科研案例融入能源动力类课程的研究性教学实践

欧阳新萍 秦洁

摘  要：能源动力类课程实验性、工程性较强，“科研案例融入课程教学”是针对这类课程的特点改进教学方法的一种尝试，可归属于研究性教学方法，是对教学改革所提倡的讨论式教学、案例教学的一种教改措施。通过对几门能源动力类课程引入科研案例的教学实践，效果反馈良好，提高了学生的学习兴趣、增强了学生的专注力、促进了学生对课程内容的理解。对于能源动力类课程，“科研案例融入课程教学”是适用的。要推广这种教学方式，必须改革教学管理制度、教学业绩评价指标，还要鼓励教师积极参与科研活动。

关键词：能源动力课程;科研案例;教学实践;研究性教学

中图分类号：G642       文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）33-0133-04

Abstract： Power and energy courses have strong experimental and engineering quality. Scientific research cases integrating into course teaching is an attempt that can improve teaching methods aimed at characters of such courses， belonging to research teaching methods， also an teaching reform measure aimed at discussion teaching and case teaching advocated by teaching reform. This paper states that scientific research cases integrating into course teaching can get nice feedback， improve students' interest， enhance students' focus and deepen students' comprehension in courses through teaching practice on several power and energy courses. To power and energy courses， scientific research cases integrating into course teaching is applicable. In order to promote this teaching method， we should reform teaching management system， assessment of teaching performance and encourage teachers to take an active part in scientific research activities.

Keywords： Power and Energy courses; scientific research cases; teaching practice; research teaching

不少能源动力类课程知识面广、工程性强[1]，传统的传递——接受式教育方法很难取得良好的教学效果。笔者将课程相关的科研案例融入本科课程教学之中，取得了良好的效果。首先，科研案例的叙述能增强学生的兴趣度，调动学生的注意力;其次，科研案例中所要解决的问题能激发学生的好奇心和思维量，带着问题和思考的学习过程将起到事半功倍的效果。除此之外，授课老师对科研案例的分享，能够有效的实施科研反哺教学，培养学生的创新能力[2]。

一、理论依据

事实上，科研案例融入课程教学，是一种研究性教学方式。

本世纪以来，随着全球经济一体化的发展，知识经济的挑战和竞争日益激烈，引起了对高素质创新人才需求的竞争。近年来，国家提出大众创业、万众创新的理念，提出创新驱动经济发展的战略。高校应该顺应时代的发展，改革高等教育教学、在大学中培养更多高层次创新型人才。作为一种有效的引导学生主动探究、培养学生创新实践能力的教学方式，研究性教学成为21世纪国内外大学教学改革的一项核心内容[3]。

研究性教学包含的内涵较广，包括制定研究训练计划、开展研讨课、创新思维的培养、书面、口头表达能力的培养、跨学科教育、基于问题的学习、自主探究式学习、基于合作式学习、开放性实验课程等。还包括将最前沿的科研动态引入教学内容，让学生尽可能多地参与研究活动，带着问题学习，用科学研究的要求组织教学[4]。

2005年1月，教育部发出《教育部关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》的文件，提出要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力;积极推进讨论式教学、案例教学等教学方法和合作式学习方式。因此，进行案例教学，在教学过程中融入科研案例也是响应教育部的教学方针的举措。通过融入科研案例的教学，还可引导大学生参与教师的科研项目，将所学知识融入科研实践。“十二五”期间，教育部、财政部继续实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”，目的在于优化专业结构，改革人才培养模式，支持在校大学生开展创新创业训练，提高大学生解决实际问题的实践能力和创新创业能力。因此，科研案例融入课程教學还可拓展到课外，贯穿整个教学周期。

开展研究性教学是顺应国际国内教学改革的潮流、改进课堂教学效果的积极有益的方法。将科研案例引入部分能源动力类课程的教学实践，是对研究性教学方法在能源动力类课程中的有益尝试。国内已有教师在做这方面的尝试，但为数不多。曾祥蓉、陈进等[5]将科研活动融入混凝土结构设计原理课程教学的实践，孙家瑛[6]将科研活动融入土木工程材料课程教学的实践都取得了良好的效果。

二、教学实践

（一）《能源概论》课程教学

在我校的本科培养计划中，有一些人文素养类的通识课程，面向全校所有专业学生开放，学生在校期间必须选修1到2门。能源概论是这类课程中唯一的能源动力类课程。该课程的学习目的是使学生在通识教育课程中，体会工程技术类课程的基本教学方法，获得必要的能源科学基本知识，了解常规能源、新能源的资源特性及应用前景，了解能源与环境、能源与经济发展之间的关联。从学生的选课情况看，文、理、工、医类的都有，大一到大四的都有。对这样跨学科、跨年级的学生群体，必须把握课程内容的重点及部分课程内容的深度，必须穿插一些特别的教学方法或手段，融入科研案例的教学方法就是其中的一种尝试。

笔者负责了一个地热能发电系统中的混合式凝汽器研究项目，地热能属于新能源，地热蒸汽的流动、凝结伴随着能量的转换、传递过程;混合式凝汽器是实现这种能量转换的系统中的关键设备。在讲述到课程内容中的“能量的传递与转换”章节时，对于学习过传热学和工程热力学的学生来说，比较容易理解课程内容，而事实上大部分学生都没有学习过。结合科研课题的描述就会有助于学生理解相关内容并提升注意力。地热蒸汽在叶轮机械或其它膨胀机械中流动、驱动机械运转的过程实现了热能、压力能向机械能的转换;叶轮机械或其它膨胀机械出口的乏汽进入混合式凝汽器与冷却水直接接触换热，则是实现了热量从高温向低温的传递过程。这样就将课题内容融入了课程内容的讲解。讲解过程展示一些课题研究过程的实验图片，帮助同学们理解课程内容，同时也激发同学们对科研的兴趣。图1所示，为讲解过程展示的图片之一，是混合式凝汽器中的喷嘴的实验图片。

在讲述到课程中的新能源部分的“地热能”章节时，再次引入该课题的立项背景和意义的阐述，介绍了世界和中国的地热能利用的现状、地热发电的现状、中国地热发电与世界发达国家的差距、中国地热能利用及地热发电的规划等，自然的融入了课程内容。实践表明，学生的专注度提升了，也加深了对课程内容的理解。

（二）《换热器原理与设计》课程教学

换热器又称为热交换器，是各行业应用非常广泛的一种通用设备，能源动力行业的应用更是普遍，如发电系统中的高压加热器、低压加热器，汽轮机出口乏汽的冷凝器，电机的翅片管式氢气冷却器等。在能源动力类专业的专业课安排中，换热器是不可或缺的一门课程。

上海理工大学能源与动力工程学院的课程设置中，现阶段有关换热器的课程名为《换热器原理与设计》，包含换热器的计算方法、传统管壳式换热器的结构和工作原理、高效紧凑式换热器的结构和工作原理。换热器是应用历史悠久的工业领域通用设备，但随着工业的发展，换热器不断出现新的结构和应用领域。随着电子计算机的普及，传统的查取图表的换热器计算方法逐步被淘汰，取而代之的是计算软件的兴起。通过科研案例向同学们传递这些新结构、新应用和新的设计方法能取得积极的效果。

笔者的主要研究方向是换热器及强化传热，在换热器的设计理论、换热器的结构、换热器的计算软件、换热器的测试技术方面做了大量科研工作。笔者曾为一家板式换热器的制造厂家编制过板式换热器的设计计算软件，该计算软件可根据客户的需求参数进行设计计算，并输出设计图。笔者在讲述到换热器课程的板式换热器内容的时候，就引入了这个课题。在用该软件演示计算过程的时候，用的是牛奶被加热消毒的案例，并介绍了牛奶消毒的相关知识，引起了同学们的兴趣。图2所示为软件的设计结果，中间的竖直线表示用于热交换的板片，竖直线下部带箭头的线条表示牛奶的流动路线，竖直线上部带箭头的线条表示加热介质的流动路线，图的上部和下部表示每块板片的型号。板片型号中标有“13”或“234”的数字，表示板片角孔开孔的位置号，如果空白，就表示4个角孔“1234”全部开孔。

软件的演示过程中，会伴随着给学生提一些问题，根据学生的回答情况进行引导，使得学生能彻底弄明白问题的答案。比如板片如何配置，能让板式换热器构成多流道、多流程的流动？就可以结合图2进行生动的讲解：牛奶的流动路线表示3个流程的流动，加热介质的流动路线表示5个流程的流动;在流体转向位置一般开3个角孔或2个角孔，留下1到2个“盲孔”，盲孔的存在使得流体转向，形成多流程的流动。丰富多彩的软件界面将学生的兴趣度调动到一个高潮。

同理，针对板翅式换热器的讲述，将板翅式汽车机油冷却器的研究内容分享给同学们;针对翅片管换热器的讲述，将波纹翅片管的最新科研成果分享给大家。这些前沿课题的融入，学生发应热烈，学习兴趣提升。

（三）《热工测试技术》课程教学

《热工测试技术》是能源动力类专业的一门重要专业基础课程，涉及热工过程中温度、压力、流量、流速等基本热工参数的力学、电学和光学测试方法、测量基本原理，还涉及测量传感器、测量系统以及误差分析理论。这是一门与实验方法和手段密切相关的课程，是实验性、工程性较强的能源动力类专业的必学课程。要上好这门课，除了安排一定的实验课程之外，在课程的理论课时中，引入科研案例的教学方法，对于学生学好这门课程有着积极的意义。该课程面向能源与动力工程学院所有专业的高年级学生。

笔者承担过一些实验装置研制的课题，如“翅片管单管的测试装置”、“翅片管管束的测试装置”、“冷凝管和蒸发管测试装置”等。这些测试装置中，都包含了温度、压力、流量、流速等基本热工参数的测量。比如讲到课程内容的温度测量，主要测温元件有热电偶和热电阻，笔者介紹了在“翅片管管束的测试装置”中，在试验件风道的出口采用多点热电偶的布置，在试验件风道的进口则采用单点热电阻的布置。从这一测温元件的选择及布置实例，来阐述热电偶和热电阻各自的特点及区别。类似地，讲述了该课题通过测量蒸汽饱和压力的方式，来调控蒸汽饱和温度的方法，导入了有关测温元件“热惯性”的课程内容：测量温度的热电阻存在热惯性致使调节不灵敏，通过与温度一一对应的蒸汽饱和压力的调控可以使调节更灵敏。

图3是笔者在科研案例中用到的测试风道中空气温度和相对湿度测试装置，通过干球温度、湿球温度的测量，可以计算得到空气的相对湿度。课堂上，通过该装置的讲解，深化了学生对空气相对湿度的测试方法的理解。

（四）《制冷原理》课程教学

《制冷原理》是能源动力类专业制冷方向的一门重要专业课程。制冷装置涉及的门类非常广泛，如空调、冰箱、冷库、冷链等。我国是制冷相关产品的制造业大国，有大量的相关产品出口，在全球占有重要地位。

《制冷原理》这门课程的专业性很强，部分原理比较抽象，如果仅仅依据教科书上的内容进行讲授，学生不容易理解。笔者同样引入科研案例贯穿于课程讲授过程。

比如讲授到制冷剂的冷凝过程时，引入高效强化换热管的管外制冷剂冷凝研究案例，将案例中涉及到的强化换热管表面形状的微观形态展示出来，将相应管件冷凝实验的图片展示出来，分析管件表面形态与冷凝效果之间的关系。图4所示是高效强化换热管的微观表面形态，图5是相应的冷凝效果图。

通过案例分析及相应图片的展示，促进了学生对课程内容的吸收、理解。

综合几门课程的教学效果，总结下来，体现在如下几个方面：

1. 课堂的专注力提升

在引入案例的教学过程中，发現学生的专注力明显比以往要高，类似讲话、做其他事情、眼睛失神等现象大为减少。

2. 学习兴趣、理解力和能动性增加

通过课后与学生的交流以及教务部分的调查反馈，引入教学案例及相关的讨论，能增加学生的兴趣、理解力和参与意识。这种参与意识使学生主动思考问题，产生自身能力体现的欲望，从而提升了学习效果。

3. 出勤率和成绩提高

比较了引入科研案例教学方法前后的课堂平均出勤率和课程平均成绩，课堂出勤率提升了7%，平均成绩也有了提高。

三、研究性教学现状及推广

研究性教学的提出反映了当今大学教学的特征和要求，反映了现代先进教育教学思想和理念。在我国高等教育过程中，大多本科生的教学方式依然是以单纯的教师传授知识为主，学生自主创新性学习相对不足。现有的教学活动大多没有突破传统应试性的灌输-接受性的教学框架，强调问题式、探究式、互动式的研究性教学尚未真正走进课堂内外。研究性教学以培养学生科学探索精神、研究能力、动手实践能力、创新意识和创新能力等为目标，它改变传统教学方式，倡导教师进行开放式教学，并将科学前沿知识引入教学，鼓励学生主动探究式学习，使其从知识的吸纳者变为知识的建构者与探究者。

笔者实践的科研案例融入课堂教学，实现了问题式、探究式的学习方式，并引入了科学前沿知识，具有研究性教学的特征，值得推广。

但要实现这种教学方式的推广，必须具备一定的条件。首先要改革教学管理制度、教学业绩评价指标，鼓励提升学生学习兴趣和专注力的教学方式，鼓励易于学生消化理解的教学方式;其次教师要积极参与课程内容相关的科研活动，一方面通过科研活动促进自身教学水平的提升，另一方面也是将科研融入教学的前提。

四、结束语

能源动力类课程实验性、工程性较强，部分课程内容还略显“枯燥”，科研案例融入课程教学能提高学生的学习兴趣、增强学生的专注力、加深学生对课程内容的理解，是值得推广的一种方法。科研案例融入课程教学的方法，具有研究性教学的特征，研究性教学以培养学生科学探索精神、研究能力、动手实践能力、创新意识和创新能力等为目标，是当今研究型大学教学的一种趋向，也是其他类型高校教学的重要借鉴方式。对于实验性、工程性较强的能源动力类课程，科研案例融入课程教学更为适用。要推广这种教学方式，必须改革教学管理制度、教学业绩评价指标，还要鼓励教师积极参与科研活动。

参考文献：

[1]王鑫，李丽丽，等.能源动力类课程教学改革[J].中国冶金教育，2016（2）：56-58.

[2]余灯广，潘登，王霞，等.分享教师的科研经验提高大学生的创新能力——以高压静电纺丝技术为例说明科研反哺教学途径[J].上海理工大学学报（社科版），2016（2）：179-183.

[3]路慧.理工类研究型大学开展研究性教学的实践探索与模式建构[D].大连理工大学，2013.

[4]卢德馨.关于研究型教学的进一步探讨[J].中国高等教育，2004（24）：24-25.

[5]曾祥蓉，陈进，等.将科研活动融入混凝土结构设计原理课程教学的实践探讨[J].高等建筑教育，2013（06）：97-99.

[6]孙家瑛.将科研活动融入土木工程材料课程教学实践探讨[J].教育教学论坛，2014（46）：163-165.