新工科背景下輪機工程專業基礎課程教學改革探討

王哲　韓鳳翚　李文華

[摘 要] 從新工科教育所要解決的三大挑戰出發，在船舶與海洋工程二級學科輪機工程的新工科建設指導下，分析了輪機工程專業基礎課在新工科背景下的重要性，剖析了學生知識量拓展不足、教材通用性差、課程模式單一等問題。結合大連海事大學輪機新工科課程改革實踐提出“多點交互知識導入、主動求知的虛擬現實實踐、去中心化考核的評價體系”教學改革創新。結合翻轉課堂、課程思政、合作學習、相互評價等方法，改變傳統教學方式，激發學生的學習主動性，獲得了較好的教學效果。

[關鍵詞] 輪機工程;新工科專業;熱工基礎課;混合教育;教學改革

[基金項目] 2020年度大連海事大學教育教學改革項目“輪機工程專業海洋裝備技術與管理方向課程體系與專業對標研究”（2020Y19）;2020年度大連海事大學研究生教育教學改革研究項目“研究生創新培養基地及聯合培養基地研究與實踐”“以行業為依托，構建基于校企聯合培養基地的專業學位研究生培養模式”（YJG2020502、YJG2020602）

[作者簡介] 王 哲（1986—），男，遼寧大連人，博士，大連海事大學輪機工程學院副教授，主要從事新能源、高等教育管理理論研究;韓鳳翚（1986—），女，遼寧大連人，博士，大連海事大學輪機工程學院副教授，主要從事海底工程、思想政治教育研究;李文華（1980—），男，遼寧大連人，博士，大連海事大學輪機工程學院教授，主要從事船舶機電一體化、學生管理研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0089-04 [收稿日期] 2021-09-29

引言

新工科教育是我國面向未來工程技術發展新需求、科技強國與內外競爭新形勢、育人為本德育為先新使命下開展的高等人才教育革新[1，2]。在全球化的巨大浪潮中，新工科教育肩負著國家經濟蓬勃發展、關鍵技術跨越式突破、國家科技戰略布局、民生安定團結等重要作用，其面臨如下三個挑戰[3]。首先是可持續性和氣候變化的挑戰，包括就業和經濟增長、消除貧困、工業創新和基礎設施、智慧城市、可再生的生產和消費等。其次是第四次工業革命應對的挑戰，涉及自動化、物聯網、人工智能、先進材料、增材制造、納米生物和神經網絡，以及虛擬現實等技術的廣泛整合[4，5]。最后是就業、創新與終生學習能力的挑戰，包括工科大學生實習就業、自主創新與創業、精神和思維提升、終身學習創造等[6，7]。因此，為迎接全球化的挑戰，針對我國國情民生，共繪產業經濟發展，攻克“卡脖子”的核心技術，獲取彎道超車后發制勝契機，占據未來世界高新戰略制高點，急切需要建設新工科教育體系與培育大批擁有創新力、應變力、協調力、學習力、社交力的工程科技才俊，服務于國家戰略發展，進而提升我國工程教育的整體實力與國際競爭力。

一、輪機工程基礎課程現狀分析

（一）能源類通識知識的重要性

能源是人類社會生存的基礎，能源的開發和利用是人類社會發展的動力和人類社會文明的重要標志。正常情況下，每個國家能源消費總量及增長速度與其國民經濟總產值及增長速度成正比，而能源人均消費量的多少則反映出人民生活水平的高低[8]。因此，新工科大學生基礎素質的培養和專業啟蒙知識的夯實對于其后期從事該專業及敬業奉獻的態度尤為重要。以能源類專業基礎為例。首先，在教育初始階段要讓學生結合實際進行調研和討論，隨后明確我國能源環境面臨的多種挑戰，如能源開發利用設備和技術落后、能源利用效率低等問題;每萬元國民經濟產值GDP的能耗是發達國家的3倍左右、單位產品的能耗平均比發達國家高40%左右等具體數據;環境污染和浪費嚴重等問題，國內一大半的城市空氣中總懸浮顆粒超標，有1/3的大、中城市空氣中的硫化物濃度超標，二氧化碳排放量僅次于美國等。由此得出需要節能降耗努力實現碳達峰和碳減排、發展能源經濟的結論。其次，我國的能源經濟建設要走可持續發展的道路：合理利用能源，提高能源利用率，改造或更新技術落后的能源利用終端設備;大力開發對環境無污染或污染很小的氫能、太陽能、風能、水能、地熱能、海洋能、生物質能及核能等。這樣才能實現我國能源經濟領域的多能互補和彎道超車[9]。最后，以面向問題、學以致用為驅動力，達到能源基礎通識理論學習的主要目的，使得大學生明白只有節能減排、低碳環保、提高能源效率發展設備和技術，才能提高人民經濟和社會生產總值，實現中國夢這一宏偉目標。

（二）新工科背景下的課程建設

輪機工程專業屬于船舶與海洋工程的二級學科，其專業基礎課程大體包括機械基礎、熱工基礎、工程材料、電工電子、信息及自動化控制等知識領域。需要根據人才培養目標，仔細構建較為貼近專業內涵的專業基礎課程體系，為后續的專業實訓與創新就業實習打下堅實的基礎。通過多途徑、多形式完成相關培養內容，以提高學生適應未來工作的能力[10]。

以大連海事大學輪機工程專業畢業生就業為例，他們在海上進行輪機管理，即：船舶主動力、輔機及相關設備的維修和檢測;船舶制造行業，即船舶動力設計、標準指定、檢測等。其在船級社、港口、動力裝備、船廠、航運公司等有不可撼動的競爭優勢[11]。因此，在雙碳要求的大背景下，結合新工科船舶與動力能源在近年來蓬勃發展的基礎上開設了“輪機熱工基礎”課程，將其作為輪機學院本科生的一門專業必修課。該專業課程具有涉及內容從通識基礎性知識入手、后期專業實踐性與應用型較強、技術信息化緊貼船舶輪機行業發展等特點，如果采用傳統的課堂宣講的單一手段不能滿足實際的需求。因此，在推進碳達峰、碳中和的大背景下，“輪機熱工基礎”作為輪機工程類的專業基礎課程，應緊貼新工科深化改革的契機，努力開辟從基礎類到應用類知識橋梁的課程教學新模式，適應培養創新力、應變力、協調力、學習力、社交力的工程科技人才的大趨勢。

（三）“輪機熱工基礎”課程存在的主要問題

“輪機熱工基礎”作為輪機工程專業的必修基礎課程，目前普遍是以課堂講述、課后習題練習、期中期末考試為主要形式的傳統教學形式，該模式無法滿足當下新工科的時代要求，尤其是針對少學時的非動力工程類學生，這種面向實踐型的課程教學當前主要存在以下幾個問題。

1.知識靈活應用與實際結合不強。“輪機熱工基礎”課程衍生于基礎的大學物理、大學數學，從典型的熱力學第一、第二定律入手，逐步過渡到實際船舶中的輔機設備和主機動力循環。除了前期的主要基本理論和對象的描述外，熱能、功、質量的轉換，典型工質的性質和過程量都具有大量的數學理論推導過程。因此，對學生的專業知識儲備要求靈活，知識點與相關實際結合較為緊密。這些對于傳統能源與動力工程專業的學生較為輕松，但對于輪機專業本科生來說有一定的難度。尤其是后面的與實際相關的船舶主動力循環與輔機各種鍋爐、冷凝器、壓縮機等設備，其涉及的與能量、設計相關的內容都可以在輪機基礎課程中找到，學生從枯燥的公式推導和數學計算中很難迅速地消化并隨之運用到相關的實際船舶設備中，專業知識儲備欠缺，學習起來較吃力，學生疲于應對考試，而難以適應從理論到實際應用的過渡階段，易產生厭學或完全為了應付考試的心理，不能實現知識靈活應用與實際結合互補的最終目的。

2.相關教材適用性不強。輪機工程實際上是針對實際船舶主動力、船舶輔助設備及相關船舶設計、管理而形成的面向船運應用工程的主要專業，具有理論結合實際性強、技術更新速度快，以及商業化、市場化程度高等特點，急需大量的以解決問題為導向的應用技術型人才，但人才培養需要有針對性的教材和參考書。因此，其與熱能與動力工程學科不同，所用到的教材學時少、貼近實際應用對象，并且目前船舶新能源發展速度迅猛，應用章節覆蓋的內容更新換代極快。筆者統計了市面上的相關書籍，幾乎沒有適合輪機專業的熱工基礎書籍，大多是關于熱能動力類、機械類、車輛類的專業書籍。若僅僅照搬借用，按照動力類、機械類教材的內容講授，體現不出重點，也達不到輪機專業理論體現實際運用的學習效果。同時，作為講述教材，傳統專業課本過于偏重基礎知識，對某個對象的應用案例極少且更迭緩慢，無法緊跟相關領域的前沿發展動態，從而無法體現輪機專業課程把握基礎、打牢應用、展望創新的需求特點。

3.教授理念與授課方式不強。排除與熱力學、傳熱學的基礎理論和公式推導，更關注輪機方面設備循環的工作原理和過程，以體現實際船舶動力、輔助、管理技術的開發和應用。因此，講授掌握基礎規律，以實踐加深理論知識，從而舉一反三地解決實際問題是本課程的最終目標。這就需要任課教師在講述理論的同時舉出實例，側重于引導學生運用理論知識解釋船舶相關的應用案例，并進行聯想和更新。在此過程中，應當采用各種有效的現代化教學手段，如翻轉課堂、課程思政、操作實訓等，盡量去除以教師為主導的教授過程。傳統的教授過程是以注重對知識的詳細灌輸和對習題的反復練習，應付最終考試和修滿學分為目的的講授，忽視了獨立思考能力和運用知識能力的培養過程。傳統的教授理念與授課方式極易使學生陷入被動的學習，課程參與度低，學習興趣和積極主動性將會被完全抹殺，即便學生死記硬背獲得較高的期末成績，也無法提高實際處理問題的能力，達不到新工科學生的培養目標。

二、“輪機熱工基礎”改革與探討

針對“輪機熱工基礎”課程在教學中存在的問題，以及面臨的多重挑戰，如由單一途徑授課變為網絡直播多點交互上課，由傳統知識點的講解練習變為視頻和課后自學，實驗課由教師指導變為虛擬現實仿真模擬，最終測試由中心化的集體考試變為去中心化的多對多測評體系等。

結合新工科的理念和要求，筆者在近幾年的教學工作中，以“輪機熱工基礎”特點和輪機工程培養目標為導向，結合自身經驗探索嘗試新的教學模式，提出以下幾點改進方法，以期提高教學效果。

（一）多點交互知識導入的教學創新

傳統線下單一途徑的專業知識講授方式已不再適合于目前快速發展的信息時代，單一課堂教授容易使學生產生厭學或為了考試而學習的不良心理。因此，面對強烈的信息化沖擊的當代大學生，以及專業性與實際應用性較強的“輪機熱工基礎”課程，需要構建多點交互的新型授課模式。以大連海事大學近年來的“輪機熱工基礎”建設為例，教學團隊針對教師課堂講授及學生課下獨立作業所存在的問題，開展了線上多媒體課程建設，在學校搭建的校內網絡平臺BB學堂中完善了整個課程體系和資料上傳，并借助互聯網課程平臺導入了線上授課模式，引入線上線下多聯互動等措施。根據兩個學年的統計可知，線上報名和瀏覽量達2.5萬余次，學生借助新工具，拓寬了視野，總結繪制了多套課程思維導圖，線上互動和線下教授的多點輸出得到了良好的效果。

（二）主動求知的虛擬現實實踐形式創新

由被動灌輸到主動求知一直是教育改革的重要目標，通過學習模式革新，從認知觀念和原動力方面激發大學生的主動求知熱情，是新工科教學改革的又一重點。新工科專業基礎課具有較強的實操性，理論學習需要實踐和實驗的驗證與深化，這樣才能幫助學生有效地理解和運用知識。當代年輕人接收新事物快、可塑性強，通過數字化多點交互實訓實踐，幫助其實現全方位、多平臺的自主學習，結合課程思政的積極性和先進性，將傳統“灌輸式”教育延伸到個體發展與社會責任感層面，培養其克服困難、勇于擔當的意識，提升大學生的意志品質，激發其主動求知、自主學習的熱情，并提升其社會責任感。以大連海事大學輪機學院為例，利用“校級通用仿真平臺”“輪機模擬訓練平臺”等替代部分傳統實驗講解和操作環節，搭建虛擬仿真實驗訓練平臺，使大學生在自主完成各類專業課程實驗項目的同時，自由選擇線上線下不同實操技能的訓練。

（三）去中心化考核的評價體系的創新

隨著上述靈活課程改革的全面實施，課程逐步向沉浸式教育方向發展，學生會更具有針對性地進行能力拓展與素質提升。此時，需要在掌握知識點和實踐參與的基礎上，著重開展能力拓展、模擬訓練、案例重現等環節。在案例講述、問題發布、學生組隊討論、技術難題解決、組內互評和小組間對比評價的基礎上進一步提升大學生對工程技術類專業課內容的理解掌握及靈活運用能力，使其能夠借助線上資源的自主調研和線下指導的小組討論與技術實踐達到舉一反三、全面提升能力的目的。因此，新工科培養對專業知識的理解掌握和靈活運用也不僅限于單一形式的考試，需要針對現有需求開展去中心化考核的評價體系創新。

結語

在大連海事大學船舶與海洋工程二級學科輪機工程的新工科建設指導下，任課教師對“輪機熱工基礎”課程進行了教學改革，分析了該課程在輪機背景下工科專業大學生知識量拓展不足、教材通用性差、教授模式單一等問題。通過筆者與教學團隊的共同努力構建了具有“多點交互知識導入、主動求知的虛擬現實實踐、去中心化考核的評價體系”新型課程平臺。最后通過兩學年的探索，線上課程建設網站點擊量超過2.5萬余次，并結合翻轉課堂、課程思政、合作學習、相互評價等方法，改變了傳統教學方式，激發了本科生的學習主動性，形成了知行合一、以知促行、以行求知的重要學習體驗，獲得了較好的教學效果。

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Exporation on Teaching Reform of Basic Courses of Marine Engineering under the Background of Emerging Engineering Education

WANG Zhe， HAN Feng-hui， LI Wen-hua

（Marine Engineering College， Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116026， China）

Abstract： Starting from the three challenges to be solved by Emerging Engineering Education education， under the guidance of Emerging Engineering Education construction of marine engineering， a secondary discipline of ship and ocean engineering， this paper analyzes the importance of the basic course of Marine Engineering under the background of Emerging Engineering Education， and analyzes the problems such as insufficient expansion of students’ knowledge， poor universality of teaching materials， single curriculum model and so on. Combined with the practice of curriculum reform of Marine Engineering in Dalian Maritime University， this paper puts forward the teaching reform and innovation of “multi-point interactive knowledge introduction， virtual reality practice of active knowledge seeking and evaluation system of decentralized assessment”. With the methods of flipped classroom， curriculum ideological and political education， cooperative learning and mutual evaluation， the traditional teaching methods are changed， the students’ learning initiative is stimulated， and a better teaching effect is obtained.

Key words： Marine Engineering; majors of Emerging Engineering Education; basic course of Thermal Engineering; mixed education; teaching reform