熱質交換原理與設備課程混合式教學的探索與實踐

張振迎，楊美媛，常莉，陳艷華，陳建偉，王興國

（華北理工大學建筑工程學院，河北唐山 063210）

0 引言

《熱質交換原理與設備》是建環專業的一門專業核心課程，本課程是將專業中牽涉到熱質交換原理及相應設備的內容進行梳理、充實和加工而形成的課程，它以動量傳輸、熱量傳輸及質量傳輸共同構成的傳輸理論為基礎，重點講述發生在建筑環境與能源系統中發生的傳熱傳質原理及相應的設備熱工計算方法［1］。混合式教學模式主要是在原有傳統教學模式的基礎上，轉變為線上線下相結合的教學模式，能夠有效提高課堂效率，緩解因課時壓縮而帶來的繁重的教學任務壓力［2］。

該課程共40課時，含講課36課時，實驗4課時。授課對象為建環專業三年級的本科生，實行小班授課，人數為30人左右。在“華北理工大學網絡教學平臺”上開課，采用線上教學與線下課堂教學相結合、教師主導的“知識傳授”和學生主導的“大作業作品設計”并行的混合教學模式，實現課內和課外協同，提高課程的“挑戰度”，提升課程學習的難度和深度，同時力爭彌補建筑環境與能源應用工程專業教學體系中“熱濕交換設備研發”環節缺失的不足。

1 課程現狀分析

《熱質交換原理與設備》課程內容理論性較強，學生學習難度較大，學習過程乏味［3-5］。筆者在多年的教學經驗中發現了傳統課堂教學中的弊端：（1）老師授課時間幾乎占據了全部課堂時間，老師與學生幾乎無互動，學生注意力不集中，學生對教師所講內容不感興趣。（2）討論時間有限，學生不能及時與教師溝通，教師也不能及時了解學生的學習情況。（3）考核方式是閉卷考試，多局限于課本中的基本理論和基本技能，理論知識測試多，應用能力考查少；標準答案題多，非標準分析題少，記憶性成份所占比例較大，缺乏思維訓練。（4）本課程與實踐緊密相關，學生往往只掌握了理論知識，缺乏實踐經驗，發現問題、解決問題和創新精神的培養不夠。

2 改革理念及思路

2.1 在線學習平臺建設

線上的資源是開展混合式教學的前提，本課程組以學校網絡教學平臺建設為主，對在線學習資源進行補充完善更新，主要利用教學平臺的“課程資源”和“課程學習”兩個模塊。同時，將其他MOOC資源推薦給學生，引導學生自主學習。網絡教學綜合平臺中的“課程資源”包括：步進教程（提供課程各章節對應的課件和教案）；重點難點（提供重點內容和難點內容的解析）；思考與練習（練習資料：提供各類練習對應的資料）；專題講解（以微課形式提供各知識點對應的授課視頻）；知識拓展（提供熱質交換原理與設備方面的拓展知識）；名詞術語等。以上教學資源以PPT和微視頻的形式展現。針對《熱質交換原理與設備》課程主要內容，把形象化的多媒體課件和軟件模擬仿真技術引入到教學中來，同時購置了東方仿真課程多媒體素材庫，在PPT課件中加入以下內容：（1）大量的實物圖片（如換熱器、風機盤管、空氣處理機組、冷卻塔等），使學生對實物形成一定的感性認識；（2）大量的二維和三維動畫（如蒸發器、全熱新風機、冷卻塔等），使學生加深對熱濕交換原理以及設備工作過程的認識和理解，激發學習興趣。“課程學習”包括：基本信息（課程簡介、教學大綱、教學日歷等）；答疑討論（提供師生線上交流的場所）；課程問卷（用于課程結束后收集學生的反饋）；學習筆記（提供學生）；課程作業；試題試卷庫（提供課程理論知識的練習題），根據教學大綱要求，建立了熱質交換原理與設備試題庫與試卷庫，目前已編寫試卷10套，300多道題目，每章都有相應的習題，習題側重基本理論、知識和思維的考察，內容覆蓋面廣。除利用學校網絡教學平臺外，建立了微信群和QQ群，充分利用移動設備的便利性，作為對PC端的有效補充，微信平臺主要用來發布即時通知公告，并統一回復相關問題。

2.2 實驗教學基地的建設

除了課堂教學外，將培養計劃中的課程實驗納入到專業課的教學過程中，由主講教師與實驗教師共同負責，安排熱質交換設備相關的現場參觀與講解，使學生在課程中進行初識相關設備與系統的構成，為課堂的教學過程提供必要的感性知識。近年來，結合我校建環專業的培養特點，先后建設了噴淋室表冷器實驗裝置、冷卻塔性能測試裝置、新風熱回收機性能測試實驗平臺、全尺度人工環境倉實驗平臺、空氣源熱泵性能測試實驗平臺、CO2制冷與熱泵系統實驗平臺等，為本課程的建設增添了實驗與專業實踐的基地，學生可以親自對設備進行調試和研究。實驗前要求學生寫出實驗預習報告，做到有備而來，班級分小組進行實驗，盡量讓每位學生參與到實驗過程中，實驗結束后每位學生寫一份實驗結果分析報告，教師再根據實驗過程中的表現和實驗報告的撰寫情況進行打分。

2.3 非標準討論題目及大作業題目建設

1）課上討論題目庫的建設：如第三章設置了（1）分析忽略和考慮輻射時對濕球溫度測量結果的影響，討論如何正確測量濕球溫度；（2）說明風速對人體散熱的影響，以此說明為什么夏季南方人更愛開窗通風或愛開風扇等討論題目。第四章設置了（1）空調為什么會有凝結水？（2）車庫為什么會結露？怎么防止結露？（3）分析比較醫院潔凈室的空氣處理方案等討論題目。這些問題要求學生用實際數據進行說明，不能直接照著書和課件講解，這樣讓師生之間的見面用來實現一些更加高級的教學目標，讓學生有更多的機會在認知層面參與學習。

2）與實際工程聯系緊密的非標準大作業課題庫建設。大作業以實際工程項目訓練為主導，樹立“以工程實際為背景，學生自主學習”的現代教育理念［6］。大作業題目3~4人一組，各組分別完成一種室內熱濕環境控制系統的方案和主要熱質交換設備的《設計報告》，大作業根據CDIO教學理念的要求，從構思、設計、實施和操作四個方面鍛煉學生們解決工程問題的能力［7］。最后提交的報告主要內容包括：系統構思、設計計算書、系統實施及設備圖紙、運行方案分析，有能力的同學可以制作樣機或模型，并提供測試報告。

2.4 線上線下教學安排

線上教學充分利用網絡教學平臺的各個模塊，進行混合式教學。通過在線學習，傳統的課堂講授在一定程度上進行前移，讓學生基本了解熱質交換原理與設備的基本知識點，同時教師通過教學平臺動態發現學生學習中存在的問題，及時總結與改進自己的教學環節。課堂教學通過精心設計的討論活動為載體，教師發揮主導作用，通過創建問題背景，激發學生探究并靈活運用在線學到的基礎知識。具體教學安排如表1所示。

對于部分翻轉課堂教學環節，基本理論由教師課堂講解，同時教師布置課外的學習活動，針對一些典型建筑或空間的空氣熱濕處理方案類題目讓學生自己去閱讀相關資料，并指定若干活動小組，每組3-4名同學，提出相關熱濕處理方案并進行分析和比較，最終形成研究報告，課堂上各組進行分享和討論。教師對各組報告進行點評和補充講解。課后學生再整理相關資料和報告，進而完成反思以深化知識。

完全翻轉課堂環節則提前讓學生到網絡教學平臺上自主學習，再結合課程內容，指定活動小組進行實際調研，并對設計校核類非標準大作業進行初步分析，形成第一次報告，課堂上各小組分享討論自己的學習成果，從而讓學生了解不同熱濕處理方案及熱質交換設備在建筑中的實際應用方式和優缺點。課堂討論主要包括工程案例理論知識和解決問題的思維方法，以及關鍵和常見問題的解答。課后，學生各小組完成設計校核類非標準大作業題目，并形成初步設計作品，課堂上對作品進行展示和講解，教師同學對各組作品進行提問或點評，課后各小組對作品進行完善，最終上交。

表1 混合式教學安排

2.5 課程學習效果評價與考核

變革傳統的考核方式，采用平時多種考核、大作業與期末答辯相結合考核、期末閉卷筆試的綜合能力考核方式，注重通過課內討論和實踐中考核學生。本門課程的考核方式如圖1所示。通過講課、上課討論、在線討論與測試、平時小作業等環節使學生掌握課程知識，使教師了解和檢驗教學效果；通過大作業作品的構思、計算過程、設計說明、階段匯報等環節使學生掌握課程知識在實際中的運用方法，并同時了解和考察學生對課程方法的掌握程度；通過大作業作品的方案、研發過程以及答辯等環節提升和考查學生的創新能力和表達能力。解決學生“平時不學，期末突擊”而不能真正發揮考試的導學作用問題，提升學生的學習熱情和主動參與性，同時培養學生的文獻查閱能力和團隊協作能力。另外，為了進一步提升學習效果，優秀的大作業作品會推薦參加學校以及各類的大學生科技競賽。

圖1 課程考核方式

3 改革成果

（1）使學生真正體驗了自己所學知識在實際工程中的應用，激發了學習興趣，提升了學習效果。學生們對非標準課上討論題目以及大作業非常感興趣，歷年的大作業題目如實驗室CO2熱泵系統的蒸發器/氣體冷卻器設計校核、某品牌空調的蒸發器/冷凝器設計校核、自己居住的宿舍樓的熱濕環境控制系統方案及設備設計、學校教學樓的熱濕環境控制系統方案及設備設計、某品牌風機盤管的設計校核、某品牌冷卻塔的設計校核等。學生學習由被動變為了主動，不僅加深了對課堂內容的理解，還發現自己能夠利用課本的知識設計研發實際產品，使得書本中的知識“站”起來了，提升了自我成就感。調查問卷表明：90%以上的學生感到該課程改革比單純學習課本知識有意義得多，促進了對基礎知識的理解和掌握；98%以上的學生認為自己的動手能力、口頭表達、團隊協作能力得到提升。在大作業討論過程中，教師們也從中獲得了很多新創意，真正實現了教學相長。

（2）取得了部分科技成果和競賽獲獎，激發了學生的自信心和責任感。自2016年開始，對優秀的課程大作業作品經過加工整理后，申報專利和軟件著作權，并參加各類相關的科技競賽，目前為止，獲得實用新型專利2項，軟件著作權3項。獲得河北省“互聯網+”大學生創新創業競賽獲得銅獎1項；中國制冷空調行業大學生科技競賽二等獎1項，三等獎2項；中國制冷學會創新大賽獲得三等獎1項；獲得校級大學生互聯網+創新創業競賽一等獎2項。

4 改革中遇到的問題

（1）學生對重點和難點理解不透徹，因為混合式教學方式對學生課前自主學習提出了更高的要求，也需要在線學習資源要更精準更生動的展示課程內容，照顧到學習能力程度不同的學生，使每位同學學有所獲。教師也需要花費更多的精力來設計課堂的環節和建設在線學習平臺，保證不浪費課上的每一分鐘，使各個環節緊密連接，同時線上線下也密切配合，做到真正的有機結合。

（2）大作業需要學生用大量課外時間來完成，收獲大，但負擔也重；學生選題或技術路線不合適，可能到學期結束也拿不出作品。因此，選題和確定技術路線的確定也需要教師投入大量的輔導時間。同時大作業答辯容易和其他科的考試相沖突，影響了后期的大作業效果。

（3）要合理處理與其它相關課程的關系。目前我們課程安排的時間是流體力學和傳熱學已經上完，和建筑冷熱源及建筑環境學并行開課，但是暖通空調課程還未開課。實踐證明，在講課時碰到沒有出現過的暖通空調系統概念時學生普遍感到接受困難。但是通過課程大作業和討論題正好把剛學過的傳熱學、冷熱源及建筑環境學的知識進行綜合運用，同時讓學生感到學無止境。在講述到本課程與暖通空調系統有關的內容時，盡量把學生的日常所見與課程理論聯系起來，并告訴學生具體計算方法和原理將在暖通空調課程中學習。這樣不僅有助于學生深入理解本課程，而且能夠使學生帶著問題進入后期的專業課程，有利于提高學習的主動性。

5 結論與展望

通過熱質交換原理與設備課程的混合式教學的探索與實踐，教師可以在線實時掌握學生的學習狀態，比如學習時間、討論、作業提交情況等，有助于教師及時答疑和調整教學側重點，使教學處于動態可控狀態。本課程改革通過翻轉課堂的形式，以小組為單位，以非標準大作業為載體，引領學生自學自講，遇到問題自己尋找答案，有效提高了教師上課的效率和緩解課時壓縮帶來的講課任務繁重的壓力，將課堂主導權平移給了學生，使學生在課堂上有效的討論、交流和發言，主動、積極地展現自己，同時滿足了學生個性化學習的需求，激發了他們不斷追求和探索的欲望，有利于以學生為中心的教學模式的形成。具有吸引力和挑戰性的非標準大作業有利于教學內容與工程實際相結合，提高學生的工程能力；并有意識地鍛煉學生的文獻查閱、口頭表達、批判性思維、團隊協作等綜合能力，提升教學效果，增強學生對課程教學的滿意度。