科研案例融入能源動力類課程的研究性教學實踐

歐陽新萍 秦潔

摘? 要：能源動力類課程實驗性、工程性較強，“科研案例融入課程教學”是針對這類課程的特點改進教學方法的一種嘗試，可歸屬于研究性教學方法，是對教學改革所提倡的討論式教學、案例教學的一種教改措施。通過對幾門能源動力類課程引入科研案例的教學實踐，效果反饋良好，提高了學生的學習興趣、增強了學生的專注力、促進了學生對課程內容的理解。對于能源動力類課程，“科研案例融入課程教學”是適用的。要推廣這種教學方式，必須改革教學管理制度、教學業績評價指標，還要鼓勵教師積極參與科研活動。

關鍵詞：能源動力課程;科研案例;教學實踐;研究性教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2020）33-0133-04

Abstract： Power and energy courses have strong experimental and engineering quality. Scientific research cases integrating into course teaching is an attempt that can improve teaching methods aimed at characters of such courses， belonging to research teaching methods， also an teaching reform measure aimed at discussion teaching and case teaching advocated by teaching reform. This paper states that scientific research cases integrating into course teaching can get nice feedback， improve students' interest， enhance students' focus and deepen students' comprehension in courses through teaching practice on several power and energy courses. To power and energy courses， scientific research cases integrating into course teaching is applicable. In order to promote this teaching method， we should reform teaching management system， assessment of teaching performance and encourage teachers to take an active part in scientific research activities.

Keywords： Power and Energy courses; scientific research cases; teaching practice; research teaching

不少能源動力類課程知識面廣、工程性強[1]，傳統的傳遞——接受式教育方法很難取得良好的教學效果。筆者將課程相關的科研案例融入本科課程教學之中，取得了良好的效果。首先，科研案例的敘述能增強學生的興趣度，調動學生的注意力;其次，科研案例中所要解決的問題能激發學生的好奇心和思維量，帶著問題和思考的學習過程將起到事半功倍的效果。除此之外，授課老師對科研案例的分享，能夠有效的實施科研反哺教學，培養學生的創新能力[2]。

一、理論依據

事實上，科研案例融入課程教學，是一種研究性教學方式。

本世紀以來，隨著全球經濟一體化的發展，知識經濟的挑戰和競爭日益激烈，引起了對高素質創新人才需求的競爭。近年來，國家提出大眾創業、萬眾創新的理念，提出創新驅動經濟發展的戰略。高校應該順應時代的發展，改革高等教育教學、在大學中培養更多高層次創新型人才。作為一種有效的引導學生主動探究、培養學生創新實踐能力的教學方式，研究性教學成為21世紀國內外大學教學改革的一項核心內容[3]。

研究性教學包含的內涵較廣，包括制定研究訓練計劃、開展研討課、創新思維的培養、書面、口頭表達能力的培養、跨學科教育、基于問題的學習、自主探究式學習、基于合作式學習、開放性實驗課程等。還包括將最前沿的科研動態引入教學內容，讓學生盡可能多地參與研究活動，帶著問題學習，用科學研究的要求組織教學[4]。

2005年1月，教育部發出《教育部關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》的文件，提出要積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力;積極推進討論式教學、案例教學等教學方法和合作式學習方式。因此，進行案例教學，在教學過程中融入科研案例也是響應教育部的教學方針的舉措。通過融入科研案例的教學，還可引導大學生參與教師的科研項目，將所學知識融入科研實踐。“十二五”期間，教育部、財政部繼續實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”，目的在于優化專業結構，改革人才培養模式，支持在校大學生開展創新創業訓練，提高大學生解決實際問題的實踐能力和創新創業能力。因此，科研案例融入課程教學還可拓展到課外，貫穿整個教學周期。

開展研究性教學是順應國際國內教學改革的潮流、改進課堂教學效果的積極有益的方法。將科研案例引入部分能源動力類課程的教學實踐，是對研究性教學方法在能源動力類課程中的有益嘗試。國內已有教師在做這方面的嘗試，但為數不多。曾祥蓉、陳進等[5]將科研活動融入混凝土結構設計原理課程教學的實踐，孫家瑛[6]將科研活動融入土木工程材料課程教學的實踐都取得了良好的效果。

二、教學實踐

（一）《能源概論》課程教學

在我校的本科培養計劃中，有一些人文素養類的通識課程，面向全校所有專業學生開放，學生在校期間必須選修1到2門。能源概論是這類課程中唯一的能源動力類課程。該課程的學習目的是使學生在通識教育課程中，體會工程技術類課程的基本教學方法，獲得必要的能源科學基本知識，了解常規能源、新能源的資源特性及應用前景，了解能源與環境、能源與經濟發展之間的關聯。從學生的選課情況看，文、理、工、醫類的都有，大一到大四的都有。對這樣跨學科、跨年級的學生群體，必須把握課程內容的重點及部分課程內容的深度，必須穿插一些特別的教學方法或手段，融入科研案例的教學方法就是其中的一種嘗試。

筆者負責了一個地熱能發電系統中的混合式凝汽器研究項目，地熱能屬于新能源，地熱蒸汽的流動、凝結伴隨著能量的轉換、傳遞過程;混合式凝汽器是實現這種能量轉換的系統中的關鍵設備。在講述到課程內容中的“能量的傳遞與轉換”章節時，對于學習過傳熱學和工程熱力學的學生來說，比較容易理解課程內容，而事實上大部分學生都沒有學習過。結合科研課題的描述就會有助于學生理解相關內容并提升注意力。地熱蒸汽在葉輪機械或其它膨脹機械中流動、驅動機械運轉的過程實現了熱能、壓力能向機械能的轉換;葉輪機械或其它膨脹機械出口的乏汽進入混合式凝汽器與冷卻水直接接觸換熱，則是實現了熱量從高溫向低溫的傳遞過程。這樣就將課題內容融入了課程內容的講解。講解過程展示一些課題研究過程的實驗圖片，幫助同學們理解課程內容，同時也激發同學們對科研的興趣。圖1所示，為講解過程展示的圖片之一，是混合式凝汽器中的噴嘴的實驗圖片。

在講述到課程中的新能源部分的“地熱能”章節時，再次引入該課題的立項背景和意義的闡述，介紹了世界和中國的地熱能利用的現狀、地熱發電的現狀、中國地熱發電與世界發達國家的差距、中國地熱能利用及地熱發電的規劃等，自然的融入了課程內容。實踐表明，學生的專注度提升了，也加深了對課程內容的理解。

（二）《換熱器原理與設計》課程教學

換熱器又稱為熱交換器，是各行業應用非常廣泛的一種通用設備，能源動力行業的應用更是普遍，如發電系統中的高壓加熱器、低壓加熱器，汽輪機出口乏汽的冷凝器，電機的翅片管式氫氣冷卻器等。在能源動力類專業的專業課安排中，換熱器是不可或缺的一門課程。

上海理工大學能源與動力工程學院的課程設置中，現階段有關換熱器的課程名為《換熱器原理與設計》，包含換熱器的計算方法、傳統管殼式換熱器的結構和工作原理、高效緊湊式換熱器的結構和工作原理。換熱器是應用歷史悠久的工業領域通用設備，但隨著工業的發展，換熱器不斷出現新的結構和應用領域。隨著電子計算機的普及，傳統的查取圖表的換熱器計算方法逐步被淘汰，取而代之的是計算軟件的興起。通過科研案例向同學們傳遞這些新結構、新應用和新的設計方法能取得積極的效果。

筆者的主要研究方向是換熱器及強化傳熱，在換熱器的設計理論、換熱器的結構、換熱器的計算軟件、換熱器的測試技術方面做了大量科研工作。筆者曾為一家板式換熱器的制造廠家編制過板式換熱器的設計計算軟件，該計算軟件可根據客戶的需求參數進行設計計算，并輸出設計圖。筆者在講述到換熱器課程的板式換熱器內容的時候，就引入了這個課題。在用該軟件演示計算過程的時候，用的是牛奶被加熱消毒的案例，并介紹了牛奶消毒的相關知識，引起了同學們的興趣。圖2所示為軟件的設計結果，中間的豎直線表示用于熱交換的板片，豎直線下部帶箭頭的線條表示牛奶的流動路線，豎直線上部帶箭頭的線條表示加熱介質的流動路線，圖的上部和下部表示每塊板片的型號。板片型號中標有“13”或“234”的數字，表示板片角孔開孔的位置號，如果空白，就表示4個角孔“1234”全部開孔。

軟件的演示過程中，會伴隨著給學生提一些問題，根據學生的回答情況進行引導，使得學生能徹底弄明白問題的答案。比如板片如何配置，能讓板式換熱器構成多流道、多流程的流動？就可以結合圖2進行生動的講解：牛奶的流動路線表示3個流程的流動，加熱介質的流動路線表示5個流程的流動;在流體轉向位置一般開3個角孔或2個角孔，留下1到2個“盲孔”，盲孔的存在使得流體轉向，形成多流程的流動。豐富多彩的軟件界面將學生的興趣度調動到一個高潮。

同理，針對板翅式換熱器的講述，將板翅式汽車機油冷卻器的研究內容分享給同學們;針對翅片管換熱器的講述，將波紋翅片管的最新科研成果分享給大家。這些前沿課題的融入，學生發應熱烈，學習興趣提升。

（三）《熱工測試技術》課程教學

《熱工測試技術》是能源動力類專業的一門重要專業基礎課程，涉及熱工過程中溫度、壓力、流量、流速等基本熱工參數的力學、電學和光學測試方法、測量基本原理，還涉及測量傳感器、測量系統以及誤差分析理論。這是一門與實驗方法和手段密切相關的課程，是實驗性、工程性較強的能源動力類專業的必學課程。要上好這門課，除了安排一定的實驗課程之外，在課程的理論課時中，引入科研案例的教學方法，對于學生學好這門課程有著積極的意義。該課程面向能源與動力工程學院所有專業的高年級學生。

筆者承擔過一些實驗裝置研制的課題，如“翅片管單管的測試裝置”、“翅片管管束的測試裝置”、“冷凝管和蒸發管測試裝置”等。這些測試裝置中，都包含了溫度、壓力、流量、流速等基本熱工參數的測量。比如講到課程內容的溫度測量，主要測溫元件有熱電偶和熱電阻，筆者介紹了在“翅片管管束的測試裝置”中，在試驗件風道的出口采用多點熱電偶的布置，在試驗件風道的進口則采用單點熱電阻的布置。從這一測溫元件的選擇及布置實例，來闡述熱電偶和熱電阻各自的特點及區別。類似地，講述了該課題通過測量蒸汽飽和壓力的方式，來調控蒸汽飽和溫度的方法，導入了有關測溫元件“熱慣性”的課程內容：測量溫度的熱電阻存在熱慣性致使調節不靈敏，通過與溫度一一對應的蒸汽飽和壓力的調控可以使調節更靈敏。

圖3是筆者在科研案例中用到的測試風道中空氣溫度和相對濕度測試裝置，通過干球溫度、濕球溫度的測量，可以計算得到空氣的相對濕度。課堂上，通過該裝置的講解，深化了學生對空氣相對濕度的測試方法的理解。

（四）《制冷原理》課程教學

《制冷原理》是能源動力類專業制冷方向的一門重要專業課程。制冷裝置涉及的門類非常廣泛，如空調、冰箱、冷庫、冷鏈等。我國是制冷相關產品的制造業大國，有大量的相關產品出口，在全球占有重要地位。

《制冷原理》這門課程的專業性很強，部分原理比較抽象，如果僅僅依據教科書上的內容進行講授，學生不容易理解。筆者同樣引入科研案例貫穿于課程講授過程。

比如講授到制冷劑的冷凝過程時，引入高效強化換熱管的管外制冷劑冷凝研究案例，將案例中涉及到的強化換熱管表面形狀的微觀形態展示出來，將相應管件冷凝實驗的圖片展示出來，分析管件表面形態與冷凝效果之間的關系。圖4所示是高效強化換熱管的微觀表面形態，圖5是相應的冷凝效果圖。

通過案例分析及相應圖片的展示，促進了學生對課程內容的吸收、理解。

綜合幾門課程的教學效果，總結下來，體現在如下幾個方面：

1. 課堂的專注力提升

在引入案例的教學過程中，發現學生的專注力明顯比以往要高，類似講話、做其他事情、眼睛失神等現象大為減少。

2. 學習興趣、理解力和能動性增加

通過課后與學生的交流以及教務部分的調查反饋，引入教學案例及相關的討論，能增加學生的興趣、理解力和參與意識。這種參與意識使學生主動思考問題，產生自身能力體現的欲望，從而提升了學習效果。

3. 出勤率和成績提高

比較了引入科研案例教學方法前后的課堂平均出勤率和課程平均成績，課堂出勤率提升了7%，平均成績也有了提高。

三、研究性教學現狀及推廣

研究性教學的提出反映了當今大學教學的特征和要求，反映了現代先進教育教學思想和理念。在我國高等教育過程中，大多本科生的教學方式依然是以單純的教師傳授知識為主，學生自主創新性學習相對不足。現有的教學活動大多沒有突破傳統應試性的灌輸-接受性的教學框架，強調問題式、探究式、互動式的研究性教學尚未真正走進課堂內外。研究性教學以培養學生科學探索精神、研究能力、動手實踐能力、創新意識和創新能力等為目標，它改變傳統教學方式，倡導教師進行開放式教學，并將科學前沿知識引入教學，鼓勵學生主動探究式學習，使其從知識的吸納者變為知識的建構者與探究者。

筆者實踐的科研案例融入課堂教學，實現了問題式、探究式的學習方式，并引入了科學前沿知識，具有研究性教學的特征，值得推廣。

但要實現這種教學方式的推廣，必須具備一定的條件。首先要改革教學管理制度、教學業績評價指標，鼓勵提升學生學習興趣和專注力的教學方式，鼓勵易于學生消化理解的教學方式;其次教師要積極參與課程內容相關的科研活動，一方面通過科研活動促進自身教學水平的提升，另一方面也是將科研融入教學的前提。

四、結束語

能源動力類課程實驗性、工程性較強，部分課程內容還略顯“枯燥”，科研案例融入課程教學能提高學生的學習興趣、增強學生的專注力、加深學生對課程內容的理解，是值得推廣的一種方法。科研案例融入課程教學的方法，具有研究性教學的特征，研究性教學以培養學生科學探索精神、研究能力、動手實踐能力、創新意識和創新能力等為目標，是當今研究型大學教學的一種趨向，也是其他類型高校教學的重要借鑒方式。對于實驗性、工程性較強的能源動力類課程，科研案例融入課程教學更為適用。要推廣這種教學方式，必須改革教學管理制度、教學業績評價指標，還要鼓勵教師積極參與科研活動。

參考文獻：

[1]王鑫，李麗麗，等.能源動力類課程教學改革[J].中國冶金教育，2016（2）：56-58.

[2]余燈廣，潘登，王霞，等.分享教師的科研經驗提高大學生的創新能力——以高壓靜電紡絲技術為例說明科研反哺教學途徑[J].上海理工大學學報（社科版），2016（2）：179-183.

[3]路慧.理工類研究型大學開展研究性教學的實踐探索與模式建構[D].大連理工大學，2013.

[4]盧德馨.關于研究型教學的進一步探討[J].中國高等教育，2004（24）：24-25.

[5]曾祥蓉，陳進，等.將科研活動融入混凝土結構設計原理課程教學的實踐探討[J].高等建筑教育，2013（06）：97-99.

[6]孫家瑛.將科研活動融入土木工程材料課程教學實踐探討[J].教育教學論壇，2014（46）：163-165.