強、推理性強的公式，如穩(wěn)定流動能量方程式、克勞修斯不等式、穩(wěn)態(tài)導熱數(shù)學模型等相關(guān)公式的推導，采用板書形式進行課堂推導。這種將知識點進行分類編排重構(gòu)的方法，一方面讓學生有效地利用了課前時間，提高了自主學習的能力;另一方面也讓有限的課堂時間得到了合理有效的充分利用，既提高了學生的課堂參與度，也提高了學生分析解決工程問題的能力。

（三）教學理念及教學方法的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的教學理念是以教師為主體，課堂上以教為主，進行知識“灌輸”，過多的關(guān)注教師教的效果，而對學生的學習效果如何往往關(guān)注不夠?，F(xiàn)在教學理念必須轉(zhuǎn)變，要以學生為中心、產(chǎn)出為導向，以學生為主、教師為輔，讓學生積極參與教學活動，成為學習的主導者。教學重心由知識傳輸向能力培養(yǎng)方向轉(zhuǎn)變，通過教師“活”起來，學生“動”起來，培養(yǎng)學生的自主學習、獨立思考、分析與解決問題的能力。

課堂教學采用任務(wù)驅(qū)動、啟發(fā)式教學方法，以工程問題為導向，引導學生獨立思考，啟發(fā)學生對問題層層分析的創(chuàng)新思維能力。具體教學過程如下：第一步，以工程實例為背景，拋出問題引導學生去思考和自主學習;第二步，與學生協(xié)商問題解決方案，采用層層遞進分析方法，啟發(fā)學生由淺至深去分析問題;第三步，引入新課，通過第二步的深入分析引入需要掌握的知識點，以此開展對新課的學習;第四步，在新課學習之后，引導學生利用新知識解決拋出的工程問題;第五步，針對課程主要知識點進行在線測驗，檢驗學生的真實學習效果;第六步，對本次課程進行總結(jié)，列舉主要知識點及重點難點，加深學生對這些內(nèi)容的理解，并發(fā)布作業(yè)進一步檢驗學生的學習效果。

本文以平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱為例簡單介紹授課過程。首先拋出雙層玻璃的導熱問題，引導學生分析雙層玻璃的隔熱原理，接著結(jié)合本節(jié)課知識點學習一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，進而引導學生提出增大隔熱效果的措施，最后將問題進行延伸，引出雙層玻璃的傳熱問題，讓學生在課堂上獨立思考，完成測驗，檢驗學生對一維穩(wěn)態(tài)導熱知識的掌握情況及分析解決工程問題的能力。

（四）課程評價方式多樣化

傳統(tǒng)的課程評價方式采用“課后作業(yè)+期末考試”的考核方式，課程評價方式比較單一。為了能夠?qū)崟r掌握學生的真實學習情況，課程的評價方式實現(xiàn)了多樣化，強化了過程性評價，主要體現(xiàn)在學生平時考核方式的多樣化，如采用課堂測驗、課堂討論、課堂匯報及現(xiàn)場答疑等課堂活動檢驗學生的學習情況。通過多樣化的課堂活動，加強教師與學生之間的互動，活躍課堂氣氛，提高學生的課堂參與度，并能及時掌握學生的學習狀態(tài)。針對課堂互動環(huán)節(jié)中所反饋出來的共性問題，通過課堂集中講解，及時解決學生在學習過程中遇到的問題。通過設(shè)置平時綜合成績構(gòu)成及比重，檢驗學生的綜合學習效果;通過提高課堂活動成績、提高平時綜合成績所占總成績的比重（由原來的20%提高至40%），以成績?yōu)榧钫{(diào)動學生課堂學習及課堂活動參與的積極性，從而達到最終的學習改善效果，促使課程目標的達成。

結(jié)語

基于工程教育認證背景，本文對“熱工基礎(chǔ)”課程特點及學生情況進行了學情分析，針對當前課程教學過程中存在的主要問題進行了教學改革探索，提出了一些主要改革措施：（1）融入課程思政元素激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的學習興趣;（2）分類編排重構(gòu)教學內(nèi)容，提高學生的自主學習能力、終身學習意識和課堂參與度;（3）轉(zhuǎn)變教學模式，強化學生的能力目標，以工程問題為導向，提高學生分析解決實際工程問題的創(chuàng)新思維能力。本文提出的教學改革措施有助于本課程教學目標的達成，也有利于該課程的持續(xù)改進，符合工程教育認證的要求。

參考文獻

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Exploration of the Teaching Reform of Basic Thermal Engineering Course Based on Professional Certification

NIE Shao-wu， LI Tian-xing， SU Jian-xin， LI Ju-bo

（School of Mechatronics Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang，

Henan 471003， China）

Abstract： Basic Thermal Engineering is a professional basic compulsory course for the machinery design and manufacturing and its automation major and mechatronics engineering major， and it plays the important role in the mechanical course system. Aiming at the course characteristics and the student situation， the learning situation is analyzed firstly， and the teaching objectives of this course are proposed under the background of engineering education professional certification. Then the main problems existing in the current classroom teaching process are discussed， and finally， the teaching reform is explored from the aspects of the “curriculum ideological and political education”， the teaching content， the teaching method and the course evaluation. Through the teaching reform， students can improve their innovative thinking ability and independent learning ability of analyzing and solving engineering problems while mastering the knowledge， and finally promote the achievement of the teaching objectives of this course.

Key words： professional certification; Basic Thermal Engineering; teaching reform; course objectives achieving