燃氣輪機發電裝置課程項目化教學的建設與應用

王娟，葛曉霞，王毅林，顧海明，宋國輝

（南京工程學院，江蘇南京 211167）

高校是國家創新體系的重要組成部分[1]。新工科建設自2016 年提出并實施以來，拓展了工程教育改革的新路徑，培養了一大批卓越的創新型工程科技人才。高素質應用型人才應該是融入產學研協同培養的理論實踐相統一的工程型人才[2]。為了應對新一輪科技革命與產業變革，支撐創新驅動發展戰略、《中國制造2025》和《中國教育現代化2035》等一系列國家戰略，滿足新工科建設要求，必須對傳統的工程教育進行深化改革和創新[3-7]。培養高素質應用型人才是科技興國、科技強國的人才保障。

高等教育質量提升離不開高校學生學習質量的提高[8]，高校要推進產學研協同創新，著重培養創新型、復合型、應用型人才[9]。

燃氣輪機發電裝置是能源與動力工程專業廣泛開設的一門專業課，主要講述燃氣輪機基本結構、基本理論、工作原理、運行特性、調節方式等內容，它涉及工程熱力學、傳熱學、流體力學、汽輪機等相關專業知識，具有理論性強、知識點多、涉及面廣、學習難度大、重實踐應用等特點。目前燃氣輪機發電裝置課程采用傳統教學模式，經過學校、學院、教師多方共同努力，教學成果有目共睹，但仍存在一些問題：學生基本概念、基本知識掌握情況較好，但靈活應用能力有待提高；學生有一定專業知識基礎，但專業溝通與表達能力不強；專業教學過程中雖然已融入了實踐環節，但學生解決實際問題的能力仍顯不足。

針對這些情況，本文結合學校培養一流應用型本科人才的定位與要求，開展燃氣輪機發電裝置課程項目化教學的實踐探索。

1 項目教學的指導思想

燃氣輪機發電裝置項目教學是一種新型教學模式，主要指導思想是：以學生為中心，以項目為載體，突出學生主體作用，培養學生理論聯系實際分析問題、解決問題的能力。具體表現為：

1.1 激發學生學習興趣

目前，燃氣輪機發電裝置教學仍以課堂教師講授、學生聽講為主，學生學習主動性積極性不高，興趣不濃。

開發項目化教學，學生可以全程參與。在項目教學過程中，結合項目任務點，學生與教師全程互動，課堂討論的力度、頻度與深度增加，學生實踐體驗感增強，理論知識掌握也更加牢固。

1.2 增強學生靈活運用知識的能力

在傳統教學模式下，當學生面對企業生產或工程實踐的具體實際問題時，難以快速運用所學知識點、準確判斷問題所在，提出有建設性的解決方案。

項目教學，根據工程實際需求融合知識點、拓展知識面，而且接軌國際前沿科技動態，不僅做到了將不同章節、不同維度的知識綜合應用，而且做到了不同學科、不同領域知識的融會貫通，對培養學生創新創業能力大有裨益。

1.3 培養學生合作與團隊意識

燃氣輪機發電裝置以課堂教學為主的模式造成學生往往更關注自己的學習，學習行為主要圍繞“作業”“復習”“考試”展開，與其他學生交流合作較少。

項目教學，需要學生組成小組，共同完成項目任務，每一位組員都有不同的分工，要想順利并出色地完成項目任務，需要小組成員密切配合，形成合力。在完成項目任務的過程中，學生可以鍛煉溝通交流能力，增強團隊合作意識。

2 項目教學的目標與要求

2.1 項目教學目標

培養高素質應用型人才是應用型高校教學改革的方向之一。由于不同學校的學科、專業和方向存在差別，教學目標的制定應根據各自的實際情況。以燃氣輪機發電裝置課程項目教學為例，本項目教學設置“知識”“能力”“素質”三個教學目標。

知識目標：能牢固掌握壓氣機、燃燒室、透平等部件的基本結構、基本原理、工作特點以及運行調節方式等；熟練掌握燃氣輪機熱力循環、聯合循環的熱力過程及指標計算。專業知識理解扎實、深刻、靈活。

能力目標：具備將專業理論知識聯系生產實際的能力；具備分析、解決實際問題的能力；具備良好的行業溝通和表達能力。

素質目標：具有能源與動力工程專業基本職業素養、敬業愛崗；面對問題具有挑戰意識、創新意識和團隊協作意識；具有家國情懷和社會責任感。

2.2 項目教學要求

為實現項目教學知識、能力、素養并重的教學目標，項目教學中不但要重視基礎理論知識的學習，也要注重能力和素養的培養[10]。項目教學不是完全摒棄傳統教學模式，而是多種教學模式的綜合、優化與靈活應用，以實現教學目標為宗旨。

項目教學要體現層次性。項目教學一般將一門課程根據授課特點和工程需要分解成若干子項目，子項目之間既有獨立性又有關聯性。教學項目要體現學習層次的不斷遞進，從知識點應用，到知識點綜合，再到知識點創新，各子項目涵蓋知識點的廣度和深度要不斷拓展。

項目教學要具有開放性。教學項目的方案設計要能做到充分發揮每位學生的潛能和創造力；項目成果評價也要具有靈活性，體現創新意識，能夠對學生的知識和能力進行多角度評價。

教學項目要具有真實性。所選擇的教學項目必須來自生產實際，其內容均與生產、科研的實際問題或實際需求相關。真實且實用的教學項目才能使學生學以致用，有利于學生的后續學習和發展。

3 項目教學建設流程

3.1 教學團隊建設

項目教學的建設與應用，需要轉變傳統的教學理念和教學模式，對教師項目教學的執行能力、帶隊能力及實踐能力等都提出了更高的要求。為了促進項目教學的有效開展，需要加強項目教學教師隊伍的建設，以實際的項目產品和技術為具體訓練素材，并結合產業和行業的發展趨勢構建產學研實訓平臺，創新教學模式[11]。

項目教學團隊的教師均應從事相關專業的教學工作。

教學團隊成員結構要完善，比例要合理，這樣可全方位、多層次進行項目教學建設。

成員教師要有教研、科研經歷。教學團隊要邀請相關同行、專家加入項目課題咨詢組，提供必要的技術指導與客觀的應用評價。

3.2 教學項目開發

教學項目的選取不能脫離教學內容，且要具有實用性。項目依托行業和企業開展，能增強學生協同創新應用能力與水平，解決行業企業實際工程需求，培養滿足行業實際需求的工程技術人才[12]。

為了確保教學項目的合理性，必須深入了解企業單位生產實際和學生的學習體驗，廣泛調研，立足教學大綱，對授課內容進行分析、歸納、整理，有效整合。

根據教學內容、生產實際和學生學習情況確定若干教學子項目后，還要分析提煉每個子項目的教學任務點。項目教學任務點要體現教學內容的重點和難點，任務點之間要層次遞進，任務點要逐漸深入、綜合。也可以將一個新技術作為一個項目，對技術中涉及的核心專業知識模塊進行展示和分析。

根據燃氣輪機發電裝置課程教學大綱、燃氣輪機的教學目標和廣泛調研結果，對授課內容進行分析、歸納、整理，綜合規劃為三個項目：

項目一：“提高壓氣機增壓能力的措施”，該項目在學習完壓氣機結構和工作原理后進行，授課時長最低要求為10 學時；

項目二：“環境溫度對燃機安全經濟運行的影響”，該項目在學習完燃氣輪機結構和工作原理后進行，授課時長最低要求為8 學時；

項目三：“燃氣輪機聯合循環發電技術后置循環研究”，該項目在學習完燃氣輪機整體知識點后進行，授課時長最低要求為8 學時。

以上三個項目如果課內教學學時不足，學生自行課后補充。

參考以往教學經驗解析項目教學內容，確定子項目的教學任務點。如項目三“燃氣輪機聯合循環發電技術后置循環研究”的任務點為：探討燃氣輪機聯合發電后置循環的形式，分析不同后置循環的特點，“雙碳”目標下最有前景的后置循環，并給出自己的見解。

3.3 教學成果考核

高等教育工科類課程考核不僅要重視基礎知識要點的掌握，更要突出對學生自主學習、知識綜合應用及創新性思維等能力的評價，要從單純檢驗知識掌握情況的考查轉向創新能力的綜合評價[13]。

項目教學成果的考核標準根據教學目標確定，對教學成果進行客觀、合理評價也是項目教學的主要內容。項目教學內容是公開的，評價方法也是公開的。采用學生自評、生生互評、教師評價等方式，真正做到公平、公正、公開。

燃氣輪機發電裝置項目教學成果從知識、能力、素質三方面進行考核。教師應深入了解學生學習情況，借鑒以往教學經驗，初步制定項目教學的考核評價標準。根據教學項目的應用執行情況和學生、教師、現場專家的反饋，自我評價，自我完善。

4 項目教學實施

項目教學的實施要保質保量完成教學項目的各個任務點，任務點與學時對應形成項目教學計劃。項目教學計劃應該是彈性的，這也是項目教學的特點之一。要根據學生各自任務點的完成情況，實時動態調整進度，使教學計劃處于動態平衡狀態。

教學計劃實施是項目教學的關鍵。不同專業不同學科的項目教學方案、實施計劃有所不同，必須根據其學科特點，結合授課內容和培養目標，制定合理的項目教學計劃。以燃氣輪機發電裝置項目一為例，闡述實施過程。

4.1 項目教學準備

項目教學準備包括學生、教師知識與能力準備和硬件條件準備。

學生應掌握燃氣輪機的基本結構和工作原理，了解燃氣輪機發電裝置的現狀和發展動態；會運用工程熱力學、傳熱學、熱力發電廠等基本知識進行熱力計算和經濟性分析，會使用Word、Excel、MATLAB、CAD 等計算機軟件進行計算結果分析、處理和繪圖等。教師能夠把握燃氣輪機發展的前沿動態，了解目前燃氣輪機發電廠的知識需求和亟待解決的技術問題，能夠將教學內容與生產需求相結合，激發學生創新思維和合作意識，對燃氣輪機及其聯合循環發電技術具有較高的分析與評價能力。

4.2 任務劃分

根據班級學生人數和學習效果等實際情況將學生分組，一般每組8 人左右，組內設組長1 人，負責總體規劃、協調；2 人負責查找資料、方案調研； 2 人負責計算及校核；2 人負責結果分析及繪圖；1 人負責撰寫總結報告。小組成員分工合作，各項任務可交叉進行，也可根據實際執行情況進行角色調整。

4.3 實施環境

項目教學的實施地點分課內和課外。課內教學地點為教室，其方式為同組人員座位相對集中，以便于相互討論以及與教師交流。課外教學地點為教室、圖書館或其他公共空間，方式為學生自行組織學習研究，可隨時與指導教師或其他小組成員互動。

4.4 實施過程

項目教學實施過程較復雜，建議制作任務書，按任務書進行。任務書一般包括項目名稱、項目研究的背景、項目原始資料及數據、項目的任務點及要求、進度安排及成果形式等。仍以燃氣輪機發電裝置項目一的任務書為例進行講解。

項目名稱：提高壓氣機增壓能力的措施。

項目背景：目前燃氣輪機發電廠的壓氣機采用多級軸流葉輪式，而燃機單機功率的提高對壓氣機的增壓能力提出更高要求。壓氣機的出口壓力不僅對燃燒室的燃燒性能有影響，而且關系到整個機組的安全、經濟運行。目前提高壓氣機增壓能力的方法主要有：增加葉輪級數與提高單級增壓能力。

原始數據：壓氣機在ISO 環境條件下（1 個標準大氣壓，15℃，相對濕度60%）從大氣中吸氣；壓氣機增壓比π 取16（14、18、20）。壓氣機的增壓比是指壓氣機出口滯止壓力與進口滯止壓力比。工程上，增壓比一般采用壓氣機出口與進口的靜壓比[14]。

任務點及相關要求：

任務點1：了解壓氣機的科技前沿與發展動態，深刻理解并熟練掌握壓氣機的基本結構和工作原理。要求：不局限于教材，查閱使用圖書、期刊、網絡資源中的相關文獻；拓展學習流體力學的邊界層理論，包括邊界層分離條件、減小渦流損失的措施等。

任務點2：根據壓氣機工作原理，探索分析提高壓氣機增壓能力的措施。要求：從壓氣機結構、能量轉換過程角度進行分析，分析過程有理論依據且增壓措施合理可行。

任務點3：分析氣體在壓氣機葉輪內的流動情況，尋求提高壓氣機單級增壓能力的途徑。要求：繪制速度三角形、推導能量方程、能量方程分析，分析葉輪轉速和葉輪外徑對增壓能力的影響，結合邊界層理論，分析氣流折轉角對增壓能力的影響，分析葉型與氣流通道對增壓能力的影響。

任務點4：在給定的壓縮比下合理確定壓氣機級數。要求：初步計算、分析并確定壓氣機總級數，探討壓氣機級數對結構、安全的影響。

進度安排：查閱資料，了解壓氣機現狀及前沿（課后2 學時）、壓氣機單級增壓能力分析（課內2 學時、課后4學時）、壓氣機多級增壓（課內2學時、課后2學時），撰寫分析報告（課后2 學時）。

成果：計算書、相關圖紙、不少于1 000 字的分析報告一份。

項目教學考核：小組自評分占20%，組間互評分占20%，教師評分占30%，同行、專家評分占30%。

5 結語

（1）項目教學將理論與實踐充分結合，學生全程參與，學習熱情高漲。學生在項目學習過程中，需要自己動手查找資料、確定項目方案、制定實施計劃、檢驗項目成果，該過程提高了學生的項目參與度、主觀能動性和學習積極性。

（2）學生知識掌握得更靈活、更牢固。由于知識在實踐中習得，體驗更深刻、理解更透徹、掌握更牢固。項目教學可實現理論與實踐并重。

（3）學生自學能力、分析問題能力、創新能力得到提高。在項目學習中，學生需要獨立完成各自的任務點，來加強自學能力。由于項目來自實際生產過程，教材中沒有答案，激發了學生的創新意識。通過項目化教學可以培養學生熟練查閱技術資料的能力、分析處理技術數據的能力和全面綜合評判能力，學生思維的深度和廣度也大大拓展。

（4）學生交流、合作意識增強。每名學生在項目中承擔的任務不同，必須相互合作才能將各自任務點串聯起來，必須相互溝通交流才能解決問題，因此有利于學生職業素養和團隊意識的形成，為后續學習與工作奠定堅實的基礎，同時也培養了嚴謹的作風和認真負責的態度。

（5）項目教學團隊成員教師在項目中也可不斷積累教學經驗和課程建設經驗，不斷提升教學能力，實現了教學團隊及教師的可持續發展。