新工科人才培養中熱工理論基礎課程教學改革研究

張欣宇　楊曉宏　賈彥　高虹

摘? 要? 為培養新工科人才，在融入思政教育和節能減排的背景下，對熱工理論基礎課程教學內容進行改革，借助內蒙古工業大學優慕課網絡教學平臺，通過課程設計優化，課堂中融入數值模擬CFD方法和Matlab數值計算，將實驗課和理論課有機結合，通過思維導圖的方式，注重知識點的梳理等方法達到教與學的有效互動。采用課程考核方式的多樣性有效調動學生的積極性。通過課程教學效果反饋，實現教與學的不斷優化。

關鍵詞? 熱工理論基礎；教學改革；教學效果；課程考核

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0042-04

0? 引言

在全球經濟飛速增長的背景下，我國提出“碳達峰、碳中和”的“雙碳”目標，這無疑推動了綠色能源的開發和利用，而對太陽能、風能等新能源的開發和利用直接關系能源的轉換和傳遞。熱工理論基礎課程是新能源科學與工程專業的一門專業基礎必修課。課程的任務是使學生掌握能量轉換傳遞規律，正確運用能量轉換定律和節能定律綜合分析熱工過程，特別是熱能轉化成機械能的規律、方法及提高轉化效率的途徑，熱量傳遞的基本規律，為學生畢業后從事電力生產設計、熱力系統革新、新能源開發利用等提供熱工問題的判斷、計算和綜合分析能力。熱學課程更加面向工程實際理論和實踐研究，在當前節能減排、太陽能光熱光伏發電、新能源開發利用的大背景下，能源、環境、航空航天、機械、材料、化工、微電子、信息工程、生物和醫學工程、軍事等領域內的諸多科學問題直接或間接建立在熱工研究的基礎之上，熱學理論和應用進展在高新科技發展中占有重要地位。

內蒙古工業大學熱工理論基礎課程橫跨五個大的學科門類，作為工程質量認證的必修課程，目前全校開設熱工基礎[1]（含工程熱力學和傳熱學）的專業有新能源科學與工程、環境科學與工程、交通運輸工程、車輛工程、金屬制造、機械設計制造及其自動化等，年授課人數達到400余人次，同時本課程也是多專業多領域的考研專業課之一，貫穿多個交叉學科。熱工理論基礎A課程總共設置56學時，其中理論教學為50學時，實驗教學為6 學時，該課程包括工程熱力學和傳熱學兩部分。工程熱力學[2]部分主要研究熱能與機械能之間的相互轉換規律，傳熱學部分主要研究熱量傳遞的規律，可見該課程是一門研究能量傳遞和轉換規律的“熱科學”。課程的特點是：內容多且涉及的相關知識廣，涉及高等數學、大學物理、電工學、流體力學等先修課程，同時應用范圍廣，不僅涉及日常生活，各行各業與能量傳遞和轉換問題有關的領域都有應用。在知識體系中，工程熱力學部分內容相互關聯，傳熱學[3]部分各種熱量傳遞方式彼此獨立，圖表和經驗公式、半經驗公式多，熱力循環和傳熱過程分析抽象難懂，公式推導難，物理量多，作業難度大。而且實驗教學和科研訓練相對較少，造成學生眼高手低，不利于新工科人才的培養。

基于以上特點，為了提高學生的學習積極性、主動性，提升教學效果，使學生更高效、更深刻地理解課程內容，結合多年教學效果的積累，筆者在教學過程中嘗試改進教學方法、創新教學手段，獲得了良好的教學效果。

1? 課程教學改革的內容

1.1? 充分利用內蒙古工業大學優慕課網絡教學平臺

以知識點為單元，分知識點課前導學、預習資料、課堂講授、課后討論、拓展資料、提出問題等。首先，通過內蒙古工業大學優慕課網絡教學綜合平臺上傳課程介紹、課程標準或教學大綱、課程設計表，以及相關的基礎信息資料等。其次，進行課程建設，依據課程標準，將每個知識點分為學習目標、學習要求、學習重點、學習難點、學習例題或案例。在優慕課網絡教學平臺上傳與知識點相關的科學知識，比如，生活實例的視頻、動畫演示、預習資料和在線小測試、提供線上或紙質文檔以及PPT資料供學生預習和測試，保證學生的資料利用率和對預習知識的掌握。使學生不受時間和空間限制進行自主學習。利用課堂效果進行問卷調查，收集學生對課程的建議，及時調整授課內容及方式，達到“教”與“學”的有效溝通。

1.2? 課程設計的優化

合理劃分知識點，根據教學目標和每節課的教學反饋，深入細致地分析教學內容，對不同的內容采用不同的教學方法與手段，選擇最佳的教學形式，合理劃分板書講授內容、多媒體PPT講授內容、互聯網了解內容，總結教學效果，經過多輪次課程效果綜合評價，設計出適合多班課、小班課不同班型的課程設計。具體的設計如圖1所示。

1）課前的教學準備：包括教學目標的確定、教學進度的安排。

2）課上的教學模式的運用：包括學習者中心與有效教學策略、學習效果的評估方法及創新性教學方法。可以根據教學內容將板書、多媒體及教學平臺等多種教學手段有機結合[4]。選擇適合學生為主講、教師輔助啟發式教學的小知識點，比如理想氣體的基本熱力過程，在教師講授完多變的熱力過程后，可以分組討論后讓學生講授定容、定壓、定溫及絕熱四個基本熱力過程。

3）課后的知識鞏固：包括推薦的教學資源、課后作業及課后討論。將知識單元以思維導圖的形式對知識點進行梳理，建立知識點之間的區別和聯系；鼓勵學生參加大學生MOOC與開設相同專業的其他院校進行同步學習；鼓勵學生參與大學生科技創新及節能減排大賽，將所學知識應用于實際，增強和培養學生的科研意識。

1.3? 課堂中融入數值模擬CFD方法和Matlab數值計算

嘗試采用多種教學模式相結合增強學生的動手能力和思考能力，激發學生的創新思維。在傳熱學部分可以采用數值模擬CFD和Matlab模擬實驗[5-6]，引導學生模擬一維穩態常物性無內熱源的圓管導熱過程，將動態傳熱過程以及溫度云圖以畫面的形式展示出來，直觀的熱量傳遞過程促進了學生對知識點的理解。引導學生分析圓管熱傳導過程中溫度的變化規律，從而計算出熱量傳遞的速率，進而將知識點擴展到管內外具有冷熱流體的傳熱過程，如

圖2所示，為基于拓撲結構優化翅片的傳熱過程，舉一反三加深知識點的理解和掌握。《傳熱學》（第五版）具有豐富的課后資源，可以利用工具軟件題目給出的二維碼獲取軟件程序，學生在此基礎上進行修改就可以得到結果，將班級學生以小組為單位進行劃分并提前一周進行自主選題，課堂邀請學生參與演示，小組之間討論互評結果。使學生能夠獨立地將掌握的數值分析方法應用到具體的傳熱過程，動手模擬探索生活過程中的傳熱現象，如果在模擬過程中遇到問題，便會互相討論、主動查找書籍資料探究其原因，這樣的學習模式將高等數學、計算機、熱工理論基礎的知識融會貫通，不但能增加課堂生動性，提高學生的學習積極性，同時也培養了學生科研探索的精神[7]。

1.4? 實驗課與理論課的有機結合

目前新能源專業熱工理論基礎課程開設的三個實驗為：“氣體定壓比熱測定實驗”“圓球導熱儀測定黃砂導熱系數實驗”“強制對流管外換熱實

驗”，依次對應比熱容、熱傳導和對流換熱的理論教學部分。實驗內容簡單易操作，適合本科學生。針對實驗所對應的理論內容講授完畢便可以緊接著布置實驗作為驗證，使理論與實驗在時間上有很好的銜接，更好地促進知識的理解與掌握。通過學生設計初步的實驗方案，與實驗教師給定的參考方案進行對比分析，最后完善最終的實驗方案[8]。這樣的三步法使學生將所學理論知識充分的應用，小組互相討論、分析、預測結果，在學習的同時鍛煉了學生的團隊協作能力，測試數據的記錄，實驗報告的整理，全過程的實戰促進知識的應用和掌握。

1.5? 重視知識點的梳理整合

由于本課程存在物理量多、公式多、基本定律理解抽象難懂、知識點之間前后聯系緊密的特點，對單元知識點需要通過思維導圖的方式進行梳理，建立各知識點之間的聯系與區別。比如工程熱力學基本概念基本定律講解完成后，需要學生進行知識整合，通過狀態參數描述可逆過程，根據理想氣體的性質分析四個基本的熱力過程，并將熱力過程表示在P-v圖和T-s圖上，同時能夠熟練地計算熱能與功之間的相互轉換。課后課堂筆記的整理同樣非常重要，教師需突出重點、難點內容，讓學生區分重點內容、掌握內容、了解內容。教師通過平時課堂練習和作業了解學生對知識的理解程度，課堂例題講解是對知識點理解的促進，通過課后作業批改及時發現問題并進行糾正。

1.6? 課堂中融入思政教育

以育人和專業知識傳授及能力培養為目標， 將思政教育融入課程當中，培養德才兼備全面發展的新工科人才。在講解熱力學第一定律、第二定律時，由于能量是守恒的，既不會憑空產生也不會憑空消失，只能由一種形式轉換為另外一種形式或從一個物體傳遞到另外一個物體。因此，灌輸學生在保障生態文明的前提下，提高能源的利用率及節能環保意識。“教書育人”是每位教師的使命，在傳授知識的同時融入正確的世界觀、人生觀和價值觀是非常必要的。大學階段是一個人“三觀”形成的關鍵期，教師有責任提供正確的引導。教育學生作為內工大學子應始終銘記 “博學躬行、尚智明德” 的校訓。在尊重學生的基礎上實現“教”與“學”的有效互動[9]。從心理學角度看，學生的學習動力源于內在的能量，教師采用鼓勵式教學，肯定學生付出的努力，能提升學生的成就感和價值感，有利于教師發現和發掘學生的創新思維。

2? 課程考核方式改革

熱工理論基礎課程覆蓋面廣、知識點多，應采取靈活多樣的考核辦法。總成績由平時成績、實驗成績、考試成績三部分組成，所占比例依次為30%、10%、60%。考核中加大了平時成績所占的比例，平時成績一方面重視學生出勤、課后作業、思維導圖、課堂筆記，通過此部分的考核，提高學生的聽課注意力，鍛煉學生提煉課程重點、難點內容的能力，養成良好的學習習慣；另一方面注重課堂表現，每個小組成員須分工協作，任務明確，通過資料查找、PPT報告、回答問題情況等分別打分，鍛煉學生的團隊協作能力、口頭表達能力和應變能力。

3? 教學效果的反饋

教學效果反饋對教師改進教學方法是非常必要的。教師可以通過學生課前導學測試正確率發現學生不理解的知識點并在課堂中進行重點講解；通過課后作業和階段性單元測試及時發現學生的書寫錯誤和容易混淆的物理量，通過作業講解及時修正；可以采用問卷調查、與學生面對面溝通等多種方式相結合了解和評價學生對知識的掌握情況。教師需要記錄并總結教學效果反饋，給出切實可行的方案，逐輪次進行課程優化。

4? 結束語

結合筆者的一線課程教學實踐經驗，作為教師應該根據教學內容不斷探索適合教學內容的教學方法。隨著教學方法的不斷更新，積極嘗試新的教學方式，實現線上線下相互促進、隨時切換，并不斷對其調整以達到最佳的教學效果。教師應該把握和修正學生的學習目標，要把培養學生的“熱科學”的學習方法和學習思維作為重點[10]，使學生具備對具體熱力設備的能量傳遞和轉換的分析和解決問題的能力。教師與學生應在互相尊重的前提下實現“教”與“學”的有效互動，不斷地與學生進行溝通和交流，從而改進教學方法，激發學生的學習興趣，與學生共同探索提高學習效率的新途徑。

5? 參考文獻

[1] 張學學.熱工基礎[M].3版.北京：高等教育出版社，2015.

[2] 陶文銓.傳熱學[M].5版.北京：高等教育出版社，2020.

[3] 沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].5版.北京：高等教育出版社，2016.

[4] 何光艷，韓東太，晁陽.基于雨課堂混合式學習的傳熱學教學研究與實踐[J].高等工程教育研究，2019（S1）：113-115，112.

[5] 王志軍，鄧奇根，潘榮錕.“工程熱力學與傳熱學”實驗教學改革與優化探討[J].科教導刊，2020（29）：137-138.

[6] 楚化強，周勇，陳光，等.新工科背景下傳熱學課程改革探索與實踐：MATLAB在傳熱學例題中的應用[J].高等工程教育研究，2019（S1）：28-29.

[7] 謝元華，楊岱恩，韓進，等.國內高校熱工學課程教學改革進展分析[J].中國現代教育裝備，2020（23）：77-79

[8] 高虹，包道日娜.傳熱學課程中實驗與理論教學高效結合的探索[J].教育教學論壇，2020（34）：205-206.

[9] 蔡佳佳，袁銀梅，張超，等.機械類熱工基礎課程教學改革研究與實踐[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2020（3）：73-75.

[10] 張欣宇，楊曉宏，溫彩鳳，等.傳熱學思維在本科教學過程中的培養[J].創新創業理論研究與實踐，2022（14）：35-38.

*項目來源：內蒙古工業大學教育教學改革項目“本科教學中熱工理論基礎課程教學改革效果探究”（基金編號：2022220）。

作者簡介：張欣宇，副教授；楊曉宏，通信作者，教授；賈彥，博士，教授；高虹，博士，副教授。