新工科背景下“汽輪機原理”混合式教學改革

摘要：在新工科背景下，高等院校對于培養具有多學科交叉背景的創新性新型工科人才既是當務之急，也是長遠之策。“汽輪機原理”是能源與動力工程專業的一門重要的必修課，為順應新工科發展方向，提升汽輪機課程教學效果，培養學生的創新能力，結合在生產現場的調研和對該專業人才技能需求特點，本文提出了完善教學內容體系與教學資源和手段、應用和推廣課程項目混合式教學、創新實驗教學與實踐環節等具體措施，為滿足新工科培養模式所要求的提高創新能力和多學科交叉背景的工科本科專業課程的教學提供了有益的參考。

關鍵詞：新工科；汽輪機原理；混合式教學

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

“汽輪機原理”是高校工科能源動力類專業一門主要的專業必修課，要求學生掌握汽輪機的工作原理和特性，熟悉汽輪機的基本結構和強度等知識，具備分析和解決汽輪機工作中出現問題的能力，實現提高能源利用效率和節能減排，保障國家能源安全。課程要求學生首先要掌握“工程熱力學”“傳熱學”和“流體力學”等基礎性理論課程，熟悉與熱力發電廠、集控運行等相關的專業課程，該課程具有理論性、實踐性和學科交叉性都很強的特點，教師授課和學生學習的難度較大［1］。

以產業交叉融合為特點的新經濟迅速發展，迫切需要具有多學科交叉背景、具有創新能力的新工科人才。加快建設新工科教育體系是高等教育的迫切需求，高等學校工科教育將向培養以創新型和復合型人才為特點的新工科的方向發展。“汽輪機原理”專業課程都具有實踐性強、涉及多領域學科、教學內容復雜和抽象等特點，如何充分利用有限的學時資源，獲得“寬”與“專”并重的專業課教學效果成為新工科培養背景下，高等學校的專業課程教師共同面臨的教學重點和難點［2］。本文結合本專業師資力量和學生基礎等實際情況，針對“汽輪機原理”課程的本科教學，制定了完善教學內容體系和教學資源和手段、應用和推廣項目式混合教學、創新混合式實驗教學等具體解決措施，進行不同方向的探索和研究，以提升教學效果，適應新工科背景下的人才培養與教學。

一、完善教學內容體系與教學資源和手段

結合學科前沿、行業標準，理論課程內容需要與時俱進，注重教材內容的更新。教材的緒論中應補充汽輪機的發展史和主要特點及國內外發展現狀；扭葉片級的講解中介紹三維熱力設計思路和特點；汽輪機軸封及其系統中介紹先進的布萊登汽封技術特點；汽輪機主要零部件結構與振動中更新主流的600MW以上特別是1000MW超超臨界機組的結構特點；汽輪機調峰運行重點介紹深度調峰對汽輪機安全運行的重要影響和解決措施。教師在教學過程中要及時追蹤汽輪機技術發展前沿，調整或刪減教材中陳舊、落后的技術等相關教學內容，通過網絡學習平臺給學生補充汽輪機發展新技術和新方法，突出新工科教學的前沿性、創新性和學科交叉性，強化學生創新意識［3］。

蒸汽在汽輪機級內流動及能量轉換、汽輪機的變工況等內容理論性較強，且課時偏多，學生自主學習難度較大。建議學生登錄南京工程學院教務處網絡學習空間，進入“汽輪機原理”的學習通網絡教學平臺進行教學內容的課前自主學習，如圖1所示。學習通具有豐富的網絡教學資源、完善的電子資源庫與CAI課件，以及每節課內容的教學視頻，幫助學生完善知識儲備。學習平臺具體由學習活動、課程內容和更多資料三大部分組成，學習活動具有隨堂練習、主體討論、分組任務，簽到、問卷等功能，課程內容和更多資料模塊有助于學生借助學習平臺全面的網絡教學資源進行課前預習和課后復習。

學生在網絡教學平臺學習通或課程學習互助交流群中進行教學資料或視頻的在線學習，授課教師可將每章節知識點匯總、學習重難點、課后自測等材料上傳至網絡平臺。教師根據學生學習效果的反饋，在課堂教學過程中增加翻轉課題、專題研討等環節，做到重難點突出、廣度深度兼具，提高教學效果。教師應建立班級課程學習群，督促學生注重平時積累，避免出現平時不學、考前突擊的現象。

利用學習通可方便獲取學生考勤、課堂互動、課后作業與平時測驗成績等資料，便于后期教學效果的數據分析與統計。建立多元化考核評價模式，加強過程化和參與度考核。線上和線下混合式學習的優勢互補，給學生提供開放、共享的課程學習平臺，通過網絡教學平臺建設及教學資源和手段的完善，有助于提高學生獨立自主學習能力，提升教育和教學質量，適應新工科背景下創新型人才的培養。

二、應用和推廣課程項目混合式教學

積極引用和推廣項目混合式教學模式，其指導思想是以項目為載體，突出學生的主體作用，加強師生互動交流，激發學生的創新意識，培養創新能力。教師在開展項目式教學的過程中，首先要根據教學目標做好課程定位；其次要根據教學內容和培養目標確定項目式教學內容，要使項目式教學符合學生的認知［4］，把體現創新意識作為考核要點。我院根據“汽輪機原理”課程教學大綱、培養目標，將項目式教學規劃為四個子項目。項目一：汽輪機汽封技術與應用；項目二：汽輪機初終參數對其經濟性評價指標的影響分析；項目三：汽輪機凝汽器特性及冷端優化研究；項目四：汽輪機故障診斷技術及應用。為了培訓學生自主學習能力，項目教學采用線上線下混合指導學習。主要實施步驟為：（1）理解項目目的，針對項目展開充分的調研，主要包括項目相關數據、信息、文獻的檢索和收集，并對調研結果匯總和分析。（2）通過對學生分組選題、研討，進行課程項目分解，指導項目實施流程與進度安排，撰寫項目報告。組間可通過研討等方式進行學習交流，教師應通過騰訊會議等線上平臺或線下面授，針對課程項目中的問題和疑惑進行解答指導。（3）邀請行業內專家或校友在線介紹課程項目的實際問題，交流現場經驗和新技術，提高學生理論聯系實際的能力。項目式混合教學提倡學生在教師的協助下自主學習并掌握教學內容的任務點，如項目一的任務點有：了解汽輪機汽封技術的科技前沿與發展動態，理解汽封的基本結構和先進制造工藝，以及對汽輪機運行的安全性和經濟性的重要意義；廣泛閱讀相關科技文獻，探索分析提高汽輪機經濟性的措施；通過項目式混合教學，學生主動查閱和收集相關科技文獻等資料，分工合作的方式不僅能夠拓展學生知識面的廣度和深度，還能激發學生的創新意識，培養基本的科學研究素養［5］。

三、創新混合式實驗教學與實踐環節

混合式實驗教學作為一種新的實驗教學體系，可以引導課程實踐教學改革方向。積極開展實驗教學創新，培養學生的動手能力和創新技能。傳統的實驗教學受到學時數、實驗裝置數量的限制，而新的實驗模式可以與互聯網、云計算、虛擬仿真等技術相結合，不受實驗場地和設備數量的局限，打破實驗室在時間和空間上的限制，根據生產實際需求和產業發展步伐，積極開發或引進虛擬實驗平臺，為培養學生的創新技能提供更好的資源和平臺。混合式實驗教學不僅降低了實驗教學成本，更重要的是培養了學生自主學習和科研探索能力，對提高人才培養質量具有重要意義［6］。

在學校和各級部門科技創新項目申報和實施過程中，積極鼓勵和幫助學生使用MATLAB、Labview等計算機軟件及語言，合作開發各種線上虛擬實驗平臺和實驗項目。如通過汽輪機檢修，有助于深刻理解汽輪機零部件缺陷與運行時發生故障之間的聯系。為了使學生能夠在進入工作崗位后盡快適應和勝任現場工作要求，建議針對汽輪機檢修方面的教學內容，可通過汽輪機虛擬仿真檢修平臺引導學生自主學習來完成安裝與檢修的實踐環節，考核評價由線上過程考核和線下實驗考核結果綜合評判，重點提升學生線上的學習與溝通和線下的分工與協作的能力。

針對汽輪機課程設計實踐環節，在完成“汽輪機原理”的課程學習后，學生需要完成一臺小型汽輪機的通流部分的熱力設計與結構繪圖。主要完成內容為：（1）通過該設計掌握汽輪機熱力設計的原則、方法和步驟。（2）熟悉汽輪機原則性熱力系統的組成和回熱系統的計算；掌握汽輪機本體結構組成與作用，明確主要零部件在整個機組上的作用、位置和相互關系。（3）系統地總結、鞏固并加深對汽輪機課程知識的理解和運用，并提高機械設備的繪圖能力。這培養了學生分析解決問題的能力和對工程技術問題的嚴謹認真的作風。

教師和學生利用Python語言合作開發了汽輪機課程設計網站，也可利用手機打開網站，方便學生隨時使用，網站首頁如圖2所示。學生在進行汽輪機課程設計時，將整個設計任務按相對獨立的模塊化的課程設計教學方式進行，改變了傳統的手算方式，通過在線輔助設計，大大提升了計算效率，且便于學生及時查找設計時出現的不合理參數的選擇，便于查找錯誤和方便設計結果校核，可以建立起學生設計的信心和熱情，體驗到工程設計的過程的快樂，有助于對課程設計內容實現系統化的掌握。在汽輪機課程設計網站和軟件的開發與升級優化過程中，既培養了學生的創新和工程實踐技能，又豐富了學校的教學實踐資源。

我院“汽輪機原理”課程設置了兩個課內實驗，分別為綜合性“汽輪機葉片自振頻率測定實驗”和驗證性“臨界轉速實驗”，但由于學生人數較多，實驗儀器陳舊和數量不足，使得學生需要分批次進行，學生的動手能力和實驗創新能力得不到深層次的培養。以提高學生創新實踐能力為宗旨，建議開發或引進汽輪機振動在線監測實驗平臺，主界面如圖3所示。這不僅滿足課程實驗教學環節的需要，而且有利于學生對課程汽輪機主要零部件的結構與振動相關內容有更深入的理解，特別是汽輪機常見故障的信號分析與診斷，這部分內容對于學生來說感覺到抽象并晦澀難懂，通過實驗平臺振動故障數據庫的建立，分析具體的振動故障信號及其特征來判斷振動故障類型，可提高學生學習效果，并鼓勵學生設計出更多的創新性實驗，舉一反三，觸類旁通，發表自己的見解，既強化了實驗教學的效果，又培養了學生解決工程實際問題的應用能力和創新能力。

結語

新的時代背景下，高等學校的教育改革將朝著新工科培養模式進行轉變，對“汽輪機原理”的課程教學提出更高要求。可以通過合理規劃教學內容體系，完善教學資源和手段，強化師生協同的混合式教學，創新混合式實驗教學與實踐環節，滿足新工科背景下人才培養的要求。同時，教師需要積極探索和實踐混合式教學改革，不斷提高自身創新能力，鼓勵學生敢問、敢想、敢挑戰，激發學生學習專業課的興趣，培養學生解決實際問題的能力，落實以學生為中心的工程教育理念，提高學生工程實踐能力和創新意識，確保培養理論聯系實際的創新型人才的目標，在實踐中不斷總結并提高，推動社會的進步與發展。

參考文獻：

［1］靳智平，王毅林.電廠汽輪機原理及系統［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］吳愛華，候永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟［J］.高等工程教育研究，2017（1）：18.

［3］張川，王保文.面向新工科培養模式的汽輪機原理課程教學方法的思考［J］.教育教學論壇，2018（10）：190192.

［4］鄧海龍，康賀銘.項目教學模式在先進制造技術課程中的應用［J］.黑龍江科學，2022，13（19）：110112.

［5］王娟，葛曉霞，王毅林，等.新工科背景下能源與動力工程專業人才創新能力培養［J］.中國現代教育裝備，2024（3）：7577.

［6］郭文普，楊百龍，孫曉艷，等.通信網技術基礎課程線上線下混合實驗教學的探索與實踐［J］.教育教學論壇，2024（4）：9396.

基金項目：南京工程學院教學建設項目（項目編號：JXJS2023018）

作者簡介：王翔（1981—），男，漢族，安徽銅陵人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事能源與動力工程專業研究與教學。