韓新月 王謙 吉恒松 馮永強

摘? 要：工程熱力學是能源動力類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在新工科建設(shè)的背景下，一流本科建設(shè)對工程熱力學的教學提出了新要求。分析了新工科背景下工程熱力學課程教學現(xiàn)狀及問題，從建設(shè)“金課”培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才目標出發(fā)，探究了對工程熱力學課程進行混合式“金課”建設(shè)的教學改革，從優(yōu)化課程內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式、強化教學實踐平臺建設(shè)、完善課程考核方式等方面進行改革和創(chuàng)新。堅持“以學生為中心”的教學理念提升教學質(zhì)量，全力打造具有“兩性一度”的工程熱力學混合式“金課”，全面提升學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科? 金課? 工程熱力學? 線上線下結(jié)合

中圖分類號：G642、TB131? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0217-05

Abstract： Engineering Thermodynamics course is an important professional basic course for energy and power majors. Under the background of new engineering， the teaching mode of Engineering Thermodynamics course needs to be improved when construction of first-class undergraduate. In this paper， the current situation and problems of the Engineering Thermodynamics course is discussed. Aiming to foster diversity and innovative excellent engineering talents based on the construction of "golden course"， we propose and design the blended online and offline teaching model of Engineering Thermodynamics golden course. The details include optimization of course contents， innovation of teaching mode， strengthening the construction of teaching practice platform， improvement the evaluation mode of course and so on. The developed Engineering Thermodynamics golden course adheres to the "student-centered" and it can improve the learning effect. And it is also useful to realize the high order， innovation and challenge characteristics of the Engineering Thermodynamics golden course. This will improve the engineering practice ability and innovation ability of the students.

Key Words： New engineering; Golden course; Engineering thermodynamics; Blended online and offline

“新工科”這一詞自2016年提出，在不到一年的時間里，先后形成“復(fù)旦共識”、“天大行動”、“北京指南”。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。而課程教學是人才培養(yǎng)的載體，課程教學改革是多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)模式建設(shè)不可或缺的[1]。2018年6月，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上首次提出淘汰“水課”，打造“金課”。隨后，教育部高教司吳巖司長在第11屆中國大學教學論壇上進一步指出“金課”應(yīng)當具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，也就是“兩性一度”[2]?！敖鹫n”已成為各大高校每門本科課程的建設(shè)目標，尤其是在新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才更需要“金課”作為基礎(chǔ)[3-4]。

工程熱力學是能源動力類專業(yè)以及建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程等相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系中起到了承上（基礎(chǔ)課）啟下（專業(yè)課）的作用。工程熱力學是熱力學最先發(fā)展的一個分支，主要研究熱能與機械能或其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及應(yīng)用。通過本課程的學習，學生可以科學地理解和掌握熱力學基本原理和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，并掌握工程熱力學分析問題的方法與手段，能應(yīng)用工程熱力學知識對能源利用工程中涉及的熱力過程及熱力循環(huán)進行正確的分析與計算，為后續(xù)的專業(yè)課程學習以及將來從事熱能利用、熱設(shè)計與熱管理等方面的專業(yè)技術(shù)工作奠定必要的理論基礎(chǔ)。我校以一流本科建設(shè)為契機，不斷加大工程熱力學課程建設(shè)和應(yīng)用推廣力度，致力打造線上線下混合式 “金課”，推動工程熱力學課程教學改革，不斷提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1? 工程熱力學課程教學現(xiàn)狀及問題

隨著互聯(lián)網(wǎng)+教育技術(shù)的快速發(fā)展，新工科建設(shè)背景下對工程熱力學課程的教學提出了新的要求[5]，而目前工程熱力學課程的教學現(xiàn)狀及存在問題主要包括：（1）教學內(nèi)容不夠“引人入勝”。目前，工程熱力學的教材內(nèi)容局限于傳統(tǒng)的理論框架中，雖然內(nèi)容很完整、全面，但是沒有引入一些生活、生產(chǎn)中常見的案例，使之更接地氣，也沒有及時捕捉工程熱力學相關(guān)的科技前沿知識和工程熱物理相關(guān)交叉學科信息，不能很好地激發(fā)學生的學習興趣和熱情。（2）教學模式和教學方法不夠“新”。目前，工程熱力學大多還是采用傳統(tǒng)的課堂教學模式，也就是任課教師站在講臺上通過黑板或者多媒體等手段向?qū)W生講授工程熱力學的相關(guān)知識點，學生坐在自己的座位上被動接受學習。這種教學模式和教學方法缺乏“互動嵌入式教學”，沒有充分體現(xiàn)“以學生為中心”的教學理念，不利于激發(fā)學生的學習興趣，而且教學內(nèi)容重理論輕實踐，學的知識與社會生產(chǎn)實際需求不匹配，無法達到培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程人才的目的。（3）課程教學效果評價標準不全面。目前，工程熱力學大多采用的還是“分數(shù)評價體系”，即主要以最終的閉卷考試成績來作為該課程的最終考核成績，過程性評價和實踐教學環(huán)節(jié)所占比例很小。這種評價方式忽視了學生運用工程熱力學知識去分析、解決問題能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高，也不能體現(xiàn)新工科背景下人才的培養(yǎng)目標。（4）現(xiàn)有MOOC課程教學視頻中基礎(chǔ)理論的講解過于抽象，學生線上學習興趣不高，對相關(guān)知識點理解不透徹、不充分;學生欠缺把工程熱力學理論知識與復(fù)雜工程實踐有機結(jié)合的能力，學完這門課還是不會解決實際工程問題;雙語MOOC課程的缺乏制約了外國留學生教育的發(fā)展。所以繼續(xù)更新和優(yōu)化工程熱力學MOOC學習資源是大勢所趨。

2? 工程熱力學“金課”建設(shè)探索

基于上面總結(jié)的工程熱力學課程的教學現(xiàn)狀及問題，在新工科建設(shè)背景下，我校工程熱力學課題組圍繞“金課”對學生培養(yǎng)、課程內(nèi)容、教學形式和學習效果評價等的具體要求，從教學內(nèi)容優(yōu)化、教學模式創(chuàng)新、教學實踐平臺建設(shè)強化、課程考核方式完善等方面進行了相關(guān)探索研究。

2.1 優(yōu)化整合教學內(nèi)容

工程熱力學教學內(nèi)容的優(yōu)化要體現(xiàn)前沿性和學科交叉性。當今環(huán)保、新能源、信息技術(shù)、生物工程等高新技術(shù)領(lǐng)域的許多研究進展都直接或間接地建立在工程熱力學相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，這些領(lǐng)域衍生的一些新興研究方向也都與工程熱力學有著不可分割的聯(lián)系。而新工科建設(shè)明確了“問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)、問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，問學生志趣變方法”，因此，工程熱力學的教學內(nèi)容要進一步與這些新興研究方向交叉融合，構(gòu)建具有高階性的工程熱力學“金課”教學內(nèi)容。這一目標的實現(xiàn)可以通過編排形象化的案例用于教學過程來實現(xiàn)。案例的選擇和編排我們可以借鑒國外的教材，比如美國內(nèi)華達大學機械工程系尤努斯A.切蓋爾（Yunus A. Cengel）和北卡羅來納大學機械和航天工程系的邁克爾A.博爾斯（Michael A. Boles）所編著的《工程熱力學》（Thermodynamics： An Engineering Approach）[6]，他們在最新版本的教材中引入的案例不僅包含氣候變化、新能源開發(fā)利用（太陽能、風能等）等新興研究方向的熱力學案例，還引入大量生產(chǎn)生活中常見的案例來形象地解釋熱力學基本概念和基本定律，比如通過門窗緊閉的房間可以用空調(diào)降溫而不能用電冰箱降溫來說明熱力學第一定律第一解析式-閉口系統(tǒng)的能量方程的應(yīng)用。這種案例的引入不僅可以提高學生學習工程熱力學的興趣，還有助于培養(yǎng)學生獨立思考、勇于創(chuàng)新的能力，讓他們很好地意識到學到的工程熱力學知識是可以解決實際問題的，培養(yǎng)學生終身學習的意識。

2.2 創(chuàng)新教學模式

目前，“金課”采用的教學模式主要包括：線上模式、線下模式、線上線下混合模式、開展虛擬仿真模式以及注重社會實踐模式[7]。考慮我校工程熱力學課程情況、學生情況、師資情況以及課程前期教改情況等，此次工程熱力學“金課”建設(shè)采取的是線上線下混合教學模式。線上線下混合教學模式最大的特點是從以“教”為中心向以“學”為中心轉(zhuǎn)變，把現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學深度融合，改變學生的學習模式，激發(fā)學生學習的積極性，從而改變傳統(tǒng)課堂教學過程中學生被動聽課，師生互動不足的問題，提升教學效果。本校工程熱力學混合教學模式包括在線開放平臺網(wǎng)上教學和翻轉(zhuǎn)課堂教學。在線開放平臺網(wǎng)上教學屬于線上教學，翻轉(zhuǎn)課堂屬于線下教學。為了建設(shè)工程熱力學混合式“金課”教學模式，基于工程熱力學課程團隊編寫的教材，我們根據(jù)每章的教學重點、難點收集與這些教學知識點有關(guān)的生活、生產(chǎn)中的相關(guān)問題，轉(zhuǎn)化為便于理論解決的科學問題，包括對課程知識點內(nèi)容理解有幫助的“趣味性”的科研成果和參考書上的好例子，整合教學資源，按照每個實例遵循問題提出-理論講解-結(jié)果分析-問題解釋的布局來組織編排知識點視頻內(nèi)容。然后，利用圖像、動畫和文字等教學手段向?qū)W生們展示各知識點，錄制融入案例的知識點視頻，視頻時長一般控制在15min以內(nèi)，將每一個知識點視頻打造成精品。這樣學生可以利用零碎時間隨時隨地觀看和學習開放平臺上我們精心制作的知識點視頻，使學生能夠掌握工程熱力學的基本概念和理論，實現(xiàn)對課程的提前預(yù)習、反復(fù)學習課程中的重、難點。選用這些日常生活、工程實際及科研中的案例，用形象生動、通俗易懂的語言引入知識點，開展形象化教學，提高學生線上學習興趣和學習效果，夯實工程熱力學理論基礎(chǔ)。

工程熱力學課程是以熱力學第一定律和熱力學第二定律為研究基礎(chǔ)的，概念晦澀難懂、計算過程復(fù)雜，很難掌握定律的核心內(nèi)容及其具體分析應(yīng)用。工程熱力學課程不論在什么年代，學生在初次學習這門課時都不會感到輕松，定律背后闡釋的物理意義以及在實際熱工設(shè)備上的應(yīng)用都是需要花費時間和精力鉆研的。因此，工程熱力學課程并不適合全線上模式教學，任課教師應(yīng)當充分通過翻轉(zhuǎn)課堂強化與學生的交流和互動，注重聽取學生在自學過程中遇到的各種問題，針對學生提出的問題進行重點講解。另外，發(fā)揮校企聯(lián)合培養(yǎng)人才的優(yōu)勢與特色，任課教師深入企業(yè)學習，參與企業(yè)的實踐培訓，與企業(yè)深入探討工程案例的設(shè)計方案，收集和整理工程案例，最終構(gòu)建符合工程實際的真實、典型的工程案例習題庫。利用翻轉(zhuǎn)課堂，對學生進行分組（每組4～5人），然后分配工程案例，以組為單位進行工程案例設(shè)計，讓學生自己走上講臺講述案例的解析過程，任課教師和其他組學生一起互動點評，培養(yǎng)學生的工程意識和協(xié)作、溝通能力以及將工程熱力學理論知識與復(fù)雜工程實踐有機結(jié)合的能力。

工程熱力學線上線下混合式“金課”教學模式建設(shè)的另外一個重要環(huán)節(jié)是如何檢驗學生的學習效果和質(zhì)量。其實，我們在在線開放平臺不僅上傳了我們精心錄制的知識點視頻、課件及教案，還發(fā)布了緊扣知識點的隨堂測驗題、單元測驗題、單元作業(yè)題以及相關(guān)的討論題。學生觀看完知識點視頻，可以通過完成隨堂測試題、單元測驗題和單元作業(yè)題來檢驗自己對知識點的掌握程度，另外任課教師也可以通過平臺反饋的學生測試環(huán)節(jié)分數(shù)來考察學生的學習情況。此外，學生還可以通過線上平臺的答疑區(qū)、討論區(qū)和任課教師積極、實時互動，及時解決學生學習過程中的困惑，提高學生學習這門課的效果。

2.3 強化建設(shè)教學實踐平臺

工科學生將來不管是從事研發(fā)工作，還是從事工程設(shè)計工作，它們都是偏重于實際應(yīng)用的。也就是說，學生對工程熱力學知識的需求主要還是圖其“用”。而課程教學實踐平臺一直都是調(diào)動學生學習積極性、培養(yǎng)和提高學生動手能力及操作技能的有力保障。本校能源與動力工程學院始終扎實推進“本科教學質(zhì)量與教學改革工程”，鼓勵任課教師進行教學改革，每年從“能源與動力工程江蘇高校品牌專業(yè)”、“動力工程及工程熱物理江蘇省優(yōu)勢學科”、“國家級實驗教學示范中心”等建設(shè)項目中劃撥?？钤O(shè)立工程熱力學教學改革專項基金;學院高度重視工程熱力學國家級精品在線開放課程的培育工作，先后出臺了多項相關(guān)政策在人員配備、實驗用房、經(jīng)費投入、制度保障等方面給予支持。本校工程熱力學教學團隊以《新工科研究與實踐項目指南》為指導，從產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，依托能源與動力工程學院中心實驗室（國家級實驗教學示范中心），以學科平臺為陣地，構(gòu)建工程熱力學創(chuàng)新實驗平臺。將“來自于工程實際的創(chuàng)新，服務(wù)于工程實際的能力”的思路貫穿于實驗教學過程中，鼓勵學生根據(jù)科研興趣跨學科、跨專業(yè)地開展創(chuàng)新實驗，激勵學生自發(fā)性地進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過構(gòu)建工程熱力學創(chuàng)新實驗平臺，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提升學生解決復(fù)雜工程問題能力。該創(chuàng)新實驗平臺將原來工程熱力學課內(nèi)實驗中針對簡單知識點、過程按部就班、評價方式籠統(tǒng)單一的驗證性實驗學時占比大幅縮減，增加了綜合性實驗，綜合性實驗學時占核心課實驗總學時的75%，每個實驗8h以上，加大過程性考核分數(shù)。

比如，為了解決氣化燃氣制備本科實驗教學中存在難以克服的核心問題，我們團隊設(shè)計了虛擬仿真實驗，該實驗以燃氣制備工業(yè)生產(chǎn)過程為對象，按照課程和實驗大綱要求，依托團隊課題的科研成果，采用可視化技術(shù)和信息化技術(shù)，聚焦學為中心，突出能力培養(yǎng)，構(gòu)建了高仿真度的氣化燃氣制備工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，開發(fā)燃氣制備過程參數(shù)控制與目標反演虛擬仿真實驗。通過“虛”“實”結(jié)合，將氣化內(nèi)部熱力過程與外部參數(shù)控制相關(guān)聯(lián)，豐富和拓展了實驗內(nèi)容;將最新科研成果融入實驗過程，達到最新技術(shù)的同步性;通過設(shè)計基于生物質(zhì)氣化目標的反演參數(shù)方案實驗?zāi)K，實現(xiàn)學生探究性學習，激發(fā)學生專業(yè)興趣。

2.4 完善課程考核方式

在工程熱力學混合式“金課”建設(shè)課程考核中，采取的是多元化過程性考核和期末總評考核相結(jié)合的方式。多元化過程性考核包括線上的視頻觀看時長和次數(shù)、單元測驗、單元作業(yè)、線上討論活躍度等以及翻轉(zhuǎn)課堂中的出勤情況、課堂參與度、案例分析的深度和廣度等。此外，過程性評價還包括學生利用創(chuàng)新實驗平臺的有效性及取得的創(chuàng)新型成果等。完善課程考核方式可以激發(fā)學生的學習動力和專業(yè)志趣，加強對學生課堂內(nèi)外、線上線下學習的評價，提升課程學習的廣度。加強研究型、項目式學習，豐富探究式、論文式、報告答辯式等作業(yè)評價方式，提升課程學習的深度。加強非標準化、綜合性等評價，提升課程學習的挑戰(zhàn)性。

3? 結(jié)語

工程改變世界，科技創(chuàng)造未來，新工科必須把培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才擺在更加突出的戰(zhàn)略位置。工程熱力學混合式“金課”建設(shè)探索是實現(xiàn)新工科背景下人才培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)和保障。在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)+時代，工程熱力學課程應(yīng)當結(jié)合自身特點，優(yōu)化課程內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式、強化教學實踐平臺建設(shè)、完善課程考核方式，最終打造出具有“兩性一度”的工程熱力學混合式“金課”，提升學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力，為實現(xiàn)“中國夢”提供人才保障。

參考文獻

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