新工科建設背景下工程熱力學“金課”建設研究

韓新月 王謙 吉恒松 馮永強

摘? 要：工程熱力學是能源動力類專業一門非常重要的專業基礎課，在新工科建設的背景下，一流本科建設對工程熱力學的教學提出了新要求。分析了新工科背景下工程熱力學課程教學現狀及問題，從建設“金課”培養多元化、創新型卓越工程人才目標出發，探究了對工程熱力學課程進行混合式“金課”建設的教學改革，從優化課程內容、創新教學模式、強化教學實踐平臺建設、完善課程考核方式等方面進行改革和創新。堅持“以學生為中心”的教學理念提升教學質量，全力打造具有“兩性一度”的工程熱力學混合式“金課”，全面提升學生的工程實踐能力、創新能力。

關鍵詞：新工科? 金課? 工程熱力學? 線上線下結合

中圖分類號：G642、TB131? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0217-05

Abstract： Engineering Thermodynamics course is an important professional basic course for energy and power majors. Under the background of new engineering， the teaching mode of Engineering Thermodynamics course needs to be improved when construction of first-class undergraduate. In this paper， the current situation and problems of the Engineering Thermodynamics course is discussed. Aiming to foster diversity and innovative excellent engineering talents based on the construction of "golden course"， we propose and design the blended online and offline teaching model of Engineering Thermodynamics golden course. The details include optimization of course contents， innovation of teaching mode， strengthening the construction of teaching practice platform， improvement the evaluation mode of course and so on. The developed Engineering Thermodynamics golden course adheres to the "student-centered" and it can improve the learning effect. And it is also useful to realize the high order， innovation and challenge characteristics of the Engineering Thermodynamics golden course. This will improve the engineering practice ability and innovation ability of the students.

Key Words： New engineering; Golden course; Engineering thermodynamics; Blended online and offline

“新工科”這一詞自2016年提出，在不到一年的時間里，先后形成“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。而課程教學是人才培養的載體，課程教學改革是多元化、創新型卓越工程人才培養模式建設不可或缺的[1]。2018年6月，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上首次提出淘汰“水課”，打造“金課”。隨后，教育部高教司吳巖司長在第11屆中國大學教學論壇上進一步指出“金課”應當具有高階性、創新性和挑戰度，也就是“兩性一度”[2]。“金課”已成為各大高校每門本科課程的建設目標，尤其是在新工科建設背景下，培養多元化、創新型卓越工程人才更需要“金課”作為基礎[3-4]。

工程熱力學是能源動力類專業以及建筑環境與能源應用工程等相關專業的核心專業基礎課程，在專業課程體系中起到了承上（基礎課）啟下（專業課）的作用。工程熱力學是熱力學最先發展的一個分支，主要研究熱能與機械能或其他形式能量之間相互轉換的規律及應用。通過本課程的學習，學生可以科學地理解和掌握熱力學基本原理和能量轉換規律，并掌握工程熱力學分析問題的方法與手段，能應用工程熱力學知識對能源利用工程中涉及的熱力過程及熱力循環進行正確的分析與計算，為后續的專業課程學習以及將來從事熱能利用、熱設計與熱管理等方面的專業技術工作奠定必要的理論基礎。我校以一流本科建設為契機，不斷加大工程熱力學課程建設和應用推廣力度，致力打造線上線下混合式 “金課”，推動工程熱力學課程教學改革，不斷提升人才培養質量。

1? 工程熱力學課程教學現狀及問題

隨著互聯網+教育技術的快速發展，新工科建設背景下對工程熱力學課程的教學提出了新的要求[5]，而目前工程熱力學課程的教學現狀及存在問題主要包括：（1）教學內容不夠“引人入勝”。目前，工程熱力學的教材內容局限于傳統的理論框架中，雖然內容很完整、全面，但是沒有引入一些生活、生產中常見的案例，使之更接地氣，也沒有及時捕捉工程熱力學相關的科技前沿知識和工程熱物理相關交叉學科信息，不能很好地激發學生的學習興趣和熱情。（2）教學模式和教學方法不夠“新”。目前，工程熱力學大多還是采用傳統的課堂教學模式，也就是任課教師站在講臺上通過黑板或者多媒體等手段向學生講授工程熱力學的相關知識點，學生坐在自己的座位上被動接受學習。這種教學模式和教學方法缺乏“互動嵌入式教學”，沒有充分體現“以學生為中心”的教學理念，不利于激發學生的學習興趣，而且教學內容重理論輕實踐，學的知識與社會生產實際需求不匹配，無法達到培養創新型卓越工程人才的目的。（3）課程教學效果評價標準不全面。目前，工程熱力學大多采用的還是“分數評價體系”，即主要以最終的閉卷考試成績來作為該課程的最終考核成績，過程性評價和實踐教學環節所占比例很小。這種評價方式忽視了學生運用工程熱力學知識去分析、解決問題能力的培養和創新能力的提高，也不能體現新工科背景下人才的培養目標。（4）現有MOOC課程教學視頻中基礎理論的講解過于抽象，學生線上學習興趣不高，對相關知識點理解不透徹、不充分;學生欠缺把工程熱力學理論知識與復雜工程實踐有機結合的能力，學完這門課還是不會解決實際工程問題;雙語MOOC課程的缺乏制約了外國留學生教育的發展。所以繼續更新和優化工程熱力學MOOC學習資源是大勢所趨。

2? 工程熱力學“金課”建設探索

基于上面總結的工程熱力學課程的教學現狀及問題，在新工科建設背景下，我校工程熱力學課題組圍繞“金課”對學生培養、課程內容、教學形式和學習效果評價等的具體要求，從教學內容優化、教學模式創新、教學實踐平臺建設強化、課程考核方式完善等方面進行了相關探索研究。

2.1 優化整合教學內容

工程熱力學教學內容的優化要體現前沿性和學科交叉性。當今環保、新能源、信息技術、生物工程等高新技術領域的許多研究進展都直接或間接地建立在工程熱力學相關理論的基礎上，這些領域衍生的一些新興研究方向也都與工程熱力學有著不可分割的聯系。而新工科建設明確了“問產業需求建專業、問技術發展改內容，問學生志趣變方法”，因此，工程熱力學的教學內容要進一步與這些新興研究方向交叉融合，構建具有高階性的工程熱力學“金課”教學內容。這一目標的實現可以通過編排形象化的案例用于教學過程來實現。案例的選擇和編排我們可以借鑒國外的教材，比如美國內華達大學機械工程系尤努斯A.切蓋爾（Yunus A. Cengel）和北卡羅來納大學機械和航天工程系的邁克爾A.博爾斯（Michael A. Boles）所編著的《工程熱力學》（Thermodynamics： An Engineering Approach）[6]，他們在最新版本的教材中引入的案例不僅包含氣候變化、新能源開發利用（太陽能、風能等）等新興研究方向的熱力學案例，還引入大量生產生活中常見的案例來形象地解釋熱力學基本概念和基本定律，比如通過門窗緊閉的房間可以用空調降溫而不能用電冰箱降溫來說明熱力學第一定律第一解析式-閉口系統的能量方程的應用。這種案例的引入不僅可以提高學生學習工程熱力學的興趣，還有助于培養學生獨立思考、勇于創新的能力，讓他們很好地意識到學到的工程熱力學知識是可以解決實際問題的，培養學生終身學習的意識。

2.2 創新教學模式

目前，“金課”采用的教學模式主要包括：線上模式、線下模式、線上線下混合模式、開展虛擬仿真模式以及注重社會實踐模式[7]?？紤]我校工程熱力學課程情況、學生情況、師資情況以及課程前期教改情況等，此次工程熱力學“金課”建設采取的是線上線下混合教學模式。線上線下混合教學模式最大的特點是從以“教”為中心向以“學”為中心轉變，把現代信息技術與教育教學深度融合，改變學生的學習模式，激發學生學習的積極性，從而改變傳統課堂教學過程中學生被動聽課，師生互動不足的問題，提升教學效果。本校工程熱力學混合教學模式包括在線開放平臺網上教學和翻轉課堂教學。在線開放平臺網上教學屬于線上教學，翻轉課堂屬于線下教學。為了建設工程熱力學混合式“金課”教學模式，基于工程熱力學課程團隊編寫的教材，我們根據每章的教學重點、難點收集與這些教學知識點有關的生活、生產中的相關問題，轉化為便于理論解決的科學問題，包括對課程知識點內容理解有幫助的“趣味性”的科研成果和參考書上的好例子，整合教學資源，按照每個實例遵循問題提出-理論講解-結果分析-問題解釋的布局來組織編排知識點視頻內容。然后，利用圖像、動畫和文字等教學手段向學生們展示各知識點，錄制融入案例的知識點視頻，視頻時長一般控制在15min以內，將每一個知識點視頻打造成精品。這樣學生可以利用零碎時間隨時隨地觀看和學習開放平臺上我們精心制作的知識點視頻，使學生能夠掌握工程熱力學的基本概念和理論，實現對課程的提前預習、反復學習課程中的重、難點。選用這些日常生活、工程實際及科研中的案例，用形象生動、通俗易懂的語言引入知識點，開展形象化教學，提高學生線上學習興趣和學習效果，夯實工程熱力學理論基礎。

工程熱力學課程是以熱力學第一定律和熱力學第二定律為研究基礎的，概念晦澀難懂、計算過程復雜，很難掌握定律的核心內容及其具體分析應用。工程熱力學課程不論在什么年代，學生在初次學習這門課時都不會感到輕松，定律背后闡釋的物理意義以及在實際熱工設備上的應用都是需要花費時間和精力鉆研的。因此，工程熱力學課程并不適合全線上模式教學，任課教師應當充分通過翻轉課堂強化與學生的交流和互動，注重聽取學生在自學過程中遇到的各種問題，針對學生提出的問題進行重點講解。另外，發揮校企聯合培養人才的優勢與特色，任課教師深入企業學習，參與企業的實踐培訓，與企業深入探討工程案例的設計方案，收集和整理工程案例，最終構建符合工程實際的真實、典型的工程案例習題庫。利用翻轉課堂，對學生進行分組（每組4～5人），然后分配工程案例，以組為單位進行工程案例設計，讓學生自己走上講臺講述案例的解析過程，任課教師和其他組學生一起互動點評，培養學生的工程意識和協作、溝通能力以及將工程熱力學理論知識與復雜工程實踐有機結合的能力。

工程熱力學線上線下混合式“金課”教學模式建設的另外一個重要環節是如何檢驗學生的學習效果和質量。其實，我們在在線開放平臺不僅上傳了我們精心錄制的知識點視頻、課件及教案，還發布了緊扣知識點的隨堂測驗題、單元測驗題、單元作業題以及相關的討論題。學生觀看完知識點視頻，可以通過完成隨堂測試題、單元測驗題和單元作業題來檢驗自己對知識點的掌握程度，另外任課教師也可以通過平臺反饋的學生測試環節分數來考察學生的學習情況。此外，學生還可以通過線上平臺的答疑區、討論區和任課教師積極、實時互動，及時解決學生學習過程中的困惑，提高學生學習這門課的效果。

2.3 強化建設教學實踐平臺

工科學生將來不管是從事研發工作，還是從事工程設計工作，它們都是偏重于實際應用的。也就是說，學生對工程熱力學知識的需求主要還是圖其“用”。而課程教學實踐平臺一直都是調動學生學習積極性、培養和提高學生動手能力及操作技能的有力保障。本校能源與動力工程學院始終扎實推進“本科教學質量與教學改革工程”，鼓勵任課教師進行教學改革，每年從“能源與動力工程江蘇高校品牌專業”、“動力工程及工程熱物理江蘇省優勢學科”、“國家級實驗教學示范中心”等建設項目中劃撥專款設立工程熱力學教學改革專項基金;學院高度重視工程熱力學國家級精品在線開放課程的培育工作，先后出臺了多項相關政策在人員配備、實驗用房、經費投入、制度保障等方面給予支持。本校工程熱力學教學團隊以《新工科研究與實踐項目指南》為指導，從產業需求出發，依托能源與動力工程學院中心實驗室（國家級實驗教學示范中心），以學科平臺為陣地，構建工程熱力學創新實驗平臺。將“來自于工程實際的創新，服務于工程實際的能力”的思路貫穿于實驗教學過程中，鼓勵學生根據科研興趣跨學科、跨專業地開展創新實驗，激勵學生自發性地進行創新能力的培養。通過構建工程熱力學創新實驗平臺，培養學生的創新思維，提升學生解決復雜工程問題能力。該創新實驗平臺將原來工程熱力學課內實驗中針對簡單知識點、過程按部就班、評價方式籠統單一的驗證性實驗學時占比大幅縮減，增加了綜合性實驗，綜合性實驗學時占核心課實驗總學時的75%，每個實驗8h以上，加大過程性考核分數。

比如，為了解決氣化燃氣制備本科實驗教學中存在難以克服的核心問題，我們團隊設計了虛擬仿真實驗，該實驗以燃氣制備工業生產過程為對象，按照課程和實驗大綱要求，依托團隊課題的科研成果，采用可視化技術和信息化技術，聚焦學為中心，突出能力培養，構建了高仿真度的氣化燃氣制備工業生產系統，開發燃氣制備過程參數控制與目標反演虛擬仿真實驗。通過“虛”“實”結合，將氣化內部熱力過程與外部參數控制相關聯，豐富和拓展了實驗內容;將最新科研成果融入實驗過程，達到最新技術的同步性;通過設計基于生物質氣化目標的反演參數方案實驗模塊，實現學生探究性學習，激發學生專業興趣。

2.4 完善課程考核方式

在工程熱力學混合式“金課”建設課程考核中，采取的是多元化過程性考核和期末總評考核相結合的方式。多元化過程性考核包括線上的視頻觀看時長和次數、單元測驗、單元作業、線上討論活躍度等以及翻轉課堂中的出勤情況、課堂參與度、案例分析的深度和廣度等。此外，過程性評價還包括學生利用創新實驗平臺的有效性及取得的創新型成果等。完善課程考核方式可以激發學生的學習動力和專業志趣，加強對學生課堂內外、線上線下學習的評價，提升課程學習的廣度。加強研究型、項目式學習，豐富探究式、論文式、報告答辯式等作業評價方式，提升課程學習的深度。加強非標準化、綜合性等評價，提升課程學習的挑戰性。

3? 結語

工程改變世界，科技創造未來，新工科必須把培養未來多元化、創新型卓越工程人才擺在更加突出的戰略位置。工程熱力學混合式“金課”建設探索是實現新工科背景下人才培養模式的基礎和保障。在高速發展的互聯網+時代，工程熱力學課程應當結合自身特點，優化課程內容、創新教學模式、強化教學實踐平臺建設、完善課程考核方式，最終打造出具有“兩性一度”的工程熱力學混合式“金課”，提升學生的工程實踐能力、創新能力，為實現“中國夢”提供人才保障。

參考文獻

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[4] 苑東偉，趙小軍，劉剛，等.新工科建設背景下《工程電磁場》金課建設實施[J].中國多媒體與網絡教學學報，2020（5）：228-229.

[5] 黃曉明，許國良，王曉墨，等.工程熱力學課程改革如何適應“新工科”建設[J].高等工程教育研究，2019（S1）：99-101，107.

[6] Yunus A. Cengel， Michael A. Boles. Thermodynamics： An Engineering Approach [M]. 7th ed.， New York： McGraw-Hill Science Engineering Math， 2011.

[7] 潘曄華.線上線下混合式市場營銷學“金課”建設研究[J].電子商務，2020（4）：95-96.