消防工程專業(yè)“傳熱學(xué)”課程教學(xué)模式改革探索與實(shí)踐

［摘 要］ 針對(duì)消防工程復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“傳熱學(xué)”課程知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了目前西安科技大學(xué)消防工程專業(yè)“傳熱學(xué)”課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。為構(gòu)建以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生“傳熱學(xué)”的學(xué)習(xí)興趣，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)和考評(píng)方法四個(gè)方面提出教學(xué)改革主要內(nèi)容。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，有效提高了教學(xué)效果及質(zhì)量，鍛煉了學(xué)生應(yīng)用傳熱學(xué)理論知識(shí)分析消防相關(guān)問(wèn)題的能力，充分發(fā)揮了“傳熱學(xué)”作為消防工程專業(yè)基礎(chǔ)課的銜接作用，獲得了學(xué)生廣泛認(rèn)可。

［關(guān)鍵詞］ 消防工程；傳熱學(xué)；課堂教學(xué)；改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度陜西省科技廳陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“煤顆粒尺度下聲傳播特性及溫度-聲速關(guān)聯(lián)機(jī)制”（2022JQ-408）

［作者簡(jiǎn)介］ 于志金（1989—），男，黑龍江雙鴨山人，博士，西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事消防工程專業(yè)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）22-0058-04 ［收稿日期］ 2022-06-27

引言

消防工程是一門圍繞火災(zāi)規(guī)律，學(xué)習(xí)火災(zāi)防、控、滅理論和技術(shù)的綜合性學(xué)科，培養(yǎng)目標(biāo)為從事消防研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)及管理等社會(huì)消防技術(shù)服務(wù)的應(yīng)用復(fù)合型人才，該專業(yè)畢業(yè)生須掌握防滅火科學(xué)的基本理論，熟悉國(guó)家消防安全法律法規(guī)、設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［1］?！皞鳠釋W(xué)”是一門研究熱量傳遞規(guī)律的課程，由于火災(zāi)的形成、發(fā)展和演化過(guò)程中均存在著復(fù)雜的熱量傳遞現(xiàn)象，所以“傳熱學(xué)”的基本原理和規(guī)律在消防工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，這也正是目前國(guó)內(nèi)大部分開(kāi)設(shè)消防工程專業(yè)的高等院校均將“傳熱學(xué)”作為本專業(yè)必修的基礎(chǔ)課之一的主要原因［2］。但“傳熱學(xué)”是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。在教學(xué)課時(shí)不斷被壓縮的情況下，如何科學(xué)地設(shè)置教學(xué)課程，激發(fā)學(xué)生對(duì)“傳熱學(xué)”的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用分析能力，已成為任課教師面臨的重要問(wèn)題。很多學(xué)校的教師通過(guò)不斷更新教學(xué)理念和教學(xué)方法，開(kāi)展了“傳熱學(xué)”課程教學(xué)模式的探索和優(yōu)化，取得了良好的效果［3-5］。本文結(jié)合西安科技大學(xué)消防工程專業(yè)“傳熱學(xué)”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何實(shí)施“傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)“傳熱學(xué)”課程專業(yè)銜接作用，分享了一些探索經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐體會(huì)。

一、教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題

通過(guò)調(diào)研近幾年消防專業(yè)“傳熱學(xué)”課堂教學(xué)現(xiàn)狀，綜合教學(xué)督導(dǎo)專家、課程組、學(xué)生的反饋信息，發(fā)現(xiàn)了存在共性且較為突出的問(wèn)題如下。

（一）學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)差異較大，“灌輸式”教學(xué)效果不盡如人意

對(duì)重要公式的推導(dǎo)是掌握傳熱學(xué)基本原理的基礎(chǔ)，更是準(zhǔn)確理解工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中傳熱學(xué)現(xiàn)象的關(guān)鍵［4］。但學(xué)生存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)、微分方程與函數(shù)分析求解等理論計(jì)算困難的問(wèn)題，只有通過(guò)教師細(xì)致地講解才能降低學(xué)生的理解難度。而這樣一來(lái)，有限的教學(xué)時(shí)間就會(huì)十分緊張，直接導(dǎo)致教師所講知識(shí)點(diǎn)缺少拓展，學(xué)生很難將理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用相聯(lián)系，造成專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)背景脫鉤。

（二）多媒體教學(xué)信息量大，學(xué)生流于形式，基礎(chǔ)不牢固

許多教師在課堂教學(xué)中引入了多媒體技術(shù)，配合實(shí)物展示或者模擬重現(xiàn)，給學(xué)生以直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)際消防中存在的傳熱學(xué)原理的理解和消化，不僅提高了教學(xué)內(nèi)容的趣味性，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情［5］。但限于課時(shí)和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，大部分內(nèi)容的作用僅限于展示，演示內(nèi)容與基礎(chǔ)理論的跨度過(guò)大，導(dǎo)致學(xué)生只是看個(gè)熱鬧，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力并沒(méi)有得到提升。最終導(dǎo)致課程科普化，不利于學(xué)生構(gòu)建完善的知識(shí)體系，影響了“傳熱學(xué)”在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系中的基礎(chǔ)作用。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性

實(shí)驗(yàn)在“傳熱學(xué)”課程教學(xué)體系中占有重要地位，通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證課本理論知識(shí)，是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決工程實(shí)際問(wèn)題的主要手段。但在實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)課程多為演示性實(shí)驗(yàn)，即教師演示，學(xué)生模仿。實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在缺少實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備不足的問(wèn)題，學(xué)生參與度有限，其獨(dú)立思考的能力和動(dòng)手能力并未真正得到鍛煉。而由于缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高，無(wú)法讓學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。

（四）考核方式與學(xué)習(xí)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)不符

我校消防工程專業(yè)采用的考核方式為平時(shí)表現(xiàn)占30%、實(shí)驗(yàn)占10%、期末閉卷考試占60%的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)［1］。其中，期末試卷題型和各知識(shí)點(diǎn)分布情況如表1所示。

在設(shè)計(jì)試卷時(shí)，對(duì)導(dǎo)熱的基本概念、規(guī)律及實(shí)際運(yùn)用分析提出了較為全面的要求。而在對(duì)流和輻射部分，則更多要求學(xué)生掌握其熱量傳遞的基本方式及遵循規(guī)律，對(duì)分析處理能力和分析計(jì)算能力的要求相對(duì)較弱。2018—2020年兩個(gè)教學(xué)班學(xué)生的期末考試試卷得分統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由表2可知，大部分學(xué)生期末試卷的得分在60～80分之間，得高分（大于90分）的學(xué)生較少，不及格的人數(shù)超過(guò)了總?cè)藬?shù)的13%。在具體題型的得分情況方面：名詞解釋、填空題、簡(jiǎn)答題的平均得分率超過(guò)了80%，而計(jì)算題、分析題的得分率僅在40%～50%之間，說(shuō)明學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和對(duì)固定知識(shí)點(diǎn)的記憶情況較好，但涉及結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析和知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用時(shí)，卻有明顯不足，很多學(xué)生在做計(jì)算題時(shí)不清楚運(yùn)用什么理論，亂套公式的現(xiàn)象非常普遍。因此，現(xiàn)有的考核方式雖使學(xué)生重視課堂表現(xiàn)，但仍無(wú)法改變期末“一卷定終身”的現(xiàn)實(shí)，學(xué)生為了通過(guò)考試往往采用死記硬背、生搬硬套的方式，并未具備運(yùn)用傳熱學(xué)原理分析解決實(shí)際工程中傳熱問(wèn)題的能力，更難以將強(qiáng)化或削弱傳熱、溫度控制的基本理論和技術(shù)與消防工程專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，由此可知，現(xiàn)有的考核方式與應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)相悖。

二、教學(xué)模式改革與實(shí)踐

（一）前置理論教學(xué)，精煉教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容

理論教學(xué)，特別是熱量傳遞三種基本形式（熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射）的基本定律和計(jì)算方法的掌握程度是決定學(xué)生能否掌握傳熱學(xué)知識(shí)、能否與工程領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容建立起聯(lián)系的關(guān)鍵。但在學(xué)時(shí)有限的情況下，在課上占用大塊時(shí)間來(lái)講解推導(dǎo)過(guò)程，容易造成知識(shí)面拓展不足，導(dǎo)致缺少引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。對(duì)此，可將理論教學(xué)窗口前置。首先，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程資源，如中國(guó)大學(xué)慕課（MOOC）、YY教育、雨課堂等，提前將課上所涉及的基本理論、概念、公式發(fā)布給學(xué)生，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生自主完成微分方程的推導(dǎo)過(guò)程。其次，利用雨課堂平臺(tái)，針對(duì)每節(jié)重要理論的推導(dǎo)過(guò)程，以判斷題的形式使學(xué)生明確理論學(xué)習(xí)中易忽視、易錯(cuò)、難理解的環(huán)節(jié)，以此強(qiáng)化學(xué)生對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)教師可以根據(jù)答題情況掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的預(yù)習(xí)情況。在此基礎(chǔ)上，在課上鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)分享預(yù)習(xí)體會(huì)，以此達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生課上參與度、提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性的目的［6］。由于學(xué)生在課前完成了對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)時(shí)，教師可以以消防專業(yè)領(lǐng)域工程實(shí)例為切入點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)容精煉，重點(diǎn)講解如何應(yīng)用所學(xué)理論，進(jìn)而保證核心知識(shí)點(diǎn)和與專業(yè)結(jié)合度高的內(nèi)容有充裕的時(shí)間講深講透，比如與消防工程密切相關(guān)的復(fù)合傳熱、強(qiáng)制對(duì)流、隔熱板等知識(shí)點(diǎn)。

（二）突出消防工程背景，合理運(yùn)用多媒體技術(shù)

多媒體教學(xué)可以將熱量傳遞過(guò)程中的抽象內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，特別是對(duì)流傳熱邊界層、相變對(duì)流傳熱等復(fù)雜的現(xiàn)象，通過(guò)反復(fù)觀看物理圖景變化，加深學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)［5］。但較為廣泛的素材來(lái)源，導(dǎo)致這種多媒體瀏覽式教學(xué)與基礎(chǔ)理論、專業(yè)實(shí)踐脫節(jié)，或使學(xué)生難以消化，沒(méi)有達(dá)到多媒體教學(xué)應(yīng)有的效果。因此，應(yīng)實(shí)施定制化多媒體教學(xué)，圍繞現(xiàn)實(shí)消防場(chǎng)景，注重體現(xiàn)實(shí)景材料中涵蓋的傳熱學(xué)現(xiàn)象。采用課前布置作業(yè)的方式，讓學(xué)生熟悉多媒體材料，促進(jìn)學(xué)生思考相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)并建立起專業(yè)聯(lián)系。課上，讓多媒體教學(xué)“慢下來(lái)”，更多地采用課堂互動(dòng)的方式，讓學(xué)生上講臺(tái)，引導(dǎo)他們就某些消防領(lǐng)域的主題進(jìn)行分析，提煉出相關(guān)的傳熱學(xué)問(wèn)題，通過(guò)提出疑問(wèn)增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，從而促使學(xué)生結(jié)合專業(yè)背景形成符合教學(xué)大綱要求的傳熱學(xué)理論體系。

（三）開(kāi)展項(xiàng)目式科研活動(dòng)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合

為了提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)，在實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中以項(xiàng)目式科研活動(dòng)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。首先，開(kāi)展專業(yè)研究性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，由教師設(shè)置選題，選擇兼具應(yīng)用性、工程性與理論性的專題。由3～4名學(xué)生組成研究小組，各科研小組根據(jù)學(xué)術(shù)興趣或?qū)I(yè)方向選擇題目，自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目的組織、技術(shù)路線以及成果展現(xiàn)形式，教師全程參與，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程中的“實(shí)踐”，并給予必要的指導(dǎo)和建議。其次，要求學(xué)生完成20學(xué)時(shí)以上的計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練，結(jié)合Fluent、Comsol、FloTHERM等熱仿真軟件，進(jìn)行傳熱學(xué)現(xiàn)象的數(shù)值分析。教師指導(dǎo)學(xué)生數(shù)值解法的基本原理、方法步驟及注意事項(xiàng)，使其自主完成建模、計(jì)算和結(jié)果處理。最后，鼓勵(lì)學(xué)生用“傳熱學(xué)”課程中的科研活動(dòng)成果參與科研競(jìng)賽，以賽促教，讓學(xué)生有目標(biāo)地主動(dòng)學(xué)習(xí)，并通過(guò)實(shí)踐體會(huì)如何將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程［7］。通過(guò)科研式實(shí)踐教學(xué)，一方面，讓學(xué)生知道了所學(xué)的知識(shí)有什么用，能起到什么效果；另一方面，也提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和合作能力。

（四）創(chuàng)新教學(xué)考核體系，實(shí)施全過(guò)程的考試模式

課程考核是對(duì)教學(xué)理念、內(nèi)容和模式的直接反饋，也是對(duì)教學(xué)效果、學(xué)生課程掌握情況的檢驗(yàn)。在新的考核體系中，綜合課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成質(zhì)量、科研實(shí)踐訓(xùn)練情況、期末考試成績(jī)來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成質(zhì)量方面，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生課前的預(yù)習(xí)情況，通過(guò)隨機(jī)抽取的方式，要求學(xué)生在學(xué)期內(nèi)至少上一次講臺(tái)作為某一知識(shí)點(diǎn)的主講人，教師結(jié)合學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況、學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性、出勤率等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分，此部分成績(jī)占總成績(jī)的30%?？蒲袑?shí)踐訓(xùn)練則更多關(guān)注學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力和分析、解決問(wèn)題的能力，實(shí)施全過(guò)程考核，由過(guò)程綜合表現(xiàn)和作品完成情況兩部分組成。過(guò)程綜合表現(xiàn)由任課教師依據(jù)學(xué)生完成訓(xùn)練的情況評(píng)定，此部分成績(jī)占總成績(jī)的20%；作品考評(píng)采用“專家組打分+研究小組互評(píng)”的方式，專家組由課程組任課教師組成，主要把握項(xiàng)目的基礎(chǔ)理論應(yīng)用情況和技術(shù)路線，互評(píng)則把部分考評(píng)的主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生在考評(píng)中相互學(xué)習(xí)、共同探索，此部分成績(jī)占總成績(jī)的20%。期末考試采用開(kāi)卷的形式，主要設(shè)置綜合類分析題，試卷內(nèi)容注重傳熱學(xué)知識(shí)在消防工程專業(yè)的滲透，要求學(xué)生選用正確的理論和公式來(lái)分析解決問(wèn)題，此部分成績(jī)占總成績(jī)的30%。

三、改革實(shí)施效果

通過(guò)近一年的課程考評(píng)結(jié)果來(lái)看，在“傳熱學(xué)”課程教學(xué)中采取調(diào)整課堂教學(xué)重心、前置理論教學(xué)、加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)、增加科研式實(shí)踐、采用全過(guò)程考核模式等措施后，學(xué)生課上學(xué)習(xí)的主動(dòng)性明顯提高，形成了廣泛思考、互動(dòng)交流的良好學(xué)習(xí)氛圍，扭轉(zhuǎn)了以往學(xué)生對(duì)“傳熱學(xué)”課程枯燥、抽象的印象。同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，使學(xué)生在明確傳熱學(xué)理論知識(shí)的前提下，主動(dòng)聯(lián)系專業(yè)背景，思考如何解決傳熱學(xué)的實(shí)際問(wèn)題，真正做到引導(dǎo)學(xué)生明確應(yīng)該學(xué)習(xí)什么、為什么要學(xué)、怎么學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。2021年采用新的考核方式后，學(xué)生的“傳熱學(xué)”課程成績(jī)與前三年相比，優(yōu)秀率（大于90分）達(dá)到了21%，低于70分的比例不到10%，教學(xué)效果取得了明顯提升。

結(jié)語(yǔ)

“傳熱學(xué)”作為消防工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)問(wèn)題的理解和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。因此，結(jié)合課程特點(diǎn)，堅(jiān)持理論結(jié)合實(shí)踐，改革優(yōu)化教學(xué)模式，使“傳熱學(xué)”課程的教與學(xué)都變得富有吸引力，這樣不僅有助于強(qiáng)化學(xué)生的理論知識(shí)，還能夠提高其解決專業(yè)問(wèn)題的能力及綜合素質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)消防工程應(yīng)用型人才具有重要作用。

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Teaching Reform and Application of Heat Transfer Course for Fire Engineering Major

YU Zhi-jin

（College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian， Shaanxi 710054， China）

Abstract： According to the training goal of fire engineering application compound talents， combined with the knowledge structure and curriculum characteristics of heat transfer， the main problems existing in the classroom teaching and practice teaching of “heat transfer” in fire engineering specialty of Xian University of Science and Technology were analyzed. In order to construct a student-centered classroom teaching system and stimulate students interest in heat transfer， the main contents of teaching reform are proposed from four aspects： teaching contents， teaching methods， practical teaching and evaluation methods. The teaching results and quality have been effectively improved through teaching practice， the ability of students to apply the theoretical knowledge of heat transfer to analyze fire-related problems has been better educated ， and the role of “heat transfer” as the basic course of fire engineering major has been brought into full play， which is widely accepted by students.

Key words： fire engineering; heat transfer; classroom teaching; reform