一流課程《工程熱力學》的教學創新研究與實踐

張冬潔 饒國燃 宋 侃

（北京理工大學珠海學院 珠海 519088）

0 前言

一流課程的建設是實現“雙一流”學科建設的基礎元素。人類文明發展至今，化石能源短缺以及燃燒化石能源帶來的環境污染和溫室效應，已經成為全球難題。大力開發清潔的新能源和對現有設備及系統的節能改造已經成為基本國策，在國民經濟多個領域的技術研究和應用中，均需要具備熱工的基本素養?！豆こ虩崃W》是一門研究能量傳遞和轉化規律的基礎學科，研究各種能源利用的理論基礎，它不僅是能源相關專業學生的專業基礎課，也被列為眾多工科專業的必修課[1]，如機械工程、材料工程、化學工程、生物工程等。因此，針對《工程熱力學》教學中的現存問題進行課程改革，打造一流課程，更好地服務廣大本科生，意義重大。

1 教學目標及課程關鍵問題

一流課程，就是金課，是指教育部實施一流課程“雙萬計劃”建設的10000 門左右國家級一流課程和10000 門左右省級一流課程[2]。一流課程的主旨是掀起教育界的“質量革命”，實現中國教育的內涵式發展。秉承本校培養“復合應用型人才”的定位以及“地方大學為區域經濟服務”的要求，課程教學目標如下：

（1）理解和掌握熱力學的基本概念和基本定律，在學習過程中具備較強的自學能力。

（2）利用基本理論對熱力學過程進行分析，解決熱力學相關工程問題，培養邏輯性思維，培養運用數學、科學及工程知識解決復雜問題的綜合能力。

（3）掌握熱力學相關實驗知識，能理論聯系實際，科學地分析與解釋數據。

（4）了解國內外能源現狀和前沿信息，具備能源憂患意識和社會責任感，學會高效用能。

（5）掌握團隊合作方法，培養團隊協作精神和高效處理問題的能力。

結合本課程的講授情況，梳理出的現存問題大致如下：

（1）以教師講授為主體，未能及時建立反饋環節，“教”與“學”不能有機聯系，由于學習科目多，本課程內容也較多，課時有限，學生容易發生畏難情緒，影響學習效果。

（2）作為基礎學科，理論內容抽象，邏輯性強，學習理解難度大，傳統的輸入式導向講授，學生不容易形成知識的系統化，缺乏邏輯性思維，遇到實際問題無從下手，做不到學以致用。

（3）教學活動以課堂講授為主，沒有考慮到學生的差異性，好學生的學習需求未得到充分滿足。

（4）專業理論知識與工程實踐聯系不夠密切，學生學習目的不明確，學習興趣和熱情未充分激發。

（5）考核以試卷測驗為主，過程性評測不夠充分，未能及時鼓勵優秀學生，發揮他們的帶動作用。

基于以上學情分析，本課程引入以“學生為主體，問題為導向，持續改進”的教學模式和“輸出導向（OBE）”的教學理念，在教學過程中注重教學方法設計，實現一流課程建設。

2 教學改革內容與實踐

從我國“教”字的寫法到西方“Education”一詞的起源，都反映了教育的本質，要實現“教”和“學”兩種行為的有機聯系與結合，教師引導，學生學習。培養品格，訓練思維，增長知識與技能，成長為有思想、有智慧、符合社會需要的人才。

課程本身是師生的紐帶，是實現教育目的、培養人才的基本保障[3]。做好課程改革，即是回歸教育本質，激發學生的主體意識，以成果為導向，設計教學過程，取得好的教學效果。

2.1 教學大綱的修訂

能源是人類文明發展的支柱，《工程熱力學》作為一門能源基礎課程，是人類實現能源開發和節能減排的重要工具。全課程講解與能源的開發和利用緊密結合，引入課程思政元素，結合國內外能源現狀，激發學生保護環境、高效用能的意識，培養學生社會責任感；介紹我國在新能源開發方面所取得的巨大成就，引導大學生樹立“中國自信”和學好本門課程的信心。

本次修訂的目的是強化教書育人的“育人”環節，實現育人與育才相統一[4]。在掌握知識體系的同時，也形成向上的價值觀和品格，具備科學思維和職業精神，為將來步入社會成為一名合格的工程師或科學工作者打下基礎。

本課程總課時為48 學時，包含6 個學時的實驗環節。教材選用國家級規劃教材[5]，結合人才培養需求，教學內容適當精簡和優化，刪減熱力學一般關系式、化學熱力學基礎、熱力學第三定律等復雜的熱力學問題部分；重點講授熱力學第一定律、第二定律、氣體與蒸汽性質和基本熱力過程等基本理論，強化訓練，讓學生構建好熱力學知識體系；與實際工程應用結合緊密的章節，如噴管、壓氣機、動力循環、制冷循環等，以學生為主體，教師引導，側重培養他們利用基礎知識分析問題和解決問題的能力。實驗環節采用仿真與實操相結合的方式，培養學生動手能力，團隊協作能力。

2.2 教學實施環節的創新

針對學情反映出的問題，實施本課程的教學改革。具體創新方法歸納為：“問題”開篇促思考；課堂分享增信心；教研相輔提興趣；“輸出”檢驗見成效；過程考核帶后進；評測反饋重改進。實現學生為主體，問題和成果為導向，持續改進的教學模式。

（1）“問題”開篇促思考

“問題導向”模式的核心思想是調動學生的大腦，在教學過程中引發學生的思考，引導學生運用基本的知識，多角度思維，邏輯推理出問題的答案。在本課程課堂教學設計中，將相關的課程概念和原理融匯在問題之中，圍繞問題展開分析討論，獲得解決問題的方法和技巧，并及時提出思考題進行鞏固訓練，注重教學效果考查?！皢栴}導向”教學模式實現了理論與實踐的密切結合，重視學生獨立思考能力、創新進取精神的培養，鍛煉學生分析和解決實際問題的能力。

比如，在第一章基本概念及定義里，結合全球化石能源危機難題，指明提高設備熱功轉化效率是解決難題的途徑之一，如何讓更多的熱變為功？需要掌握熱變功過程中熱量和功量的計算，一個問題將一節課要達到的最終效果明確體現出來，學習目的明確，能充分激發學生的求知欲。

（2）課堂分享增信心

作為一門學科的基礎課，經過長期摸索得到的理論，必然存在一些難于深入理解和掌握的知識點。比如，第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程，要想獲得熱變功的基本定律和定量計算，要用到反映氣體或蒸汽性質的狀態方程或圖表，可逆過程的功量和熱量基本計算公式，還要掌握住焓、熵、熱力學能、技術功這些基本參數的計算方法，并善用能量守恒這一基本定律，大部分同學一見到復雜的公式就會有畏難情緒，感覺內容晦澀，無法深入學習。但也有一部分優秀的學生，有學習興趣，能踏實分析。教學中，通過講解一個典型熱力過程的分析過程，梳理出一般步驟，然后布置課下自學作業，讓學生研讀教材，整理分析思路，再采用翻轉課堂方式，在課堂分享自己對于知識點的理解，教師點評、指證，深入引導。

通過實踐，這種方式充分開發了優秀學生的潛能，訓練他們的表達能力和邏輯思維能力，并帶動全體同學共同學習重要知識點，印象深刻。課堂分享不僅增強分享者的自信，也在學生中樹立標桿，激發其他同學的學習熱情和學好本門課程的自信。

（3）教研相輔提興趣

秉承本校培養“復合應用型人才”的定位，對學校師資提出“雙師型”要求，即教師既要具備理論教學的素質，也應具備實踐教學的素質，鼓勵教師做好科研。本教學團隊教師多數具備工程經歷和豐富的工程經驗，建立了專業相關的工程案例庫，并申請有多個科研項目，這為課程教學提供了良好的素材。在授課過程中將這些素材與知識點講解有機融合，每一章均有與之對應的素質拓展題目設定，拓寬了學生視野，提高了學習的興趣，通過相關訓練，讓學生體會到基礎知識的應用。授課過程中，部分學生就題目展開了深入思索，提出了自己的見解，體現出創新能力。

（4）“輸出”檢驗見成效

以知識點“熱力循環”講解為例，熱泵（冷暖型）空調這個日常家用設備，是采用了熱力循環的逆循環方式。授課之初設置了“計算題：在冬季，房間為維持恒定的室內溫度需要10kW 熱量，分別采用冷暖空調和電暖器方式，各需要消耗多少電量？”，要求學生根據本課堂所學能計算。課程首先講解了正循環的熱力學問題抽象，熱效率分析，然后以此為參照，學生自學逆循環知識點，采用分組討論和上臺分享的形式，共同進行熱力學問題抽象，獲得逆循環的制熱系數和制冷系數公式。最后利用獲得的基本公式計算出了兩種采暖方式的耗電量，明確得出空調供暖可以比電加熱節約70%的電費。

整個課程設置了多個類似計算題，通過訓練增強了學生專業認同感和自信心。同時鼓勵學生參與到相關的研究課題，真正做到教研相輔，學生可以學到如何撰寫專利和科技論文，為科學研究做好儲備。

（5）過程考核帶后進，評測反饋重改進

課程考核是人才培養和教學質量保障的關鍵環節[6]。對于重要的專業基礎課和專業課，多采用平時和期末考試兩個考核環節，期末考試占比一般在60%以上，且以筆試閉卷為主。學生為了取得好成績，更重視考前的突擊復習，只為了考試臨時強化記憶概念，無法深入理解和應用，不利于創新能力的培養。

本課程采用“問題”導向和“輸出”導向的教學方式，便于增加課程的過程性考核，在學習過程中發現優秀學生，并采用適當加分形式激勵他們在小組討論和課題分析中發揮積極作用，帶動后進學生，實現共同進步。此外，每一節內容均設置課堂思考題，結合學習通和問卷星等線上軟件，進行課堂測驗，收集和整理數據，發現學生學習的薄弱環節，重點答疑解惑，梳理授課過程的問題，及時改進。

2.3 教改成效

本教學團隊經過了多年的課程教學，在近3年申報《工程熱力學》相關教改課題3 項，建立了課程習題庫和相關工程案例庫，并對實驗設備進行改進，申請相關專利。校級、院級督導組評教、學生反饋良好，學生評教主講老師均為優秀。通過課程小組討論和翻轉課題等教學方式，激發了學生的學習主動性，學生的答疑人次較上一屆有近30%的提升，課程優良率由40.7%提升到55%，不及格率由6.4%降低到2.9%。引導和啟發式教學挖掘出部分優秀學生參與到科研項目研究，鍛煉了他們的創新能力，有5 人分別進行了2 項專利的撰寫并得到受理。

3 總結

《工程熱力學》是能源專業的主要專業基礎課，基于現有學情，本文進行了教學改革和創新。修訂了教學大綱，全課程講解與能源的開發和利用緊密結合，培養學生社會責任感和職業精神；授課過程實施“以學生為主體，問題和成果為導向，持續改進”的教學模式。通過教學實踐，取得了較好的教學效果，本成果可為工科基礎課程的“一流課程”建設提供參考。