工業(yè)余熱“大作業(yè)”教學模式的探索與實踐

王春林，方豪

摘 要：在應用型本科的“新工科”人才培養(yǎng)過程中課程建設(shè)探索是重要的環(huán)節(jié)，本文以建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的特色課程《工業(yè)余熱利用》建設(shè)為例，為解決供熱行業(yè)將來面臨的“碳中和”、清潔供暖的社會需求目標開發(fā)課程，通過學情分析、提取課程特征、設(shè)計課程目標，探索“大作業(yè)”教學模式，形成“4+3+2+2+1”的教學方法體系，并根據(jù)知識點、復雜工程問題的處理、課程思政等方面設(shè)計教學反饋評價方式，踐行“以學生為中心”的教學理念，將教師作為課程教學的組織者和引導著，形成了專業(yè)課程為后續(xù)課程服務、為畢業(yè)設(shè)計服務、為行業(yè)發(fā)展服務的教學效果?？勺鳛橄嚓P(guān)專業(yè)新課程建設(shè)的參考。

關(guān)鍵詞：工程教育;教學設(shè)計;課程思政;建筑環(huán)境與能源應用工程;專業(yè)課程設(shè)計

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）05-0091-04

1 專業(yè)建設(shè)背景

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型，提出2030年前碳達峰目標和2060年前碳中和愿景[1]。作為其中的具體措施，2021年3月，中華人民共和國財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)保部等單位聯(lián)合發(fā)文，對冬季實行清潔取暖且有改造需求的北方地區(qū)地級以上城市進行獎補，連續(xù)支持三年，工業(yè)余熱、生物質(zhì)能等多種方式均在此列。據(jù)不完全統(tǒng)計，北方城鎮(zhèn)供暖地區(qū)的高能耗工業(yè)余熱可提供約20%的城鎮(zhèn)供暖，熱電聯(lián)產(chǎn)余熱回收可提供80%的城鎮(zhèn)供暖，從總體上可實現(xiàn)大幅度降低現(xiàn)有的化石能源采暖，從而實現(xiàn)低碳、清潔的供暖方式。

經(jīng)濟發(fā)展、科技革命和產(chǎn)業(yè)變革迫切需要高等教育不斷提升創(chuàng)新能力，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的進程中發(fā)揮引領(lǐng)和支撐作用[2]。本科高等學校的專業(yè)及專業(yè)課程的設(shè)計，需要綜合考量學校的定位、人才就業(yè)出口、本專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀等因素。作為以供熱、供燃氣為主要人才培養(yǎng)方向的赤峰學院建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)，具備以下課程特色：

1.2016年赤峰學院入選“產(chǎn)教融合發(fā)展工程建設(shè)規(guī)劃項目應用型本科院?！盵3];

2.建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)（以下簡稱“建環(huán)“）是以能源技術(shù)為主，與建筑、機械、信息技術(shù)等多專業(yè)的交叉應用型學科。與人類基本需求“衣、食、住、行”均緊密相關(guān);

3.工業(yè)余熱對清潔供暖的作用顯著，在供熱系統(tǒng)中應作為重要的補充熱源，承擔末端熱用戶的基礎(chǔ)負荷[4];

赤峰學院的建環(huán)專業(yè)，是“產(chǎn)學研用”合作辦學的典型案例?！豆I(yè)余熱利用》的課程設(shè)計，要求在課程定位上對位專業(yè)培養(yǎng)目標;在教學組織上與供熱行業(yè)深度合作;內(nèi)容上包含宏觀的分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、推測供熱需求和供給側(cè)的變化，微觀的各行各業(yè)的工業(yè)余熱利用技術(shù)的專業(yè)知識、實踐案例等知識點進行設(shè)計整合;在考核評價上面向企業(yè)的技術(shù)需求。

2 學情分析與教學痛點

2.1 學情分析

本課程屬于初開課程，在課程的目標設(shè)計、內(nèi)容設(shè)計、教學方法、效果評價等各環(huán)節(jié)中，需要根據(jù)學生的具體情況進行動態(tài)的分析。圍繞學生的心理、課程在課程體系中的作用、學生接受知識的差異、學習方法和潛在問題進行綜合考量，通過觀察、談話、調(diào)研、書面材料和測驗等形式進行教學過程的反饋和改良修正。按照培養(yǎng)目標的要求，在溝通與交往能力、解決工程問題的能力、學習參與能力、課程體系與教學質(zhì)量滿意度、實習時間滿意度等多方面[5]進行綜合評估。

調(diào)查研究法中，應用線上教學資源的優(yōu)勢，通過電子平臺進行教學內(nèi)容掌握的典型評價。主要通過思維導圖、發(fā)散論點等方法來分析工業(yè)余熱熱源信息及其相關(guān)性;通過實踐調(diào)查案例讓學生掌握信息統(tǒng)計工作中的側(cè)重點;通過論文綱要來指導學生的工程報告寫作及工程匯報技巧[6]。

2.2 課程特征提取

工業(yè)余熱利用并未以一門專業(yè)課程出現(xiàn)在《高等學校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)本科指導性專業(yè)規(guī)范（2013年版）》中，課程內(nèi)容的類比和參照資源較少，具備新技術(shù)和交叉學科兩個顯著特征：

2.2.1 新技術(shù)特征顯著

（1）技術(shù)需求前景巨大，但現(xiàn)有成熟的技術(shù)方案不多。

（2）目前無可參考的教材。

（3）缺乏典型的工程案例作為支撐點進行研究。

2.2.2 交叉學科特點鮮明

（1）熱源工藝復雜，沒有統(tǒng)一標準。

（2）不同行業(yè)的分析方法、取熱流程差異很大。

（3）不同地區(qū)的特點不同，相關(guān)的分析成果較少。

2.3 教學目標設(shè)計

結(jié)合學生的學情分析結(jié)果和課程特征，《工業(yè)余熱利用》課程的主要目標是使學生掌握建立低品位工業(yè)余熱信息統(tǒng)計的方法體系，利用建立的理論方法與工具，定性描述低品位工業(yè)余應用于城鎮(zhèn)集中供暖各關(guān)鍵問題的優(yōu)化目標，掌握定量地進行熱源選擇的優(yōu)化方法，能夠在系統(tǒng)全局及局部環(huán)節(jié)進行設(shè)計與優(yōu)化。具體包括：分析工業(yè)余熱的供暖過程、選擇最優(yōu)取熱流程、設(shè)計適合低品位工業(yè)余熱供暖系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)方法。為畢業(yè)設(shè)計中的能源綜合利用提供一個技術(shù)選擇路徑。課程定位在建環(huán)專業(yè)中的能源應用專業(yè)領(lǐng)域中，并根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域設(shè)計課程思政。

3 教學設(shè)計

3.1 教學模式

教學模式的設(shè)計主要根據(jù)學生的學情、專業(yè)定位、課程定位進行課堂教學組織。本課程與實踐結(jié)合的較為緊密，教學過程的特點更接近于職業(yè)教育專業(yè)教學的特征。課程建設(shè)需要緊密貼合行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，全面掌握相關(guān)行業(yè)的能源使用現(xiàn)狀、利用好互聯(lián)網(wǎng)的信息整合功能優(yōu)勢，與時俱進的進行行業(yè)發(fā)展的動態(tài)分析[7]。

教學模式主要選用范例教學、引導-發(fā)現(xiàn)教學（問題-探究教學），通過項目化的課題設(shè)計，利用“探索—翻轉(zhuǎn)—應用”模式進行知識內(nèi)化[8]，通過ISAS（Information Search and Analysis Skill信息搜索和分析技能）進行綜合工程能力的訓練[9]。設(shè)計指導學生利用課余時間，選擇具備挑戰(zhàn)性、前瞻性的主題，通過團隊分工完成信息搜集、分析、演講、課題研究報告等環(huán)節(jié)，在知識性工具的學習和使用、信息技術(shù)的選擇、溝通表達、團隊協(xié)同等方面進行綜合訓練，在難度設(shè)計上由淺入深、在題目選擇上從宏觀到微觀，通過研討的形式探索行業(yè)的最新應用技術(shù)，如下圖。通過四個大作業(yè)的設(shè)計，預留作業(yè)，教學活動以解決問題為中心，在教師指導下發(fā)現(xiàn)問題、提出問題通過自己的活動找到答案。課上教師以案例教學介紹問題的其中1種以上的解決方案，進行問題啟發(fā)。每次教學過程，經(jīng)過四個階段，即教師講解、案例分析、技術(shù)討論、翻轉(zhuǎn)課堂的學習過程，將認知過程，由教師主導逐步向?qū)W生學習推動，形成教學的漸進式過渡。并將研究分析方法在第一時間介紹給學生，使得學生在研究問題的時候有明確的方向，從而獲得良好的教學效果。

教學內(nèi)容上，從國家宏觀的能源信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)入手，參照典型工程的示范數(shù)據(jù)，以熱源、熱網(wǎng)、熱用戶各點的最新優(yōu)化技術(shù)為基準進行衡量比較，通過分地域、分行業(yè)兩種方式逐步進行能源總量的細分。逐步展開學習內(nèi)容，根據(jù)學生學習情況動態(tài)調(diào)節(jié)學習進度，力求更加深入的進行工程問題的分析和探索。

教學活動組織中，培養(yǎng)學生組織工程項目、參與工程項目的能力。特別是對帶頭人的要求，提出具體明確的組長責任：與課代表、助教及時溝通，明確大作業(yè)意圖和要求;召集討論，確定匯報思路;合理分工，大作業(yè)任務拆解;聯(lián)系組員，及時完成相應內(nèi)容;整體把關(guān)，查漏補缺。

3.2 思政融入

課程思政是高校為解決培養(yǎng)什么樣的人、為誰培養(yǎng)人、如何培養(yǎng)人這個根本問題而必須開展的教學研究工作[10]。本課程圍繞專業(yè)發(fā)展史、社會發(fā)展史，結(jié)合工程案例，以過去、現(xiàn)在、未來發(fā)展等3個階段，通過線上教學資料發(fā)布、課上的案例講述、小組學習過程中感悟、學生匯報中的認知分享等步驟完成。

3.3 課程教學創(chuàng)新點

基于模塊化培養(yǎng)工程應用能力的《工業(yè)余熱利用》“4×4”教學模式。即按照4個課程主要學習的目標，即余熱總量、熱源選擇、熱量輸配、熱用戶優(yōu)化，分別設(shè)置大作業(yè)，每個階段目標按照不同的模式細分為4個主題，即國內(nèi)余熱總量估算、某項目典型余熱應用技術(shù)、按地域的余熱量估算、按行業(yè)的與熱量估算等。開課即布置本學期的研究目標和研究內(nèi)容，分組完成，教師進行授課，提出解決方案。在工程案例中穿插課程思政要求，培養(yǎng)高尚的情操。

課程教學可總結(jié)為“4+3+2+2+1”：

4個階段，即4次大作業(yè);

3種授課模式，線下講授、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合模式;

2種教學過程，即教師或行業(yè)專家講、學生完成作業(yè)后的匯報2個過程;

2種研究視角，即全國、全球的工業(yè)余熱總量的宏觀視角，和某企業(yè)、某熱源的余熱總量估算方法的微觀視角。

1種學習組織。通過分組完成的方式，鍛煉學生的科技活動、工程項目的組織能力和執(zhí)行能力，著力進行應用型課程教學改革。

3.4 教學評價方法

教學評價采用大作業(yè)綜合評分為主要考核方式，不設(shè)標準答案。分組完成4次大作業(yè)的PPT及研究報告，課上隨機的小作業(yè)。每次作業(yè)由不同的同學擔任組長，不得重復，組長有明確的責任，設(shè)置獨立加分項，鍛煉學生的組織協(xié)調(diào)和任務協(xié)同能力。

因本課程為研究性課程，課程內(nèi)容的標準答案不唯一，故課程的考核，不以考試論成敗，以學習探索的態(tài)度、自主完成研究工作的效率、主要結(jié)論的創(chuàng)新性作為考核的標注，考核過程受評閱教師主觀因素影響?？己嗽u價工作中，每次不少于3位從事工業(yè)余熱相關(guān)領(lǐng)域研究工作的教師、行業(yè)、企業(yè)的專家學者共同參與，以綜合成績進行評價，同時讓學生在同行的提問中思考和成長。

4 教學效果

4.1 教學評價

教學效果評價，采用小作業(yè)檢查工具性的知識點學習情況，大作業(yè)檢查特定工程問題分析處理能力，出勤和加分綜合考察學習態(tài)度和平時表現(xiàn)，總分上限不突破100分。課程綜合成績結(jié)果，中等、優(yōu)秀的比例數(shù)較小，良好的比例較高，體現(xiàn)了一定的區(qū)分度，避免了在過程評價中的區(qū)分度較小的問題[11]。大作業(yè)的評價，采用一名教師、一名行業(yè)專家、一名本專業(yè)畢業(yè)生、一名其他高校專家組成評價小組，各專家從不同角度制定評分方案，最后進行綜合打分。

為更好地進行每個學生的學習情況分析，用5分梯度的曲面圖，來表示在不同作業(yè)中的綜合表現(xiàn)，如下圖。圖中橫坐標表示學生個體，縱坐標表示作業(yè)任務，圖中的線，反映每次作業(yè)的綜合表現(xiàn)，探索不同作業(yè)任務條件下的學生短板和優(yōu)勢點，以便為學生綜合能力的評估做準備。以小作業(yè)3為例，從圖中可看出，成績在75-80分的比例較高，相對于其他的作業(yè)，成績較低，在作業(yè)難度上可能偏大，下一步的教學計劃需要在此做一定的加強;以第15號學生為例，最高分出現(xiàn)在小作業(yè)2、4，成績在95-100，小作業(yè)3相對較弱。在后續(xù)課程的暑期供熱調(diào)研的實習實踐活動中，便可以建議該同學帶頭參加與小作業(yè)2、4相關(guān)的調(diào)研工作，關(guān)注自身薄弱環(huán)節(jié)，向相關(guān)類別成績較高的同學交流學習，形成共同進步。

4.2 社會服務及科研成果

通過研究式的教學過程獲得科研成果。教師方面，2019年發(fā)表3篇學術(shù)論文，其中1篇獲得2020年“領(lǐng)跑者5000中國精品科技期刊頂尖學術(shù)論文”;學生成果方面，每年培養(yǎng)1名從事工業(yè)余熱相關(guān)工作的畢業(yè)生，已畢業(yè)2屆學生，2人均獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計，1人的研究成果發(fā)表在《區(qū)域供熱》雜志，論文獲得第二屆中國供熱學術(shù)年會優(yōu)秀論文，收錄在2019中國供熱優(yōu)秀論文集。相關(guān)研究受到供熱行業(yè)的重視，在工業(yè)余熱清潔供暖的宏觀設(shè)計方面提供了重要的參考。

教學模式區(qū)域成熟，大作業(yè)結(jié)合工程案例的教學方法，通過3屆學生的培養(yǎng)，現(xiàn)已基本穩(wěn)定，每年逐步更新教學內(nèi)容和案例數(shù)據(jù)，使得每年的教學內(nèi)容隨著技術(shù)的不斷推進而變化，同學們畢業(yè)后能直接應用于相關(guān)工作，獲得了行業(yè)認可。

5 小結(jié)

通過課程4輪的教學實踐，以《工業(yè)余熱利用》為典型專業(yè)課程的新建課程，在教學設(shè)計和實踐中有如下特點：

1.課程定位在應用能力的培育。課堂教學為工程案例的研究服務，以實際問題的多變和多維解決途徑，以發(fā)散的思維引導學生的研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過真實案例、與工程的運行進行互動，作為檢驗學習內(nèi)容的考核依據(jù)，在學習過程中解決工程問題。

2.動態(tài)組織教學內(nèi)容。每年分析一個典型的工業(yè)余熱系統(tǒng)的真實運行數(shù)據(jù)，并與不同年份、不同地區(qū)的案例進行橫向、縱向比較，提高學生的全面分析和解決工程問題的能力。

3.學生是學習活動的主角。學習活動中，將監(jiān)督、組織、管理學生課后學習的工作，以組長的形式下放。教師對學生的學習活動，由課代表、各題目的組長進行總體安排，形成良性的管理機制。在管理活動中，鍛煉學生團結(jié)協(xié)作和項目組織管理的能力，為將來學生從事工程管理、組織做準備。

4.學習成果與社會服務相結(jié)合。學習成果就是研究成果，經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計階段的打磨，向行業(yè)推送，提高服務行業(yè)的能力。

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