馬利敏 繆婷婷 尚琳琳

中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運工程學(xué)院 北京 102249

1 系統(tǒng)節(jié)能原理研討課教學(xué)改革背景

在以“學(xué)生學(xué)習(xí)為中心”的新型教學(xué)模式中，要提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和綜合素質(zhì)，需要對傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式進(jìn)行改革[1-3]。為此，本校積極推進(jìn)研討式教學(xué)課程改革探索。系統(tǒng)節(jié)能原理是我校能源動力工程專業(yè)一門重要專業(yè)課，32學(xué)時，2學(xué)分。在強(qiáng)調(diào)節(jié)能、注重環(huán)保的今天，使從事與能源開發(fā)、利用與轉(zhuǎn)化相關(guān)工作的學(xué)生掌握系統(tǒng)節(jié)能原理的精髓并能夠?qū)W以致用很有意義。系統(tǒng)節(jié)能原理是一門基礎(chǔ)理論知識與工程實踐緊密結(jié)合的課程，非常適合進(jìn)行研討式教學(xué)，于2014年獲批本校教學(xué)改革立項，開展研討式教學(xué)改革探索。

以學(xué)生為中心或主體的教學(xué)模式特點是：學(xué)生主動構(gòu)建其知識體系，開展個性化學(xué)習(xí)；課堂以研討學(xué)習(xí)為主，教學(xué)目標(biāo)是提升能力，學(xué)習(xí)評價以過程為主，教學(xué)效果考核以學(xué)生掌握情況為主[4]。因師資力量有限，無法開展大班教學(xué)小班研討，而對于每年80人的課堂完全實施以研討學(xué)習(xí)為主目前還不是很現(xiàn)實。為有效地開展以學(xué)生為中心的研討式教學(xué)，在教學(xué)實踐中使用了網(wǎng)絡(luò)課程平臺和雨課堂等網(wǎng)絡(luò)信息平臺，設(shè)計了多堂討論課，改革了成績考核方式，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的動力與興趣、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和綜合能力的教學(xué)目標(biāo)。本文將從課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式、課程研討方式以及成績考核方法4個方面介紹系統(tǒng)節(jié)能原理課程的教學(xué)改革探索。

2 課程教學(xué)目標(biāo)

本門課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握開展系統(tǒng)能量分析的熱力學(xué)原理及經(jīng)典和新興節(jié)能優(yōu)化方法，能夠?qū)W以致用，同時發(fā)展學(xué)生的自學(xué)、分析、評價、協(xié)作和表達(dá)等能力。

3 教學(xué)內(nèi)容梳理與教學(xué)模式設(shè)計

本課程將探索混合式教學(xué)模式，即力爭逐步將以教師講授為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)化為以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、通過研討解決問題為主的課程教學(xué)模式。在新的教學(xué)模式下，教師起到提綱挈領(lǐng)、穿針引線的引領(lǐng)與指導(dǎo)作用，本課程結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點選擇相適應(yīng)的教學(xué)模式。

教學(xué)內(nèi)容主要由熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、新近能量系統(tǒng)分析優(yōu)化方法介紹組成。為充分利用學(xué)時、提高學(xué)習(xí)效率，本課程與基礎(chǔ)專業(yè)課工程熱力學(xué)中熱力學(xué)第一定律、第二定律知識點的學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合。既要避免教學(xué)內(nèi)容的簡單重復(fù)，又要使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)對第一定律、第二定律有更為深刻的認(rèn)知。

3.1 熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律是工程熱力學(xué)教學(xué)重點內(nèi)容，主要講授閉口系與穩(wěn)流開口系熱力學(xué)第一定律能量方程式及應(yīng)用。在本課程中，重點讓學(xué)生通過應(yīng)用第一定律一般表達(dá)式即：“進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開系統(tǒng)能量=系統(tǒng)總儲存能變化”，能夠正確列出非穩(wěn)態(tài)熱力過程的能量方程式并對油氣儲罐中進(jìn)行的充、放氣熱力過程加以分析。同時，通過對絕熱節(jié)流、自由膨脹、絕熱混合、有溫差換熱、絕熱膨脹做功和壓縮等熱力過程的分析幫助學(xué)生對第一定律的局限性有更為深入的理解。本部分教學(xué)內(nèi)容由教師簡要介紹能量方程的一般表達(dá)式，講解如何恰當(dāng)?shù)剡x擇熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量分析，由學(xué)生結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平臺教學(xué)資源完成部分典型例題的自主學(xué)習(xí)。教師可借助網(wǎng)絡(luò)平臺和雨課堂發(fā)布測試題以及時掌握學(xué)生線下學(xué)習(xí)情況。為學(xué)生提前布置另一部分典型例題，讓學(xué)生自學(xué)解決，在隨后課堂上請學(xué)生為大家講解答疑，教師負(fù)責(zé)點評和適當(dāng)補充解釋。因熱力學(xué)第一定律學(xué)習(xí)相對簡單，可讓學(xué)生逐步了解和適應(yīng)新的教學(xué)模式及考核方式。

3.2 熱力學(xué)第二定律熵分析法

熱力學(xué)第二定律是工程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重點與難點，主要內(nèi)容為熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，包括：卡諾循環(huán)與卡諾定理、克勞修斯積分不等式、熵方程、孤立系統(tǒng)熵增原理等。在本課程中，重點講授熵方程，即“進(jìn)入系統(tǒng)的熵-離開系統(tǒng)的熵+過程熵產(chǎn)=系統(tǒng)熵變化”。通過大量練習(xí)，讓學(xué)生認(rèn)識到孤立系統(tǒng)熵增原理與熵方程的一致性：孤立系統(tǒng)熵增即熵方程中的熵產(chǎn)。而在作功能力損失方面將著重結(jié)合充放氣、絕熱混合與傳熱等典型不可逆熱力過程，讓學(xué)生體會第一定律與第二定律之間的緊密聯(lián)系、第一定律的局限以及第二定律的獨有貢獻(xiàn)。本部分教學(xué)方法與第一定律基本相同，在教師講完基本理念后，以學(xué)生自學(xué)為主，通過線上和課堂測試以及請學(xué)生講解典型例題檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與情況。對于難點，教師加以適時點撥。

3.3 熱力學(xué)第二定律?分析法

?在工程熱力學(xué)中屬于選講內(nèi)容，多為簡要介紹。而在本課程中，?分析法是授課重點也是難點，將從以下三方面進(jìn)行學(xué)習(xí)。(1)?概念及計算公式推導(dǎo)，即物理?和化學(xué)?，其中物理?又包括機(jī)械?、熱量?與冷量?、內(nèi)能?與焓?。(2)?方程：“進(jìn)入系統(tǒng)?-離開系統(tǒng)?-過程?損=系統(tǒng)?變化”。(3)過程?效率、?損失與?損系數(shù)等概念及計算公式，以及在典型熱力設(shè)備與裝置中的計算。針對教學(xué)內(nèi)容(1)，考慮到概念和公式多且抽象晦澀，將由教師重點介紹?概念提出的背景及意義，并帶領(lǐng)大家一起學(xué)習(xí)內(nèi)能?、熱量?和化學(xué)?的基本概念、物理意義和數(shù)學(xué)表達(dá)式，而焓?和冷量?的知識點則由學(xué)生結(jié)合教學(xué)資源自主學(xué)習(xí)。對于教學(xué)內(nèi)容(2)則引導(dǎo)學(xué)生與第二定律熵分析法進(jìn)行比較，對比分析熵方程與?方程的異同。針對教學(xué)內(nèi)容(3)所講基本概念由學(xué)生自學(xué)完成，由網(wǎng)絡(luò)平臺和雨課堂發(fā)布測試題，通過測試者，將開展下一階段即研討模式學(xué)習(xí)。在研討教學(xué)中，教師提出所設(shè)計的系列問題，學(xué)生分組尋求答案完成小組討論，然后開展班級交流。在本環(huán)節(jié)中，所設(shè)計的研究對象包括蒸汽動力循環(huán)裝置、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)裝置、低溫地?zé)岚l(fā)電裝置、海洋溫差能發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電與供熱裝置、蒸汽壓縮與吸收式制冷循環(huán)裝置、地源熱泵制冷制熱裝置、電動汽車熱泵空調(diào)裝置、天然氣凈化過程裝置、天然氣壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用、油田聯(lián)合站余熱利用、LNG液化過程及接收站冷能利用過程等開展?分析，確定系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備的?效率和?損失并初步給出節(jié)能構(gòu)想。

3.4 新發(fā)展起來的能量系統(tǒng)分析與優(yōu)化方法

由教師介紹能級分析法、?經(jīng)濟(jì)學(xué)、夾點技術(shù)、全生命周期分析法、能值理論等新發(fā)展起來的能量系統(tǒng)分析或優(yōu)化方法的基本理論[5,6]。由學(xué)生根據(jù)感興趣的方法查閱相關(guān)文獻(xiàn)、完成一次有關(guān)能量系統(tǒng)評價或優(yōu)化方法應(yīng)用的學(xué)習(xí)報告。學(xué)習(xí)報告的具體要求同樣在開學(xué)初即告知學(xué)生。

4 課程研討方式

課程研討以學(xué)生為主導(dǎo)，由學(xué)生完成對所選案例的學(xué)習(xí)、討論和解決。該環(huán)節(jié)主要包括任務(wù)下發(fā)、小組準(zhǔn)備、代表匯報、學(xué)生討論、課堂測試等幾個環(huán)節(jié)組成。在開課第一次課，教師就將本學(xué)期教學(xué)計劃與時間安排、研討課方式、操作方法與要求、研討課備選題目等發(fā)給學(xué)生。學(xué)生自由分組，每組學(xué)生不超過5人，需明確各自分工。各小組題目通過自由選擇和雨課堂隨機(jī)篩選等步驟為每一個小組確定不同的題目。小組學(xué)生需完成課堂和線下學(xué)習(xí)，通過測試之后，方可開始進(jìn)行小組準(zhǔn)備，這有助于幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度。學(xué)生在進(jìn)行研討前要完成課程學(xué)習(xí)、文獻(xiàn)調(diào)研、計算與分析、形成報告、制作PPT、小組內(nèi)預(yù)報告等環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備工作，課堂討論主要由小組PPT匯報、提問討論以及課堂測試組成。小組PPT匯報可由1名或2名學(xué)生完成，匯報時間10分鐘，學(xué)生提問和討論10分鐘。此環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師可適時進(jìn)行補充或強(qiáng)調(diào)。在每次討論課后，教師會根據(jù)討論課內(nèi)容發(fā)布測試題，要求學(xué)生在課堂完成，確保研討課整體學(xué)習(xí)效果。

5 成績考核方法

在以學(xué)生為中心的教學(xué)模式中，為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，成績考核方式會更傾向于以過程考核為主的方式。在課程改革中，也是采用漸進(jìn)式，逐步摸索量化科學(xué)、學(xué)生認(rèn)可的考核方法。一般課堂發(fā)言討論、作業(yè)與測試占20%，小組研討課20%，學(xué)習(xí)報告10%，期末考試50%。其中平時成績即時反饋，在考試前學(xué)生除期末考試和學(xué)習(xí)報告成績之外，其他成績已均知曉。小組研討課的成績，每名小組成員成績相同。在期末閉卷考試中，也多是側(cè)重于實際應(yīng)用的計算題，從學(xué)以致用的角度考查學(xué)生實際掌握情況。

6 結(jié)語

經(jīng)過近幾年的教學(xué)實踐，團(tuán)隊通過對平時與學(xué)生交流、分析學(xué)生課程成績、學(xué)生主觀評教結(jié)果、學(xué)生在后續(xù)本科畢業(yè)設(shè)計選題、成為本校研究生后選題及表現(xiàn)進(jìn)行了追蹤調(diào)研，證明該課程改革探索是初見成效的。學(xué)生的教學(xué)參與度增加，對工程熱力學(xué)及系統(tǒng)節(jié)能知識的興趣及實踐能力增強(qiáng)。完成自主學(xué)習(xí)、研討課和學(xué)習(xí)報告的任務(wù)雖然讓學(xué)生感受到壓力，但隨之而來的成長也讓學(xué)生逐步喜歡研討式教學(xué)方式。總之，通過嘗試研討課等多種形式的教學(xué)模式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)揮主體作用，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的綜合能力，初步達(dá)到了既定的教學(xué)探索目標(biāo)，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變還有更多探索與實踐有待開展。