以CDIO工程教育模式提升《傳熱學》教學質量的評估

朱輝 莊光亮 劉飛

摘要：高等工程教育是工程科技人員培養的主渠道，其人才培養水平直接決定工程技術的水平和發展的速度，對國家的工業競爭力起重要影響。如何改善大學工程教育的質量，以提升畢業生符合工程界需求的能力以及未來的競爭力，是目前各個大學積極努力的方向。本文以桂林航天工業學院能源與動力工程專業傳熱學課程教學為例，探討工程教育模式下學生學習傳熱學課程的現狀。以問卷調查形式了解學生學習的成效和學習困擾，評價工程教育（CDIO）的實施效果和存在的問題，指明未來教學中需要改進的方向。

關鍵詞：工程教育；傳熱學；課程；教學質量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0075-02

現代能源工程系統的復雜化、大規模化及跨領域發展對工程師的學習能力、創新能力和對新技術的應用能力提出了更高的要求。對于能源與動力類專業的學生來說，工程能力和創新能力是步入社會體現各種能力的基礎。傳熱學課程是能源與動力工程專業一門重要的專業基礎課程，是學習后續相關專業課程的核心基礎。本課程內容知識點多、概念多，具有較強的理論性和抽象性，且實際工程應用面廣，這對學生應用理論知識分析和解決實際問題的能力提出了很高的要求。在近幾年的教學實踐中，注意到多數學生能夠掌握傳熱學的知識點，但在應用傳熱學理論知識分析實際問題能力欠缺，對工程的認知程度較低。有鑒于此，傳熱學教學團隊嘗試借鑒國際上先進的工程教育模式構建新的傳熱學教學體系，期望能改善能源與動力工程教育質量，達到工程教育的人才培養目標。為了評估工程教育的實施效果，本文采用調卷問查的形式了解學生對課程內容的接受度，考察學生的學習成效以及評估學生的工程應用與認知能力的程度，期望為未來的教學改進指明了努力的方向。

一、研究方法與過程

本研究以桂林航天工業學院能源與動力工程大三、大四學生已修傳熱學課程的學生為研究對象，根據傳熱學課程CDIO工程教育改革的目標提出研究框架。采用無記名網絡問卷調查方法收集課程教學成果，共計回收可用問卷66份。問卷的設計內容包括：基本資料、傳熱學學習困擾、學習成效、工程應用與認知等方面。考慮學生的背景因素可能直接或間接影響學習過程，故本次調查項目設定如下：受訪對象的基本信息：年級、性別、興趣專長、公共事務參與意愿、專業方向（低溫工程、空調工程以及動力工程）、平常表現、成績分布以及傳熱學課程的考核分數。公共事務參與指班級干部與實驗組長及大學創新項目負責人，以了解學生是否具有組織領導能力。課程學習困擾共分四大項：首先是課程方向性與未來就業，主要了解學生對傳熱學課程內容的掌握程度，能否順利完成不同層次的實驗項目以及課程融入就業市場與未來趨勢的可行性。其次是實驗參與度方面，含學生與教師的互動、實驗氣氛的融入、實驗設備的操作、了解學生的互動有無責任心。再次是實驗能力的表現、實驗的整理數據及其分析的能力。最后是資源與分配部分，敘述學習資源、測量儀器布置、材料分配、學習負荷、實驗流程安排能否達到學生的需求。依據實際狀況設置“非常困擾”、“有困擾”、“基本沒有”、“完全沒有”、“不清楚”五種選項。學習成效調查主要關注學生在主要學習單元的學習成果，分如下主要知識點：穩態導熱、非穩態導熱、對流換熱、輻射換熱、傳熱過程及換熱器等，探討的重點是專業知識的了解，包含傳熱的物理機制、數學推演、試題求解、工程應用等，根據受訪者自我實際認知選填“毫無所知”、“不太了解”、“一般”、“基本了解”和“完全了解”五個選項，以了解受訪者在課程學習后的學習成效，本項采用逆向計分。傳熱學應用與認知是CDIO工程教育成果考察的重點，主要包括以下考察點：工程的認知度增加與否、是否形成節能減排、能源高效利用的可持續發展理念、是否可自主設計和執行實驗、是否能提升數據分析解析能力、團隊合作的配合度以及教師評分方法和課程的滿意度。在教師評分方法和課程滿意度處預留開放空格，期許學生能夠提供更有效的評分及教學方式，以作為日后教學上的改進。

二、結果與分析

本研究對象的背景為男性占大多數為80%，女性則為20%；大三和大四學生約各占一半。上述受訪人員比例與專業方向人數比例基本一致。成績表現以70～80分占38.1%為主分布，分數為80～90分（22.33%）和60～70分（25.4%）居中，而60分以下占7.94%。公共事務以沒有參與者（46.3%）占最多，僅參與一次者（33.33%）次之，兩次參與者（6.35%）最少。由上述背景信息可以看出，研究對象以男性為主，此點正好為理工科專業常態分布學生。

1.受訪者的學習困擾。通過對學習困擾的調查，可了解學生的學習狀況，為下一步的教學改進提供努力方向。本研究問卷表將“傳熱學學習困擾”選項作為負面敘述。結果可發現六大學習能力培養中有學習困擾者較多，除傳熱學實驗課程外，其他幾項有困擾人數比例較高。其中，在傳熱機理和習題解答方面，有困擾的受訪人數比例高達61.9%。在數學推演和工程應用方面表示非常困擾的比例分別為25.4%和20.63%，這一結果說明了目前學生的數學基礎欠扎實，應用傳熱學知識解決實際工程問題能力亟待提高。這其中的原因可能是實際教學過程中缺乏對學生現實能力的正確估計。我校是一所新升本大學（2012年升本），學校的社會聲譽遠不如老牌的本科院校，入校學生學習基礎相對薄弱。然而，目前的傳熱學教材主要是面向“985”和“211”高校本科的教學需要，與這些高校的學生學習能力相適應，這可能是造成學生在數學推演和工程應用方面深感困擾的主要原因。在實驗分析方面，有42.86%學生表示基本沒有困擾，這說明大多數學生對實驗教學能夠予以接收。上述分析說明多數學生在傳熱學學習過程中存在困擾，且多集中于與數學知識相關的學習內容（如傳熱機理分析、數學推演及習題解答），未來在授課方面應先考慮提高此部分的教學質量。

2.受訪者的學習成果。學生學習成果是依據學生對所學內容的理解程度來評判。根據教學大綱安排，傳熱學授課課程內容共分為9個大類知識點和一個實驗能力考查點。在所考察的學習內容中，選擇“一般理解”和“基本理解”這兩項的總計學生人數比例最高的是“傳熱實驗方法”，達到69.84%；而最低的則為“導熱數值方法”，人數比例僅為46.03%。可以看出大多受訪學生通過傳熱學課程學習后能有效獲得學習成就感，而認為學完該課程后完全沒有學習成果（即毫無所知）的人數比例最高者為“導熱數值方法”教學內容，比例高達17.46%，這可能是由于該章節為選學內容的緣故。根據我校應用型本科人才培養目標，傳熱學課程教學計劃安排本章的學時數僅為2學時，且不作考核要求，故部分學生在平時上課時或期末復習時選擇忽略這部分的內容。

3.受訪者對傳熱學的工程認知及滿意度。工程認知指從換熱產品的設計到產品的工程運行，各項工程細部的認知。我校能源與動力工程專業學生畢業后，大多選擇與熱科學相關的工程領域發展，如換熱器生產企業、制冷與空調設備企業和相關的能源利用部門，他們所面臨的工作皆與工程息息相關，而實際工程中必然會遇到換熱設備的選用。因此，如何在不同的環境情況下選用適當的換熱設備，提高系統運行的安全性，同時降低系統運行能耗，這將是所有工程師所要面對的問題。因此，通過傳熱學課程學習，學生所獲得的工程認識理應視為課程教育的重要教學成果。對課程滿意度高低則可反映出學生學習的意愿。受訪者對工程的認識程度和滿意度的調查結果表明大多數受訪者認為學習傳熱學課程可增加工程認知度，對工程的認識程度達到“一般”層次的人數比例為82.54%，僅有3.17%的人認為“完全不了解”。整體而言，各年級組學生均對工程認知有某一程度上的信心，即進入大三、大四之后，學生對自己學科的信心有較強的正面效應。在滿意度這方面，調查結果顯示近90.0%的學生表示非常滿意、基本滿意和可以接受。應指出，盡管大多數學生在學習困擾調查環節中表示存在學習困擾，但學生對課程教學的滿意度仍很高，這表明學生對教師在授課方面的努力給予了相當高的肯定。

三、總結與認識

采用問卷調查方式對2012、2013級能源與動力工程專業學生進行傳熱學學習效果分析，以考察CDIO工程教學的實施效果、存在的問題以及未來教學改進的方向。結果表明：多數學生歡迎新的教學方式，但均普遍存在學習困擾，這一現狀應引起授課教師的高度重視，亦是未來教學中亟待改進的環節；大多數學生認為基于工程教育模式的傳熱學課程學習可增進工程認知度；實施工程教學后，學生對教師授課的滿意度有所提高，90%以上的學生對教學過程表示可以接受，說明CDIO工程教學模式可增進學生的學習意愿。

參考文獻：

[1]李業發，楊廷柱.能源工程導論[M].第2版.中國科學技術大學出版社，2013.

[2]陳學俊.能源工程的發展與展望[J].西安交通大學學報：社會科學版，2003，23（2）：1-7.

[3]張光學，王進卿，池作和.時代背景下熱能與動力工程專業教學改革與創新[J].中國電力教育：下，2014，（2）：37-38.

[4]劉偉，蔡兆麟，黃樹紅，等.構建熱能與動力工程專業創新教學體系[J].高等工程教育研究，2005，（1）：44-47.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO：清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009，1（1）：11-23.