專業認證背景下熱工學課程教學改革探索

馮俊軍,陳 霞,丁厚成,林曉飛,胡新成

(1.安徽工業大學 建筑工程學院;2.安徽工業大學 數理科學與工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

熱工學是安全工程專業的一門專業必修課程。本課程能夠為學生學習后續專業課程和解決熱力工程領域技術問題及從事相關科研奠定基礎。由于熱工學課程具有較強的理論性,名詞及概念繁雜而且高度抽象化,課程的大部分公式需要通過高等數學知識推導得到,許多理論模型也建立在大學物理、理論力學等抽象理論基礎上,導致學生在學習過程中存在一定困難,影響了本課程對專業培養目標和畢業要求的支撐,難以達到工程教育專業認證的基本要求。針對這一問題,本文以熱工學課程在專業認證中的支撐目標為導向,從課程教學改革方面做了一些探索。

一、安全工程專業認證的內涵及意義

高等工程教育專業認證源起于美國,1932年成立了美國工程與技術認證委員會,之后為世界各工業發達國家和地區所仿效并產生了許多國際性的專業認證協議?！度A盛頓協議》是1989年由美國、加拿大、英國、愛爾蘭、澳大利亞和新西蘭等6國的民間團體組織簽訂的國際性協議,其核心內容是承認簽約方所認證的本科高等工程教育培養方案具有實質等效性,認為高校開設專業經協議成員組織認證后,其畢業生均達到了從事該專業工程師職業的學術要求和質量標準[1]。

我國為適應經濟全球化與工業國際化趨勢,促進工程技術人才參與國際交流,2005年開始探索構建具有國際實質等效性的工程教育專業認證制度和體系,并逐步展開專業認證工作。2013年6月成為《華盛頓協議》預備成員,2016年6月成為該協議正式成員[2]。專業認證工作的推廣對深化我國高等工程教育改革、保障工程教育質量、提高本科學生工程實踐與創新能力、增強畢業生就業競爭力、適應就業創業國際化需求具有重要作用。

根據《工程教育認證工作指南》,安全工程專業認證標準包括通用標準以及專業補充標準。通用標準在學生、培養目標、畢業要求、持續改進、課程體系、師資隊伍和支持條件7個方面作出了明確要求;安全工程專業補充標準是在通用標準基礎之上,根據安全專業特點提出的特有的具體要求,包括課程體系、師資隊伍、支持條件3個方面。安全工程本科專業認證標準反映了社會安全需要尤其是安全工程界的需要,認證結果也代表了社會安全與安全生產對安全專業教學質量的認可[3]。通過開展安全工程專業認證,加強了社會對專業的認可度,提高了人才的社會適應性。

安徽工業大學安全工程專業自2007年開始招收本科生,專業依托于建筑工程學院,緊緊圍繞社會和經濟發展的人才需求,培養學生掌握安全工程相關理論知識與專業技能,在建筑安全、消防安全、應急救援、職業衛生等安全領域從事專業技術工作。近年來,安徽工業大學以工程教育專業認證為契機,參照專業認證通用標準和補充標準開展了艱苦細致的教學改革工作,安全工程專業于2017年6月5日至7日接受了教育部專家組的現場考查,教學改革的成效得到了專家的充分肯定。這些舉措對于促進我校安全工程教育與國際工程教育的互相認可,提升我校安全工程專業畢業生的國際競爭力具有重要意義。

二、熱工學課程對專業認證的支撐及存在問題

在開展安全工程專業認證過程中,通用標準和專業補充標準都是以學生作為主要評價對象,評價該專業所有學生是否達到認證規定的基本要求。首先,安全工程專業制定了符合學校定位的、適應社會經濟發展的培養目標,在此基礎上提出了能夠支撐培養目標的畢業要求。然后,依據本專業所制定的畢業要求開展畢業要求達成度評價,根據評價結果判斷本專業所培養的所有學生是否達到畢業要求。畢業要求達成度評價的具體過程為:(1)由專門的評價機構會同責任教授對每項畢業要求進行分解,并列出支撐每條指標點的課程,對每門課程的支撐強度賦值;(2)由專門的評價機構指定專人對該門課程的評價依據(主要是對學生的考核結果,包括試卷、大作業、報告等)合理性進行確認;(3)依據學生考核結果,計算各門課程對畢業要求的支撐度,加權求和得出相應的畢業要求分指標點達成度;(4)匯總每個畢業要求分指標點達成度,得出整項畢業要求達成度評價結果,依據“評價機制”規定的合格標準,明確該項畢業要求是否達成。

安徽工業大學安全工程專業的畢業要求包括12項,分別為工程知識、問題分析、設計開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習。其中,熱工學課程支撐的畢業要求分指標點為:(1)掌握工程力學、工程流體力學、工程熱力學、電工學、機械基礎等工程基礎知識;(2)掌握安全工程和安全科學所需的數學、自然科學和工程科學的基本原理;(3)能夠設計基于物理、化學、電工、工程力學、機械設計、流體力學等問題的實驗。

在開展熱工學課程畢業要求達成度評價時,評價依據為課程考試、隨堂測驗、課后作業和實驗報告,通過對課程考核材料的深人分析,發現學生存在以下問題:(1)概念術語記不住,很多學生對于熱工學中涉及的大量概念術語很頭疼,往往簡單地從字面上去理解概念術語的含義,導致名詞解釋時千奇百怪、錯誤百出;(2)理論定律吃不透,由于許多理論定律闡述的是多個物理量之間的關系,而由于學生根本記不住物理量的定義,導致他們也無法從根本上理解該理論定律的含義,理論定律與概念術語嚴重分離;(3)解題方法用不了,熱工學課程學習的最終目的是依靠理論定律去解決工程實際問題,而由于學生并未吃透熱工學理論定律,就更談不上將解題方法在實際問題中活學活用了。正是由于“概念術語記不住、理論定律吃不透、解題方法用不了”,導致學生在學習熱工學課程時缺乏積極性,課程考核結果并不理想,影響了本課程對畢業要求的支撐。

三、熱工學課程教學改革

(一)構建課程框架

對于熱工學這類理論性比較強的課程,首先要構建課程框架,用通俗易懂的語言描繪整個課程的主要研究目的和研究內容,從而有利于后期高效地向課程框架中填充知識點。這個課程框架一定要簡潔明了,可以理解為一棟房子的框架結構,有了結構之后,才能往里面填充其他材料?？蚣芙Y構合理不合理,會直接影響整個房子的穩定性。熱工學實際上是熱能工程學的簡稱,它所研究的是如何在工程中合理而有效地利用熱能。熱能的利用主要有兩種形式,直接利用和間接利用,直接利用包括加熱和制冷,這里面涉及到熱量傳遞問題;間接利用是將熱能轉化為其他形式的能源來利用,如機械能和電能,這里面涉及的是能量轉換問題;對應于這兩個問題,熱工學課程有兩大研究分支,傳熱學和工程熱力學(圖1)。這就是整個熱工學的課程框架,通過這個框架可以讓學生清晰地知道熱工學到底研究什么。

圖1 熱工學課程框架

(二)建立知識體系

知識體系是建立在課程框架基礎上的,它給出了知識點之間的邏輯性和關聯性。房屋框架結構搭好之后,還需要向里面填充材料,這些材料之間不是孤立的,需要緊密地結合在框架里面。這些材料,就對應著整個課程的知識點。以熱工學為例,可以采用思維導圖的形式把熱工學的知識點做成一套知識體系。通過在授課過程中不斷強化這套知識體系,學生掌握的知識點也就一個個串聯起來了,并且在他們的頭腦里面也呈現出這樣一幅清晰的知識地圖。從圖2可以看出,左側是課程框架,展開后是課程主干知識點,再展開主干知識點能夠看到大量的分支知識點,這樣層層疊疊地把整個課程的知識點自上而下地串聯了起來,給學生印象非常深刻。

圖2 熱工學知識體系示例

(三)強化重點難點

建立課程知識體系之后,需要從里面提煉出課程重點難點,在授課過程中不斷強化,讓學生重點掌握。這些重點難點就是一棟房子的承重墻,決定著房子的穩定性。從圖2中可以看出,課程框架下是主干知識點,通常也是課程的重點難點內容,而主干知識點之間沒有層級關聯性,因此需要從縱向建立主干知識點之間的關聯,加深學生理解記憶。以工程熱力學的主干知識點為例,工程熱力學研究能量轉化規律,如熱能與機械能轉化,熱能轉化為機械能需要借助一套設備和物質來實現,這套實現能量轉換的設備稱為熱工設備、物質稱為工質。通過高溫加熱工質,工質受熱膨脹推動活塞向外做功,從而完成熱能向機械能的轉化。把實現能量轉換的設備和工質作為研究對象,稱為熱力系統;熱力系統里的工質在實現能量轉換時會發生狀態變化,它在任意時刻的物理狀態稱為熱力狀態;熱力狀態的一系列變化,稱為熱力過程;熱力狀態通過一系列變化回到初始狀態,稱為熱力循環。通過這樣把工程熱力學的幾個主干知識點建立了邏輯聯系,形成了一個縱向的知識結構(圖3)。

圖3 熱工學知識結構示例

(四)注重課程回顧

每次新課之前一定要把上節課重點內容用板書梳理一遍,這個課程回顧的過程,能夠讓學生及時回想起上節課內容,然后非常自然地跟新課內容建立關聯。以熱工學中水蒸氣這一章節為例,如果這節課要講的新內容是水蒸氣的熱力過程,那么教師可以通過板書把上節課講的水蒸氣基本知識簡要回顧一遍,包括什么是水蒸氣、如何產生水蒸氣、水蒸氣有哪些熱力狀態。最后回顧完水蒸氣的熱力狀態,就很自然地要說到水蒸氣熱力狀態的變化,水蒸氣熱力狀態的變化就是水蒸氣的熱力過程,這樣就很自然地進人了新內容。采用板書教學,能夠邊回顧、邊講解,還給學生留出了足夠的回想時間,效果更好。

(五)鞏固實例應用

課程理論知識如果不經過大量實例應用,就很難體會到理論知識的用途,自然難以融會貫通。因此,需要將課堂內外結合起來開展實例應用。課堂上,教師講解案例使學生對理論應用產生直觀印象;課堂外,學生通過課后練習進一步提高應用能力。比如,傳熱學給出了一些熱量傳遞理論,對于這些傳熱理論的應用,就可以聯系身邊的簡單案例。以教室里的暖氣片為例,暖氣片的傳熱過程就是一個典型復合傳熱過程,它包括管內熱對流、暖氣片導熱、管外熱對流和管外熱輻射這四個階段,涵蓋了傳熱的三種基本方式:導熱、對流和熱輻射。通過這樣的一個案例展開深入講解計算,學生就可以掌握傳熱的三種基本形式及規律,并且主動把它應用到生活實際中。除了生活中的案例,在熱工學實驗課中學生還可以接觸到更嚴謹的案例,通過一些典型的熱工學實驗,能夠進一步加深學生對概念和理論的理解。