項目式+SPOC混合教學模式下“內燃機排放與控制”課程教學改革與實踐

摘 要 隨著我國能源結構向綠色低碳轉型，高校能源動力類課程也面臨新一輪的課程改革。內燃機排放與控制是能源與動力工程專業一門重要的專業限選課，但課程研究對象抽象復雜，關鍵系統及設備僅通過傳統面授的方式學生難以理解。實踐證明，將數值仿真技術融入項目式教學，并以SPOC的線上線下混合式教學模式進行教學內容重構，學生可以更加全面而深入地掌握理論知識。改革后，學生的工程問題解決能力、創新思維均得到顯著提升，團隊協作和表達能力也得到了鍛煉。

關鍵詞 SPOC；項目式教學；數值仿真；課程改革

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.3.038

Teaching Reform and Practice of \"Emission and Control of Internal Combustion Engine\" Course under Project-based and SPOC Hybrid Teaching Mode

WANG Qiang1， XU Yuting2， Wang， He3， Ma Shihui1

（1.School of Vehicle and Energy， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004;

2. Chinese Academy of Customs Administration， Qinhuangdao， Hebei 066004;

3. School of Electronics amp; Information Engineering， Heilongjiang University of Science amp; Technology， Harbin， Heilongjiang 150022）

Abstract With the transition of China's energy structure towards green and low-carbon， energy and power courses in universities are also facing a new round of curriculum reform. Internal combustion engine emissions and control is an important elective course in the field of energy and power engineering. However， the research objects of the course are abstract and complex， and key systems and equipment are difficult for students to understand through traditional face-to-face teaching. Practice has proven that integrating numerical simulation technology into project-based teaching and reconstructing teaching content using SPOC's blended online and offline teaching mode can enable students to have a more comprehensive and in-depth understanding of theoretical knowledge. After the reform， students' engineering problem-solving ability and innovative thinking have been significantly improved， and their teamwork and expression abilities have also been exercised.

Keywords SPOC; project-based teaching; numerical simulation; curriculum reform

內燃機排放與控制是高等院校工科專業一門重要的專業限選課，該課程建立在數學、物理學、工程化學、燃燒學及控制工程等課程內容基礎上，可以有效拓展能源與動力工程專業動力機械方向學生的專業知識面。隨著我國能源結構的調整，教育部于2022年4月印發了《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》[1]，為高校能源動力類課程人才培養提供了指導。內燃機排放與控制課程作為與“雙碳”目標高度契合的專業課程，適應性的教學改革勢在必行。通過合理的教學架構調整、將數值仿真技術融入項目式教學，可以提高學生的自主學習意識，降低工程認知負荷，幫助學生更快掌握理論知識，并學以致用解決工程實際問題。

1" 內燃機排放與控制課程存在的問題

1.1" 教學模式單一，學時分配有待優化

在教學方法上，該課程已經擺脫了依靠板書或電子課件授課的傳統形式，借助多種現代化教學工具，不斷升級擴充教學課件，教學手段日趨豐富多樣。然而，這些方法仍屬于傳統的線下面授教學模式，過于單一，缺乏對線上優秀教學資源的利用，無法滿足對學生課程知識與能力培養方面的需求。根據往年的教學經驗，學生在課下學習時往往無法抓住重點，對課程的知識架構缺乏宏觀的認知。另外，國內外新能源技術的不斷發展，也需要及時準確地融入教學中。這就造成前沿知識與傳統教學內容在學時分配上的互相擠壓，亟須找到科學合理的方法重構教學內容，而以SPOC為基礎的混合式教學模式是解決該問題的一種有效手段[2]。

1.2" 課程內容的研究對象工程性強，傳統教學方式下學生難以理論聯系實際

內燃機排放與控制課程涉及汽（柴）油機的機內、機外凈化技術，無論是氣缸內燃燒過程還是氣缸外三效催化轉化器的氧化還原，對學生而言都過于抽象復雜。傳統的教學方式以電子課件、視頻展示為主，學生往往只是識記系統結構，死記硬背相關機理，對工程問題很難有具象化的概念，更難以聯系實際提出解決辦法與技術創新。因此，結合具體章節內容并將數值模擬融入各個環節，為解決上述問題提供了一種教學改革思路[3]。

1.3" 國內外前沿技術與傳統教材資源不匹配而造成的知識學習滯后性

國內外先進的技術成果不斷迭代更新，導致傳統教材、參考資料等線下資源已無法及時匹配前沿知識，造成學生對專業內新理論、新技術學習的滯后性愈發顯著。例如：柴油機智能精度改進技術、氫內燃機、轉子發動機燃燒機理等國內外熱點問題，都屬于本課程大綱內知識點的拓展與延伸，然而學生并不能從傳統的教材中獲得相關的理論知識。因此，以項目式教學為基礎，通過數值仿真課題，持續加入前沿的工程案例等改革措施，有利于培養能力更為全面的人才。

2" 項目式+SPOC混合教學模式設計

2.1" 項目式教學設計

在“內燃機排放與控制”課程講授過程中，教師可以穿插講解數值模擬結果來加深學生的理解，還可以在項目式教學環節中，設計若干子課題，讓學生自主學習、實踐以掌握解決工程實際問題的流程與方法[4]。

例如，在學習第三章汽油機缸內直噴技術（GDI）時，可以把氣缸內不同活塞頂面結構下缸內燃燒過程的數值仿真結果展現給學生，使其對渦流、滾流、擠流、紊流等缸內氣流運動形式有更為直觀而深刻的理解。又比如在第六章柴油機機外凈化技術中，學生很難理解柴油車顆粒物捕集器DPF（圖1）內部的結構、凈化機理、應力分布、工程設計準則等知識。相關的數值仿真的過程結果均可展示給學生，如圖2中化學反應期間的選擇性規律、圖3中噪聲特性。這樣學生便能更為直觀地理解DPF這一關鍵設備工作過程的微觀機理與參數效應，從而提出提高捕集效率的創新性方案。

可以預見的是，將數值仿真技術融入各個能源動力類課程，會對學生掌握工程理論知識起到一定的促進作用。

上述數值仿真的過程，在項目式教學環節中需精心設計子課題內容，讓學生在分組后，小組之間的研究內容既有關聯又無法復制。例如整體式反應器仿真項目三個子課題：①氧化氮還原反應的動力學分析；②整體式反應器中氧化氮還原反應的效率分析；③整體式反應器中的熱應力分析。教師可以利用SPOC發布三級項目的研究內容、報告撰寫要求、軟件學習教程、典型案例資源等。學生在項目實施期間，以團隊形式完成課題，并需分工明確，完成幾何建模、初始及邊界條件的選取、結果分析、報告撰寫、答辯匯報等工作。最終考核時，教師則根據答辯情況、項目報告撰寫質量、計算結果文件的準確性綜合評定，結課時需提交報告。

2.2" SPOC線上混合式教學設計

如前文所述，科技前沿知識在課堂教學中的引入會改變傳統教學學時的分配。將數值仿真融入教學環節后，傳統理論授課部分的學時會進一步被壓縮。因此，本文提出利用MOOC+SPOC的混合式教學方法，將部分教學資源如軟件教程、工程設計標準文件、數值計算案例、大國工匠科技成果等放置于線上平臺，實現教學內容的重構。同時，利用Bloom認知體系對課程內容進行分類。線下側重能力訓練部分，線上側重知識部分的拓展內容，教學過程側重態度的養成部分。借助中國大學慕課MOOC精品課程資源，改革為線上線下混合式教學，如表1。

在混合式教學過程中緊密結合我國能源改革的新形勢，注重本課程在節能減排方面關鍵技術和重大突破的教學。同時，為突出學生的主體意識、全方位調動學生的學習熱情，改變“老師講、學生聽”教學模式，讓學生自主選擇與本課程相關的內容進行匯報分享。使學生關注熱點問題，實現工程問題創新方法與教科書之間的優勢互補，促進學生對知識的理解，真正實現“我的課堂我做主”。

在授課過程中，通過課程導入、信息交互、概念交互案例剖析、反饋總結等過程，進行科研項目與課程內容融合講授的組織與實施。將我國最先進的技術如濰柴動力內燃機熱效率突破52.28%、我國研制出全球首套氨氫融合復合動力燃料供給系統等內容融入教學，培養學生的工匠精神，堅定科技報國的信念。

2.3" 學生高階能力的培養

教學的重點應該是“學”的效果而非“教”的過程，以“學”為中心的教學改革是高等教育發展的重要方向。能源動力類課程在運用項目式+線上SPOC教學模式時，首先應設計明確的、可衡量的、有層級的教學目標。基于Bloom認知規律，在教學環節設計時應注重學生高階能力的培養，如分析、綜合、評價與創新能力。

例如，內燃機排放與控制課程中，關于柴油機機外凈化設備DPF（顆粒物捕集器）的教學，傳統教學利用圖片或動畫進行展示，灌輸式地講解其原理與特點。這種教學方式導致學生僅能識記知識點、掌握基本概念，無法獨立分析DPF參數間的耦合關系，更不能創新性地設計、優化顆粒物捕集器。采用項目式教學進行改革后，形成了集參與式、探究式、體驗式于一體的教學模式。

對項目教學環節進行頂層設計時，可借助思維導圖工具循序漸進地引導學生掌握DPF的設計流程（包括幾何結構的設計、數理模型的構建、參數效應的分析、關鍵參數的迭代判定準則等）。學生通過自己動手實踐，借助仿真工具將課堂所學的理論知識學以致用，獨立完成DPF的工程設計與驗證。

同時，在項目式教學中，也可以適時地結合阿奇舒勒TRIZ創新理論方法，如反饋、嵌套、抽取、分割等原理，讓學生在已有的內燃機排放凈化技術上提出創新，借此鍛煉學生的高階創新能力，如學生在項目中提出在柴油機后處理中將DPF與消聲器合并的設計思路，或者在DPF上直接采用電熱絲加熱以實現再生等。在該過程中，學生的自主學習意識也在不知不覺中得到鍛煉。學生分小組在完成DPF設計時，會主動調研國內外已有技術，整合其他課程（如內燃機原理、傳熱學、燃燒學等）所學知識完成建模與分析。上述過程中，教師應在線上SPOC環節恰當地提供技術資料，方便學生檢索前沿技術。

以上教學改革措施可推廣至能源動力類其他課程，將對學生分析、評價、創新等高階能力的培養有顯著效果。

3" 教學效果

在內燃機排放與控制課程教學中，課程組已完成了包括2019級、2020級能源與動力工程專業學生兩個教學周期的教學改革。實施項目式+線上線下混合式教學后，學生自主支配學習重點，調研查詢資料解決工程實際問題的能力大大提高。由于采用分小組完成不同子課題的形式，學生的溝通表達能力、團隊協作意識得到了培養，創新能力也有了一定程度的提高。

課程依據全程監控的理念進行考核，包括6個部分，分別為出勤、SPOC學習測驗成績、討論課、三級項目綜合訓練、應用型實驗和結課考試。平時出勤成績采用扣分制，每缺勤一次扣平時成績1分，無故曠課5次以上者取消本次課程成績。課程三級項目成績由兩部分組成：第一部分為項目結果的準確性、工程可行性，占60%；第二部分為研究報告撰寫及匯報情況，占40%。SPOC線上教學環節的考核則根據視頻后習題的成績及單元測驗成績評定。

根據考核成績分布可知，學生整體學習效果有所提高，學生對知識的理解更為深入，能夠進一步領會教師講授的理論知識。學生能夠獨立調研前沿科技知識，對課程中的理論知識如機內凈化燃燒機理、SCR選擇性吸收還原微觀過程等的理解更加透徹，對工程問題的全面性認識有所提高，考慮問題的思路也得以打開。

教學效果評價方面，建立了閉環反饋評價體系[5]。以能源與動力專業2019級動力機械1班為教學改革效果調研對象，學生樣本數為21，基于MyCOS（麥可思教學質量管理平臺）發布匿名調查問卷，關于混合式教學的反饋結果如表2所示。

不難看出，學生對線上教學資源的認可度良好。經過以上教學改革，學生至少掌握了一種利用數值仿真解決工程問題的方法。8名同學基于該課程項目內容進行深入研究，開展了本科生畢業設計，其中1人的論文獲得燕山大學優秀畢業論文。

由于能源動力類專業研究對象的復雜性，很難結合實驗廣泛地開展教學。因此，數值模擬在能源動力類課程中的推廣改革將是提高教學質量的重要手段。若在各類課程中合理使用，不但有利于增強學生對工程實際案例的理解，還為其他培養環節如創新創業項目、學科競賽、課程設計、畢業設計的開展奠定了堅實的基礎。

4" 結語

數值模擬與項目式教學融合的方法，能夠有效提高學生對理論知識的掌握程度，促進其科學思維與工程能力的培養。同時，結合SPOC線上線下混合式教學重塑課程內容，能夠更加科學合理地實現教學資源的分配，有利于提高教學質量，培養學生的創新能力與科學素養。

基金項目：2022年度燕山大學課程改革項目“‘內燃機排放與控制’課程SPOC混合式教學改革的探索與實踐”（2022XJJG006）；燕山大學課程思政示范教學改革項目“內燃機排放與控制”（2021KCSZ003）。

參考文獻

[1] 徐潤生，張思奇，張建良.“雙碳”戰略背景下冶金工程專業人才培養的思考[J].教育教學論壇，2023（5）：165-168.

[2] 吳美玉，易禎，王聿良.MOOC+SPOC混合教學模式重構研究[J].教學研究，2019，42（6）：80-85.

[3] 張靜，陳先培.將數值模擬融入泵與風機課程中的教學改革[J].大學教育，2020（11）：101-103，108.

[4] 李祺，徐天一，李孟國，等.項目式實踐教學與課程思政的融合探索——以電工電子綜合課程設計課為例[J].大學教育，2023（3）：84-86.

[5] 黃海萍.基于核心素養的過程性綜合教學評價體系構建[J].科技風，2023（22）：7-9.