新工科背景下能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程改革方法研究

劉雪玲 汪健生

[摘 要]能源與動(dòng)力工程是傳統(tǒng)的工科專業(yè)，在科學(xué)研究及工程應(yīng)用中具有很廣泛的應(yīng)用前景。文章根據(jù)當(dāng)前新工科背景條件下能源與動(dòng)力工程專業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國家相關(guān)重大發(fā)展戰(zhàn)略要求，以培養(yǎng)具有國際視野、具有解決復(fù)雜工程問題能力的高素質(zhì)人才為目標(biāo)，提出了新形勢(shì)下能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)理論課程體系構(gòu)建思路，同時(shí)對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了分析，并提出了適應(yīng)當(dāng)代科學(xué)與技術(shù)發(fā)展要求的熱工基礎(chǔ)課程的教學(xué)模式與方法。

[關(guān)鍵詞]能源與動(dòng)力工程;新工科;熱工基礎(chǔ)課程;教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）08-0065-03

一、引言

當(dāng)前，隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展及全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的不斷加速，全球范圍內(nèi)對(duì)高等教育的改革需求也日漸迫切。我國高等教育長期沿用的課程模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等均需進(jìn)行改進(jìn)，才有可能適應(yīng)當(dāng)前日新月異的新技術(shù)革命的需求。近幾年來，隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工程技術(shù)人才的需求已與過去有了很大區(qū)別，對(duì)工程教育也提出了新要求。為促進(jìn)我國工程教育深化改革，適應(yīng)工程教育新形勢(shì)，培養(yǎng)具有合理知識(shí)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新意識(shí)、國際視野、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)的高級(jí)專門人才，繼工程教育專業(yè)認(rèn)證之后，教育部提出了新工科建設(shè)指導(dǎo)思想，并形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”，力圖全力探索工程教育的中國模式和中國經(jīng)驗(yàn)[1]。

在全球經(jīng)濟(jì)體系中，能源是關(guān)系到各國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要戰(zhàn)略資源，能源的綠色、高效、合理利用，是關(guān)系到社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重要技術(shù)及戰(zhàn)略問題。正因如此，與能源相關(guān)的技術(shù)問題受到了前所未有的關(guān)注，對(duì)能源相關(guān)專業(yè)人才的需求也達(dá)到了前所未有的高度。因此，能源與動(dòng)力工程專業(yè)正在受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

為適應(yīng)新形勢(shì)對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，最大限度地滿足社會(huì)及學(xué)生個(gè)人發(fā)展的需求，本研究結(jié)合能源與動(dòng)力工程專業(yè)的特點(diǎn)，探討我國能源與動(dòng)力工程專業(yè)所培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具備與其職業(yè)發(fā)展及社會(huì)需求相匹配的若干基本素質(zhì)。其一是具有堅(jiān)實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)基礎(chǔ)。無論社會(huì)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)發(fā)展到何種程度，基本的專業(yè)理論體系是不變的，這些理論體系也是支撐各種新技術(shù)、新工藝發(fā)展的基石。其二是應(yīng)當(dāng)具備運(yùn)用所掌握的專業(yè)理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)與解決復(fù)雜工程問題的能力。擁有基本理論知識(shí)固然非常重要，但如何在實(shí)際工作中尤其是在工程應(yīng)用中應(yīng)用這些理論知識(shí)是更為重要的，這其實(shí)就是我國高等教育中所一直提倡的理論聯(lián)系實(shí)際問題。其三是具有創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力。創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力是一個(gè)國家發(fā)展前進(jìn)的根本動(dòng)力，如果沒有這種動(dòng)力，技術(shù)的發(fā)展終將停滯。其四是具有寬闊的國際視野。當(dāng)今的社會(huì)，早已不是孤立的環(huán)境，各國間的合作與交流是一個(gè)國家技術(shù)發(fā)展與前進(jìn)所面臨的趨勢(shì)。因此，高等學(xué)校培養(yǎng)的人才必須具備這一能力，以應(yīng)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

我國高等學(xué)校的專業(yè)設(shè)置雖然側(cè)重的方向不同，比如有些院校的方向?yàn)殡姀S動(dòng)力，有些為內(nèi)燃機(jī)，有些為制冷與低溫，有些為鍋爐等等，但都是通過設(shè)置能源與動(dòng)力工程專業(yè)來進(jìn)行人才培養(yǎng)的。以往高等學(xué)校能源與動(dòng)力類人才培養(yǎng)過程中，普遍存在理論與工程實(shí)際脫節(jié)、基礎(chǔ)理論知識(shí)的傳授相對(duì)枯燥、未能結(jié)合本專業(yè)領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展、原有的知識(shí)體系更新速度偏慢、教學(xué)方法單一等問題[3]。而在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，問題則顯得更為突出。我國能源與動(dòng)力工程專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程設(shè)置大致相同，如流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、鍋爐原理、制冷原理、換熱器、內(nèi)燃機(jī)原理等，但這些課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，這就使學(xué)生無法將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，無法理解實(shí)際工程問題與理論知識(shí)間的關(guān)系，從而造成本專業(yè)所培養(yǎng)的學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的專業(yè)認(rèn)識(shí)程度低，而且運(yùn)用系統(tǒng)的專業(yè)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力則更低。

因此，為解決上述問題，有必要在能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，對(duì)原有相關(guān)課程的體系進(jìn)行完善，并對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等進(jìn)行改革，促進(jìn)能源與動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)及解決復(fù)雜工程問題的能力，從而滿足社會(huì)相關(guān)行業(yè)對(duì)本專業(yè)人才的高質(zhì)量需求。

二、能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程特點(diǎn)

在我國現(xiàn)有的高等教育體系中，能源與動(dòng)力工程作為一個(gè)獨(dú)立的專業(yè)，不同高校根據(jù)自身特點(diǎn)和發(fā)展需求設(shè)置了不同方向，主要包括熱能工程、制冷與低溫、過程控制、熱科學(xué)與技術(shù)工程、內(nèi)燃機(jī)等方向。雖然方向與側(cè)重點(diǎn)各不相同，但主要的基礎(chǔ)課程則基本相同，其中包括流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)。這是本專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。相對(duì)而言，流體力學(xué)課程內(nèi)容繁多，物理概念突出，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，即便在國外大學(xué)也如此。工程熱力學(xué)課程強(qiáng)調(diào)基本概念，內(nèi)容比較抽象，但又與工程實(shí)際密切聯(lián)系，歷來是學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大的課程。傳熱學(xué)課程與流體力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等課程聯(lián)系密切，其中的熱傳導(dǎo)部分中，除與高等數(shù)學(xué)中的常微分方程、偏微分方程等內(nèi)容密切相關(guān)外，還與線性代數(shù)等課程內(nèi)容相關(guān)，而對(duì)流換熱部分則是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上講解傳熱相關(guān)內(nèi)容，因此該課程對(duì)學(xué)生前期所學(xué)知識(shí)的要求很高。燃燒學(xué)與傳熱學(xué)特點(diǎn)相類似，對(duì)學(xué)生的流體力學(xué)、傳熱學(xué)基本知識(shí)有較高的要求。這三門課程為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課提供必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)，為現(xiàn)代工程技術(shù)人員奠定必備的技術(shù)知識(shí)基礎(chǔ)。

三、能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程存在的主要問題

當(dāng)今信息化高度發(fā)展的時(shí)代，大學(xué)生對(duì)新生事物、新信息、新思想充滿興趣與好奇，但又對(duì)需要刻苦學(xué)習(xí)獲得知識(shí)與能力的方法不認(rèn)可、不認(rèn)同，絕大多數(shù)學(xué)生希望能以輕松、愉快的方式實(shí)現(xiàn)與完成自己的求知目標(biāo)，相比于相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)、刻板的課題教學(xué)，他們更希望借助于其他手段（如網(wǎng)絡(luò)）達(dá)到自己的學(xué)習(xí)目的。

目前對(duì)學(xué)生創(chuàng)新及實(shí)踐能力的培養(yǎng)主要通過課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)（如課程實(shí)驗(yàn)、各類創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)）完成。目前的教學(xué)活動(dòng)以課程為主，學(xué)生的學(xué)習(xí)緊密圍繞課程教學(xué)進(jìn)行，是名副其實(shí)的以課程教學(xué)為核心。所采用的教學(xué)模式以課堂授課為主，授課過程中強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)的講解與傳授，課程內(nèi)容數(shù)年甚至數(shù)十年不變，課程體系中更關(guān)心的是學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。在此背景下，大多數(shù)學(xué)生在課程教學(xué)過程中的主動(dòng)參與意識(shí)較弱，教師與學(xué)生的交流互動(dòng)少。教學(xué)過程中更注重基本原理的講解，這一點(diǎn)在能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程授課中體現(xiàn)得尤為突出。能源與動(dòng)力工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程中有著大量的基本概念、基本原理、嚴(yán)格而復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，傳統(tǒng)教學(xué)中，教師非常重視對(duì)這些內(nèi)容的講解，但往往忽視了學(xué)生的實(shí)際接受能力與感受。機(jī)械的、枯燥的理論分析、公式推導(dǎo)、例題講解往往容易使學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)失去興趣。最為重要的是，學(xué)生所了解的有關(guān)課程內(nèi)容的信息絕大部分源自教師的講解，而不是出于對(duì)課程內(nèi)容的興趣或進(jìn)行自我探究的所得，是一種典型的“被動(dòng)式學(xué)習(xí)”。因此，這樣的教學(xué)方式很難使培養(yǎng)的學(xué)生具有獨(dú)立分析、解決問題的熱情與能力，更難以達(dá)到“國際化、高素質(zhì)、創(chuàng)新型”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

四、能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程體系

能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程包括流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、換熱器原理、制冷原理、鍋爐原理、熱交換器原理、熱工測量、熱能與動(dòng)力機(jī)械、熱力發(fā)電廠、動(dòng)力機(jī)械原理等專業(yè)課程，其中流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)是所有專業(yè)課程的基礎(chǔ)，也是學(xué)生未來學(xué)習(xí)的核心課程。從國外知名大學(xué)來看，這四門課程也是機(jī)械工程、航空航天、化學(xué)工程等專業(yè)領(lǐng)域?qū)W生的必修課。因此，對(duì)這四門課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法的研究與改革，將有助于提高能源與動(dòng)力工程專業(yè)的教學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)及創(chuàng)新能力的提升。

目前我國能源與動(dòng)力工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，課程教學(xué)的順序是根據(jù)課程內(nèi)容間的相互銜接而確定的，因此在能源與動(dòng)力工程專業(yè)方向中，這四門專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)順序?yàn)榱黧w力學(xué)—熱力學(xué)—傳熱學(xué)—燃燒學(xué)，但很多學(xué)校將流體力學(xué)與熱力學(xué)以及傳熱學(xué)與燃燒學(xué)安排在同一學(xué)期，由此會(huì)出現(xiàn)一些問題。比如將傳熱學(xué)與燃燒學(xué)安排在同一學(xué)期，由于燃燒學(xué)中需要大量的傳熱學(xué)理論與知識(shí)，加之這兩門課程在講授內(nèi)容進(jìn)度上的差異，學(xué)生在學(xué)習(xí)燃燒學(xué)課程時(shí)，對(duì)其中所涉及的傳熱學(xué)內(nèi)容不了解或認(rèn)識(shí)不深入，會(huì)造成課程學(xué)習(xí)的困難。同樣，雖然流體力學(xué)與熱力學(xué)在課程內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)度較小，但這兩門課程均具有抽象、概念性強(qiáng)的特點(diǎn)，加之流體力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的要求又很高，將其安排在同一學(xué)期，會(huì)使部分學(xué)生感覺學(xué)習(xí)壓力很大，對(duì)課程學(xué)習(xí)感到焦慮，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而影響教學(xué)效果。因此，在安排課程學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)兼顧課程特點(diǎn)、課程難度、課程內(nèi)容銜接等具體情況，以流體力學(xué)—熱力學(xué)—傳熱學(xué)—燃燒學(xué)的順序進(jìn)行課程安排。

五、能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容

能源與動(dòng)力工程專業(yè)四門基礎(chǔ)課程應(yīng)當(dāng)根據(jù)社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展來對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行更新，除繼續(xù)強(qiáng)調(diào)基本概念、基本理論外，更應(yīng)注重創(chuàng)新與實(shí)踐內(nèi)容的補(bǔ)充。其中，流體力學(xué)教學(xué)應(yīng)更強(qiáng)調(diào)對(duì)其物理概念、物理進(jìn)程的理解，將重點(diǎn)放在對(duì)數(shù)學(xué)公式的物理意義及應(yīng)用的理解上，而不必過多糾纏于復(fù)雜與煩瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。此外，流體力學(xué)課程授課內(nèi)容中增加工程應(yīng)用實(shí)例，突出工程應(yīng)用中可采用流體力學(xué)基本理論與方法所解決的問題，為學(xué)生運(yùn)用流體力學(xué)基本理論與方法解決實(shí)際工程問題提供思路。可對(duì)工程應(yīng)用中的諸如汽車外形設(shè)計(jì)中流阻、風(fēng)力發(fā)電葉片設(shè)計(jì)、汽輪機(jī)葉型設(shè)計(jì)、換熱器流阻、區(qū)域供熱水力平衡問題等實(shí)際工程范例進(jìn)行分析、組織學(xué)生進(jìn)行討論。熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，除增加工程實(shí)際應(yīng)用范例外，還應(yīng)特別增加部分基本概念的應(yīng)用范例，如熵與熱力學(xué)第二定律等。熱力學(xué)工程應(yīng)用實(shí)例中，可結(jié)合電廠、核電廠工作特點(diǎn)重點(diǎn)講授蒸氣動(dòng)力循環(huán);結(jié)合各種燃?xì)鈩?dòng)力裝置講授各類動(dòng)力循環(huán);針對(duì)日常及工業(yè)生產(chǎn)過程中的制冷循環(huán)，除講授常規(guī)的蒸氣壓縮制冷、吸收式制冷外，還可增加噴射式制冷、吸附式制冷、熱聲制冷、磁制冷、半導(dǎo)體制冷等新型制冷方式的講解。在講授濕空氣內(nèi)容時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程案例講授不同場景條件下的空氣處理過程，如室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)過程設(shè)計(jì)、工業(yè)潔凈廠房空氣處理流程等內(nèi)容。傳熱學(xué)講授過程中，除強(qiáng)調(diào)其與流體力學(xué)的結(jié)合外，更需增加實(shí)際工程應(yīng)用中的各類傳熱問題，如結(jié)合三種傳熱基本方式，增加各類保溫問題、土壤蓄熱、地?zé)崂弥袩醿?chǔ)溫度變化、各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)、相變換熱、冷（熱）輻射、空間飛行器輻射等實(shí)例，使學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)的基本理論與分析方法有足夠深入細(xì)致的了解。在燃燒學(xué)課程講授過程中，要密切結(jié)合流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等課程的內(nèi)容，將四門課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)到不同課程內(nèi)容間的關(guān)系。授課中，根據(jù)課程特點(diǎn)，可對(duì)各類燃燒器進(jìn)行案例分析，借此使學(xué)生深入理解固、液、氣態(tài)燃燒的物燃燒過程，理解燃燒過程的關(guān)鍵影響因素及燃燒過程的控制方法，結(jié)合節(jié)能減排要求，重點(diǎn)分析燃燒產(chǎn)物的形成機(jī)理及控制方法。采用項(xiàng)目制及其他方法[4-5]授課，同樣也可起到較好的教學(xué)效果。

此外，在這四門基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)采用多種形式讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸實(shí)際應(yīng)用案例，借此加深對(duì)課程的理解;也可為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)課程特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)一些探索性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

六、結(jié)論

本文針對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)的具體特點(diǎn)，對(duì)能源與動(dòng)力工程課程體系的四門基礎(chǔ)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)分析，得出以下主要結(jié)論：其一，能源與動(dòng)力工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)，應(yīng)考慮各門課程的內(nèi)容銜接與學(xué)生的接受程度，按循序漸進(jìn)的原則來對(duì)知識(shí)進(jìn)行講解。其二，教師授課時(shí)，應(yīng)在突出基本理論、基本原理及基本方法的基礎(chǔ)上，突出工程實(shí)際案例的講解，豐富課程內(nèi)容，增加學(xué)生對(duì)本專業(yè)工程應(yīng)用范圍、前景及最新技術(shù)進(jìn)展的了解。其三，能源與動(dòng)力工程專業(yè)四門專業(yè)基礎(chǔ)課程是本專業(yè)不同方向的基礎(chǔ)，因此在課程體系建設(shè)與課程教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)突出其基礎(chǔ)性作用。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]