本科生科技創新能力培養的實踐與思考

王瑜 張淑娟 談美蘭 劉金祥 周斌 李維

摘要：傳熱學是建筑環境與能源應用工程專業的專業基礎課之一。隨著新工科建設的推進，傳熱學教學將承擔創新人才培養的任務，課程目標與現行的本科生科創能力培養體系一致。南京工業大學建環專業傳熱學課程教學引入“五問反思報告”體系，鼓勵學生將所學知識及時應用至本科生科技創新訓練項目中，并在授課過程中多次引入挑戰杯、“互聯網+”創新創業大賽等案例講解傳熱學基本原理和開展科創項目討論。此類實踐為建環專業傳熱學教學質量的提升和學生創新能力的培育提供了參考。

關鍵詞：傳熱學;建筑環境與能源應用工程;科技創新;反思報告;案例教學

中圖分類號：G642， TU83?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）02-0097-06

近年來，新興產業和經濟社會獲得了快速發展，亟需一批工程實踐能力強、創新能力強和具備國際競爭力的高素質復合型人才，這對高校培養專業工程人才模式提了嚴峻挑戰[1]。因此，中國工程教育開始在新工科改革中前進，從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，唱響了新工科建設“三部曲”[2]。

建筑環境與能源應用工程專業[3]

（以下簡稱“建環”專業）是土木工程專業的重要組成部分，以培養適應現代建筑發展的高級工程技術復合型人才為目標，融合制冷、傳熱、控制和節能等多領域專業內容，是新工科建設覆蓋的專業之一。在新工科建設背景下，傳統土木工程專業建設發展更需要以創新能力為核心[4]。程建杰等人[5]指出，在專業中如何調整教學內容，使得培養的學生真正具有設計和調試系統的能力是極其迫切的。

建環專業傳熱學課程內容主要關注建筑熱的過程，涉及的工程問題大多與熱量傳遞有關。傳熱學是研究熱量傳遞規律的科學，《高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范（2013版）》中指出，傳熱學與流體力學、工程熱力學構成了建筑環境與能源應用工程專業三大主干專業基礎課[6]，在培養方案中占據重要地位。因此，傳熱學課程教學必須緊密結合新工科特征，與時俱進，積極吸收新的教學理念，探索新的教學方法，以促進該專業人才培養體系的轉型與提高[7]。

新工科建設本質上是本科生綜合能力提升的教學工程，除正常授課之外，本科生可通過大學生創新創業項目的實踐提升自身的創新能力，為成為工程復合型人才提供實踐儲備。大學生創新創業項目的教學目標與新工科背景下傳熱學教學目標一致，并且傳熱學作為專業基礎課，也為學生實施創新創業計劃提供理論儲備。因此，二者可實現協調交互式發展。

依據新工科提倡的創新人才培養理念，如何在傳熱學教學過程中促進學生更好地承擔起創新創業項目，提升學生熟練運用相關知識解決實踐問題的能力，是傳熱學教學未來的改革方向之一。本文結合筆者2019—2020學年傳熱學教學實踐，探討了如何在教學過程中鼓勵學生及時將所學知識應用至科創環節，為新工科背景下以創新人才培養為導向的建環專業傳熱學教學提供了有益的嘗試和探索。

一、傳熱學對本科生科技創新的意義

建環專業本科生科技創新課題主要分為三類：（1）傳熱設備制造與優化;（2）節能系統設計;（3）凈化過濾裝置設計。傳熱設備制造與優化主要集中在換熱器、熱管和輻射制冷領域;節能系統設計主要涉及建筑墻體、建筑通風、空調系統和人體熱舒適;凈化過濾裝置設計主要涉及廠房、工業建筑和醫院建筑的新型空氣凈化方法研究。2019—2020年，南京工業大學該專業本科生科技創新課題數目如表1所示。

由表1可知，建環專業本科生科創課題主要集中在節能系統類，并輔助以一定數量的傳熱設備類和凈化裝置類。對于節能系統類課題，傳熱學是系統設計和優化的基礎，如建筑墻體問題

涉及導熱知識，建筑通風問題涉及對流換熱知識等。對于傳熱設備類課題，傳熱學是解決問題的直接方法和手段。對于凈化裝置類課題，雖然沒有傳熱設備類和節能系統類兩類課題關系密切，但其中的傳質內容和對流換熱部分的相似理論仍可以為課題提供理論基礎和研究思路。加之上文所述，在新工科背景下，二者在人才培養方面的教學目標一致。因此，傳熱學教學與本科生科技創新能力培養的交叉發展勢在必行，在傳熱學教學過程中引入科創能力培養內容，兼顧正在進行的本科生科創項目，有利于提升學生的獨立思考能力和創新能力，促使學生主動尋求學以致用的方法。

二、傳熱學與本科生科技創新現狀分析

（一） 科技創新現狀

作為地方高校的南京工業大學具有百年辦學歷史，是首批入選2011計劃的14所高校之一、江蘇高水平大學建設全國百強省屬高校、教育部首批卓越工程師培養計劃試點高校。學校堅持以人才培養為核心，牢牢把握立德樹人的根本任務;以新工科建設為引領，全面構建創新創業人才培養體系，著力培養具有中國靈魂、世界胸懷的創新創業人才。

建環專業自2015年以來實施本科生綜合能力提升工程，本科四年全程配備導師，以促進學生廣泛投入科創活動，同時有效利用教師科研項目和校企協作平臺，以提高學生創新創業能力。學生先后獲得了挑戰杯江蘇省一等獎、節能減排競賽全國一等獎等多項科創競賽獎勵，創新創業能力培養成效顯著。該專業本科生科技創新項目一般在大二上學期開始，與目前的傳熱學課程設置學期相同。

（二）傳熱學教學現狀

傳熱學是一門來源于生活、應用性極強的課程，它根植于工程領域的實際問題之中，服務于具體的生產和實踐。然而，大多數高校建環專業傳熱學仍采用傳統的以教師為主的“單向知識傳導”模式，忽視了學生主動學習能力和創新能力的培養，不利于鍛煉學生運用傳熱學基礎知識解決實際工程問題的能力[8]，更無法激發學生主動探索知識的欲望。

根據學習成效的SOLO分類法（Structure of Observed Learning Outcomes），預期學習成效分為五個層次（如圖1所示）：“前結構”是指錯過關鍵知識點;“單點結構”是指能夠簡單地按步驟操作的識別、命名、描述和記憶知識點;“多點結構”是指能夠結合自身經驗抓住主要的列舉、羅列相關知識點;“關聯結構”是指通過關聯相關理論對知識點進行比較、分類和解釋，設想知識的應用情景，實現實際運用;“抽象拓展”是指通過反思建立科學假說，能夠歸納出新規律、提出新概念。當前學生在傳熱學學習過程中，對課程知識掌握理解基礎上很難理論聯系實踐，建環專業傳熱學課程的學習成效，多處于“多點結構”這一層次，較少達到“關聯結構”和“抽象拓展”這兩個層次。學生普遍采用淺層學習方式，缺乏獨立分析和解決實際問題的能力，無法達到深度學習狀態。

三、基于本科生科技創新能力培養的教學嘗試

為了促使學生達到深度學習狀態，需將傳熱學課程與大學生科創活動融會貫通。2019—2020學年，筆者在建環專業18級本科生傳熱學教學過程中，開展了兩項嘗試。第一項是 “五問反思報告”，通過預留思考環節，促使學生主動思考如何運用傳熱學知識;第二項是引入專業相關科創比賽獲獎案例，直接連接教學內容與科創活動，為學生提供知識儲備。

（一） 五問反思報告

借鑒南京工業大學張淑娟老師創建的“基于五問反思報告的學業測評方案”，設置了傳熱學課程的“五問反思報告”。五個問題包括：（1）“我學到了什么知識點”;（2）“學之前我是怎樣想的”;（3）“我之前的想法怎么樣”;（4）“我應該怎樣想”;（5）“我如何才能用上它”。

“學之前我是怎樣想的”和“我之前的想法怎么樣”，這兩個問題使學生了解自身知識的欠缺，產生學習興趣，促使學生增加感情投入。“我應該怎樣想”和“我如何才能用上它”，這兩個問題表明了對學生深層認知和思辨的期待，為學生的努力提供了方向，促使學生增加認知投入。對于“我如何才能用上它”，答案要求除了設想應用情景外，還包括對應用知識進行創新，并具體說明創新包括但不限于提出新概念、新理念、新假說等，給學生留足自由發揮的空間。為了能夠實現對傳熱學知識的學以致用，作業中明確“我如何才能用上它”的作答要求，結合了自身科創課題設想知識的應用情景。

在課程進行過程中依托“超星學習通”軟件，在課程節點設置了五次反思報告，獲得了學生的一致歡迎和好評。學生的回答主要集中在如下兩個方面。

（1）對自身學習方法的反思和改進。

在課程節點設置反思報告，有助于學生第一時間對階段學習狀況進行總結，并針對性改進下階段的學習方法，此部分內容主要集中在回答第3和第4問中。如某次反思報告中，有學生提出“反思報告反映了對近期知識點的總結和知識在實際生活的應用，對每一章節的了解都變得更清晰和真實”，也有學生提出“隱約感受到大學專業課要引領我們當代大學生獨立思考，合理利用時間，完善人格的那一份心思”等。

（2）針對科創方向和生活實際案例提出自己的見解。（如圖2所示）學生分別針對科創方向和生活實際案例提出了自己的見解，部分學生針對第5問的回答，通過撰寫反思報告，部分學生已開始有意識的用傳熱學知識聯系生活實際，如對“冰的融化過程”“泡奶粉的熱水快速降溫”和“地板熱感覺”現象的思考。此外，還有學生進一步將傳熱學知識和自身科創課題結合起來開展了大量的獨立研究，提出了新的課外發明制作思路方案等。

（二）創新大賽案例教學

教學過程中，除了傳統的理論分析和公式推導外，還引入了創新大賽相關案例作為案例在課堂上講述。在案例講述過程中，通過引入各類創新大賽案例，讓學生感受到課程的重要性，理解課程的創新價值。如：在導熱部分的授課中，講到復合平壁導熱相關內容時，由于復合平壁導熱公式較為復雜，僅憑記憶掌握較為困難，因此引入“雙側相變混凝土砌塊外墻對建筑熱環境的影響研究” 項目作為案例教學內容，該項目曾獲得第九屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽一等獎。以此項目進行案例教學，有助于學生理解復合平壁在建筑墻體節能中的應用，強化對各類邊界條件下復合平壁導熱公式的理解和運用能力。此外，該項目涉及部分相變換熱內容，在講授相變換熱內容時還可再次引入，讓學生明白相變換熱在專業中應用的廣泛程度。在講授專業知識和原理的同時，穿插講述該項目從研發到立項、從取得成果到獲獎的全周期進程，讓學生更加深入了解一教師成功的科創項目完成需要做的努力，以達到傳授知識與鼓勵創新的雙重效果。

課程教學中引入正在進行的科創項目，以進一步實現傳熱學知識與科創項目融會貫通。由于課堂學時有限（58學時），需在課外開設討論課，以傳熱學知識點為主干，直接就學生承擔的科創項目涉及的課程知識進行討論。討論內容還可延伸至項目進行過程中遇到的技術問題，教師重點講述課題涉及的課程知識，并與學生共同探討解決方案。此類討論和思辨過程，利于學生扎實掌握傳熱學知識點，更利于應用型人才培養目標的實現。目前實施的本科生科創課題一般為先進裝備環境控制、輻射制冷和高大空間隧道等涉及國計民生或行業前沿的項目，問題的討論和解決過程也有助于提升學生的自我滿足感和對科創項目的自豪感，有助于科創項目的順利實施。討論課圍繞學生科創課題中的傳熱學問題展開，鼓勵學生在科創設計中不要拘泥于傳統傳熱方法，多考慮輻射換熱和相變換熱的應用。

（三）教學方案提煉

在方案實施過程中發現了部分不足，如部分學生對“五問反思報告”的回答流于表面，沒有落實到行動，因此，擬建立包含動態評價機制的反思報告體系，通過課堂表現或者單元測試表現來評估學生反思效果，結合撰寫報告的實際表現給出評分。同時，討論課除了討論科創課題中的傳熱學問題之外，將增加與反思報告撰寫和實踐的討論環節。在案例教學方面，將持續收集專業典型科創案例，建立案例庫，整理歸類，以便于在授課過程中更有針對性地選擇案例開展教學。

后續學年的教學工作中，筆者將繼續堅持和持續改進“五問反思報告”和案例教學相結合的方式，進一步構建傳熱學教學與本科生創新項目之間的紐帶關系，實現“一門課，兩種收獲”。另外，作者負責的另一門專業基礎課——工程熱力學，目前也在積極籌備將“五問反思報告”和案例教學引入工程熱力學授課過程中，以期促使本科生的科技創新項目與專業基礎課形成全方位的緊密聯系。

四、結語

基于南京工業大學建環專業傳熱學課程教學，探討了新工科建設背景下傳熱學教學與本科生科技創新能力培育的關系，在教學過程中從深度學習能力和自我思考能力提升

兩方面連接了本科生科創項目，以期為新時期建環專業創新復合型人才目標的實現提供參考。

新工科背景下，傳熱學教學與本科生科技創新項目在人才培養方面的目標一致，二者之間的交叉發展勢在必行。

當前建環專業傳熱學課程的學習成效多處于“多點結構”這一層次，學生普遍采用淺層學習方式，缺乏獨立分析和解決實際問題的能力。

“五問反思報告”可以促使學生結合自身科創課題設想應用情景，有助于學習向深度狀態遷移。

引入過往案例教學和現有科創課題討論，不僅可以拓展教學內容及深度，深化學生對課程內容的理解，還可以確保科創項目順利實施。

參考文獻：

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Cultivation of scientific innovation ability for undergraduates： Based on teaching

practice of the heat transfer course of building environment and

energy application engineering specialty

WANG Yu， ZHANG Shujuan， TAN Meilan， LIU Jinxiang， ZHOU Bin， LI Wei

（College of Urban Construction， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， P. R. China）

Abstract：

The heat transfer course is one of the professional basic courses in the subject of building environment and energy application engineering specialty. With the promotion of emerging engineering education， the heat transfer course will undertake the task of training innovative talents， which are consistent with the current undergraduate scientific innovation ability training system. In the teaching process of heat transfer course in Nanjing Tech University， the “five-question introspect report” system is introduced to encourage students to apply their knowledge to undergraduate scientific innovation training programs. Meanwhile， the cases in the former challenging cups and “internet plus” innovation and entrepreneurship competition are introduced to explain the basic principles of heat transfer， as well as the discussion on scientific innovation projects. This practice provides a reference for the improvement of teaching quality in heat transfer course and the cultivation of innovative ability of undergraduate students in this subject.

Key words：

heat transfer course; building environment and energy application engineering; scientific innovation; introspect report; case teaching

（責任編輯 崔守奎）