車碧軒，李小康，黃敏超

（國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

引言

習(xí)近平總書記指出：“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強國，是我們不懈追求的航天夢?！保?］航天作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，長期以來一直對經(jīng)濟民生、產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用。隨著航天產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，其對高素質(zhì)航天工程人才展現(xiàn)出巨大需求?！肮こ虩崃W(xué)”作為航空航天、能源動力等領(lǐng)域的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是深入學(xué)習(xí)飛行器動力、航空航天工程、飛行器設(shè)計等航天特色專業(yè)的基礎(chǔ)，其課程的教學(xué)效果直接影響學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)熱情和效果。經(jīng)過二十余年的建設(shè)，我?！肮こ虩崃W(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷完善，取得了顯著成效，已經(jīng)形成了以高水平特色自編教材、高素質(zhì)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊、高標(biāo)準(zhǔn)綜合熱工教學(xué)實驗室為代表的一大批先進(jìn)教學(xué)成果和必備教學(xué)條件。面對航天技術(shù)產(chǎn)業(yè)對工程人才所提出的新需求，“工程熱力學(xué)”課程在以下幾方面有待完善：（1）傳統(tǒng)的“工程熱力學(xué)”講授與分析的對象大多是圍繞蒸汽輪機、內(nèi)燃機等地面工作的熱力機械，而航天領(lǐng)域用到的動力機械，如火箭發(fā)動機，雖然遵循同樣的熱力學(xué)基本規(guī)律，但是使用要求和工作特點不同。（2）目前課程以課堂為主，結(jié)合實物開展實驗教學(xué)，沒有充分利用MOOC、VR 虛擬現(xiàn)實等信息化教學(xué)手段，距離線上線下混合式一流課程還有一定的提升空間。（3）課程主要按照“教師授課—學(xué)生聽講”的模式開展，無法充分拓展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。因此，在已有課程的基礎(chǔ)上，圍繞航天特色重塑課程內(nèi)容，開展線上線下混合教學(xué)模式探索，充分拓展傳統(tǒng)“工程熱力學(xué)”教學(xué)的時間和空間維度，提高教學(xué)效果，對培養(yǎng)航空航天類專業(yè)人才具有重要的現(xiàn)實意義。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“工程熱力學(xué)”是一門從工程技術(shù)的角度出發(fā)，研究熱能和機械能的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律及熱能有效利用的科學(xué)，是能源和機械動力領(lǐng)域培養(yǎng)合格工程師的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。以國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等為代表的高等國防院校，在開設(shè)航天相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課程之前，均將“工程熱力學(xué)”作為必修課程。

1.在教學(xué)內(nèi)容的安排上，以沈維道、童鈞耕等編寫的《工程熱力學(xué)》為例，該教材將教學(xué)內(nèi)容劃分為基本理論和工程應(yīng)用兩部分?；纠碚摬糠种饕v授熱力學(xué)的基本概念、基本定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、熱力過程等內(nèi)容；在工程應(yīng)用等部分，主要介紹氣體與蒸汽的流動、壓氣機的熱力過程、氣體動力循環(huán)、蒸汽動力裝置循環(huán)、制冷循環(huán)等內(nèi)容［2］。美國俄亥俄州立大學(xué)的Moran等人編寫的教材Fundamentals of Engineering Thermodynamics，在介紹了熱力學(xué)基本定律、基本過程、工質(zhì)的熱力性質(zhì)的同時，穿插介紹了各類熱力循環(huán)和內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C等熱能轉(zhuǎn)化利用裝置［3］。綜合國內(nèi)外已有的各類教材來看，傳統(tǒng)的“工程熱力學(xué)”課程主要圍繞生產(chǎn)生活中常見的各類熱能轉(zhuǎn)化利用裝置（如活塞發(fā)動機、燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機等）開展教學(xué)，其所涉及的工質(zhì)（如水蒸氣）也比較常見。而航天技術(shù)所涉及的熱能轉(zhuǎn)換裝置，如拉瓦爾噴管等，其熱力循環(huán)過程與常見熱機之間存在一定的區(qū)別，所采用的工質(zhì)往往處于超低、高溫、超高壓，甚至超臨界等非常見狀態(tài)，其相關(guān)知識在傳統(tǒng)的“工程熱力學(xué)”課程內(nèi)容中一般少有涉及。

2.在教學(xué)方法的創(chuàng)新上，針對工程熱力學(xué)知識概念較多、理解記憶難度較大、課程內(nèi)容相對枯燥等特點，國內(nèi)各大高校分別從課堂、實驗、思想政治教育等方面切入，積極探索教學(xué)改革創(chuàng)新。譬如，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過情景引入和虛擬仿真實驗等手段，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［4］；在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，用綜合性、設(shè)計性實驗代替演示和驗證性實驗，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力［5］；在理論知識的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)融合思政元素實現(xiàn)立德樹人，以提高教學(xué)效果［6］。以上教學(xué)方法的創(chuàng)新，對于進(jìn)一步提高“工程熱力學(xué)”課程的教學(xué)效果具有很好的參考價值。此外，在有限的學(xué)時內(nèi)，既要保證“工程熱力學(xué)”課程的教學(xué)效果，又要突出航天技術(shù)的特色內(nèi)容，因此需要在時間和空間上對課堂進(jìn)行拓展。近年來，興起的大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（MOOC）具有課程資源豐富、形式多樣、學(xué)習(xí)無空間或時間限制等優(yōu)點，哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)合MOOC開展了“工程熱力學(xué)”線上線下混合教學(xué)模式的探索，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，緩解部分學(xué)生對研究型教學(xué)模式的不適應(yīng)［7］。

二、線上線下混合教學(xué)模式改革的關(guān)鍵問題

作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，“工程熱力學(xué)”不僅要讓學(xué)生深入理解并熟練掌握熱力學(xué)的理論知識，還要充分培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新思維能力。課程內(nèi)容既包含抽象的基本概念和定律，又包含對實際問題的具體分析，具有概念術(shù)語多、公式計算多、科學(xué)抽象多、工程背景強等特點，普遍存在抽象概念難以理解、知識體系難以把握、理論聯(lián)系實際能力不足、難以做到舉一反三等教學(xué)難點。針對以上課程內(nèi)容和教學(xué)難點，開展課程與教學(xué)改革，需要重點解決以下四個問題：（1）如何構(gòu)建專業(yè)特色突出、內(nèi)容輻射廣泛的課程資源體系，充分滿足航空宇航與力學(xué)及其他相關(guān)專業(yè)學(xué)科對教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)性和差異性需求。（2）如何用先進(jìn)的教學(xué)方法和信息化教學(xué)手段，增強師生互動，激發(fā)學(xué)生興趣，實現(xiàn)理論教學(xué)提質(zhì)增效。（3）如何進(jìn)一步挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)收益，強化理論認(rèn)識，同時又培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和理論聯(lián)系實際的能力。（4）如何通過創(chuàng)新實踐項目實現(xiàn)對學(xué)生高階能力的培養(yǎng)，提升其團(tuán)隊協(xié)作、知識統(tǒng)籌和創(chuàng)新思維的能力。

三、教學(xué)改革成效

“工程熱力學(xué)”一直是我校航空宇航與力學(xué)方向的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。經(jīng)過多年的積累，目前已擁有了以高標(biāo)準(zhǔn)宇航熱物理教學(xué)實驗室、高水平特色自編教材、高素質(zhì)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊為代表的優(yōu)越教學(xué)條件。授課對象由航空宇航與力學(xué)拓展至核工程、數(shù)學(xué)、機械等多個學(xué)科，順利完成了近萬名本科生的培養(yǎng)工作，指導(dǎo)學(xué)生在各類全國性創(chuàng)新競賽中屢獲佳績，教學(xué)效益顯著。

1.在課程建設(shè)方面，目前出版了四部教材，即《工程熱力學(xué)》《熱工實驗教程》《航天熱能工程》《工程熱力學(xué)典型題解與實戰(zhàn)模擬》，初步形成了航天特色突出、理論實踐并重的自編教材體系。教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩個部分，前者主要包含熱力學(xué)基本概念和定義、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)，后者主要包含流動過程熱力學(xué)分析、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)、空天動力循環(huán)過程的熱力學(xué)分析等，初步構(gòu)建了“基礎(chǔ)理論+工程應(yīng)用”的模塊化課程知識單元，可根據(jù)專業(yè)需求定制教學(xué)內(nèi)容；建成了液體火箭發(fā)動機、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機等多種典型熱機數(shù)字樣機，可以有效支撐案例教學(xué)的開展；完成了MOOC資源準(zhǔn)備工作，下一步將在我軍內(nèi)外平臺同步推出線上課程。

2.在實驗條件方面，目前已建成國內(nèi)一流的宇航熱物理教學(xué)實驗室，占地面積400 m2，擁有以氣體定壓比熱測定實驗、空氣濕度測定實驗為代表的多種基礎(chǔ)熱工實驗設(shè)備，以及數(shù)十種以太陽能光熱推力器為代表的前沿?zé)峁嶒炑b置，有效支撐了由基礎(chǔ)性到綜合創(chuàng)新性的多層次實驗教學(xué)。實驗室面向全校開放，并提供了技術(shù)指導(dǎo)，在創(chuàng)新實踐、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計等方面發(fā)揮了重要的推動作用。

3.在教學(xué)方法的應(yīng)用方面，理論教學(xué)靈活采用研討式、案例式等多種教學(xué)方法，強化學(xué)生的中心主體地位；借助數(shù)字樣機、自制教具等手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；結(jié)合雨課堂平臺開展線上線下混合式教學(xué)，發(fā)布課程錄像和微課視頻，強化師生互動，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在實驗教學(xué)中引入“計劃—實施—評價—改進(jìn)”的全流程管理體系，提高學(xué)生的參與度；在傳統(tǒng)熱工實驗項目的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科前沿開展綜合設(shè)計性實驗，開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)其科研興趣。圍繞課程內(nèi)容，開展項目式大作業(yè)，指導(dǎo)學(xué)生參與相關(guān)科研課題和全國性創(chuàng)新競賽，通過競賽牽引知識學(xué)習(xí)，充分鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作、知識統(tǒng)籌與創(chuàng)新實踐能力。

經(jīng)過多年的改革探索，“工程熱力學(xué)”已成為理論體系完善、實踐特色鮮明、教學(xué)成果顯著的專業(yè)基礎(chǔ)課程，獲得學(xué)生和校內(nèi)專家的一致好評。課程多次獲得校級優(yōu)秀評價，授課教師獲得校級教學(xué)質(zhì)量獎和“教學(xué)能手”稱號近10 項，圍繞課程建設(shè)發(fā)表教學(xué)論文10 余篇，承擔(dān)教改課題2 項，獲校級教學(xué)成果二等獎和院級教學(xué)成果二等獎各1 項。依托課程資源指導(dǎo)學(xué)生參加全國性創(chuàng)新競賽，獲全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽三等獎1項，未來飛行器設(shè)計大賽一等獎1項、二等獎2項，全國大學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計大賽一等獎、二等獎各1項；組織承辦節(jié)能減排大賽校賽，并獲得優(yōu)秀組織獎。

四、改革實施方案

開展航天專業(yè)特色的“工程熱力學(xué)”線上線下混合式教學(xué)改革，需要從教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)計與建設(shè)、教學(xué)方法、綜合實踐體系等方面展開研究，解決教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)掛靠不緊密、線上與線下教學(xué)手段沒有充分融合等問題，最終形成航天特色突出、教學(xué)效果顯著的線上線下混合教學(xué)模式，實施方案見圖1。

圖1 線上線下混合教學(xué)模式的實施方案

1.重塑航天特色突出的課程內(nèi)容?！肮こ虩崃W(xué)”內(nèi)容豐富、概念眾多，具有鮮明的實踐特色，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容常常圍繞內(nèi)燃機、蒸汽機等常見熱機展開。作為航天相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，目前對于航天領(lǐng)域所涉及的各類火箭發(fā)動機、高溫燃?xì)?、低溫推進(jìn)劑的分析和討論較少，導(dǎo)致學(xué)生對工程熱力學(xué)知識在航天領(lǐng)域的實際應(yīng)用認(rèn)識不足，因此在后續(xù)的專業(yè)課程上出現(xiàn)了面對熱力學(xué)問題似曾相識、知識運用困難等情況。針對以上學(xué)情特點，需要緊貼航天領(lǐng)域的特色背景與實際需求，以火箭發(fā)動機主要部件及整機的工作特性、火箭發(fā)動機常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)為主要抓手，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，并構(gòu)建生動豐富、特色鮮明的教學(xué)案例庫，從而使學(xué)生在深度理解熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)等經(jīng)典內(nèi)容的基礎(chǔ)上，熟悉熱力學(xué)知識在航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用。在緊扣航天專業(yè)特色、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的同時，結(jié)合我國近年來在航天領(lǐng)域的最新成就，培養(yǎng)學(xué)生熱愛航天、鉆研航天的價值追求。

在基礎(chǔ)理論部分注重梳理知識結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生建立明確的知識脈絡(luò)體系，強化學(xué)生對熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)等基礎(chǔ)理論的認(rèn)識；在工程應(yīng)用部分，基于拉瓦爾噴管、噴注器、渦輪泵等航天領(lǐng)域典型的熱能轉(zhuǎn)化利用裝置，建設(shè)航天特色突出的教學(xué)案例庫，依托教學(xué)案例開展典型熱力過程和熱力循環(huán)的互動教學(xué)，幫助學(xué)生熟悉航天工程技術(shù)的特點，掌握對實際問題的分析處理方法；在工質(zhì)類型和狀態(tài)參數(shù)的選擇上，緊貼航天應(yīng)用實際，設(shè)計案例對象參數(shù)，凝練熱力學(xué)知識理論原理，突出超低、高溫、超高壓、超臨界等航天工程領(lǐng)域特有工質(zhì)狀態(tài)的相關(guān)內(nèi)容；在理論知識的基礎(chǔ)上，緊貼時事熱點和發(fā)展歷史，融入課程思政元素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹立正確的價值取向。

2.打造“時間-空間”雙向拓展的多維度課堂。傳統(tǒng)線下教學(xué)模式的課時相對有限，手段較為單一，為了保證對“工程熱力學(xué)”經(jīng)典內(nèi)容和航天特色內(nèi)容的教學(xué)效果，需要開展線上線下混合式教學(xué)設(shè)計，充分拓展教學(xué)的時間和空間維度。在時間維度上，圍繞課前、課中、課后等環(huán)節(jié)，開展課前線上預(yù)習(xí)、課中線上互動、課后線上研討、線下重點和難點講解、線下綜合實踐訓(xùn)練等；在空間維度上，合理設(shè)置線上及線下課堂對應(yīng)的具體環(huán)節(jié)和內(nèi)容，構(gòu)筑“時間-空間”雙向拓展的多維度課堂。對于背景知識、基本概念和原理，如熱力學(xué)發(fā)展歷史、熱力學(xué)系統(tǒng)分類等知識點，主要依托線上MOOC課程進(jìn)行；線下課堂則主要突出重點和難點的講解，以及案例剖析和研討，如熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵、開口系統(tǒng)熵方程等，通過合理安排，可以大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，充分提升學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力。

在拓展重塑教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，依托當(dāng)前的教學(xué)資源，開展線上MOOC課程資源建設(shè)，并在教學(xué)改革的過程中不斷迭代、更新MOOC的教學(xué)內(nèi)容，充分利用線上教學(xué)平臺的靈活性和個性化特點，拓展課堂教學(xué)的時間維度和空間維度；線上內(nèi)容主要圍繞背景知識、基本概念原理、拓展知識、重點和難點等進(jìn)行建設(shè)，充分利用線上教學(xué)平臺的靈活性，幫助學(xué)習(xí)進(jìn)度慢的學(xué)生消化吸收基礎(chǔ)知識，幫助學(xué)習(xí)進(jìn)度快的學(xué)生拓展知識維度；構(gòu)建虛擬仿真小程序和知識點微課短視頻，并依托線上平臺發(fā)布，利用學(xué)生的零散時間開展自主學(xué)習(xí)；利用線上教育平臺輔助線下教學(xué)實施，開展作業(yè)發(fā)布、學(xué)情分析、互動答疑等工作，強化課堂的教學(xué)效果。

3.構(gòu)建虛實結(jié)合的正反饋式教學(xué)方法。“工程熱力學(xué)”的知識點在涉及理論知識部分時抽象難懂，在涉及工程實際時又煩瑣復(fù)雜。從往屆學(xué)生的問卷調(diào)查、平時作業(yè)和期末考試結(jié)果等來看，課程內(nèi)容的理論知識與工程實際相結(jié)合的環(huán)節(jié)往往是學(xué)生最難掌握的部分。針對這一學(xué)習(xí)難點，依托我校航天方向的特色基礎(chǔ)，在線上線下各個教學(xué)環(huán)節(jié)通過微課短視頻、VR虛擬現(xiàn)實等信息化方法，結(jié)合模型組裝、實物演示、實驗實踐等手段，充分開展虛實結(jié)合的教學(xué)實踐。在教學(xué)過程中，通過虛擬現(xiàn)實等技術(shù)快速演示復(fù)雜的熱機工作原理，再通過實物實驗使學(xué)生獲得真實且直接的印象，熟悉相關(guān)實驗設(shè)備，掌握實驗技能。同時，通過實驗數(shù)據(jù)的處理與分析，將現(xiàn)象回歸到理論，將感受沉淀為知識，形成有效的正反饋。通過多種教學(xué)手段的有機結(jié)合，使深奧、抽象的專業(yè)知識變得清晰、直觀，便于學(xué)生理解消化和牢固掌握。

課堂教學(xué)內(nèi)容突出重點和難點的講解，以及案例剖析和研討，如熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵、開口系統(tǒng)熵方程等。通過短視頻、三維模型、數(shù)值仿真程序等手段，打造生動、有趣的多媒體課件；采用翻轉(zhuǎn)課堂、研討式教學(xué)等課堂組織方式強化學(xué)生的中心地位，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)其批判和創(chuàng)新意識；利用虛擬現(xiàn)實等信息化教學(xué)方法提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的沉浸度和參與感；創(chuàng)新教具設(shè)計，借助模型組裝、實物演示等手段，將抽象問題具象化，幫助學(xué)生深入理解；將傳統(tǒng)演示、驗證實驗改革為綜合設(shè)計性實驗，充分鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

4.推動以創(chuàng)造力培養(yǎng)為目標(biāo)的多層次綜合實踐。擬引入自主管理的項目式教學(xué)，并以參加創(chuàng)新性學(xué)科競賽為拔尖手段，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力為目標(biāo)的多層次綜合實踐教學(xué)。項目式教學(xué)以學(xué)生為主體，以教師為引導(dǎo)者，從開題、研究到結(jié)題的過程中，人人都是負(fù)責(zé)人，人人都是研究者，通過自行選擇課題、線上線下討論、科研結(jié)果整理等，為學(xué)生創(chuàng)建一個充分發(fā)揮自身創(chuàng)造力、研究氛圍濃厚的環(huán)境和平臺，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)、解決熱力學(xué)問題的精神內(nèi)核和求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。同時，通過從中擇優(yōu)選拔，輔導(dǎo)參與大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽，以及國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽等校級、國家級、國際級的創(chuàng)新性學(xué)科競賽，為不同層次的學(xué)生提供更多的發(fā)展空間，進(jìn)一步提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)造能力。

結(jié)語

“工程熱力學(xué)”作為工科院校航空航天、能源動力等領(lǐng)域的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，支撐作用明顯。但是如何與航天類專業(yè)做到緊密結(jié)合，特別是如何充分利用信息化手段形成線上線下混合教學(xué)模式，在做好知識傳授的同時，拓展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，尚待探索。本文圍繞航天專業(yè)“工程熱力學(xué)”的線上線下混合式教學(xué)改革，在對比國內(nèi)外相關(guān)教學(xué)改革情況的基礎(chǔ)上，針對課程內(nèi)容特點和專業(yè)發(fā)展趨勢，分析總結(jié)了開展課程教學(xué)改革的關(guān)鍵問題，同時提出了教學(xué)改革的具體措施。