能源動力類專業計算機實踐系列課程體系構建與實施

王計敏，鄭志敏，劉典福

（安徽工業大學能源與環境學院，安徽馬鞍山 243002）

目前，我國的工程教育面臨著培養新型工程人才和與國際接軌的雙重挑戰。這意味著我國高校的工程教育不僅需要提高學生應用計算機技術解決專業問題的能力，而且需要培養具有全球視野和創新意識、具備團隊合作觀念和跨界創新能力等特質的學生。這對高校工科專業基礎課程的現有教學模式提出了新的挑戰。因此，我們需要根據新工科人才的能力要求來構建和優化人才培養體系，推動計算機實踐系列課程的實施，促進人文科學與工科教育更好地融合。這既有助于實現高校思政教育，又有助于提升工程類專業人才的創新綜合能力，以滿足現代社會對新型工程人才的需求[1-2]。

安徽工業大學的能源動力專業立足于華東地區，并輻射周邊省份，具有一定的冶金特色。因此，在能源動力專業培養方案的修訂過程中，結合該專業的特色優勢，我們進行了基于冶金熱能特色實踐教學環節的改革。我們特別強調培養學生解決冶金熱工問題的計算機實踐能力。在傳授知識的基礎上，我們將思政和育人兩大目標與實踐過程有機融合，以實現正向協同效應。要充分實現這些目標，就需要教師充分挖掘思政教育與計算機實踐課程教育之間的結合點，將愛國主義、個人道德修養以及職業生涯規劃等有效融入計算機實踐系列課程的教學工作中。此外，學生通過參與鋼鐵企業的生產實踐，提高知識轉化能力、計算機應用能力和創新水平。通過這一過程，我們形成了一種具有冶金特色的新模式，滿足了新工科背景下能源動力類專業計算機實踐系列課程的教學需求。通過這種模式培養出來的畢業生，不僅具備扎實的理論基礎和豐富的專業技術知識，在能源、環境保護等領域從事設計、研發、制造和安裝等工作，而且能夠勝任相關行業的管理、教學和科研等任務，成為新時代中國特色社會主義所需、滿足新工科人才要求的、具有冶金特色的動力工程師。

一、計算機實踐教學環節存在的問題

安徽工業大學的能源動力專業開設了熱力學、傳熱學、燃燒學、流體力學、火焰爐熱工、鍋爐原理等傳統課程。然而，這些課程主要側重于理論知識的傳授，缺乏實際工程實踐操作，也沒有引導學生產生濃厚的學習興趣。這導致了課堂教學的單調和枯燥，降低了教學質量，未能為學科的進一步發展提供有效的支持。同時，學生的學習積極性較低，他們缺乏明確的學習目標和動力，通常處于無所作為的狀態，導致出勤率下降。現有的教學模式未能構建出完善的課程體系，以滿足工程實踐和工程師基本培訓的需求。實踐教學環節的效果也不盡如人意，存在一些問題，例如過于注重基礎知識而忽視實際技術應用，更注重驗證而忽視創新。同時，當前的教學課程體系未能及時引入能夠反映“新工科”發展趨勢的跨學科專業課程，比如CFD技術等。這些課程應該隨著學生知識的積累而逐漸深入，卻未被納入教學計劃。此外，學生缺乏計算機技術在該專業的應用實踐，也限制了學生的技術水平和知識更新速度，使他們無法成為具備跨學科綜合素質的新工科人才。現有的計算機實踐系列課程的總體設計沒有充分體現出安徽工業大學能源動力專業的冶金特色，也未能發揮出思政資源與計算機實踐系列課程內容之間的互動融合效應。

二、計算機實踐系列課程體系的構建

能源動力類專業的計算機實踐系列課程體系以冶金行業特色為支撐，強化了計算機技術在新工科人才培養中的作用。因此，為了發揮本專業在冶金行業的優勢，我們開設了冶金工業概論課程，旨在為學生將來成為能源動力專業的高級人才開啟通向冶金領域的第一扇大門，讓能源動力專業的學生盡早接觸冶金知識和文化，以切實提高他們分析解決冶金中的能源與環境問題的能力，為專業啟蒙教學做好準備。

“新工科”的建設對能源動力專業的計算機實踐教學效果的要求越來越高，這也是培養學生工程實踐能力和創新能力的重要途徑之一。因此，教師將熱工學和其他專業知識綜合運用，并結合編程語言Visual Basic/C/Fortran進行計算機編程實踐，從而有效提升學生運用計算機技術解決本專業實際問題的綜合能力。結合專業冶金特色，我們全面展開了熱工問題的計算機分析與設計，包括熱工數值計算理論、熱工基礎算例和工程應用案例分析、熱工軟件開發等層次。熱工計算機編程實踐課程是工科學生將理論與實踐聯系起來的紐帶，也是學生從學校順利走向社會的橋梁。

此外，CFD技術在科學研究、產品設計和課堂教學等方面發揮著重要的作用。因此，以新工科發展為導向的跨學科能源動力專業通過引入CFD等技術，讓學生熟悉常見CFD軟件的基本操作方法。在此基礎上，借助該類課程的開設，教師幫助學生掌握流動及傳熱問題數值模擬的基本理論和建模思路，學生能夠利用計算流體力學相關知識解決專業問題。教師將CFD理論方法與軟件實訓結合起來介紹，以便學生能夠掌握CFD技術原理和CFD軟件的使用方法，注重理論、實訓和應用的綜合提高，并精心編選涉及能源動力類專業熱工問題的CFD應用實例。

為了充分挖掘計算機實踐系列課程的思政資源，使之與本系列課程內容有效融合，全面提升學生的綜合素質，教師應結合能源動力專業課程體系的特點，針對冶金行業特色，構建基于新工科的計算機實踐系列課程教學模式。這意味著以“立德”為根本教育任務，教師通過全新的“三全”育人形式（全程、全員、全課程），在傳授知識這一基礎目標的同時，實現計算機實踐系列課程與思政內容相結合的德融教學，形成互利共生的關系。

三、計算機實踐系列課程體系的實施

（一）教學內容重構

冶金工業概論課程的重點是結合鋼鐵冶煉過程中的設備和工藝，講解控制整個冶金過程和“三傳一反”傳輸現象（包括質量傳輸、熱量傳輸、動量傳輸和化學反應）。這有助于學生理解熱工學知識如何在鋼鐵生產實踐中體現。同時，這也為教師后續開展計算機實踐系列課程教學提供了冶金特色的背景。只有通過這種方式，我們才能充分發揮能源動力專業的優勢，基于機理采取必要措施來進行工藝優化，改進設備以提高冶金過程的效率、提高化學反應速率。這也滿足了科學研究不斷深入的需求。冶金工業概論課程立足于專業教學內容，強調以學生為中心的教學實施過程，突出實踐性和創新性培養，同時突顯了教師身為榜樣的示范引領作用。我們采用多元化的思政育人形式，實現德育，促進學生職業素養和道德素質的提升，涵蓋人生觀、價值觀、職業道德、科學精神等多個方面的德育。

教師以冶金工業概論課程的教學內容為基礎，結合新工科人才培養要求，運用計算機技術，對冶金行業中的熱工問題進行編程實踐和CFD軟件仿真實訓。熱工編程實踐作為專業實踐課程，內容繁雜，教學難度較大。為提高實踐教學效果，我們使用Microsoft Visual Basic/C/Fortran等工具，結合傳熱學、熱力學、換熱器原理與設計、流體力學、燃料及燃燒等相關知識，分別以傳熱學算例、工程熱力學算例、工程流體力學算例、燃料與燃燒算例為基礎案例，結合專業特色工程案例，將熱工學等專業知識綜合應用，并以此為基礎進行計算機編程實踐。針對大學生創新創業訓練計劃，我們以高爐熱風爐節能模擬系統、管狀換熱器計算機輔助設計系統為軟件開發實例，展現了軟件分析與設計過程。普通工程類專業本科生最關心如何用CFD手段解決本領域的工程實際問題，學生只需熟練掌握并應用CFD軟件解決本專業的工程實踐問題，只需對計算流體力學相關理論進行宏觀了解。然而，學生對于CFD相關的數值計算理論等內容必須深刻領會，以便逐漸學會如何自己編寫CFD程序。因此，教師需要從編程實踐的一些真實現象入手（如數值耗散、計算不收斂等），形象講解計算穩定性和收斂性、計算格式等原理和要點，并引導學生從圖表結果中提取數據、擬合經驗方程、分析規律等。教師通過以鋼包中心底吹氬多相流動問題為例，進行CFD技術原理的綜合分析和編程實訓，讓學生能夠掌握相關數值計算方法并熟練應用計算機技術。在此過程中，教師培養學生求真務實、科學嚴謹的精神品質。

常見的CFD軟件雖然種類繁多，但界面都比較友好，使用較為方便。然而，如果使用者沒有扎實的理論基礎作為支撐而盲目使用，可能會導致錯誤的計算結果。因此，熟練掌握流體力學及其計算方法仍然是CFD使用的基礎。CFD課程的教學內容應包括以下方面：CFD的基礎理論構建（包括流體力學、數值計算方法等多學科基礎知識；數學模型，尤其是偏微分方程的離散和求解方法、各種模型的物理意義和適用范圍等），為后續的CFD軟件應用打下堅實的基礎。CFD軟件的介紹和使用包括軟件界面設置和菜單構成的介紹、課堂演示和上機實踐相結合等，使學生能夠快速了解CFD軟件及其框架結構。我們應開發創新實踐平臺，實現課堂教學內容的同步語音、案例庫視頻演示等功能，完成課程教學案例庫的建設。案例庫視頻演示應包括求解器FLUENT的數值計算案例、前處理軟件DesignModeler和SpaceClaim的模型創建案例、GA M BIT和ICEM的網格劃分案例、處理軟件TECPLOT和CFD-Post的展示案例。此外，我們結合工程應用的需要，結合安徽工業大學能源與動力專業的冶金熱能特色，建立CFD軟件應用實例實訓庫，開展CFD商用軟件的仿真實訓。在實訓案例中涉及的理論模型和關鍵環節都應進行上機推演。同時，教師在授課過程中，可以借助工程實例向學生講述CFD領域科學家的先進事跡，激發學生的家國情懷，還應引入行為規范，培養學生的奮斗精神。

（二）教學方法探索

理論教學：教師應貫穿“工程應用”這一指導思想，側重講解理論公式的應用條件和注意事項，同時減少對理論推導過程的詳細闡述。尤其在熱工編程和CFD軟件實訓過程中，教師更適合采用工程案例進行啟發式教學。教師應重點介紹CFD軟件（例如FLUENT）的基本原理和操作方法，為學生提供上機實訓時間和機會，同時適度減少計算理論的授課。教師應結合計算機實踐系列課程所蘊含的唯物主義哲學思想，通過精心設計的教學內容將思政元素融入理論教學中，以引導學生更深入地理解科學精神。教學形式可以多樣化，包括在線學習、課堂討論、案例分析、任務驅動學習、評價等。教師根據課程大綱、教學目標和評估方式，鼓勵學生自發培養學習興趣，激發他們的學習熱情。

上機教學：教師應將學生分成若干個小組，采用項目驅動式的方法進行教學，并為每個小組分配與冶熱能相關的熱工計算機編程案例或CFD軟件實訓案例。各小組的學生應在組內分工合作，結合示例和文獻，深入研究并理解文獻內容，進行組內討論。隨后，各小組應確定各自案例的具體研究方向，相互協作深入研究。最后，各小組應選出組長，并分批次在課堂上匯報，內容包括案例描述、建模設置、求解方法和結果分析等。根據工科專業的課程設置要求和教學目標，熱工編程實踐應以基礎類項目為訓練對象，而CFD軟件實訓則應在此基礎上進行真實工程項目的軟件操作。通過逐漸增加難度的實踐，學生不僅深化了對熱工基本理論的理解，提高了對計算方法、各種數學模型和離散格式的掌握程度，而且有助于他們熟悉和應用CFD技術解決工程項目的設計問題，為學生未來的畢業設計或研究工作打下堅實基礎。這種將實踐性任務模式與課堂教學相結合的教學方式不僅有助于培養學生發現和解決問題的能力，而且有助于培養學生的團隊合作意識、思辨能力、信息檢索和應用技能。

考核體系：高校改變傳統的“一張試卷決定成績”的考核模式，建立科學有效的新型考核體系，以最大限度地體現學生的真實水平。這樣能夠全面激發學生的學習熱情，增強他們進行科學探索的主觀積極性。具體措施如下：

1.基礎理論考試主要測試熱工相關理論知識。這部分考核注重考查學生的問題分析和解決能力，通常在第一學習階段結束后進行。

2.上機考試要求學生完成教師規定的熱工編程案例。這部分考核要求學生當堂完成計算分析并提交報告，避免學生之間的抄襲行為。

3.實訓報告答辯，涉及自主探索模式下的CFD軟件仿真實訓。學生應分成小組，每組隨機分配一個CFD問題，通過開放式討論、練習和編程作業等步驟，強化學生對熱工相關知識的掌握和應用。最后，學生需要提交研究報告并進行PPT展示。在匯報過程中，教師通過提問和報告評價等方式對各組的表現進行評估總結，同時結合各組成員的平時表現，形成學生的總評成績。

這種考核方式不僅能夠讓學生以組為單位，自由平等地表達各組的想法，而且有助于各組之間就有爭議的問題進行合理討論和解決。這充分體現了教學考核目標中的思政元素，包括“工匠精神”的不斷完善、“創新意識”和“團隊協作意識”的培養。

網絡平臺：傳統課堂教學所提供的信息已不足以滿足學生的學習需求，因此，學校應積極提供多樣化的教學環境和教育資源。計算機實踐系列課程應建立在課程網絡教學平臺的基礎上，旨在搭建一個包括教學輔助軟件、多媒體課件、視頻資料的綜合教學平臺。該平臺還可以提供在線學習、案例模擬、遠程測試、網絡論壇等服務，學生可以通過這些服務進行合作互動和交流討論。此外，學生還可以通過網絡平臺與教師實時交流，拓展師生之間互動的廣度和深度，使交流更加開放和自由，不再受到地域和時空的限制。這種網絡平臺的建立將徹底改變傳統課堂授課方式的局限性，使學生真正成為學習活動的主體，激發他們的動手能力和思考能力，提高其參與教學活動的積極性。

四、計算機實踐系列課程體系的應用

根據計算機實踐系列課程的教學目標，學校逐步建立了實踐人才能力培養體系，其中包括編寫相關課程教學大綱和教學要求。此外，學校還出版了具有特色的教材，如《CFD基礎及其軟件實訓》和《熱工計算理論與實務》。同時，學校還開發了相關教學輔助軟件，如冶金工業概論多媒體輔助教學系統和熱工過程數值模擬教學助手。學校還提供了可操作的計算機實踐系列課程實施方案、編程基礎實踐案例和工程應用案例、軟件仿真實訓庫以及課程思政教學資料庫等。教師通過德融教學，使學生更深入地了解所學專業的特點，明確學習目標，并獲得更大的學習動力。與往屆學生相比，學生的出勤率和關注度都有所提高，學習效果也更加理想。在課上課下，學生的參與度明顯提高，他們更積極地提問、參與討論，與老師互動更頻繁。他們不僅與老師討論學業上的問題，而且咨詢與個人情感和人生規劃相關的問題。學生的作業態度認真，任務完成度較高，積極參與實踐活動。學校組織的學生評教結果顯示，學生高度認可這門課程和授課教師。學校和學院的督導專家聽課后也高度評價了該課程的德融教學效果。

五、結束語

綜上所述，安徽工業大學結合能源動力專業的冶金行業特色優勢，按照新工科背景下能源動力工程專業人才培養的要求，融合思政育人元素，通過不斷重構和探索計算機實踐系列課程的教學內容和方法，充分挖掘和發揮該系列課程的德育功能，提煉出該系列課程中蘊含的中華優秀傳統文化和價值觀元素，讓學生在學習過程中潛移默化地接受正確的精神引導和社會主義核心價值觀塑造。