工程認證背景下能源動力類專業課程設計體系化建設與實施

王偉云　楊天華　謝俊　開興平　朱軼銘　張濤

摘? 要：能源動力類專業的培養方案中通常有三到四個課程設計實踐環節。工程認證背景下對課程設計實踐環節的實施提出更高的要求。該文以兩個能源動力類專業為例，重點分析能源與環境系統工程專業課程設計，整合課程設計實踐環節具體內容，建立課程設計間的聯系，使課程設計之間彼此關聯，依序遞進，形成完整的知識體系。教學改革實踐可實現學生對專業知識由點及面的理解，提升學生的學習能力和分析能力，有助于學生建立系統的專業知識體系。

關鍵詞：能源類專業；課程設計；體系化建設；改革對策；工程認證

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）13-0110-04

Abstract： There are usually three or four practical links of course design in the training program of energy and power majors. Under the background of engineering certification， higher requirements are put forward for the implementation of curriculum design practice. Based on the analysis of the course design content of two energy engineering and power majors， the contents of different course design practice in teaching plan are integrated in this paper， the connections between the different courses are established， which can make the course designs related to each other closely by formation of the knowledge system. The reform efforts can make the students understand the professional knowledge comprehensively and construct the practice link of the professional course in a three-dimensional way， which can improve the students' learning ability and analytical ability， and establish the professional knowledge system.

Keywords： energy and power majors; curriculum design; systematic construction; initiatives of construction; engineering certification

2016年6月2日，在吉隆坡召開的國際工程聯盟大會上，中國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》第18個正式成員[1-2]。這對我國工程人才培養教育事業具有重要意義。工程教育專業認證遵循學生中心、成果導向、持續改進3個基本理念，工程教育的實施有助于推進工科專業建設的穩步發展[3]。我國在工程教育人才培養數量方面有明顯的優勢，截至2021年底，全國共有288所普通高等學校1 977個專業通過了工程教育專業認證[4]。但在人才培養質量方面存在短板，尤其在學生的實際操作能力培養上尤為突出。補齊這一短板，就要求我國高校改變目前在人才培養方面存在的重理論、輕實踐的現狀，以使培養的工程技術人才達到國際化標準[5]。高校的專業課程重點在理論知識的教授上，在學生實踐能力培養上存在缺陷。而作為理論教學與工程實踐過渡銜接重要環節的課程設計[6]，在深化理解課程知識的同時可以培養學生設計計算能力和分析解決問題的能力，在工程認證背景下尤顯重要。

面向工程實踐的課程設計體系化建設主要體現在：工程實踐與課設教學目標、課設具體任務及評價體系等[7]。有的專業在綜合課程設計中融入文獻檢索、計算機計算模擬等內容，也有專業在理論學習時將分步驟、節點的課設任務同步實施，并注重基于基礎參數設計整體的系統流程[8]。

一? 傳統的課程設計模式

（一）? 課程設計基本情況概述

沈陽航空航天大學能源與環境學院開設有能源與環境系統工程和新能源科學與工程兩個能源動力類專業。前者設置了四個專業課程設計，分別是換熱器課程設計、鍋爐原理課程設計、汽輪機課程設計和熱力系統工程課程設計。其中換熱器課程設計是專業基礎課傳熱學的實踐環節，另外三門是專業課的課程設計，分別安排在第五學期、第六學期、第七學期進行。新能源科學與工程專業除了包含換熱器課程設計外，還涵括生物質能課程設計和風能課程設計兩門課程設計實踐環節，均在第六學期開設。

（二）? 換熱器課程設計簡述

換熱器課程設計任務書由指導老師從題庫中隨機抽取下發，在換熱器形式上包含列管式換熱器與板式換熱器兩種。課程設計的差異化主要體現在任務書上的初始數據，如介質類型和進出口溫度等。內容上，學生需要根據任務要求確定工質比熱容、黏度、熱導率和密度等物性參數，估算換熱面積，再根據面積確定換熱器幾何尺寸，最后對估算的換熱面積進行校核直至滿足任務要求。

方法上，主要由學生參照傳熱學相關知識，并結合指定參考教材的實例進行。總體計算量一般，學生通過傳統紙筆記錄計算過程即可完成，因此對學生使用計算機進行設計的能力培養不足。

此外，由于該項課程設計設立時間較長而題庫數據有限，學生很容易通過高年級同學獲得相同數據，抄襲現象嚴重，這進一步導致該門課程教學效果下降。

（三）? 鍋爐原理課程設計簡述

鍋爐原理課程設計題目為220 t/h汽包爐熱力計算，依靠不同煤種和不同給水溫度實現數據差異化。其中煤種的組分差異影響了燃料熱值、煙氣組分濃度、結渣特性和煙氣體積等重要參數，因此學生的任務間有較大差異，不容易發生抄襲。

內容上，需要對鍋爐煙氣流程途徑的各換熱面進行熱力計算，包括爐膛、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器等十個換熱面共十六個表格的數百項數據逐一計算。由于計算量大且需要頻繁迭代計算，要求學生使用Excel或編程進行。并且時間設置為三周。但因前序課程設計不強制要求學生使用上述工具，此時突然增加的計算量導致學生難以適應，往往在課程設計前中期進展緩慢。

方法上，除任課老師每周對學生疑問進行解答外，還給出了詳細的步驟參考。考核要求學生繪制爐膛結構及受熱面圖紙各一張，并要求學生對計算表格的進度備份保存，隨完整表格一同上交，保證了課程設計“一人一題”的切實落實。

但由于課程中所用鍋爐爐型及參數較小，存在與企業實際生產脫節的問題。

（四）? 汽輪機課程設計簡述

汽輪機課程設計針對大中型電廠廣泛采用的600 MW凝汽式汽輪機進行課程設計。內容上，首先選擇汽輪機配汽方式和基本參數，在焓熵圖中繪制熱力過程線，隨后初步估算進汽量，對抽汽回熱系統進行初步平衡。根據上述結果重點計算調節級尺寸，再根據等焓降法確定各缸壓力級數量和級后參數，最后調整回熱系統抽汽壓力并對整體結果校核，并核算經濟性。時間安排為三周。

方法上，由任課老師每周進行答疑，給出詳細參考資料。考核要求在焓熵圖上繪制機組熱力過程線，隨計算表及說明書一同上交，不要求計算進度備份文件。

（五）? 熱力系統工程課程設計簡述

熱力系統工程課程設計任務書包含凝汽式電廠、抽汽式熱電廠、背壓式熱電廠和核電站等多種形式，各種形式電廠、熱電廠工質流程有極大差別，不同學生的給定參數差異明顯。

內容上，包含全廠熱力系統平衡、回熱加熱器計算、流量校核及功率計算和熱經濟性指標計算四部分內容，逐一進行。其中，回熱加熱器部分計算流程與汽輪機課程設計中抽汽回熱系統大致相同，學生可直接使用已經制成的計算表快速計算、校核，減輕了工作量。因此，時間設置為兩周。

方法上，除任課教師外，增添了其他各科老師實行分組輔導，每周有3～4次答疑；參考資料除已明確給出的教材外，部分數據需要學生自行查閱資料確定。在四門課程設計中效果最好。考核內容要求全廠原則性熱力系統圖紙兩張，其中一張標注詳細工質參數，并要求上交計算表。

（六）? 現狀分析

上述課程設計均由專業課老師自行確定題目，學生按照老師指定的時間節點完成。主要考察學生該專業課的知識掌握情況，課程設計之間關聯性不強，內容相對獨立。沒有統籌考慮課程間的區別與聯系，使學生在做下一個課程設計時，不容易也不太需要想起上一個課程設計的內容細節和知識重點，對原理及過程的理解也不夠深刻。也就是說，在課程設計過程中，學生不需要特別關注已完成的課程設計內容和知識要點，只要按部就班往下進行，就可以順利完成，因此在調動和激發學生的學習熱情和創新潛力方面不夠，難以實現工程認證背景下確立的課程目標和任務。

新能源科學與工程專業的課程設計也存在這個問題。換熱器課程設計的題目和內容兩個專業基本類似。風能課程設計與公共基礎課機械設計基礎課程設計聯系更多。生物質能課程設計中各個受熱面的換熱計算與換熱器課程設計一脈相承，是相互遞進的關系，這部分與換熱器課程設計、鍋爐原理課程設計的承接關系是一致的。

學生答疑方面，除熱力系統工程課程設計外，均由任課老師進行，其他相關課程教師參與度不高，對課程設計流程也不甚了解。很難在課程教學中為后續課程做鋪墊。此外，部分就業于電廠的畢業生反映鍋爐原理課程設計中鍋爐的形式和參數與現代電廠鍋爐參數相比，蒸發量偏小，設計計算過程對實際工程參考性不足。

二? 課程設計體系化建設路徑及實施

以能源與環境系統工程專業為例，對課程設計的具體實踐內容進行深入分析可知，該專業四個課程是階梯式的設計思路，是層層遞進、有機結合的整體。通過統籌考慮，需要重設課程設計題目，整合課程設計內容，建立課程設計間的直接聯系，并建構課程設計間立體化知識體系，實現四門課程知識融通，讓學生深度掌握專業知識并且做到溫故知新。

主要實施路徑如下。

從換熱器課程設計入手，整合換熱器課程設計的具體內容。從鍋爐課程設計和熱力系統工程課程設計中提取換熱器課程設計的設計題目及任務書。例如把鍋爐中的省煤器、管式空氣預熱器、水冷壁、過熱器和再熱器的參數數據作為已知條件給出，要求學生計算受熱面的換熱面積及管的具體尺寸，并畫出受熱面結構圖；或提取汽輪機和熱力系統工程課程設計中的某級高壓加熱器、低壓加熱器的換熱參數作為已知條件，設計高壓加熱器和低壓加熱器并計算幾何參數。

隨后的鍋爐原理課程設計作為三個專業課中的第一個實踐環節顯得尤為重要。為實現與汽輪機課程設計和熱力系統工程課程設計的銜接過渡，將課程設計題目變更為《600 MW等級亞臨界汽包鍋爐校核設計》及《600 MW等級超臨界直流鍋爐校核設計》。建立各科目間的聯系，同時也有助于解決專業教育與企業生產脫節的問題。通過變更煤種及給水溫度，實現學生參數的差異化布置，避免學生之間數據抄襲的問題。換熱器課程設計中完成的受熱面計算設計無疑加深了學生對鍋爐原理課程及課程設計中換熱面部分計算的理解和掌握。

汽輪機課程設計仍沿襲原來的題目《600 MW汽輪機熱力計算》，學生可以直接選用鍋爐課程設計中計算得到的參數。如高溫過熱器和高溫再熱器出口蒸汽的溫度和壓力等。

之后進行的熱力系統工程課程設計和汽輪機課程設計則聯系緊密，在計算熱力系統工程中的原則性熱力系統時，可以調用鍋爐和汽輪機課程設計的參數進行熱力計算，最后繪制一張A1規格原則性熱力系統設計圖。

四個課程設計整合體系化還有助于一以貫之的課程思政模式。首先，聯動式課程設計有助于提升學生的學習熱情；其次，可以將培養學生獨立思考、勇于探索、敢于創新等精神貫穿于課程設計的全過程，有效保證了課程思政的實施效果。

由以上過程可知，四個課程設計彼此相互關聯。整體聯系如圖1所示。

對于新能源專業，其風能課程設計與機械設計基礎課程設計呈遞進關系，因此引入了Solidworks軟件模擬計算結果，實現設計結果的立體可視化，充分鍛煉學生實踐能力。生物質能課程設計與換熱器課程設計存在承接聯系，因此將生物質能課程設計中涉及的受熱面數據引入，效果也非常好。

三? 課程設計體系化建設的實踐效果

基于圖1的建設路徑，面向工程實踐教育，專業實現了課設建設體系化，使課程設計的教學效果得到明顯改善，提升了學生的工程實踐能力，主要體現在以下四個方面。

（一）? 知識的立體——溫故知新

在每個課程設計的講授環節，都會強調這個課程設計與其他課程設計間的過渡內容及銜接知識，一方面鞏固基礎知識，另一方面加深對當前課程設計的理解，也對后續課程設計的開展大有裨益。同時實現了能源與環境系統工程專業系列課程間的聯系和融合，提高了學生對所學知識綜合掌握和應用能力。對能源與環境系統工程專業學生的調查發現，通過體系化課程設計的開展，學生除了對課程內容和課程設計內容理解程度加深外，對于后續要學的電廠集控運行課程的理解和掌握也更游刃有余。

（二）? 能力的增強——多元融合

通過課程體系化建設，學生在回顧已經做過的課程設計時，能夠充分調動積極性和主觀能動性。由于要跟已經做過的課程設計實現參數的銜接，每名學生的基礎參數都不一樣，需要學生通過文獻調研方式來確定很多備選參數，提高了學生通過整合不同途徑的知識來解決實際問題的能力，也使學生獲得了極大的成就感，增強對課程學習的興趣。同時因為專業知識水平和專業能力的提高，增加了就業的核心競爭力。

（三）? 素質的提高——一體思政

課程設計的體系化建設為一體化思政的實施提供了條件。一體思政建設主要通過在課程設計實施過程中，進行系統統一的思政教育，培養學生追求卓越、刻苦務實的精神及理論聯系實際、實事求是的工作作風和科學嚴謹的工作態度。高度整合的思政建設思路提高了思政的育人效果，促進學生綜合素質的提高，這也得到了用人單位的反饋好評。

（四）? 師資的提升——專業系統

整合課程設計，還有助于提升專業教師的課程設計指導水平。在推進課程設計體系化進程中，每一門課程設計都安排四門課程的授課教師參與。教師在參與時加深了對其他課程和課程設計的理解，在授課時更能抓住重點，就學生的知識薄弱點進行深入講授。并且不同課程授課老師在指導課程設計時，通過互相交流，能夠逐漸形成一支專業系統的教師團隊，為專業即將進行的工程認證工作打下良好基礎。

四? 結束語

課程設計是能源類專業的重要實踐環節。本文在充分分析兩個專業不同課程配套的課程設計實訓環節內容基礎上，確立了其間的關聯關系，實現了專業課程設計實踐環節的體系化建設。各專業學生在完成課程設計時，能夠系統化掌握知識，并獲得能力的階梯式提高及綜合素質提升，為工程認證背景下不同工科專業綜合應用型人才實踐能力的培養提供了參考。

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基金項目：遼寧省教學改革項目“能源環境交叉學科的新工科專業協同育人模式的探索與實踐”（遼教函〔2018〕 471號）；遼寧省教學改革項目“新能源科學與工程一流專業建設的探索與實踐”（遼教辦〔2021〕254號）；沈陽航空航天大學校級教學改革項目“能源與環境系統工程專業課程設計體系化建設路徑研究”（沈航教務發〔2022〕10027）

第一作者簡介：王偉云（1978-），女，漢族，河南鄭州人，博士，副教授。研究方向為生物質高值資源化利用。