基于专业认证的《热工基础》教学改革探索

  聂少武，李天兴，苏建新，李聚波   

河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003

［摘  要］《热工基础》是机械设计制造及其自动化和机械电子工程专业的一门专业基础必修课，在机械类课程体系中具有重要的地位。针对该课程特点及学生情况首先进行了学情分析，基于工程教育专业认证背景提出了该课程的教学目标。接着剖析了当前课程教学过程中存在的主要问题，最后从课程思政、教学内容、教学方法和课程评价方面进行了教学改革探索。通过教学改革使学生在掌握知识的同时，提高分析解决工程问题的创新思维能力和自主学习能力，最终促使该课程教学目标的达成。

［关键词］专业认证；热工基础；教学改革；课程目标达成

［基金项目］2019年度河南科技大学教育教学改革研究项目：新工科背景下“机构设计及应用”教学改革的探索与实践（2019-49）。

［作者简介］聂少武（1983-），男，河南洛阳人，博士，河南科技大学机电工程学院副教授，研究方向为齿轮设计制造技术；李天兴(1975—)，男，河南孟州人，博士，河南科技大学机电工程学院副教授，研究方向为齿轮测量技术研究;苏建新（1971-），男，河南洛阳人，博士，河南科技大学机电工程学院副教授，研究方向为齿轮成形磨削技术。

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A      

一、引言

自从2016年我国加入《华盛顿协议》通过工程教育认证，目前我国高校将开展工程教育认证作为专业建设的首要任务^[1-2]。工程教育认证标准针对人才培养提出了知识、能力和素养三个方面共计12条毕业要求，为了满足这12条要求，对支撑毕业要求的课程体系进行改革和探索十分有必要。

《热工基础》课程是机械类专业的一门专业基础课，目前已成为现代工程技术人才必备的技术基础知识，掌握合理利用能源的基本知识和理论是新世纪复合型人才应具备的重要工程素质[3]。开设《热工基础》课程主要作用是要提高学生在各自专业领域的节能环保意识，将节能原理和措施应用到专业实践中去。通过本课程的学习使学生掌握热力学和传热学中的基本概念、基本定律和基本工程计算，并能利用热工知识去分析解决工程上的热力过程和传热问题。2016年我校的机械设计制造及其自动化专业通过了工程教育认证，之后根据持续改进的需要，我校修订了新的专业培养方案，在专业认证的背景下，《热工基础》课程的教学课时和教学目标都发生了较大的变化，以往的教学模式不能促使该课程当前教学目标的达成，因此必须对该课程进行教学改革与探索。

二、课程特点及学情分析

《热工基础》课程主要分为热力学和传热学两部分，综合了工程热力学和传热学两门专业课的基础知识，涵盖了热力学定律、热力过程、理想气体的性质、热工设备及装置、热量传递的三种方式及各自数学模型和传热换热计算等内容。课程知识繁多且琐碎，基本定理和基本定律较多，理论性强，计算公式较多，一些概念比较抽象难以理解，学生学习起来枯燥乏味，兴趣不高。另外，该课程实践性也较强，很多知识点与实践联系比较紧密，如动力装置和制冷装置在现实生活中比较常见，传热过程的分析在日常生活中都有体现。如果学生能够在日常生活中善于观察，善于理论联系实际、学以致用，该课程理论知识体系就容易掌握。

我校《热工基础》课程主要面向大三学生在第6学期授课，在基础知识方面，他们之前已经先修了高等数学、大学化学、大学物理等课程，一方面具备了求导、微分、积分等数学知识，另一方面对热力学基本定律和一些基本概念也有了一定的初步了解。在专业课程方面，他们已经学过了流体力学专业基础课程，对流体的性质、状态、连续性微分方程、动量微分方程、伯努利方程等内容具备了一定的理论基础。这些通用知识和专业基础知识的积淀为热力学和传热学（尤其是对流换热）的学习奠定了坚实的理论基础。

依据工程教育认证标准及专业培养方案中的毕业要求，《热工基础》课程的教学目标主要包括三个方面：（1）知识目标：具备热力学和传热学中的工程专业知识，并能在热力过程和传热过程的问题中进行运用；（2）能力目标：综合运用热力学和传热学中的基本定理和基本定律，能够对复杂的热力过程和传热问题进行分析、计算，并提出解决方案；（3）素养目标：通过对热力学和传热学的学习，树立节能环保的意识，培养正确的价值观和世界观。

三、教学问题分析

结合专业认证背景下《热工基础》课程的教学目标，对当前的课程教学状况进行了总结分析，发现当前的教学过程中还存在着一些问题，如果这些问题得不到及时有效解决，该课程的教学目标将无法达成。

1.教学课时与课程内容的不匹配

《热工基础》课程特点是理论性强，知识点琐碎复杂，要学好这门课程学生需要花费较多的时间来理解和掌握课堂知识。新的培养方案中，该课程的理论学时由之前的26学时压缩至18学时。根据该课程的教学目标和教学任务，授课内容依然要涵盖热力学两大定律、理想气体性质及热力过程、三种传热方式的基本概念及传热换热计算等课程的主要内容，相对之前授课内容并无明显减少，结果出现了教学课时与课程内容不匹配的现象。学生要在有限的课堂时间内去学习消化更多的课程知识，结果导致了学生跟不上课堂节奏，学习效果受到很大影响。

2.授课知识内容与实际工程问题脱节

《热工基础》课程除了理论性强之外，也有很强的实践性，很多知识点与日常生活、工程实际联系比较紧密，如热机的工作效率、空调的制冷原理、暖气管道的传热问题、双层玻璃的隔热问题、蒸汽管道的散热问题等。由于课时受限，以往的授课过程中，过多的强调知识灌输，关注点聚焦在用有限的课堂时间把课程的知识点都讲解完，而忽略了实际工程问题的引入。这造成了学生对课程理解不够深入，不知道学习这门课程到底有何用处，因此对这门课程兴趣度不高。另外，过多的关注书本知识，缺少实际工程问题的引入，也造成了学生在学习过程中只对知识点死记硬背，而利用知识去分析解决实际工程问题的能力却彰显不足，这种教学方法不能促使该课程当前教学目标的达成。

3.教学手段与课程评价方式单一

《热工基础》课程理论性强，推导公式较多，为了便于学生的理解，早期教学采用板书形式，学生反馈效果还比较好，但是在一些知识点讲解上，由于缺乏相关的图片、视频动画，理解起来不直观，如流体的流态层流和湍流。新版培养方案的修订使得该课程学时大幅减少，为了能完成课程内容，授课方式转变成了PPT多媒体教学，图文并茂加深了学生对知识点的理解，但是缺少了相关公式的推导过程，在一些难以理解的知识点上，学生听起来懵懵懂懂，如稳定流动能量方程式、克劳修斯不等式等公式的推导，如何在教学过程中协调板书和多媒体教学方式之间的关系值得进行探索。另外，本门课程的考核方式采用平时作业、实验和期末考试相结合的综合评价方式，由于学生课后作业抄袭现象比较严重，所以平时作业呈现的结果往往是假象，不能反映出学生的真实学习情况，因此无法对学生的平时学习进行实时监控，授课方法得不到及时调整，使得期末考试成绩往往达不到预期，课程的教学目标也无法达成。

四、教学改革探索

根据新版培养方案规定的毕业要求，结合工程教育认证下《热工基础》课程的教学目标，本文从课程思政元素的融入、教学内容的编排重构、教学方法的转变和课程评价方式多样化等方面进行了教学改革和探索。

1.课程思政元素的融入

课程思政是利用课堂这个平台将思想引领、专业学习、技能训练有机的结合在一起，是高等院校政治思想教育工作的发展趋势，是新时代立德树人理念的创新和升华，通过潜移默化帮助学生健康成长^[4]，从而实现以人为本、素质教育和三全育人的教育目标^[5]。对于《热工基础》这门课程，在课程教学过程中很有必要融入课程思政元素，让学生意识到该课程与我们生活息息相关，认识到该课程的性质及其在专业课程体系中的重要性。该课程也有很多知识点与思政元素相关联，如通过介绍我国能源的利用问题及节能减排措施，可以培养学生树立节能环保和可持续发展的意识。通过介绍热力学两大定律的形成过程，可以培养学生“实践是检验真理唯一标准”的科学世界观以及科学探索奉献精神。这些课程思政元素的融入一方面可以端正学生的学习态度，强化学生对学习的再认识，另一方面也能激发学生对课程的学习热情。

2. 教学内容的编排重构

    针对《热工基础》课程教学课时少、授课内容多，两者不匹配问题，提出了教学内容分类编排重构的方法。为了让学生在有限的课时内真正地学好、学懂这门课程，除了采用PPT多媒体教学为主、板书为辅的授课方式外，还增加了在线课程的学习，授课方式采用线上、线下混合教学方式。对于一些热力学的基本概念、基本定律和基本定理、传热学传热方式的的介绍等常识性内容，通过录制单个知识点短视频形式并发布到学校在线开放课程平台，鼓励学生课前在线学习；对于一些理论与实践联系紧密的知识点，如热力设备的工作循环、稳态导热、传热问题、换热问题等，采用PPT多媒体教学进行课堂讲解，在讲解过程中，通过PPT图片或视频引出工程问题，引导学生分析，培养分析解决问题的能力；对于一些理论性强、推理性强的公式，如稳定流动能量方程式、克劳修斯不等式、稳态导热数学模型等相关公式的推导，采用板书形式进行课堂推导。这种将知识点进行分类编排重构的方法一方面让学生有效地利用了课前时间，提高了自主学习的能力，另一方面也让有限的课堂时间得到了合理有效的充分利用，既提高了学生的课堂参与度，也提高了学生分析解决工程问题的能力。

3.教学理念及教学方法的转变

传统的教学理念是以老师为主体，课堂上以教为主，进行知识大满贯，过多的关注老师教的效果，而学生的学习效果如何往往关注不够。现在教学理念必须转变，要以学生为中心、产出为导向，以学为主、老师为辅，让学生积极参与到教学活动中去，成为学习的主导者。教学重心由知识传输向能力培养方向转变，通过老师“活”起来，学生“动”起来，培养学生的自主学习、独立思考、分析与解决问题的能力。

课堂教学采用任务驱动、启发式教学方法，以工程问题为导向，引导学生独立思考，启发学生对问题层层分析的创新思维能力。具体教学过程如下：第一步以工程实例为背景，抛出问题引导学生去思考和自主学习；第二步与学生协商问题解决方案，采用层层递进分析方法，启发学生由浅至深去分析问题；第三步引入新课，通过第二步的深入分析引入需要掌握的知识点，以此开展对新课的学习；第四步在新课学习之后，引导学生利用新知识去解决抛出的工程问题；第五步针对课程主要知识点进行在线测验，检验学生的真实学习效果；第六步对本次课程进行总结，列举主要知识点及重点难点，加深学生对这些内容的理解，并发布作业进一步检验学生的学习效果。

本文以平壁的一维稳态导热为例简单介绍一下授课过程，首先抛出双层玻璃的导热问题，引导学生去分析双层玻璃的隔热原理，接着结合本节课知识点学习一维稳态导热问题，进而引导学生提出增大隔热效果的措施，最后将问题进行延伸，引出双层玻璃的传热问题，让学生在课堂上独立思考，完成测验，检验学生对一维稳态导热知识的掌握情况以及分析解决工程问题的能力。

4.课程评价方式多样化

传统的课程评价方式采用“课后作业+期末考试”的考核方式，课程评价方式比较单一。为了能够实时掌握学生的真实学习情况，课程的评价方式实现了多样化，强化了过程性评价，主要体现在学生平时考核方式的多样化，如采用课堂测验、课堂讨论、课堂汇报及现场答疑等课堂活动检验学生的学习情况。通过多样化的课堂活动，加强老师与学生之间的互动，活跃课堂气氛，提高学生的课堂参与度，并能及时掌握学生的学习状态。针对课堂互动环节中所反馈出来的共性问题，通过课堂集中讲解，及时解决学生在学习过程中遇到的问题。通过设置平时综合成绩构成及比重，检验学生的综合学习效果。通过提高课堂活动成绩、提高平时综合成绩所占总成绩的比重（由原来的20%提高至40%），以成绩为激励调动学生课堂学习及课堂活动参与的积极性，从而达到最终的学习改善效果，促使课程目标的达成。

五、结论

基于工程教育认证背景，本文对《热工基础》课程特点及学生情况进行了学情分析，针对当前课程教学过程中存在的主要问题进行了教学改革探索，得出了一些主要改革措施：（1）融入课程思政元素激发学生的学习热情，提高学生的学习兴趣；（2）教学内容的分类编排重构提高学生的自主学习能力、终身学习意识和课堂参与度；（3）教学模式的转变强化学生的能力目标，以工程问题为导向提高学生分析解决实际工程问题的创新思维能力。本文提出的教学改革措施有助于本课程教学目标的达成，也有利于该课程的持续改进，符合工程教育认证的要求。

[参考文献]

［1］程晶晶，徐建.面向高等工程教育专业认证档案建设的研究与实践[J].科技创新导报，2015(23)：22-23.

［2］张永进，李敏，沈香韫.基于工程教育专业认证的工科专业教学档案建设研究[J].兰台世界，2021(S1)：21-22.

［3］王有镗，郑斌，孙鹏，等.少学时热工基础课程的混合式教学方法探讨[C]. 2108 3rd International Conference on Education, Management and Systems Engineering，384-387. 

［4］王德炎，谢今.立德树人背景下高校从“思政课程”走向“课程思政”的思考[J].绵阳师范学院学报，2019，38（12）：11-15+21.

［5］王涛.基于"三全育人" 理念的高校学风建设研究[J].学校党建与思想教育，2018（15）：76-78.

Teaching Revolution and Exploration of Basic Thermal Engineering

Based on Professional Certification

NIE Shao-wu, LI Tian-xing, SU Jian-xin, LI Ju-bo

School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China

Abstract: Basic thermal engineering is the professional foundation compulsory course for the machinery design manufacturing and its automation major and mechatronics engineering major, and it palys the important position in the mechanical course system. Aiming at the course characteristics and student situations, the learning sentiments are analyzed firstly, and the teaching subjects of this course are proposed based on engineering education professional certification. Then the main problems existing in the current classroom teaching process are dissected, and some teaching revolutions and explorations are carried out finally, such as course ideological and political education, course contents, teaching method and course evaluation. By means of the teaching revolutions the students can obtain professional knowledge, at the same time the innovative thinking ability of analyzing and solving engineering problems and autonomous learning ability can be improved, and the course teaching objectives will be achieved finally.

Key words: professional certification; basic thermal engineering; teaching revolution; course objectives achieving