航天專業“工程熱力學”線上線下混合教學模式研究

車碧軒，李小康，黃敏超

（國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073）

引言

習近平總書記指出：“探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。”［1］航天作為高新技術產業，長期以來一直對經濟民生、產業發展具有重要的引領作用。隨著航天產業的高速發展，其對高素質航天工程人才展現出巨大需求。“工程熱力學”作為航空航天、能源動力等領域的一門重要專業基礎課，是深入學習飛行器動力、航空航天工程、飛行器設計等航天特色專業的基礎，其課程的教學效果直接影響學生后續專業課程的學習熱情和效果。經過二十余年的建設，我校“工程熱力學”的教學內容和教學方法不斷完善，取得了顯著成效，已經形成了以高水平特色自編教材、高素質專業教學團隊、高標準綜合熱工教學實驗室為代表的一大批先進教學成果和必備教學條件。面對航天技術產業對工程人才所提出的新需求，“工程熱力學”課程在以下幾方面有待完善：（1）傳統的“工程熱力學”講授與分析的對象大多是圍繞蒸汽輪機、內燃機等地面工作的熱力機械，而航天領域用到的動力機械，如火箭發動機，雖然遵循同樣的熱力學基本規律，但是使用要求和工作特點不同。（2）目前課程以課堂為主，結合實物開展實驗教學，沒有充分利用MOOC、VR 虛擬現實等信息化教學手段，距離線上線下混合式一流課程還有一定的提升空間。（3）課程主要按照“教師授課—學生聽講”的模式開展，無法充分拓展學生的自主學習能力。因此，在已有課程的基礎上，圍繞航天特色重塑課程內容，開展線上線下混合教學模式探索，充分拓展傳統“工程熱力學”教學的時間和空間維度，提高教學效果，對培養航空航天類專業人才具有重要的現實意義。

一、課程教學現狀分析

“工程熱力學”是一門從工程技術的角度出發，研究熱能和機械能的相互轉化規律及熱能有效利用的科學，是能源和機械動力領域培養合格工程師的重要專業基礎課程。以國防科技大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學等為代表的高等國防院校，在開設航天相關專業的專業課程之前，均將“工程熱力學”作為必修課程。

1.在教學內容的安排上，以沈維道、童鈞耕等編寫的《工程熱力學》為例，該教材將教學內容劃分為基本理論和工程應用兩部分。基本理論部分主要講授熱力學的基本概念、基本定律、工質的熱力性質、熱力過程等內容；在工程應用等部分，主要介紹氣體與蒸汽的流動、壓氣機的熱力過程、氣體動力循環、蒸汽動力裝置循環、制冷循環等內容［2］。美國俄亥俄州立大學的Moran等人編寫的教材Fundamentals of Engineering Thermodynamics，在介紹了熱力學基本定律、基本過程、工質的熱力性質的同時，穿插介紹了各類熱力循環和內燃機、燃氣輪機等熱能轉化利用裝置［3］。綜合國內外已有的各類教材來看，傳統的“工程熱力學”課程主要圍繞生產生活中常見的各類熱能轉化利用裝置（如活塞發動機、燃氣輪機、蒸汽輪機等）開展教學，其所涉及的工質（如水蒸氣）也比較常見。而航天技術所涉及的熱能轉換裝置，如拉瓦爾噴管等，其熱力循環過程與常見熱機之間存在一定的區別，所采用的工質往往處于超低、高溫、超高壓，甚至超臨界等非常見狀態，其相關知識在傳統的“工程熱力學”課程內容中一般少有涉及。

2.在教學方法的創新上，針對工程熱力學知識概念較多、理解記憶難度較大、課程內容相對枯燥等特點，國內各大高校分別從課堂、實驗、思想政治教育等方面切入，積極探索教學改革創新。譬如，在課堂教學環節中，通過情景引入和虛擬仿真實驗等手段，充分激發學生的學習興趣［4］；在實驗教學環節中，用綜合性、設計性實驗代替演示和驗證性實驗，以培養學生的創新實踐能力［5］；在理論知識的基礎上，通過適當融合思政元素實現立德樹人，以提高教學效果［6］。以上教學方法的創新，對于進一步提高“工程熱力學”課程的教學效果具有很好的參考價值。此外，在有限的學時內，既要保證“工程熱力學”課程的教學效果，又要突出航天技術的特色內容，因此需要在時間和空間上對課堂進行拓展。近年來，興起的大型開放式網絡課程（MOOC）具有課程資源豐富、形式多樣、學習無空間或時間限制等優點，哈爾濱工業大學結合MOOC開展了“工程熱力學”線上線下混合教學模式的探索，可有效提高學生的學習興趣，緩解部分學生對研究型教學模式的不適應［7］。

二、線上線下混合教學模式改革的關鍵問題

作為重要的專業基礎課，“工程熱力學”不僅要讓學生深入理解并熟練掌握熱力學的理論知識，還要充分培養學生理論聯系實際的能力和創新思維能力。課程內容既包含抽象的基本概念和定律，又包含對實際問題的具體分析，具有概念術語多、公式計算多、科學抽象多、工程背景強等特點，普遍存在抽象概念難以理解、知識體系難以把握、理論聯系實際能力不足、難以做到舉一反三等教學難點。針對以上課程內容和教學難點，開展課程與教學改革，需要重點解決以下四個問題：（1）如何構建專業特色突出、內容輻射廣泛的課程資源體系，充分滿足航空宇航與力學及其他相關專業學科對教學內容的專業性和差異性需求。（2）如何用先進的教學方法和信息化教學手段，增強師生互動，激發學生興趣，實現理論教學提質增效。（3）如何進一步挖掘實驗教學環節的教學收益，強化理論認識，同時又培養學生的工程素養和理論聯系實際的能力。（4）如何通過創新實踐項目實現對學生高階能力的培養，提升其團隊協作、知識統籌和創新思維的能力。

三、教學改革成效

“工程熱力學”一直是我校航空宇航與力學方向的重要專業基礎課程。經過多年的積累，目前已擁有了以高標準宇航熱物理教學實驗室、高水平特色自編教材、高素質專業教學團隊為代表的優越教學條件。授課對象由航空宇航與力學拓展至核工程、數學、機械等多個學科，順利完成了近萬名本科生的培養工作，指導學生在各類全國性創新競賽中屢獲佳績，教學效益顯著。

1.在課程建設方面，目前出版了四部教材，即《工程熱力學》《熱工實驗教程》《航天熱能工程》《工程熱力學典型題解與實戰模擬》，初步形成了航天特色突出、理論實踐并重的自編教材體系。教學內容分為基礎理論和工程應用兩個部分，前者主要包含熱力學基本概念和定義、熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質的熱力性質，后者主要包含流動過程熱力學分析、化學熱力學基礎、空天動力循環過程的熱力學分析等，初步構建了“基礎理論+工程應用”的模塊化課程知識單元，可根據專業需求定制教學內容；建成了液體火箭發動機、燃氣渦輪發動機等多種典型熱機數字樣機，可以有效支撐案例教學的開展；完成了MOOC資源準備工作，下一步將在我軍內外平臺同步推出線上課程。

2.在實驗條件方面，目前已建成國內一流的宇航熱物理教學實驗室，占地面積400 m2，擁有以氣體定壓比熱測定實驗、空氣濕度測定實驗為代表的多種基礎熱工實驗設備，以及數十種以太陽能光熱推力器為代表的前沿熱工實驗裝置，有效支撐了由基礎性到綜合創新性的多層次實驗教學。實驗室面向全校開放，并提供了技術指導，在創新實踐、學科競賽、畢業設計等方面發揮了重要的推動作用。

3.在教學方法的應用方面，理論教學靈活采用研討式、案例式等多種教學方法，強化學生的中心主體地位；借助數字樣機、自制教具等手段激發學生的學習興趣；結合雨課堂平臺開展線上線下混合式教學，發布課程錄像和微課視頻，強化師生互動，方便學生自主學習。在實驗教學中引入“計劃—實施—評價—改進”的全流程管理體系，提高學生的參與度；在傳統熱工實驗項目的基礎上，結合學科前沿開展綜合設計性實驗，開闊學生的眼界，培養其科研興趣。圍繞課程內容，開展項目式大作業，指導學生參與相關科研課題和全國性創新競賽，通過競賽牽引知識學習，充分鍛煉學生的團隊協作、知識統籌與創新實踐能力。

經過多年的改革探索，“工程熱力學”已成為理論體系完善、實踐特色鮮明、教學成果顯著的專業基礎課程，獲得學生和校內專家的一致好評。課程多次獲得校級優秀評價，授課教師獲得校級教學質量獎和“教學能手”稱號近10 項，圍繞課程建設發表教學論文10 余篇，承擔教改課題2 項，獲校級教學成果二等獎和院級教學成果二等獎各1 項。依托課程資源指導學生參加全國性創新競賽，獲全國大學生節能減排大賽三等獎1項，未來飛行器設計大賽一等獎1項、二等獎2項，全國大學生本科畢業設計大賽一等獎、二等獎各1項；組織承辦節能減排大賽校賽，并獲得優秀組織獎。

四、改革實施方案

開展航天專業特色的“工程熱力學”線上線下混合式教學改革，需要從教學內容、課程設計與建設、教學方法、綜合實踐體系等方面展開研究，解決教學內容與專業掛靠不緊密、線上與線下教學手段沒有充分融合等問題，最終形成航天特色突出、教學效果顯著的線上線下混合教學模式，實施方案見圖1。

圖1 線上線下混合教學模式的實施方案

1.重塑航天特色突出的課程內容。“工程熱力學”內容豐富、概念眾多，具有鮮明的實踐特色，傳統教學內容常常圍繞內燃機、蒸汽機等常見熱機展開。作為航天相關專業的基礎課程，目前對于航天領域所涉及的各類火箭發動機、高溫燃氣、低溫推進劑的分析和討論較少，導致學生對工程熱力學知識在航天領域的實際應用認識不足，因此在后續的專業課程上出現了面對熱力學問題似曾相識、知識運用困難等情況。針對以上學情特點，需要緊貼航天領域的特色背景與實際需求，以火箭發動機主要部件及整機的工作特性、火箭發動機常用工質的熱力性質為主要抓手，進行教學內容的設計，并構建生動豐富、特色鮮明的教學案例庫，從而使學生在深度理解熱力學基本概念、熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質熱力學性質等經典內容的基礎上，熟悉熱力學知識在航天領域的具體應用。在緊扣航天專業特色、激發學生學習主動性的同時，結合我國近年來在航天領域的最新成就，培養學生熱愛航天、鉆研航天的價值追求。

在基礎理論部分注重梳理知識結構，幫助學生建立明確的知識脈絡體系，強化學生對熱力學基本概念、熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質的熱力學性質等基礎理論的認識；在工程應用部分，基于拉瓦爾噴管、噴注器、渦輪泵等航天領域典型的熱能轉化利用裝置，建設航天特色突出的教學案例庫，依托教學案例開展典型熱力過程和熱力循環的互動教學，幫助學生熟悉航天工程技術的特點，掌握對實際問題的分析處理方法；在工質類型和狀態參數的選擇上，緊貼航天應用實際，設計案例對象參數，凝練熱力學知識理論原理，突出超低、高溫、超高壓、超臨界等航天工程領域特有工質狀態的相關內容；在理論知識的基礎上，緊貼時事熱點和發展歷史，融入課程思政元素，激發學生的學習熱情，樹立正確的價值取向。

2.打造“時間-空間”雙向拓展的多維度課堂。傳統線下教學模式的課時相對有限，手段較為單一，為了保證對“工程熱力學”經典內容和航天特色內容的教學效果，需要開展線上線下混合式教學設計，充分拓展教學的時間和空間維度。在時間維度上，圍繞課前、課中、課后等環節，開展課前線上預習、課中線上互動、課后線上研討、線下重點和難點講解、線下綜合實踐訓練等；在空間維度上，合理設置線上及線下課堂對應的具體環節和內容，構筑“時間-空間”雙向拓展的多維度課堂。對于背景知識、基本概念和原理，如熱力學發展歷史、熱力學系統分類等知識點，主要依托線上MOOC課程進行；線下課堂則主要突出重點和難點的講解，以及案例剖析和研討，如熱力學第二定律的內涵、開口系統熵方程等，通過合理安排，可以大幅提升學生的學習效率，充分提升學生的主動學習能力。

在拓展重塑教學內容的基礎上，依托當前的教學資源，開展線上MOOC課程資源建設，并在教學改革的過程中不斷迭代、更新MOOC的教學內容，充分利用線上教學平臺的靈活性和個性化特點，拓展課堂教學的時間維度和空間維度；線上內容主要圍繞背景知識、基本概念原理、拓展知識、重點和難點等進行建設，充分利用線上教學平臺的靈活性，幫助學習進度慢的學生消化吸收基礎知識，幫助學習進度快的學生拓展知識維度；構建虛擬仿真小程序和知識點微課短視頻，并依托線上平臺發布，利用學生的零散時間開展自主學習；利用線上教育平臺輔助線下教學實施，開展作業發布、學情分析、互動答疑等工作，強化課堂的教學效果。

3.構建虛實結合的正反饋式教學方法。“工程熱力學”的知識點在涉及理論知識部分時抽象難懂，在涉及工程實際時又煩瑣復雜。從往屆學生的問卷調查、平時作業和期末考試結果等來看，課程內容的理論知識與工程實際相結合的環節往往是學生最難掌握的部分。針對這一學習難點，依托我校航天方向的特色基礎，在線上線下各個教學環節通過微課短視頻、VR虛擬現實等信息化方法，結合模型組裝、實物演示、實驗實踐等手段，充分開展虛實結合的教學實踐。在教學過程中，通過虛擬現實等技術快速演示復雜的熱機工作原理，再通過實物實驗使學生獲得真實且直接的印象，熟悉相關實驗設備，掌握實驗技能。同時，通過實驗數據的處理與分析，將現象回歸到理論，將感受沉淀為知識，形成有效的正反饋。通過多種教學手段的有機結合，使深奧、抽象的專業知識變得清晰、直觀，便于學生理解消化和牢固掌握。

課堂教學內容突出重點和難點的講解，以及案例剖析和研討，如熱力學第二定律的內涵、開口系統熵方程等。通過短視頻、三維模型、數值仿真程序等手段，打造生動、有趣的多媒體課件；采用翻轉課堂、研討式教學等課堂組織方式強化學生的中心地位，引導學生自主學習知識，培養其批判和創新意識；利用虛擬現實等信息化教學方法提升學生課堂學習的沉浸度和參與感；創新教具設計，借助模型組裝、實物演示等手段，將抽象問題具象化，幫助學生深入理解；將傳統演示、驗證實驗改革為綜合設計性實驗，充分鍛煉學生理論聯系實際的能力。

4.推動以創造力培養為目標的多層次綜合實踐。擬引入自主管理的項目式教學，并以參加創新性學科競賽為拔尖手段，構建以培養學生創造力為目標的多層次綜合實踐教學。項目式教學以學生為主體，以教師為引導者，從開題、研究到結題的過程中，人人都是負責人，人人都是研究者，通過自行選擇課題、線上線下討論、科研結果整理等，為學生創建一個充分發揮自身創造力、研究氛圍濃厚的環境和平臺，培養學生善于發現、解決熱力學問題的精神內核和求真務實的科學態度。同時，通過從中擇優選拔，輔導參與大學生節能減排社會實踐與科技競賽，以及國際飛行器設計挑戰賽等校級、國家級、國際級的創新性學科競賽，為不同層次的學生提供更多的發展空間，進一步提升了學生的專業素養和創造能力。

結語

“工程熱力學”作為工科院校航空航天、能源動力等領域的一門重要專業基礎課程，支撐作用明顯。但是如何與航天類專業做到緊密結合，特別是如何充分利用信息化手段形成線上線下混合教學模式，在做好知識傳授的同時，拓展學生的自主學習能力，尚待探索。本文圍繞航天專業“工程熱力學”的線上線下混合式教學改革，在對比國內外相關教學改革情況的基礎上，針對課程內容特點和專業發展趨勢，分析總結了開展課程教學改革的關鍵問題，同時提出了教學改革的具體措施。