“内燃机原理”课程研究型教学改革探索

赵振峰　张卫正　孙柏刚　韩恺

［摘 要］ 在传统能源与动力工程专业的新工科改造背景下，结合“双一流”建设，打造“金课”建设，进行研究型教学课程改革探索，突出以学生为中心，侧重学习能力、认知能力、创新意识、解决实际问题能力的培养。通过探索传统课程“内燃机原理”的理论教学和实践教学相结合的研究型教学改革模式，充分发挥课程研究对象的特殊性，结合北京理工大学在内燃机领域的科研积累，将科研成果转化为教学案例融入研究型课堂，以案例式教学为主线实现理论教学和实践教学的融合，以达到培养学生实际能力的目的。

［关键词］ 研究型教学；内燃机原理；案例教学；能源与动力工程

［基金项目］ 2019年度北京理工大学“新工科背景下以学生为中心的能源与动力工程专业培养模式改革”（2019ZXJG022）；2020年度北京理工大学“内燃机原理课程研究型教学改革探索”

［作者简介］ 赵振峰（1974—），男，山西长治人，博士，北京理工大学机械与车辆学院教授，博士生导师，主要从事动力机械总体理论与技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）04-0077-04［收稿日期］ 2023-02-23

2018年6月，教育部在成都召开新时代全国高等学校本科教育工作会议，指出要坚持“以本为本”，把本科教育放在人才培养的核心地位、教育教学的基础地位、新时代教育发展的前沿地位［1］。采用新理念、新内容、新方法、新技术建设突出以学生为中心，注重能力培养，具有高阶性、创新性、挑战度的一流“金课”，已成为当前高等教育教学改革工作中的重要任务。

一、“内燃机原理”课程现状与背景分析

“内燃机原理”课程主要以内燃机产品为研究对象。由于内燃机结构复杂，涵盖热、机、流、电等多个学科，因而“内燃机原理”课程涉及燃料、燃烧热化学、气流、高压喷雾、燃烧组织、排放控制、性能匹配等众多内容，具有很强的工程性和实践性。

当前，内燃机技术飞速发展，新技术、新理论层出不穷，因此课堂教学内容的动态更新成为必要环节。而传统的课堂教学内容存在一定的技术滞后性，教学模式和课堂形式较为单一，难以有效激发学生的学习兴趣，对形式能力及创新意识培养存在一定的不足。因此，各大高校针对“内燃机原理”传统教学模式进行了积极改革与优化［2-4］。

由于“内燃机原理”课程在能源与动力工程专业车用内燃机方向具有核心地位，完成该课的研究型课程改革具有很好的专业引领与示范作用，因而高校可以以点带面，在整个专业迅速推广研究型教学模式。

二、研究型教学改革思路

（一）总体架构

将原“内燃机原理”的理论环节与“内燃机性能仿真”的实践环节有机结合，对知识点进行整合与梳理，提炼了10个研讨主题、8个实践主题、5个实验主题。同时，从科研成果中选出具有代表性的5款发动机作为课堂教学和实践环节的基本载体，要求学生以小组合作的形式依托所选择的发动机机型开展课题研讨和实践研究，贯穿课程始末，并最终以实际研究能力、课堂研讨能力、理论学习情况等作为本课程的考核依据。

（二）教学目标

通过研究型教学拟达到如下教学目标。

1.通过课堂理论教学，使学生知悉和理解内燃机技术理论的发展历史、重大技术突破的背景与影响。

2.通过研究型课堂教学，使学生掌握内燃机的工作原理、基本计算方法，能够利用基本知识和计算方法等技能分析并解决内燃机复杂工程问题。

3.通过主题引导的讨论与研究，使学生掌握能源与动力工程专业重要文献资料的来源和获取方法，培养综合运用内燃机理论和专业技术手段完成项目研究的能力，以及综合应用各学科知识分析解决复杂实际工程问题的能力。

4.通过项目研究，使学生具备运用计算机和工程软件解决复杂内燃机性能问题的基本技能，能够完成研究报告和研究答辩，具备通过口头或书面方式表达自己的想法，进行项目规划和项目研究的基本专业素养。

5.通过课程实验环节，使学生掌握本专业相关实验的具体原理和操作过程，具备实际动手操作和规划实验的能力及专业技能。

三、研究型教学具体措施

（一）课程内容整合与课堂组织

根据“内燃机原理”课程的教学内容，建立了各章节与预期学习成果之間的对应支撑关系，并且针对预期学习成果设计相应的教学策略，梳理教学内容之间的逻辑关系，并提炼了各章节的核心知识点和难点等内容。围绕各章节的核心内容，从理论知识和专业技能两方面建立学生学习能力的培养路线，“内燃机原理”课程各章节逻辑网络图与核心内容如图1所示。

围绕各章节的核心内容，从理论知识和专业技能两方面建立学生学习能力的培养路线，如图2所示。

（二）研究型教学环节设计

研究型教学贯通课程始终，教师可以将每章的核心知识点和难点联系科研实际及当下热点问题等凝练成讨论主题，鼓励学生课上展开讨论，以激发学生理论联系实际的研究兴趣，培养学生利用理论知识分析内燃机的相关现象和基本特性的能力。

针对每一章的核心知识点和难点，将研讨内容设计为10个主题，包括：主题1：提高发动机性能的途径研讨；主题2：替代燃料的应用及其前景研讨；主题3：理论循环与实际循环的差异讨论；主题4：增压的技术难点与趋势探讨；主题5：汽油机爆震解决途径与应用研讨；主题6：新型燃烧模式探讨；主题7：燃烧优化途径研讨；主题8：喷油规律优化途径探讨；主题9：内燃机排放控制技术应用讨论；主题10：汽车节能技术研讨。

研讨时要求学生根据主题讲授理论知识，自主查阅相关文献资料，分小组做主题发言准备；要求学生能够综合运用内燃机理论知识和专业技术手段完成研讨课题转向研究，能够在限定范围内分析和解决研讨课题给出的基本要求。

通过讨论主题，学生能够查阅并获取能源与动力工程专业重要的文献资料；能够综合运用内燃机理论知识和专业技术手段完成内燃机专题项目的研究；能够综合应用各学科知识分析解决内燃机领域复杂的实际工程问题。

针对每一章的核心知识点和难点，设计了针对不同小组的发动机课内实践环节。课内实践共8个主题，包括：主题1：循环功及指标计算分析；主题2：内燃机理论循环计算对比研究以及内燃机实际因素影响研究计算；主题3：各因素对充量系数影响规律的计算研究；主题4：汽油机放热规律计算研究；主题5：柴油机放热规律计算研究；主题6：供喷油规律计算研究；主题7：内燃机性能特性计算研究；主题8：内燃机综合经济性计算研究。

通过项目研究学习，学生可以运用计算机和工程软件解决内燃机的复杂性能问题；能够在小组中有效工作并与小组中的其他人有效合作；能够撰写结构完整、逻辑合理、内容翔实的专业研究报告；能够创建思路清晰、内容丰富的演示文稿，并充满自信地完成研究成果答辩；能够准确表达专业想法并顺利与他人沟通；能够合理规划项目并组织项目研究。

课内实践环节要求学生至少学会1个专业软件，可以借助专业软件建立内燃机子系统、整机仿真模型，并针对所给课题开展专题研究，培养学生利用计算机及工程软件解决内燃机复杂性能问题的能力；通过小组合作共同开展项目研究，锻炼和培养学生小组合作的能力。

针对实验性强、难理解的章节设计了相关实验环节。实验环节与教学内容对应情况如下：实验1：内燃机热平衡实验；实验2：内燃机进气涡流比测试与流场可视化测试实验；实验3：供喷油系统喷油参数可视化测试实验；实验4：汽油机性能；实验5：柴油机性能。

通过实验环节的学习，学生能够制订详细的实验计划，并组织和规划本专业相关实验；能够动手操作相关实验仪器设备；能够正确理解实验结果并对实验结果进行合理分析和解读。

（三）典型案例库建设

结合教学内容与科研实际，建立和完善了5种典型的内燃机机型库，以激发学生的学习兴趣与热情。

根据“内燃机原理”课程内容，结合北京理工大学能源与动力工程系多年来在军、民用内燃机方面的科研成果，建立和完善了5种典型的内燃机机型作为学生小组研究及讨论的对象，贯穿全部课程内容，包括课堂讨论、仿真实践、课外研究等各个环节。

入选的内燃机机型是典型内燃机，各具特点，涵盖了强调排放性能优越的车用汽油机、经济性能优越的车用柴油机、追求高功率密度的军用柴油机、追求重油和轻量化的无人机发动机、追求大缸径的船用柴油机等。

四、预期学习成效

（一）预期成效

通过研究型课堂教学改革，使学生在以下能力方面得到锻炼。

1.通过案例研讨分析，学生能够综合应用相关知识解决内燃机的复杂工程问题。

2.提升学生查阅专业文献资料、综合运用各学科知识分析本领域实际问题的能力。

3.培养学生工程专业软件应用能力、实际操作能力，能够利用现代化工具解决内燃机的复杂性能问题。

4.培养学生的小组协作能力、报告撰写能力、答辩表达能力、沟通协调能力。

5.训练学生实验规划能力、动手操作能力、实验结果分析能力。

（二）实际效果

“内燃机原理”研究型教学改革在北京理工大学能源与动力工程系已试运行2年，从学生课程考核、学生评价、督导组评价来看效果良好，同时，从北京理工大学的研究生入学专业面试、笔试等情况来看也有明显效果。

五、考核方式

“内燃机原理”课程采用研究型教学，其核心是转变教学主体，即教学主体由教师转变为学生。因此，本课程的考核评价体系进行了相应调整，考核占比为平时成绩50%、期末考试成绩50%。其中，平时成绩主要考查学生的课堂讨论表现、研究项目质量、答辩情况、回答问题情况、上机实践操作情况等。

为了客观地反映学生的学习效果，本课程结合教学内容与科研实践，建立了典型的内燃机机型库，涵盖了车用汽油机、车用柴油机、军用柴油机、船用柴油机、无人机动力等不同应用平台的5种发动机。这5种机型是从能源与动力工程系教师科研项目中选出的具有代表性的机型，具有较完善的资料储备、技术基础、性能数据。

各小组针对所选择机型开展项目研究和课题研讨，避免了千篇一律导致的评价偏差，同时激发了学生的学习兴趣与热情。考核评价环节充分考虑每名学生的学习效果，制定了相应的效果考核标准，考核范围涵盖研讨课堂表现、研究项目的答辩表现、提问及问题回答情况、研究报告撰写质量、上机实践操作情况及实验操作等。

最后，平时成绩汇总折合成百分制取50%计入考核成绩。平时考核更侧重于研究能力、操作能力、知识的应用能力等考查。期末考试成绩重点考核学生对基本概念、基础知识的掌握情况，以填空题、计算题、论述题为主。综合两种考核方式，可以全面、客观地考查学生对“内燃机原理”课程的掌握情况。

参考文献

［1］新时代全国高等学校本科教育工作会议召开［EB/OL］.（2018-06-22）［2023-01-14］.https：//www.gov.cn/xinwen/2018-06/22/content_5300334.htm.

［2］任成龙，王俭朴.《内燃机原理》课程教学的改革与优化［J］.教育教学论坛，2016（21）：77-78.

［3］苌转，吳净.基于能力培养的《内燃机原理》课程教学模式改革［J］.科技创新导报，2015（15）：145-146.

［4］谢翌，李伟，阮登芳，等.“内燃机原理”的教学创新与综合培养方法［J］.教育教学论坛，2020（50）：139-141.

Exploration of Research-oriented Teaching Reform of Internal Combustion Engine Principle

ZHAO Zhen-feng， ZHANG Wei-zheng， SUN Bai-gang， HAN Kai

（School of Mechanics and Vehicles， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract： Under the background of the new engineering transformation of traditional energy and power engineering majors， combining with the “double first-class” construction， building the construction of golden courses， implementation of  the curriculum reform has been carried out. Research-oriented teaching focuses on students as the center， laying Particular emphasis on the cultivation of learning ability， cognitive ability， innovative consciousness and the ability to solve practical problems. This research-oriented teaching reform mode combining theory and practice teaching of the traditional course of Internal Combustion Engine Principle， gives full play to the particularity of the course research object. It combines Beijing Institute of Technologys research fruits of internal combustion engine， transforms the scientific research achievements into teaching cases and integrates them into the research classroom， with case teaching as the main line to realize the integration of theoretical teaching and practice teaching， achieving the goal of students practical ability training.

Key words： research-oriented teaching; internal combustion engine principle; case teaching; energy and power engineering