基于熱交換器原理及應用課程的項目式教學模式研究

張亮 朱瑞紅 田林超 王華山 陳賀敏

[摘要]熱交換器原理及應用課程是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，但該課程的部分理論知識復雜、抽象，僅通過教師的課上講授學生難以理解。課題組將項目式教學模式引入該課程的教學過程以完善其教學方式和教學內(nèi)容，同時培養(yǎng)學生主動發(fā)現(xiàn)學習與解決問題的能力，并以合理的方式對學生的學習效果進行考核。改革后的教學得到了學生的一致好評，通過分析7個方面、5個等級的教學質(zhì)量網(wǎng)上評價，發(fā)現(xiàn)學生的特別滿意率達63%、滿意率達到100%。

[關(guān)鍵詞]項目式教學;課程改革;熱交換器原理及應用

[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0059-03

一、熱交換器原理及應用課程的特點與教學現(xiàn)狀

（一）熱交換器原理及應用課程的特點

熱交換器原理及應用課程是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課。該課程所涵蓋的知識可將鍋爐原理、熱力發(fā)電廠等專業(yè)課程中所涉及的換熱器方面的相關(guān)知識進行縱向延伸，同時可使傳熱學、流體力學等專業(yè)基礎(chǔ)課程的抽象理論知識具體化、應用化。通過該課程的學習，學生能夠了解3大熱交換器的換熱特點及應用范圍，理解換熱器的傳熱有效度，掌握換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟。

（二）熱交換器原理及應用課程的教學現(xiàn)狀

1.教學方式單一

該課程主要采用的教學方式為教室內(nèi)板書授課。該授課方式最大的特點：教師是整個教學過程的主體，將主要精力放在如何將專業(yè)知識傳遞給學生，整個教學過程的重點在于教師怎樣教，較少關(guān)注學生是否進行了有效的學習。熱交換器原理及應用課程所涉及的換熱器種類繁多，同時換熱器部分理論知識比較抽象，換熱過程所涉及的部件較多，整個換熱過程比較復雜，故單一的教學方式難以滿足學生學習的需要。

2.教學內(nèi)容與科技發(fā)展不同步

隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，大量的強化換熱方法可用于換熱器，如納米流體強化換熱、脈動流場下流體的強化傳熱、往復運動條件下流體的傳熱特性、波壁管內(nèi)流體的強化換傳熱等，這就要求教師不斷更新知識，并對教學內(nèi)容進行優(yōu)化。但是，這部分知識不能及時擴充到正在應用的教材中，使得教學內(nèi)容與當今的科學技術(shù)發(fā)展有所脫節(jié)。

3.學生主動發(fā)現(xiàn)學習能力不足，不能學以致用

當前學生的學習形式主要為被動的接受學習，缺少主動發(fā)現(xiàn)學習方面的訓練，造成學生主動發(fā)現(xiàn)學習能力不足。學生所學知識與生產(chǎn)實踐所需知識不能及時匹配，當生產(chǎn)實踐中需要學生應用相關(guān)知識解決問題時，學生往往感覺無從下手。

4.考核方式死板

當前的課程成績主要由占較小比例的平時成績和實驗成績（各占10%）以及占較大比例的卷面考試成績（80%）組成。平時成績的打分依據(jù)主要為學生的出勤率、學生的課上表現(xiàn)以及課后作業(yè)完成情況;卷面成績的打分依據(jù)為試題標準答案。僅靠上述3種考核方式來考查學生對這門課的掌握程度，得出的考核結(jié)果不夠全面也不夠客觀。比如有些卷面成績高的學生，解決實際問題的能力并不強，而有些卷面成績不高的學生，卻有較好的解決實際問題的能力。在生產(chǎn)實習過程中我們同樣發(fā)現(xiàn)，卷面成績與動手能力沒有直接關(guān)系，經(jīng)常出現(xiàn)卷面成績好的學生動手能力卻很差的情況。所以任課教師需要新的考核方式，令考核結(jié)果更加客觀。

二、項目式教學模式的引入對熱交換器原理及應用課程教學的整體改善

（一）對教學方式的改善

項目式教學的引入改變了教室內(nèi)板書授課（總學時為48學時，板書授課占了42學時）為主的教學方式，將板書授課的48學時減少了12學時，并將這12學時中的4學時用于討論課，其余的8學時用于項目式教學。這種改變可使教師為整個教學過程主體朝著學生為學習主體的方向轉(zhuǎn)變。討論課的實施過程中，學生在教師的引導下自主查閱、收集、整理關(guān)于熱交換器原理及應用方面的有用資料，主動了解不同種類熱交換器的特點，理解換熱器部分理論知識以及簡單的換熱過程。項目式教學的引入旨在培養(yǎng)學生主動解決問題的能力，以下是討論課及項目式教學的具體實施過程。

（1）設(shè)置合適的開放性題目，讓學生從該范圍中選擇自己感興趣的題目。

（2）制訂討論課的具體實施方案。討論課采用學生講課的方式。師生若對學生講課內(nèi)容有疑問，可進行現(xiàn)場提問，任課教師與其余小組根據(jù)該小組所做內(nèi)容與回答問題的情況進行評價。

（3）制訂三級項目的具體實施方案。三級項目實施過程可分為3個階段。

第一階段：首先，學生課下查閱熱交換器參數(shù)及換熱規(guī)律的相關(guān)書籍，自行解決遇到的各種基礎(chǔ)問題。其次，假若關(guān)鍵問題不能解決，可以分3步走。第一步，小組成員問進行討論。第二步，咨詢其他小組的同學。第三步，向任課教師請教。最后，完成三級項目計劃中的學習內(nèi)容。

第二階段：課上答辯。首先，每個小組派1名代表上臺對第一階段的整體內(nèi)容進行講解。其次，其他小組學生對該組同學進行提問，并根據(jù)所做內(nèi)容與回答問題的情況進行評價。最后，任課教師對該小組所做內(nèi)容進行評價。

第三階段：所有小組均上交1份修改完善后的三級項目任務書及PPT，教師根據(jù)任務書及PPT的整體質(zhì)量進行評價。

（4）制訂討論課和三級項目的評價標準和評分要求，采取學生組內(nèi)自評、組間互評與教師評分相結(jié)合的評價方式，教師與學生的評分各占50%。

（5）以熱交換器原理及應用三級項目為基礎(chǔ)，將其中的優(yōu)秀項目進行修改完善后推薦為大創(chuàng)活動的項目。

（6）以熱交換器原理及應用三級項目為基礎(chǔ)，將熱交換器傳熱特性與鍋爐設(shè)備的效率聯(lián)系起來，相關(guān)的計算結(jié)果可以以論文的形式展現(xiàn)出來。這樣既可提升學生論文寫作能力，又可提升學生科研創(chuàng)新成果的交流與展現(xiàn)能力。

項目式教學模式可提升學生的學習興趣，激發(fā)學生主動學習的熱情，促進學生將所學知識內(nèi)化，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，使得整個教學過程朝著有效教學的方向發(fā)展。

（二）對教學內(nèi)容的完善

項目式教學模式要求教師和學生主動查閱、收集、整理換熱器相關(guān)資料，在查詢資料過程中教師和學生可主動了解換熱器原理及應用方面的前沿性知識，如納米流體是如何強化換熱的，將納米流體用于強化換熱器的換熱有何利弊，外加擾動流場如何用于換熱器的換熱，換熱器內(nèi)換熱管管型對換熱器綜合換熱效率的影響等，如此，部分前沿性知識就可比較自然地融入傳統(tǒng)教學內(nèi)容中。

（三）對學生學習能力提升效果的改善

項目式教學模式可以將學生的學習由被動的接受學習變?yōu)橹鲃拥陌l(fā)現(xiàn)學習。該教學模式還可引導學生發(fā)現(xiàn)問題并在了解問題限制條件的基礎(chǔ)上設(shè)計相應的解決策略，在實施解決方案的過程中不斷地反思、調(diào)整解決方案，最終培養(yǎng)學生用元認知策略解決問題的能力。學生在元認知策略的作用下，可將所學理論知識與生產(chǎn)實踐中的問題迅速匹配，以較快地提出問題最優(yōu)解決方案來解決生產(chǎn)實踐中的實際問題，達到學以致用的目的。通過項目式教學的不斷訓練與強化，可培養(yǎng)學生以下能力。

（1）能夠運用工程熱力學、傳熱學、流體力學及熵增原理的知識對能量轉(zhuǎn)換過程中能量的利用與損失以及對換熱設(shè)備的受力與變形進行表述、建模和求解。

（2）能夠應用熱力學、傳熱學和流體力學基本原理，使學生對熱交換器基本系統(tǒng)的構(gòu)成有進一步的了解，為著重研究不同類型熱交換器的熱量傳遞提供理論基礎(chǔ)。

（3）具備工程應用中各類換熱器的設(shè)計和校核計算能力，掌握換熱器的設(shè)計、選型、計算、優(yōu)化、日常維護等相關(guān)知識。

（4）能設(shè)計并實施與熱交換器相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律測試實驗，分析實驗結(jié)果，驗證或優(yōu)化模型參數(shù)，獲取有效結(jié)論。

（5）能應用專業(yè)軟件模擬不同類型熱交換器內(nèi)的換熱過程，預測熱量傳遞效果，并了解模擬計算的局限性。

（6）能夠就熱交換器換熱過程中出現(xiàn)的問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，了解當今國際先進熱交換器的設(shè)計理念、發(fā)展趨勢以及所面臨的挑戰(zhàn)。

（四）對考核方式的完善

項目式教學的引入豐富了考核的內(nèi)容，課程由以往的卷面考試作為考核學生的主要形式改為由5大部分表現(xiàn)來綜合考核。這5大部分分別為平時表現(xiàn)、討論課、項目、實驗和結(jié)課考試。

（1）平時表現(xiàn)：本門課程的所有環(huán)節(jié)均要求學生參與并簽到，不得缺勤。無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格。

（2）討論課及課程項目：要求學生根據(jù)討論以及項目題目分組查閱資料，歸納總結(jié)，撰寫報告，制作答辯PPT。討論課及課程項目采用抽簽的方式確定各小組的匯報人及其匯報順序。每位學生的討論課和課程項目成績由學生組間互評、組內(nèi)自評和教師評分3部分構(gòu)成。組間互評成績?yōu)槊總€組對除本組以外的其他小組所進行的綜合評價;組內(nèi)自評成績評分依據(jù)為每個組員在組內(nèi)的貢獻;教師根據(jù)學生的資料查閱整理情況、PPT講解及回答問題情況、針對其余同學的提問參與交流情況來評分。討論課及課程項目成績分別占總成績的10%和30%。

（3）實驗：要求學生認真準備，全程參與。實驗過程中學生可重點關(guān)注項目式教學中的工程實踐問題，最后獨立完成實驗并按時提交實驗報告。實驗成績占總成績的10%。

（4）結(jié)課考試：為夯實理論基礎(chǔ)，提高學生解決問題的能力，結(jié)課考試的試卷客觀題（選擇、判斷、填空等）比例盡量控制在20%以內(nèi)。結(jié)課考試占總成績的50%。

（5）課程總成績不滿60分者，本課程考核為不合格。

跟以前的考核方式相比較，完善后的考核方式能得出更全面、更客觀的考核結(jié)果，對學生的評價更加公平、公正，同時各個教學階段的教學效果能得到較細致地反饋，便于教師了解學生是否進行了有效學習，為其改進教學提供重要參考，同時可為教育評價提供重要依據(jù)。

三、項目式教學的實施及其產(chǎn)生的初步效果

以2014級能源與動力工程專業(yè)學生為研究對象，熱交換器原理及應用課程在該年級首次實施項目式教學。實施項目式教學后，學生自主查閱文獻，解決工程實際問題的能力有了較大提高;部分學生可自行發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計問題，并親自動手用合理的方法分析并解決問題;學生的創(chuàng)新能力有了較大提高，部分學生申請了實用新型專利。

基于熱交換器原理及應用課程的項目式教學模式得到了學生的一致好評。學校通過教務處教學平臺對教師的教學效果從7個方面展開綜合評價，這7個方面分別是為人師表、尊重與幫助學生、課程組織與設(shè)計、講解與表達、體現(xiàn)以學生為主體的自主學習模式、課程教學過程的管理與考核以及學生相關(guān)知識、能力、思想方面的提高情況。學生通過網(wǎng)絡(luò)平臺對這7個方面展開評價，每個方面的評價均分為5個等級即很滿意、滿意、基本滿意、不滿意、很不滿意，每個等級對應的評價分值分別為4.8、4.3、3.8、3.3、2.8，算出每個小項的單項均值，然后對7大項進行加權(quán)平均，計算出總的教學質(zhì)量評價結(jié)果，具體計算方法如表1所示：

通過熱交換器原理及應用的網(wǎng)上評價結(jié)果可以看出，無不滿意的評價，基本滿意的學生比例占5%，很滿意及滿意的學生占95%，這從側(cè)面說明了項目式教學模式的推行比較成功，教學效果得到了學生的一致好評。該課程在2017年春季學期獲得教學質(zhì)量評價網(wǎng)上評價第2名（38門課程參評），比2016年的同期網(wǎng)上評價的第19名（39門課程參評）上升了17個名次，被評為燕山大學優(yōu)秀課程。

四、結(jié)論

熱交換器原理及應用課程教學實踐證明，開展項目式教學可改善該課程的教學方法，完善其教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生主動發(fā)現(xiàn)學習的能力，提高學生解決生產(chǎn)實際問題的能力與創(chuàng)新能力，完善對學生的考核方式，因此能得到學生的一致好評。