“新工科”背景下能源与动力工程专业课群建设改革与实践——以《换热器原理与设计》课群建设为例

吕雪飞,甘树坤

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

目前，全球科技和工业革命正在不断地推进新世界经济的形成与发展，从而使高等教育遇到了前所未有的关注[1]。为使新经济社会更好地得到发展，“中国制造2025，互联网+”等一系列重大发展战略，使得培养高质量高水平的工程科学技术人才的重要性尤为突出，因此需要不断加大工程教育的改革和创新[2]。2017年2月下发了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，对于“新工科”的建设提出了新的要求，一方面要对应如云计算、机器人技术、智能制造和人工智能等新兴产业，同时也包含对传统工科专业进行升级与改造[3]。“新工科”相比于传统工科学科应该具有更强的实用性、交叉性以及综合性。因此，新世界经济形式下高校对传统工科进行“新工科”建设将迎来学科发展的新的机遇与挑战。

能源与动力工程专业是实践性很强的传统工科专业，换热器原理与设计是该专业中一门非常重要的专业技术课程，该课程对本专业的知识体系涵盖面广，是专业知识结构及教学中必不可少的重要环节，对学生的专业素质培养和专业能力的提高具有举足轻重的作用，结合“新工科”建设的需求，课程的教学效果已经无法达到“新工科”的要求，因此有必要进行换热器原理与设计课群的实践教学改革与探索。

一、“新工科”背景下传统工科专业课程建设中存在的问题

(一) “新工科”对专业人才培养的要求

相比于现有的传统工科人才培养，未来新经济和新兴产业需要高素质复合型人才，因此“新工科”的人才培养必须具有较强的工程实践能力、创新应用能力，具备较强的国际竞争力，主要包括下面几个特征。

(1)既能够在某一学科进行深入的学术研究，而且应具有“跨学科整合”的特点；

(2)既可以利用所获得的专业知识去解决现有问题的能力，而且还应具有对新知识、新技术深入学习的能力，以解决未来发展中存在的问题，并具有在未来技术行业中发挥领导作用的能力；

(3)不仅技术上优秀，而且在经济、社会和管理上都具有良好的人文素质。

(二) 换热器原理与设计课程教学中存在的问题

1.偏离工程实践和行业标准

换热器原理与设计课程本身就是原理和工程实践的融合。从业人员不仅要考虑换热器的功能，还要考虑换热器的安全性和经济性。工科学生一般都会有强调理论而忽略实践的观念，即重视换热器的理论实现，并以此为设计中心，而对换热器设计中涉及的行业技术标准(例如结构，材料和施工等)关注度低，甚至行业的技术因素也被忽略，这种不协调的工程思想难以使换热器的工艺设计和结构设计彼此紧密配合。传统工程教育主要基于基本原理，对于此类相对实践性较强的且与设备有关的课程，以前的工程实践教学内容显然不足，并且缺少国家行业技术标准的渗透与学习，从而导致与工程实际相悖的问题解决思路，缺乏对总体规划的掌握，因此不能满足工程的实际要求，不能提高学生的实际应用能力。

2.教学内容与学时不匹配

本课程原为32学时的选修课程，对能源与动力工程专业开放，均为理论教学，根据所选教材设计教学计划，教师之间的联系松散，缺乏与其他课程的交流，教学内容存在重叠。此外，对于此类实践性较强且与设备有关的课程，缺少实践教学的课程教学环境。同时，能源与动力工程专业的机械结构设计、强度校核等教学内容及课时有限，导致热交换器原理和设计课程的教学内容很多，但由于学时相对较少，缺乏课程设计、现场学习研究等实践环节，因此很难达到教学的效果。

3.学生专业基础课程基础薄弱

本课程主要是设计和大量的公式计算，对于具体的讲解过程，通常会使学生感到疲劳和乏味，课程教学相对僵化，学生对学习的兴趣不大。 同时，低年级时学生缺乏专业教育和指导，逐渐形成了错误的观念，即只注重原理而不注重工程实践。对基础知识的掌握不够，专业基础薄弱导致在高年级的课程学习中困难重重，学习效果不理想。

二、基于“新工科”的换热器原理与设计课群建设

为了满足“新工科”人才培养的要求，为了满足“新工科”人才培养的要求，解决传统工科教学中所存在的诸多问题，结合换热器原理与设计的课群建设，提出了“新工科”背景下的教学改革与探索方案。

(一) 修订人才培养方案，合理配置课程群

根据对社会需求的调查和毕业生的反馈分析，换热器原理与设计已改为必修课，为能源与动力工程专业人才培养的重要专业课，由于仅32学时，无法达到满意的教学效果。因此，通过深入地进行企业调研以及专业课程教师的认真细致地研讨，在专业人才培养方案的修订的过程中，在系列相关课程学时数基本没有较大变动的前提下，对专业人才培养方案中关于换热器相关的教学内容及教学形式进行了合理的改革与优化。

首先，在课程内容讲授方面，虽不局限于教材及纯理论知识的传授，还参照换热器设计手册、国家及行业标准等内容辅助完成本课程相关知识的学习，同时增加结合工程实践、国家行业标准进行真实案例的讲解，但根据学生在就业应用及深造的过程中反馈的信息发现，仅限于此不能够满足后续的学习与应用，需对内容进行拓展以及优化。因此，将教学内容分为换热器原理、换热器设计、换热器生产及测试、换热器优化、换热器性能评价五个大方面进行有针对性的教学。

其次，调整培养方案的课程设置和教学内容，通过传热课程学习了传热的基本理论知识；通过能源动力装置拆装实训加深学生对换热器的直观认识，了解换热器的不同结构形式；通过工程软件训练对换热器进行二维工程图纸表达及三维建模和分析，加深学生对不同结构形式的热交换器的深入了解；结合换热器综合实验(虚拟模拟实验)，增加测试、性能优化、性能评价内容，以提高学生将理论知识应用于工程实践能力的培养，加深学生对理论的理解，增强工程实践能力；换热器课程设计环节，指导学生在进行学习设计校核的同时，学习换热器的运行管理，为后续学习、工作以及深造奠定较深的基础，通过国家行业标准和工程实例的有机结合，提高了学生对工程设计和应用的意识。通过将换热器原理与设计和各课程内容合理安排和组织，从而达到对学生进行换热器整体理论与工程实践能力的培养目标[4]。

换热器原理与设计课群相关课程及教学目标如表1所示。

表1 换热器原理与设计课群相关课程及教学目标

(二) 优化教学方法和手段，提升课程教学质量

教学方法对学生的学习和对教学内容的掌握有重要影响。结合本课群在专业人才培养过程中的重要性，教师在教学过程中不断改革教学模式，以提高学生的专业技术素质和能力为目标，通过线上线下相结合的丰富多彩的教学方式，全方位地将工程意识、创新意识和工程实践应用能力的培养贯穿于课群教学的全过程[5-6]。

(1)在课堂教学、专业课程设计以及专业实验等各种形象教学过程中，能够结合工程实际应用案例进行讲解，应用计算机多媒体与网络技术[7]，采用可视化的形式展示提高学生的学习兴趣，提升教学质量。

(2)通过能源动力装置拆装、测绘实训等课程，以换热器为典型设备让学生亲自动手进行拆装与测绘，从而直观地认识换热器整体结构。对组成换热器结构的零件及装配关系有更加直观的学习，加深学生对不同换热器结构形式的理解。

(3)利用AutoCAD、UG及Ansys等工程软件对换热器进行二维工程图纸表达及三维建模分析，加深学生对于不同结构形式换热器深入的理解与认知。

(4)结合换热器设备的行业应用背景，在教学过程中对各种具体的换热器的工作原理与设计过程进行有的讲解，结合教师的相关科研项目，进行相关专题讲座和学科前沿引导，通过将换热器的工程传热分析、工程应用技术新发展等内容引入到教学中，从而扩大知识信息量和专业视野，激发学生对专业知识的学习兴趣，树立标准化意识、工程观念和创新思维，加强学生工程创新实践能力培养[8-9]。

(5)通过换热器综合实验及虚拟仿真实验让学生开展换热器设计性实验，将理论与实际工程相结合，加深对理论知识的理解，强化工程应用实践能力。

(6)通过换热器课程设计环节，设置与工程实际相似的设计题目，结合行业标准、设计手册以及工程图纸等形式，提高学生工程设计与应用的意识，引导学生从实际应用的角度考虑产品的设计。

(三) 强化课群师资队伍，完善“新工科”专业建设

专业师资队伍直接影响着人才培养的质量，也是学科专业人才培养的前提和保障。结合换热器原理与设计课程群的知识结构及教学特点，课程群教学队伍在教学过程中既要加强课本中的理论教学质量，还要加强国内外相关知识的新科研成果及工程应用实践的引导，教学必须由具有实践经验的教师担任。因此，专业教学过程中要求课程群的一线授课教师不仅要具有丰富的教学经验，还都要具有换热器相关的课题研究、工程设计或企业技术合作经验。我校在学科专业发展过程中有许多一直从事换热器科研与设计开发的专业教师，在能源动力领域积累了充足的专业技术优势人才，因此组建的教学团队整体水平和结构层次都比较高，教学、科研实践经验丰富，成果比较显著。组成的教师团队可以确保理论和实践不脱节，具有学科前沿拓展的深度和广度，同时具有丰富的课程教学专业知识、工程意识、国家行业标准的认知。通过建设一支高素质的师资队伍，保证了换热器原理与设计课程群的教学质量，进而推动了能源与动力工程专业“新工科”建设。

三、结 语

“新工科”建设不能丢弃传统工科，要符合高等教育的科学发展规律，以适应新经济的发展要求。“新工科”建设的理念可以通过课程体系得以落实，通过构建符合“新工科”理念的新型课程体系是工程教育的核心[10]。换热器原理与设计课群建设的教学改革与探索，符合“新工科”建设的教学理念，通过合理规划和设置教学内容，高效利用有限的教学学时及教学资源，改革教学方法，加强教师队伍的建设，形成学科知识的交叉与融合不断提高教学质量，逐步推进能源与动力工程专业的升级和改造，从而达到“新工科”建设和专业人才培养目标。