新工科建设背景下工程热力学“金课”建设研究

韩新月 王谦 吉恒松 冯永强

摘  要：工程热力学是能源动力类专业一门非常重要的专业基础课，在新工科建设的背景下，一流本科建设对工程热力学的教学提出了新要求。分析了新工科背景下工程热力学课程教学现状及问题，从建设“金课”培养多元化、创新型卓越工程人才目标出发，探究了对工程热力学课程进行混合式“金课”建设的教学改革，从优化课程内容、创新教学模式、强化教学实践平台建设、完善课程考核方式等方面进行改革和创新。坚持“以学生为中心”的教学理念提升教学质量，全力打造具有“两性一度”的工程热力学混合式“金课”，全面提升学生的工程实践能力、创新能力。

关键词：新工科  金课  工程热力学  线上线下结合

中图分类号：G642、TB131                 文献标识码：A                  文章编号：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”這一词自2016年提出，在不到一年的时间里，先后形成“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。而课程教学是人才培养的载体，课程教学改革是多元化、创新型卓越工程人才培养模式建设不可或缺的[1]。2018年6月，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上首次提出淘汰“水课”，打造“金课”。随后，教育部高教司吴岩司长在第11届中国大学教学论坛上进一步指出“金课”应当具有高阶性、创新性和挑战度，也就是“两性一度”[2]。“金课”已成为各大高校每门本科课程的建设目标，尤其是在新工科建设背景下，培养多元化、创新型卓越工程人才更需要“金课”作为基础[3-4]。

工程热力学是能源动力类专业以及建筑环境与能源应用工程等相关专业的核心专业基础课程，在专业课程体系中起到了承上（基础课）启下（专业课）的作用。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，主要研究热能与机械能或其他形式能量之间相互转换的规律及应用。通过本课程的学习，学生可以科学地理解和掌握热力学基本原理和能量转换规律，并掌握工程热力学分析问题的方法与手段，能应用工程热力学知识对能源利用工程中涉及的热力过程及热力循环进行正确的分析与计算，为后续的专业课程学习以及将来从事热能利用、热设计与热管理等方面的专业技术工作奠定必要的理论基础。我校以一流本科建设为契机，不断加大工程热力学课程建设和应用推广力度，致力打造线上线下混合式 “金课”，推动工程热力学课程教学改革，不断提升人才培养质量。

1  工程热力学课程教学现状及问题

随着互联网+教育技术的快速发展，新工科建设背景下对工程热力学课程的教学提出了新的要求[5]，而目前工程热力学课程的教学现状及存在问题主要包括：（1）教学内容不够“引人入胜”。目前，工程热力学的教材内容局限于传统的理论框架中，虽然内容很完整、全面，但是没有引入一些生活、生产中常见的案例，使之更接地气，也没有及时捕捉工程热力学相关的科技前沿知识和工程热物理相关交叉学科信息，不能很好地激发学生的学习兴趣和热情。（2）教学模式和教学方法不够“新”。目前，工程热力学大多还是采用传统的课堂教学模式，也就是任课教师站在讲台上通过黑板或者多媒体等手段向学生讲授工程热力学的相关知识点，学生坐在自己的座位上被动接受学习。这种教学模式和教学方法缺乏“互动嵌入式教学”，没有充分体现“以学生为中心”的教学理念，不利于激发学生的学习兴趣，而且教学内容重理论轻实践，学的知识与社会生产实际需求不匹配，无法达到培养创新型卓越工程人才的目的。（3）课程教学效果评价标准不全面。目前，工程热力学大多采用的还是“分数评价体系”，即主要以最终的闭卷考试成绩来作为该课程的最终考核成绩，过程性评价和实践教学环节所占比例很小。这种评价方式忽视了学生运用工程热力学知识去分析、解决问题能力的培养和创新能力的提高，也不能体现新工科背景下人才的培养目标。（4）现有MOOC课程教学视频中基础理论的讲解过于抽象，学生线上学习兴趣不高，对相关知识点理解不透彻、不充分;学生欠缺把工程热力学理论知识与复杂工程实践有机结合的能力，学完这门课还是不会解决实际工程问题;双语MOOC课程的缺乏制约了外国留学生教育的发展。所以继续更新和优化工程热力学MOOC学习资源是大势所趋。

2  工程热力学“金课”建设探索

基于上面总结的工程热力学课程的教学现状及问题，在新工科建设背景下，我校工程热力学课题组围绕“金课”对学生培养、课程内容、教学形式和学习效果评价等的具体要求，从教学内容优化、教学模式创新、教学实践平台建设强化、课程考核方式完善等方面进行了相关探索研究。

2.1 优化整合教学内容

工程热力学教学内容的优化要体现前沿性和学科交叉性。当今环保、新能源、信息技术、生物工程等高新技术领域的许多研究进展都直接或间接地建立在工程热力学相关理论的基础上，这些领域衍生的一些新兴研究方向也都与工程热力学有着不可分割的联系。而新工科建设明确了“问产业需求建专业、问技术发展改内容，问学生志趣变方法”，因此，工程热力学的教学内容要进一步与这些新兴研究方向交叉融合，构建具有高阶性的工程热力学“金课”教学内容。这一目标的实现可以通过编排形象化的案例用于教学过程来实现。案例的选择和编排我们可以借鉴国外的教材，比如美国内华达大学机械工程系尤努斯A.切盖尔（Yunus A. Cengel）和北卡罗来纳大学机械和航天工程系的迈克尔A.博尔斯（Michael A. Boles）所编著的《工程热力学》（Thermodynamics： An Engineering Approach）[6]，他们在最新版本的教材中引入的案例不仅包含气候变化、新能源开发利用（太阳能、风能等）等新兴研究方向的热力学案例，还引入大量生产生活中常见的案例来形象地解释热力学基本概念和基本定律，比如通过门窗紧闭的房间可以用空调降温而不能用电冰箱降温来说明热力学第一定律第一解析式-闭口系统的能量方程的应用。这种案例的引入不仅可以提高学生学习工程热力学的兴趣，还有助于培养学生独立思考、勇于创新的能力，让他们很好地意识到学到的工程热力学知识是可以解决实际问题的，培养学生终身学习的意识。

2.2 创新教学模式

目前，“金课”采用的教学模式主要包括：线上模式、线下模式、线上线下混合模式、开展虚拟仿真模式以及注重社会实践模式[7]。考虑我校工程热力学课程情况、学生情况、师资情况以及课程前期教改情况等，此次工程热力学“金课”建设采取的是线上线下混合教学模式。线上线下混合教学模式最大的特点是从以“教”为中心向以“学”为中心转变，把现代信息技术与教育教学深度融合，改变学生的学习模式，激发学生学习的积极性，从而改变传统课堂教学过程中学生被动听课，师生互动不足的问题，提升教学效果。本校工程热力学混合教学模式包括在线开放平台网上教学和翻转课堂教学。在线开放平台网上教学属于线上教学，翻转课堂属于线下教学。为了建设工程热力学混合式“金课”教学模式，基于工程热力学课程团队编写的教材，我们根据每章的教学重点、难点收集与这些教学知识点有关的生活、生产中的相关问题，转化为便于理论解决的科学问题，包括对课程知识点内容理解有帮助的“趣味性”的科研成果和参考书上的好例子，整合教学资源，按照每个实例遵循问题提出-理论讲解-结果分析-问题解释的布局来组织编排知识点视频内容。然后，利用图像、动画和文字等教学手段向学生们展示各知识点，录制融入案例的知识点视频，视频时长一般控制在15min以内，将每一个知识点视频打造成精品。这样学生可以利用零碎时间随时随地观看和学习开放平台上我们精心制作的知识点视频，使学生能够掌握工程热力学的基本概念和理论，实现对课程的提前预习、反复学习课程中的重、难点。选用这些日常生活、工程实际及科研中的案例，用形象生动、通俗易懂的语言引入知识点，开展形象化教学，提高学生线上学习兴趣和学习效果，夯實工程热力学理论基础。

工程热力学课程是以热力学第一定律和热力学第二定律为研究基础的，概念晦涩难懂、计算过程复杂，很难掌握定律的核心内容及其具体分析应用。工程热力学课程不论在什么年代，学生在初次学习这门课时都不会感到轻松，定律背后阐释的物理意义以及在实际热工设备上的应用都是需要花费时间和精力钻研的。因此，工程热力学课程并不适合全线上模式教学，任课教师应当充分通过翻转课堂强化与学生的交流和互动，注重听取学生在自学过程中遇到的各种问题，针对学生提出的问题进行重点讲解。另外，发挥校企联合培养人才的优势与特色，任课教师深入企业学习，参与企业的实践培训，与企业深入探讨工程案例的设计方案，收集和整理工程案例，最终构建符合工程实际的真实、典型的工程案例习题库。利用翻转课堂，对学生进行分组（每组4～5人），然后分配工程案例，以组为单位进行工程案例设计，让学生自己走上讲台讲述案例的解析过程，任课教师和其他组学生一起互动点评，培养学生的工程意识和协作、沟通能力以及将工程热力学理论知识与复杂工程实践有机结合的能力。

工程热力学线上线下混合式“金课”教学模式建设的另外一个重要环节是如何检验学生的学习效果和质量。其实，我们在在线开放平台不仅上传了我们精心录制的知识点视频、课件及教案，还发布了紧扣知识点的随堂测验题、单元测验题、单元作业题以及相关的讨论题。学生观看完知识点视频，可以通过完成随堂测试题、单元测验题和单元作业题来检验自己对知识点的掌握程度，另外任课教师也可以通过平台反馈的学生测试环节分数来考察学生的学习情况。此外，学生还可以通过线上平台的答疑区、讨论区和任课教师积极、实时互动，及时解决学生学习过程中的困惑，提高学生学习这门课的效果。

2.3 强化建设教学实践平台

工科学生将来不管是从事研发工作，还是从事工程设计工作，它们都是偏重于实际应用的。也就是说，学生对工程热力学知识的需求主要还是图其“用”。而课程教学实践平台一直都是调动学生学习积极性、培养和提高学生动手能力及操作技能的有力保障。本校能源与动力工程学院始终扎实推进“本科教学质量与教学改革工程”，鼓励任课教师进行教学改革，每年从“能源与动力工程江苏高校品牌专业”、“动力工程及工程热物理江苏省优势学科”、“国家级实验教学示范中心”等建设项目中划拨专款设立工程热力学教学改革专项基金;学院高度重视工程热力学国家级精品在线开放课程的培育工作，先后出台了多项相关政策在人员配备、实验用房、经费投入、制度保障等方面给予支持。本校工程热力学教学团队以《新工科研究与实践项目指南》为指导，从产业需求出发，依托能源与动力工程学院中心实验室（国家级实验教学示范中心），以学科平台为阵地，构建工程热力学创新实验平台。将“来自于工程实际的创新，服务于工程实际的能力”的思路贯穿于实验教学过程中，鼓励学生根据科研兴趣跨学科、跨专业地开展创新实验，激励学生自发性地进行创新能力的培养。通过构建工程热力学创新实验平台，培养学生的创新思维，提升学生解决复杂工程问题能力。该创新实验平台将原来工程热力学课内实验中针对简单知识点、过程按部就班、评价方式笼统单一的验证性实验学时占比大幅缩减，增加了综合性实验，综合性实验学时占核心课实验总学时的75%，每个实验8h以上，加大过程性考核分数。

比如，为了解决气化燃气制备本科实验教学中存在难以克服的核心问题，我们团队设计了虚拟仿真实验，该实验以燃气制备工业生产过程为对象，按照课程和实验大纲要求，依托团队课题的科研成果，采用可视化技术和信息化技术，聚焦学为中心，突出能力培养，构建了高仿真度的气化燃气制备工业生产系统，开发燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验。通过“虚”“实”结合，将气化内部热力过程与外部参数控制相关联，丰富和拓展了实验内容;将最新科研成果融入实验过程，达到最新技术的同步性;通过设计基于生物质气化目标的反演参数方案实验模块，实现学生探究性学习，激发学生专业兴趣。

2.4 完善课程考核方式

在工程热力学混合式“金课”建设课程考核中，采取的是多元化过程性考核和期末总评考核相结合的方式。多元化过程性考核包括线上的视频观看时长和次数、单元测验、单元作业、线上讨论活跃度等以及翻转课堂中的出勤情况、课堂参与度、案例分析的深度和广度等。此外，过程性评价还包括学生利用创新实验平台的有效性及取得的创新型成果等。完善课程考核方式可以激发学生的学习动力和专业志趣，加强对学生课堂内外、线上线下学习的评价，提升课程学习的广度。加强研究型、项目式学习，丰富探究式、论文式、报告答辩式等作业评价方式，提升课程学习的深度。加强非标准化、综合性等评价，提升课程学习的挑战性。

3  结语

工程改变世界，科技创造未来，新工科必须把培养未来多元化、创新型卓越工程人才摆在更加突出的战略位置。工程热力学混合式“金课”建设探索是实现新工科背景下人才培养模式的基础和保障。在高速发展的互联网+时代，工程热力学课程应当结合自身特点，优化课程内容、创新教学模式、强化教学实践平台建设、完善课程考核方式，最终打造出具有“两性一度”的工程热力学混合式“金课”，提升学生的工程实践能力、创新能力，为实现“中国梦”提供人才保障。

参考文献

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[3] 董梅峰，宋新祥，刘冰.“新工科”背景下大学物理“金课”设计方案探索与实践[J].黑龙江教育：理论與实践，2020（4）：3-6.

[4] 苑东伟，赵小军，刘刚，等.新工科建设背景下《工程电磁场》金课建设实施[J].中国多媒体与网络教学学报，2020（5）：228-229.

[5] 黄晓明，许国良，王晓墨，等.工程热力学课程改革如何适应“新工科”建设[J].高等工程教育研究，2019（S1）：99-101，107.

[6] Yunus A. Cengel， Michael A. Boles. Thermodynamics： An Engineering Approach [M]. 7th ed.， New York： McGraw-Hill Science Engineering Math， 2011.

[7] 潘晔华.线上线下混合式市场营销学“金课”建设研究[J].电子商务，2020（4）：95-96.