新工科背景下轮机工程专业基础课程教学改革探讨

王哲　韩凤翚　李文华

[摘 要] 从新工科教育所要解决的三大挑战出发，在船舶与海洋工程二级学科轮机工程的新工科建设指导下，分析了轮机工程专业基础课在新工科背景下的重要性，剖析了学生知识量拓展不足、教材通用性差、课程模式单一等问题。结合大连海事大学轮机新工科课程改革实践提出“多点交互知识导入、主动求知的虚拟现实实践、去中心化考核的评价体系”教学改革创新。结合翻转课堂、课程思政、合作学习、相互评价等方法，改变传统教学方式，激发学生的学习主动性，获得了较好的教学效果。

[关键词] 轮机工程;新工科专业;热工基础课;混合教育;教学改革

[基金项目] 2020年度大连海事大学教育教学改革项目“轮机工程专业海洋装备技术与管理方向课程体系与专业对标研究”（2020Y19）;2020年度大连海事大学研究生教育教学改革研究项目“研究生创新培养基地及联合培养基地研究与实践”“以行业为依托，构建基于校企联合培养基地的专业学位研究生培养模式”（YJG2020502、YJG2020602）

[作者简介] 王 哲（1986—），男，辽宁大连人，博士，大连海事大学轮机工程学院副教授，主要从事新能源、高等教育管理理论研究;韩凤翚（1986—），女，辽宁大连人，博士，大连海事大学轮机工程学院副教授，主要从事海底工程、思想政治教育研究;李文华（1980—），男，辽宁大连人，博士，大连海事大学轮机工程学院教授，主要从事船舶机电一体化、学生管理研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0089-04 [收稿日期] 2021-09-29

引言

新工科教育是我国面向未来工程技术发展新需求、科技强国与内外竞争新形势、育人为本德育为先新使命下开展的高等人才教育革新[1，2]。在全球化的巨大浪潮中，新工科教育肩负着国家经济蓬勃发展、关键技术跨越式突破、国家科技战略布局、民生安定团结等重要作用，其面临如下三个挑战[3]。首先是可持续性和气候变化的挑战，包括就业和经济增长、消除贫困、工业创新和基础设施、智慧城市、可再生的生产和消费等。其次是第四次工业革命应对的挑战，涉及自动化、物联网、人工智能、先进材料、增材制造、纳米生物和神经网络，以及虚拟现实等技术的广泛整合[4，5]。最后是就业、创新与终生学习能力的挑战，包括工科大学生实习就业、自主创新与创业、精神和思维提升、终身学习创造等[6，7]。因此，为迎接全球化的挑战，针对我国国情民生，共绘产业经济发展，攻克“卡脖子”的核心技术，获取弯道超车后发制胜契机，占据未来世界高新战略制高点，急切需要建设新工科教育体系与培育大批拥有创新力、应变力、协调力、学习力、社交力的工程科技才俊，服务于国家战略发展，进而提升我国工程教育的整体实力与国际竞争力。

一、轮机工程基础课程现状分析

（一）能源类通识知识的重要性

能源是人类社会生存的基础，能源的开发和利用是人类社会发展的动力和人类社会文明的重要标志。正常情况下，每个国家能源消费总量及增长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比，而能源人均消费量的多少则反映出人民生活水平的高低[8]。因此，新工科大学生基础素质的培养和专业启蒙知识的夯实对于其后期从事该专业及敬业奉献的态度尤为重要。以能源类专业基础为例。首先，在教育初始阶段要让学生结合实际进行调研和讨论，随后明确我国能源环境面临的多种挑战，如能源开发利用设备和技术落后、能源利用效率低等问题;每万元国民经济产值GDP的能耗是发达国家的3倍左右、单位产品的能耗平均比发达国家高40%左右等具体数据;环境污染和浪费严重等问题，国内一大半的城市空气中总悬浮颗粒超标，有1/3的大、中城市空气中的硫化物浓度超标，二氧化碳排放量仅次于美国等。由此得出需要节能降耗努力实现碳达峰和碳减排、发展能源经济的结论。其次，我国的能源经济建设要走可持续发展的道路：合理利用能源，提高能源利用率，改造或更新技术落后的能源利用终端设备;大力开发对环境无污染或污染很小的氢能、太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能及核能等。这样才能实现我国能源经济领域的多能互补和弯道超车[9]。最后，以面向问题、学以致用为驱动力，达到能源基础通识理论学习的主要目的，使得大学生明白只有节能减排、低碳环保、提高能源效率发展设备和技术，才能提高人民经济和社会生产总值，实现中国梦这一宏伟目标。

（二）新工科背景下的课程建设

轮机工程专业属于船舶与海洋工程的二级学科，其专业基础课程大体包括机械基础、热工基础、工程材料、电工电子、信息及自动化控制等知识领域。需要根据人才培养目标，仔细构建较为贴近专业内涵的专业基础课程体系，为后续的专业实训与创新就业实习打下坚实的基础。通过多途径、多形式完成相关培养内容，以提高学生适应未来工作的能力[10]。

以大连海事大学轮机工程专业毕业生就业为例，他们在海上进行轮机管理，即：船舶主动力、辅机及相关设备的维修和检测;船舶制造行业，即船舶动力设计、标准指定、检测等。其在船级社、港口、动力装备、船厂、航运公司等有不可撼动的竞争优势[11]。因此，在双碳要求的大背景下，结合新工科船舶与动力能源在近年来蓬勃发展的基础上开设了“轮机热工基础”课程，将其作为轮机学院本科生的一门专业必修课。该专业课程具有涉及内容从通识基础性知识入手、后期专业实践性与应用型较强、技术信息化紧贴船舶轮机行业发展等特點，如果采用传统的课堂宣讲的单一手段不能满足实际的需求。因此，在推进碳达峰、碳中和的大背景下，“轮机热工基础”作为轮机工程类的专业基础课程，应紧贴新工科深化改革的契机，努力开辟从基础类到应用类知识桥梁的课程教学新模式，适应培养创新力、应变力、协调力、学习力、社交力的工程科技人才的大趋势。

（三）“轮机热工基础”课程存在的主要问题

“轮机热工基础”作为轮机工程专业的必修基础课程，目前普遍是以课堂讲述、课后习题练习、期中期末考试为主要形式的传统教学形式，该模式无法满足当下新工科的时代要求，尤其是针对少学时的非动力工程类学生，这种面向实践型的课程教学当前主要存在以下几个问题。

1.知识灵活应用与实际结合不强。“轮机热工基础”课程衍生于基础的大学物理、大学数学，从典型的热力学第一、第二定律入手，逐步过渡到实际船舶中的辅机设备和主机动力循环。除了前期的主要基本理论和对象的描述外，热能、功、质量的转换，典型工质的性质和过程量都具有大量的数学理论推导过程。因此，对学生的专业知识储备要求灵活，知识点与相关实际结合较为紧密。这些对于传统能源与动力工程专业的学生较为轻松，但对于轮机专业本科生来说有一定的难度。尤其是后面的与实际相关的船舶主动力循环与辅机各种锅炉、冷凝器、压缩机等设备，其涉及的与能量、设计相关的内容都可以在轮机基础课程中找到，学生从枯燥的公式推导和数学计算中很难迅速地消化并随之运用到相关的实际船舶设备中，专业知识储备欠缺，学习起来较吃力，学生疲于应对考试，而难以适应从理论到实际应用的过渡阶段，易产生厌学或完全为了应付考试的心理，不能实现知识灵活应用与实际结合互补的最终目的。

2.相关教材适用性不强。轮机工程实际上是针对实际船舶主动力、船舶辅助设备及相关船舶设计、管理而形成的面向船运应用工程的主要专业，具有理论结合实际性强、技术更新速度快，以及商业化、市场化程度高等特点，急需大量的以解决问题为导向的应用技术型人才，但人才培养需要有针对性的教材和参考书。因此，其与热能与动力工程学科不同，所用到的教材学时少、贴近实际应用对象，并且目前船舶新能源发展速度迅猛，应用章节覆盖的内容更新换代极快。笔者统计了市面上的相关书籍，几乎没有适合轮机专业的热工基础书籍，大多是关于热能动力类、机械类、车辆类的专业书籍。若仅仅照搬借用，按照动力类、机械类教材的内容讲授，体现不出重点，也达不到轮机专业理论体现实际运用的学习效果。同时，作为讲述教材，传统专业课本过于偏重基础知识，对某个对象的应用案例极少且更迭缓慢，无法紧跟相关领域的前沿发展动态，从而无法体现轮机专业课程把握基础、打牢应用、展望创新的需求特点。

3.教授理念与授课方式不强。排除与热力学、传热学的基础理论和公式推导，更关注轮机方面设备循环的工作原理和过程，以体现实际船舶动力、辅助、管理技术的开发和应用。因此，讲授掌握基础规律，以实践加深理论知识，从而举一反三地解决实际问题是本课程的最终目标。这就需要任课教师在讲述理论的同时举出实例，侧重于引导学生运用理论知识解释船舶相关的应用案例，并进行联想和更新。在此过程中，应当采用各种有效的现代化教学手段，如翻转课堂、课程思政、操作实训等，尽量去除以教师为主导的教授过程。传统的教授过程是以注重对知识的详细灌输和对习题的反复练习，应付最终考试和修满学分为目的的讲授，忽视了独立思考能力和运用知识能力的培养过程。传统的教授理念与授课方式极易使学生陷入被动的学习，课程参与度低，学习兴趣和积极主动性将会被完全抹杀，即便学生死记硬背获得较高的期末成绩，也无法提高实际处理问题的能力，达不到新工科学生的培养目标。

二、“轮机热工基础”改革与探讨

针对“轮机热工基础”课程在教学中存在的问题，以及面临的多重挑战，如由单一途径授课变为网络直播多点交互上课，由传统知识点的讲解练习变为视频和课后自学，实验课由教师指导变为虚拟现实仿真模拟，最终测试由中心化的集体考试变为去中心化的多对多测评体系等。

结合新工科的理念和要求，笔者在近幾年的教学工作中，以“轮机热工基础”特点和轮机工程培养目标为导向，结合自身经验探索尝试新的教学模式，提出以下几点改进方法，以期提高教学效果。

（一）多点交互知识导入的教学创新

传统线下单一途径的专业知识讲授方式已不再适合于目前快速发展的信息时代，单一课堂教授容易使学生产生厌学或为了考试而学习的不良心理。因此，面对强烈的信息化冲击的当代大学生，以及专业性与实际应用性较强的“轮机热工基础”课程，需要构建多点交互的新型授课模式。以大连海事大学近年来的“轮机热工基础”建设为例，教学团队针对教师课堂讲授及学生课下独立作业所存在的问题，开展了线上多媒体课程建设，在学校搭建的校内网络平台BB学堂中完善了整个课程体系和资料上传，并借助互联网课程平台导入了线上授课模式，引入线上线下多联互动等措施。根据两个学年的统计可知，线上报名和浏览量达2.5万余次，学生借助新工具，拓宽了视野，总结绘制了多套课程思维导图，线上互动和线下教授的多点输出得到了良好的效果。

（二）主动求知的虚拟现实实践形式创新

由被动灌输到主动求知一直是教育改革的重要目标，通过学习模式革新，从认知观念和原动力方面激发大学生的主动求知热情，是新工科教学改革的又一重点。新工科专业基础课具有较强的实操性，理论学习需要实践和实验的验证与深化，这样才能帮助学生有效地理解和运用知识。当代年轻人接收新事物快、可塑性强，通过数字化多点交互实训实践，帮助其实现全方位、多平台的自主学习，结合课程思政的积极性和先进性，将传统“灌输式”教育延伸到个体发展与社会责任感层面，培养其克服困难、勇于担当的意识，提升大学生的意志品质，激发其主动求知、自主学习的热情，并提升其社会责任感。以大连海事大学轮机学院为例，利用“校级通用仿真平台”“轮机模拟训练平台”等替代部分传统实验讲解和操作环节，搭建虚拟仿真实验训练平台，使大学生在自主完成各类专业课程实验项目的同时，自由选择线上线下不同实操技能的训练。

（三）去中心化考核的评价体系的创新

随着上述灵活课程改革的全面实施，课程逐步向沉浸式教育方向发展，学生会更具有针对性地进行能力拓展与素质提升。此时，需要在掌握知识点和实践参与的基础上，着重开展能力拓展、模拟训练、案例重现等环节。在案例讲述、问题发布、学生组队讨论、技术难题解决、组内互评和小组间对比评价的基础上进一步提升大学生对工程技术类专业课内容的理解掌握及灵活运用能力，使其能够借助线上资源的自主调研和线下指导的小组讨论与技术实践达到举一反三、全面提升能力的目的。因此，新工科培养对专业知识的理解掌握和灵活运用也不仅限于单一形式的考试，需要针对现有需求开展去中心化考核的评价体系创新。

結语

在大连海事大学船舶与海洋工程二级学科轮机工程的新工科建设指导下，任课教师对“轮机热工基础”课程进行了教学改革，分析了该课程在轮机背景下工科专业大学生知识量拓展不足、教材通用性差、教授模式单一等问题。通过笔者与教学团队的共同努力构建了具有“多点交互知识导入、主动求知的虚拟现实实践、去中心化考核的评价体系”新型课程平台。最后通过两学年的探索，线上课程建设网站点击量超过2.5万余次，并结合翻转课堂、课程思政、合作学习、相互评价等方法，改变了传统教学方式，激发了本科生的学习主动性，形成了知行合一、以知促行、以行求知的重要学习体验，获得了较好的教学效果。

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Exporation on Teaching Reform of Basic Courses of Marine Engineering under the Background of Emerging Engineering Education

WANG Zhe， HAN Feng-hui， LI Wen-hua

（Marine Engineering College， Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116026， China）

Abstract： Starting from the three challenges to be solved by Emerging Engineering Education education， under the guidance of Emerging Engineering Education construction of marine engineering， a secondary discipline of ship and ocean engineering， this paper analyzes the importance of the basic course of Marine Engineering under the background of Emerging Engineering Education， and analyzes the problems such as insufficient expansion of students’ knowledge， poor universality of teaching materials， single curriculum model and so on. Combined with the practice of curriculum reform of Marine Engineering in Dalian Maritime University， this paper puts forward the teaching reform and innovation of “multi-point interactive knowledge introduction， virtual reality practice of active knowledge seeking and evaluation system of decentralized assessment”. With the methods of flipped classroom， curriculum ideological and political education， cooperative learning and mutual evaluation， the traditional teaching methods are changed， the students’ learning initiative is stimulated， and a better teaching effect is obtained.

Key words： Marine Engineering; majors of Emerging Engineering Education; basic course of Thermal Engineering; mixed education; teaching reform