新工科背景下行业特色型高校特色课程“热工过程与设备”和配套“窑炉课程设计”联动改革＊

张任平

（景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403）

当今世界处在调整、变革和发展经济和产业格局的新历史时期，各发达国家在先进制造等新兴技术领域进行了战略部署[1]。中国经济发展进入了改革和发展的攻坚期，面临高新技术领域创新产业革命，提出了“一带一路”倡议，实施了“大数据”“云计算”“中国制造2025”“物联网”和“人工智能”等重大前沿科技的战略部署。为驱动新业态的蓬勃发展，急需新兴技术领域的复合型人才[2]。

中国的高等工程教育承担着培养工程技术人才的使命，科技与产业革命对工程教育提出了新的要求，需要从工程教育理念和人才培养模式上进行改变。虽然中国工程教育规模最大，但面对新形势下的经济和产业，还没有较为清晰的人才培养目标，侧重于数理能力的培养，对于工程实践能力和实验课程教学、通识课程教育和工程技术教育之间的联系与区别认识模糊不清，高等工程教育与企业的生产实际、行业发展脱节严重，工科学生在知识结构和专业素养方面存在明显缺陷[3]。因此，“新工科”是新形势下中国高等教育工作者为培养适应产业发展的新型工科人才达成的共识，是工科学科建设更新迭代和学科内容的升级改造，也是承担探索未来工科学生的培养方式、目标和结果的改革尝试。从2017年开始，教育部围绕高等工程教育主导召开了多次发展战略研讨会，明确了“专业适应产业需求、进行工科专业结构调整、内容适应技术发展、重构工程人才新的知识体系、新方法迎合学生志趣、新手段创新工程教育等”新的教育理念[4-6]。“新工科”背景下创新的教育思想对传统的工科教育提出了较为清晰的改革需求，同时明确了未来的改革方向。

景德镇陶瓷大学能源与动力工程专业培养的人才侧重于陶瓷工业窑炉的设计、施工、运行和陶瓷工业节能和能源的综合梯级利用。“热工过程与设备”及“窑炉课程设计”是培养陶瓷工程科技人才的特色课程。侧重于陶瓷材料的烧成过程分析，由热工基础、燃烧技术和陶瓷烧成设备3部分组成，是陶瓷材料和热工专业的必修课，通过课程学习，使学生获得较宽广的热工燃烧基础知识和陶瓷窑炉知识，培养学生分析和解决陶瓷热工工程问题的能力。“热工过程与设备”需要紧跟陶瓷工业窑炉的发展趋势，随时更新课程知识体系，比如今年最热的陶瓷岩板，课程需要更新添加岩板烧成窑炉方面的知识，同时“窑炉课程设计”也需要作出相应的改革，设计题目紧跟产业的发展步伐，设计需要增加学科交叉方面的知识。通过“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”的联动改革，不但能让学生学到最新的专业知识，而且可以让学生把学到的最新专业知识应用于实践之中，提高学生的学习热情，进一步巩固所学的知识，有利于学生解决复杂工程问题和数字化能力的培养。

“热工过程与设备”作为景德镇陶瓷大学材料大类专业和能源与动力工程学生的特色专业课，在专业的课程教学体系中扮演举足轻重的角色，是学生全面认识学习陶瓷烧成热工设备的基础，是理论过渡到实际的重要纽带，也是培养学生解决生产实际问题的不可或缺的环节。同时，“热工过程与设备”课程是从事陶瓷材料和热工的专业必修课，每年上千人学习这门课程。随着计算机控制技术的迅猛发展，陶瓷烧成设备技术日新月异。陶瓷窑炉涉及最新的云控制技术，是人工智能和云计算技术应用的先行者，再加上陶瓷瓷砖的品类发展非常迅速，如最近的岩板技术。这些都需要及时更新陶瓷热工设备课程的最新知识，需要课程改革紧跟窑炉的发展步伐。因此，“热工过程与设备”及“窑炉课程设计”是培养陶瓷行业热能工程师的最重要的核心专业课程，以相互联系的这两门课程作为典型案例，针对存在的核心问题找寻具体的改革措施，是“新工科”背景下“热工过程与设备”和配套“窑炉课程设计”课程改革的重中之重。

1 新工科要求下课程体系结构中的问题

“新工科”倡导一种工程教育的新模式，其培育人的本质特征没有变化，但变化的是培养要求。新工科要求培养面向未来的人才，其核心素养包括家国情怀、三创合一、学科交叉融通、批判精神特质、广博的全球视野、计算数字素养。“热工过程与设备”作为一门重要的专业课，是在系统地学习专业基础课之后开设的针对陶瓷烧成过程涉及的传热和流体动力学知识以及烧成热工设备相关知识的课程，同时依据实际实践教学的需要，配套设置“窑炉课程设计”。

“热工过程与设备”课程教学注重热工基本原理的介绍，而“窑炉课程设计”更偏重于陶瓷烧成窑炉实践教学，通过窑炉课程设计，学生可以更好地理解所学的理论知识，熟悉陶瓷工业窑炉整体和局部结构布置情况，掌握陶瓷窑炉中燃烧、传热和气体流动的计算方法，从而能够加深对“热工过程与设备”课程知识的理解、巩固和提高。随着碳达峰、碳中和以及一系列节能减排政策的出台，不符合节能标准的窑炉逐渐被淘汰。而随着节能、环保和自动控制等新技术的发展，陶瓷工业窑炉必须加持大数据和人工智能技术，紧跟时代发展步伐。因此，已有的课程组织方式和知识结构很难适应当前陶瓷工业的更新迭代对学生素质能力的培养需要，需要对传统的“窑炉课程设计”进行改进，与“新工科”理念相契合，培养学生的创新、创造和创业能力，使学生成为“三创型”顺应时代潮流的人才。对比新工科的新理念和新要求，基于传统模式“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”的课程体系结构存在较大的问题，大致有以下几方面[7]。

1.1 教学内容过时严重

“热工过程与设备”作为陶瓷材料大类的专业课程，教学大纲和教材内容基本停留在传统的知识框架之中，虽然内容体系较为完整，基本涉及陶瓷烧成所有知识点，但还不能及时跟踪陶瓷热工设备最新科技成果和交叉学科知识。此外，该课程面向学院的多个专业开设，对于不同的专业，大纲和教材基本一样，所教授的内容对不同专业没有进行区分，很少对专业需求进行分析去优化教学内容。这种不问对象普适性的教学状态，显然与新工科要求的学科交叉和体现特色个性化的培养模式相背离。

1.2 教学方法与时代脱节

“热工过程与设备”一直沿用传统的教学方法，主要采用课堂讲授和随堂提问的方法，“嵌入交互式教学”较少采用。而以往针对课程进行的教育教学改革，往往都是着眼于采用新的教学手段，教师主导的提高课程活跃度的教学活动的设计创新，针对学生的科学素养、三创能力培养和解决复杂工程问题的教学方法形式创新涉及的非常少。

1.3 教学手段没有与时俱进

“热工过程与设备”的教学手段在过去往往比较单一，基本课堂上采用多媒体教学为主。多媒体技术在图文和视频信息融合方面有一定的优势，可以丰富生动地展示教学内容给学生，某种程度上可以激起学生的学习热情，但某种程度上在培养学生独立思考和创新意识方面存在一定的不足。而工程教育改革的基调是缩短课堂讲授学时。如果继续采取教师为主角的课堂教学模式，忽略培养学生的自主学习意识，将不可避免地带来两方面的后果：①教师占用大量的时间教授书本上的知识，学生短时间接受大量的信息，部分学生难以消化吸收；②教师为了完成课程教学内容，不得不加快教学节奏，根本谈不上去进行交互式教学，难以取得预期的教学效果。

1.4 教学效果评价体系没有及时更新

课程考核环节需要不断优化，单纯地依靠考试分数很难全面评价学生全过程的学习效果。当前大部分课程都采用百分制试卷进行闭卷考试，通过最后的考试成绩来确定学生的课程最终的成绩，对于“热工过程与设备”课程知识扩展应用的考核比较少，这样会忽视应用“热工过程与设备”课程相关知识解决工程实际问题能力的培养，导致无法客观评价课程教学效果，难以体现新型工程教育背景下的工科人才培养目标。

1.5 课程设计环节与陶瓷热工设备发展不同步

目前景德镇陶瓷大学的材料大类和能动专业均开设了“热工过程与设备”的课程设计类实践课，窑炉课程设计的题目遵循与时俱进与多样化原则，比如有的专业进行辊道窑设计，设计过程中需要考虑最新的窑炉的智能控制系统；也有的专业选择隧道窑进行设计，设计需要考虑隧道窑的最新技术的应用。

课程设计在实施过程中遵循以下步骤：教师给每个学生制定不同的设计题目，并以任务书的形式提出不同的设计要求。学生依据设计题目和设计任务书的要求，参考《窑炉课程设计指导书》和《陶瓷工业窑炉》等书籍资料，在教师的指导下完成窑炉的结构尺寸计算、工作系统的确定、材料和厚度的确定、燃料燃烧的计算和阻力计算及风机选型。并进行计算结果汇总，同时绘制窑炉预热带、烧成带和冷却带的结构与尺寸图，标出需要布置风机、燃烧器、热电偶和检查孔的位置。最后总结结果并撰写窑炉课程设计说明书。大部分学生根据往届同学的设计模板，通过修改设计的部分参数，完成相应的设计工作。这种依葫芦画瓢的操作模式，往往会使得学生对设计过程碰到的问题缺乏独立解决的能力，讨论与交流更是少之又少。学生抱着完成任务的心态进行的课程设计，本身缺乏兴趣和爱好驱动，再加上课程设计的过程较为枯燥，这样很难调动学生的学习热情和培养学生的创新潜力。

2 课程改革措施

新型工程教育对人才培养提出了新要求，秉承“学生为中心、产出导向和持续改进”的工程教育认证理念，针对以往教育教学过程中存在的突出问题，提出“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”联动改革的方向和具体举措如下。

将“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”实行联动式教学改革，改革的目的瞄准工程教育专业论证核心素养的培养：创新创业、跨学科交叉融合、批判性思维、自主终身学习、数字素养以及解决复杂工程问题能力，通过专业特色课程“热工过程与设备”和配套“窑炉课程设计”的联动改革，从课程设计的模式、手段和评价方法，以及课程的内容设置、学科交叉内容、学科前沿内容、项目式学习等方面进行互联互动、协调一致改革，培养以互联网为核心的新一轮科技和产业革命所需的新型陶瓷热工工程技术人才。

课程教学内容实行以需求为导向进行优化，体现层次化和模块化的特点，兼顾学科前沿和时代特色，考虑学科充分交叉。针对各种不同层次的培养需求，“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”充分体现多层次、结构模块化和瞄准学科前沿与产业前沿的特点。“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”教学内容应适当重组，突出学生创新意识的培养。

注重新工科内涵式建设，大力发展交互式课堂多样性教学方法，加强课程顶层系统设计。新型工程教育注重培养学生能力，学生需要具备系统思维、高效交流、合作互助协同、批判性思维、自我驱动管理和数据决策等技能。在新型工程教育的理念下，需要改变单纯传授知识的教学模式，采用“项目研究驱动型教学”培养学生的高级思维能力。

教学过程中植入先进教学理念，采用“互联网+”信息化教学模式。在人工智能和大数据加持下，一方面可以充分利用网络教育资源，另一方面将线上线下混合式教学模式与研究项目式教学相结合，最大限度地挖掘线上线下混合式、课堂内外、教师和学生教学互动的重要作用。有效利用慕课、超星学习通、爱课程、学堂在线和智慧树等公共网络教学平台，接受能力较弱的学生可以利用线上资源强化课程学习，学习能力较强的学生可以学习更多的扩展知识。

在工程设计实际问题中，引入计算机编程工具快速解决问题。当前陶瓷工业窑炉的设计计算大多数是采用人工进行计算，计算起来费时费力，尤其碰到需要反复迭代的地方，更是需要不断地假定然后重新计算。例如壁面温度的计算，由于壁面温度影响材料的导热系数，这其中涉及反复迭代的过程。传热过程对流换热系数的计算也是一个比较麻烦的过程，涉及到的影响因素非常多，同时很多物性参数是温度的函数，通过人工进行精确计算也比较复杂。随着计算机技术的发展，计算机技能作为大学生的基本专业技能，学生在大一或大二学习了C语言、Fortron和Python等，学习的这些东西很少用于解决实际的工程问题。在陶瓷窑炉课程设计过程中，尤其是涉及到相关的计算，比如燃烧计算、热平衡计算、窑墙散热计算和流动阻力计算等计算模块中，学生可以采用计算机编程的方法进行计算，这样会简化计算工作量。学生通过计算机编程解决所学专业方面的问题，能进一步巩固所学的程序设计方面的知识，有利于培养学生使用计算机工具解决复杂工程问题的能力。

转变课程评价思维，实现课程不同阶段进行不同的评价和多方位立体化评估学生不同方式学习效果。新型工程教育非常注重培养学生的自主学习能力。为应对新工科的新要求，“热工过程与设备”课堂改革过程中将解决复杂工程问题放在非常重要的位置，更加注重所学知识应用于解决实际工程问题能力的培养，通过专题讨论和研究性课题教学活动等引导学生进行主动学习，着力培养在教学实施过程中学生学习的能动性、创新性和自我驱动性，增强学生的探究精神和实践意识。这样的教学过程的有效实施必须有相配套的教学评价考核机制。只有健全的评价机制，学生的学习过程和实践过程得到充分肯定，才能进一步调动学生的学习积极性，感受到自己的价值得到实现，在项目式探究学习过程同时能培养有效沟通能力和团队协作意识。

3 总结

“热工过程与设备”需要紧跟陶瓷工业窑炉的发展趋势，随时更新课程知识体系，比如今年最热的陶瓷岩板，课程需要更新添加岩板烧成窑炉方面的知识，同时“窑炉课程设计”也需要作出相应的改革，设计题目紧跟产业的发展步伐，设计需要增加学科交叉方面的知识。通过“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”的联动改革，不但能让学生学到最新的专业知识，而且可以让学生把学到的最新专业知识应用于实践之中，提高学生的学习热情，进一步巩固所学的知识，有利于学生解决复杂工程问题和数字化能力的培养。“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”课程改革呈现足够“新”的教学方法，改革从以教师为中心的教学转到以学生为中心的教学，开展互助协作式、组队活动式、设计式和个别式等众多形式相结合的课堂教学模式，同时选用多媒体、虚拟仿真实验室和VR技术等多种教学技术进行教学规划。能够体现师生的互动性，能够激发学生深度思考、主动创新。

“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”课程改革呈现足够“新”的教学手段，给学生创造更多动手实践的机会，让学生主动参与到教学中来，最大限度地激发学生的主观能动性，发挥出自身的潜能。让学生主动地汲取知识，甚至创造知识。优化课程考核评价办法，充分调动学生的学习积极性。“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”课程联动改革必将助能动类新型工程教育人才培养一臂之力。

“热工过程与设备”和“窑炉课程设计”的联动改革，可以夯实学生的专业知识基础、工程实践能力和提高创新创造能力的多层次、全方位交叉培养，学生的实践能力得到层层递进的提高，学生不但具备了扎实的专业功底，而且实践能力等到了充分的锻炼，必将会呈现优秀的创新创业能力。

景德镇陶瓷大学能源与动力工程专业特色鲜明，主要培养陶瓷工业领域窑炉设计、施工、调试、节能改造和运行维护的人才，在此领域景德镇陶瓷大学培养的陶瓷热工专业人才优势明显。所以，以行业特色院校的能动专业“热工过程与设备”及“窑炉课程设计”为例，既有实际意义和可行性，也具有代表性和典型性，有利于研究成果的推广。