機械類專業《熱工基礎及流體力學》課程教學思考與改革

趙慶娟 孫金超

摘?要：熱工基礎是本科院校機械大類專業開設的一門綜合性的專業必修課程。熱工基礎課程知識點多、理論性強、概念抽象，各部分知識點相對獨立。在熱工基礎課程的理論教學與實踐教學過程中依然存在很多問題，針對這些問題和不足，依據新工科及工程教學的要求有針對性的進行了深入而全面的思考與探索。該文在注重學生工程應用能力和創新能力培養的基礎上提出熱工基礎課程的教學改革措施與方案。該教學改革措施能夠滿足“新工科”建設及人才培養的要求，同時也為機械類專業熱工基礎課程的教學提供一些可參考的思路。

關鍵詞：?熱工基礎及流體力學??理論教學??教學改革??機械類

中圖分類號：TK3-4;O35-4;G642.0???????文獻標識碼：A

Thinking?and?Reform?on?the?Teaching?of?Thermal?Fundamentals?and?Hydrodynamics?in?Mechanical?Specialty

ZHAO?Qingjuan??SUN?Jinchao*

（College?of?Mechanical?and?Control?Engineering，?Guilin?University?of?Technology，?Guilin，??Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?541004?China）

Abstract：?Thermal?Fundamentals?is?a?comprehensive?professional?compulsory?course?for?mechanical?major?offered?by?undergraduate?colleges?and?universities.?Thermal?Fundamentals?has?many?knowledge?points，?strong?theory?and?abstract?concepts，?and?the?knowledge?points?of?each?part?are?relatively?independent.?There?are?still?many?problems?existing?in?the?theoretical?teaching?and?practical?teaching?process?of?Thermal?Fundamentals.?In?view?of?these?problems?and?shortcomings，??according?to?the?requirements?of?new?engineering?and?engineering?teaching，?the?in-depth?and?comprehensive?thinking?and?exploration?have?been?targeted?to?carry?out.?This?paper?puts?forward?the?teaching?reform?measure?and?plan?of?Thermal??Fundamentals?on?the?basis?of?focusing?on?the?cultivation?of?students'?engineering?application?ability?and?innovation?ability.??This?teaching?reform?measure?can?meet?the?requirements?of?"new?engineering"?construction?and?talent?training，?and?also?provides?some?reference?ideas?for?the?teaching?of?Thermal??Fundamentals?for?mechanical?specialty.

Key?Words：?Thermal?Fundamentals?and?Hydrodynamics;?Theory?teaching?;?Teaching?reform;?Machinery

根據2018年9月發布的《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0意見》，高校明確了新工科建設的發展方向。自此教育部對新形勢下高等教育教學和人才培養提出了更高的要求，重點推進新工科的發展建設[1]。隨著科技的迅猛發展，在機械電子、冶金、機械制造、航空航天等領域熱科學的應用越來越廣泛，熱科學成為各類人才工程素質培養的重要內容。《熱工基礎及流體力學》是一門傳授熱科學及流體力學基本理論及原理的重要理論課程[2]。《熱工基礎及流體力學》課程內容的設置為適應應用型人才培養的要求，著重于工科類人才基礎知識、基本能力及綜合素質的培養，能夠實現以基礎理論知識聯系生活和工程實踐，培養學生應用多種知識和技能解決實際問題的能力。

在國際形勢錯綜復雜的當下，尤其是在很多產業遭遇“卡脖子”技術約束的背景下，需要緊跟國家能源發展戰略，提高能源利用效率，積極推進《熱工基礎及流體力學》課程的教育教學改革，達成培養大學生的綜合能力和創新思維的目的，進而提高大學生的綜合素養，培養復合型、創造型人才，滿足社會的發展和需求。

1?《熱工基礎及流體力學》課程特點

《熱工基礎及流體力學》課程由工程熱力學，傳熱學和流體力學三個篇章構成，該課程知識點多、理論性強、概念抽象，但三個部分的知識點即相對獨立，又聯系緊密。該課程的主要內容包括：熱能和機械能以及其他形式能之間相互轉換規律、熱量傳遞規律、流體宏觀機械運動規律及其應用。教學目標是使學生在學習過程中有效掌握工程熱力學、傳熱學和流體力學的基本概念和基本規律，并能夠應用工程熱力學、傳熱學及流體力學基礎知識對各種熱現象、熱交換過程及相關流體運動特性進行分析，為培養和提高學生的實踐能力和創新思維打下基礎。《熱工基礎及流體力學》課程在機械類專業中占有重要地位，是機械類專業的核心專業基礎課程。在機電類相關專業中《熱工基礎及流體力學》課程更顯得尤為重要，由于在設備的設計和使用過程中大量存在能量轉換、熱量傳遞以及流體力學相關問題，大多機電產品在設計時都要進行傳熱設計或考慮熱控制的問題，有時還要考慮流體的能量轉化等問題[3-5]。該課程的學習有助于學生對熱科學及流體力學方面的科學素養和科學思維方式的培養。

2?《熱工基礎及流體力學》課程理論教學及實踐教學的現狀分析

《熱工基礎及流體力學》是機械類專業的核心課程之一，課程涉及了工程熱力學、傳熱學和流體力學這3個部分內容，其中《工程熱力學》部分包含了熱力學基本概念、熱力學基本定律、幾種工質、理想氣體的熱力過程、氣體和蒸汽的流動、蒸汽動力循環和制冷循環等內容；《傳熱學》部分包含了熱量傳遞的基本方式、導熱、對流傳熱、輻射傳熱和傳熱過程與換熱器等內容；《流體力學》部分包含了流體及其物理性質、流體靜力學、流體動力學基礎及粘性流體的管內流動等內容，三部分之間相對獨立。在教學過程中存在的主要問題是課程涵蓋內容多且相對獨立，各個知識點分散不能達到系統化，安排的學時量較少，只有48學時，課程內容安排非常緊湊，導致學生不能夠很好的理解和消化課堂所學內容。又由于3個部分都涉及到大量的專業術語及復雜繁多得公式，這導致了《熱工基礎及流體力學》這門課程不僅知識體系邏輯性強、概念抽象，還需要學生掌握數量龐大的公式以及學會必要的工程參數查表，因此課堂教學抽象枯燥，導致學生對知識的掌握難度大，缺乏熱情。在《熱工基礎及流體力學》課堂教學中，在課程涵蓋內容多而學時量少的情況下，教師注重的是學生對知識點的掌握程度，很少關注學生工程實際應用能力的培養，授課過程中缺乏工程實例的引用，很難激發學生的課上學習興趣，達不到預計的教學效果[6-7]。

由于《熱工基礎及流體力學》課程具有極強的理論性、實踐性、應用性和工程性，培養和提高學生解決實際工程問題的能力的途徑，主要依賴于《熱工基礎及流體力學》課程的實踐教學環節來實現的。但是在實際的教學活動中實驗課學時量不足，甚至由于實驗條件和學時安排的原因一些高校不開展“熱工基礎”實驗課程，開設實驗課程也僅僅被作為理論教學的輔助，實驗課授課方式仍然采用傳統的“教師在實驗課上講解設備結構，操作流程，注意事項，并給學生演示實驗操作步驟，學生輪流模仿操作，課后寫實驗報告”的實踐教學形式，《熱工基礎及流體力學》實驗教學還面臨著實驗設備缺乏或不足的問題，因此實驗教學過程中，經常會出現少數學生有機會操作，多數學生只能圍觀的現狀，這使得大多數學生沒有掌握實驗操作步驟，甚至不了解設備或儀器的內部結構和工作原理，大幅度降低了學生的學習興趣和學習熱情，忽視了學生實踐能力和創新能力的培養。導致學生很難將所學到的《熱工基礎及流體力學》相關知識與生活和工程實踐相關聯，不能做到理論聯系實際，更無法達到學以致用的教學目的。

3?《熱工基礎及流體力學》教學改革措施的研究與討論

針對《熱工基礎及流體力學》課程內容特點以及理論和實踐教學過程中存在的不足，對課程教學方法和手段進行總結和思考，在注重學生工程應用能力和創新能力培養的基礎上，提出“熱工基礎”課程的教學改革措施和實施方案。

3.1基于專業需求的理論教學方案調整

在機械類專業中開設《熱工基礎及流體力學》課程，首先遇到就是課程涵蓋內容多，而課時不足的問題，這直接導致教學內容和知識點的傳授難以實現面面俱到，因此解決課程內容多而學時少的矛盾是首要問題。首先以工程認證為標準制定本科生畢業要求，對課程目標和課程內容進行梳理，結合專業特點對課程教學內容進行調整和優化。針對《熱工基礎及流體力學》課程特點，采用一條主線貫穿始終的教學思路。以能量守恒為線索將課程內容融會貫通，形成一個整體。改變傳統教學中將《熱工基礎及流體力學》課程當作三個獨立部分的做法，在確保《工程熱力學》《傳熱學》《流體力學》三個篇章各自特點的同時，將三個篇章聯系起來，即統一又保持相對立性，使教學內容更具系統性。以社會熱點以及學科前沿為導引進行討論，提高學生學習主動性，建立科學思維方式，進一步提升學生解決工程領域中與熱科學及流體力學相關問題的能力[4，7-8]。

3.2《熱工基礎及流體力學》課程教學方法和手段的改革

《熱工基礎及流體力學》課程主要是以教師為主引導課堂教學，學生被迫接受的模式，教學模式并沒有得到根本的轉變。由于《熱工基礎及流體力學》課程內容涵蓋面廣，學時設置少，單位時間學生接受信息量過大，學生被動學習，很難快速的理解和消化所學內容，在這樣的情況下，學生失去了學習和探索的興趣。為了讓學生積極參與到課堂教學過程中，有效的改善教學效果，達到提高學生綜合素質的目的，對《熱工基礎及流體力學》教學方法和手段進行改進。

3.2.1教學中加強教師的導學作用，以學生為主體，重視理論聯系實際。

按照專業特點調整和安排教學內容和教學環節，針對難理解和難消化的知識點，安排習題課，在精講多練的過程中對知識點進行反復強化和吸收。采用引導式教學，在教學過程中教師根據知識點精心設計問題，在知識點傳授的過程中適當的時間提出相關問題，引導學生深入思考，帶動學生才遇到課堂中來，即從傳統的教師主導講授的課堂轉變為有問題、有思考、有講解、有總結的互動式和啟發式課堂教學模式。最大程度的調動學生學習的積極性和主動性，促使學生能夠做到理論聯系實際，針對實際問題進行思考并給出解答。

3.2.2有效利用信息化教學手段，采用多樣化授課方法相結合的授課方式

由于《熱工基礎及流體力學》課程具有大量的專業術語以及復雜繁多的公式，知識體系理論性和邏輯性強、概念抽象難懂，還涉及到大量公式推導等特點，在實際教學過程中，需要采用多媒體教學和板書相結合的方法進行授課，充分利用信息化教學手段的直觀性和生動性，設計并制作生動而豐富的多媒體教案，通過視頻、虛擬仿真技術等手段，將像卡諾循環、熱功轉換、熵等抽象難懂的內容生動的展示給學生，使學生更容易接受、消化和理解晦澀難懂的知識點，以取得良好的教學效果。

3.2.3充分發揮網絡教學平臺的優勢，實現多平臺互補的課堂結構的改革

網絡教學平臺不但有課程教學大綱、教學進度、考核方式等教學資料，方便學生了解和查閱。教學平臺還為學生提供教學課件、試題庫等資源，學生可以根據自己的需要通過網絡教學平臺隨時進行學習。學生可以通過網絡教學平臺對《熱工基礎及流體力學》課程進行課前預習和課后復習，在學習過程中遇到的難以理解和消化的問題在平臺上可以隨時向教師提問，實現學生和教師的良好互動，教、學雙方都參與到教學過程中來，發揮了學生的學習的自主性。

3.3基于科技創新項目及競賽的實踐教學改革

在應用型本科教育的大背景下，實驗教學是高校實踐教育的重中之重，實驗教學效果的優劣直接體現了高校人才培養的質量[9]。在新工科建設的背景下，開設《熱工基礎及流體力學》這門課程目的在于培養學生在工程設計過程中，采用熱科學的思維方式，保證機械類工業設計的可靠性。《熱工基礎及流體力學》實驗課程也同時保證了學生對所學習的理論知識進一步的理解以及鞏固，鍛煉學生實踐設計能力和工業產品設計水平，以達到培養學生的創新能力的目的。

為了提高實驗教學的效果，促使學生將理論知識與實踐相結合，將科技創新類的活動以及科技競賽加入到學生的實踐學習中，將《熱工基礎及流體力學》與其他機械及電子類專業基礎課程相結合，完成一個完整的工業產品設計，系統化的培養學生的創新能力和動手能力，最終提高工程教育教學質量。學生通常以小組形式開展科技創新活動及競賽活動，推動教學、科技創新、比賽相結合的實踐教學改革。

3.3.1開設創新型綜合實踐課程

面向全校開展科技創新型綜合實訓課程選修課，組織多學科及多專業的學生共同參與到科技創新項目中來，多學科交叉，可以實現知識互通互助的目的，共同完成課程設置的訓練題目。以機電專業的工業機器人設計與應用為例，為了增加機器人的可靠性很穩定性，往往驅動電機設計時需要在保證散熱的前提下，同時為了防止粉塵和液體進入需要對電機進行密閉，這時可以通過材料和結構的優化設計以及傳熱學相關計算，將機器人結構進一步簡化，避免增加過多的散熱系統。可以通過將熱工知識和實際應用相結合的訓練過程中，達成綜合實踐訓練的效果和目的。

3.3.2鼓勵學生積極參加學校組織的各類競賽活動

2019年教育部發布文件《關于深化本科教育教學改革，全面提高人才培養質量的意見》，文中提到要實現以賽促教，同時以賽促學的目標，但是要理性參賽。選擇與機械類專業具有較大相關性的比賽，例如互聯網+大學生創新創業大賽，中國教育機器人大賽等等，在競賽過程中涉及到《計算機輔助設計》《機電一體化技術》《熱工基礎及流體力學》《機器人技術》《單片機》等課程，能過達到以賽促學的綜合實踐實訓的目的。一般參與競賽的學生以大學二年級和大學三年級為主，大學一年級打好專業基礎，大學二年級和大學三年級可以對所學的知識進行綜合運用，這非常符合學生的學習規律。在整個競賽過程中，學生需要學習和深化大量的相關專業知識，在團隊中各自發揮作用，在這個過程中學生構建自身的優勢，并確定自身的特長，在這一過程中，不但提高了學生的動手能力和邏輯思維能力，還大大激發了學生進行綜合技能訓練的積極性，培養團隊協作精神，最終達成提高學生創新能力和實踐動手能力的目的。

4?結語

綜上所述，該文針對機械大類專業《熱工基礎及流體力學》課程在教學中出現的問題，提出理論課程和實踐課程改革方案。通過理論教學內容的優化及教學方法的改進，有利于提高教學效果和建立學生自主學習習慣，讓學生在實踐的過程中進一步理解和掌握所學內容。通過創新性實踐教學讓學生掌握熱科學的思考方式，創新性完成基礎知識學習與實踐技術相結合的學習過程，引導學習學習的自主性，為學生今后從事相關科研工作和解決實際工程問題奠定必要的熱工理論基礎。

參考文獻