科研案例融入能源動力類課程的研究性教學(xué)實踐

歐陽新萍 秦潔

摘? 要：能源動力類課程實驗性、工程性較強，“科研案例融入課程教學(xué)”是針對這類課程的特點改進教學(xué)方法的一種嘗試，可歸屬于研究性教學(xué)方法，是對教學(xué)改革所提倡的討論式教學(xué)、案例教學(xué)的一種教改措施。通過對幾門能源動力類課程引入科研案例的教學(xué)實踐，效果反饋良好，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強了學(xué)生的專注力、促進了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。對于能源動力類課程，“科研案例融入課程教學(xué)”是適用的。要推廣這種教學(xué)方式，必須改革教學(xué)管理制度、教學(xué)業(yè)績評價指標，還要鼓勵教師積極參與科研活動。

關(guān)鍵詞：能源動力課程;科研案例;教學(xué)實踐;研究性教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2020）33-0133-04

Abstract： Power and energy courses have strong experimental and engineering quality. Scientific research cases integrating into course teaching is an attempt that can improve teaching methods aimed at characters of such courses， belonging to research teaching methods， also an teaching reform measure aimed at discussion teaching and case teaching advocated by teaching reform. This paper states that scientific research cases integrating into course teaching can get nice feedback， improve students' interest， enhance students' focus and deepen students' comprehension in courses through teaching practice on several power and energy courses. To power and energy courses， scientific research cases integrating into course teaching is applicable. In order to promote this teaching method， we should reform teaching management system， assessment of teaching performance and encourage teachers to take an active part in scientific research activities.

Keywords： Power and Energy courses; scientific research cases; teaching practice; research teaching

不少能源動力類課程知識面廣、工程性強[1]，傳統(tǒng)的傳遞——接受式教育方法很難取得良好的教學(xué)效果。筆者將課程相關(guān)的科研案例融入本科課程教學(xué)之中，取得了良好的效果。首先，科研案例的敘述能增強學(xué)生的興趣度，調(diào)動學(xué)生的注意力;其次，科研案例中所要解決的問題能激發(fā)學(xué)生的好奇心和思維量，帶著問題和思考的學(xué)習(xí)過程將起到事半功倍的效果。除此之外，授課老師對科研案例的分享，能夠有效的實施科研反哺教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[2]。

一、理論依據(jù)

事實上，科研案例融入課程教學(xué)，是一種研究性教學(xué)方式。

本世紀以來，隨著全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展，知識經(jīng)濟的挑戰(zhàn)和競爭日益激烈，引起了對高素質(zhì)創(chuàng)新人才需求的競爭。近年來，國家提出大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的理念，提出創(chuàng)新驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略。高校應(yīng)該順應(yīng)時代的發(fā)展，改革高等教育教學(xué)、在大學(xué)中培養(yǎng)更多高層次創(chuàng)新型人才。作為一種有效的引導(dǎo)學(xué)生主動探究、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的教學(xué)方式，研究性教學(xué)成為21世紀國內(nèi)外大學(xué)教學(xué)改革的一項核心內(nèi)容[3]。

研究性教學(xué)包含的內(nèi)涵較廣，包括制定研究訓(xùn)練計劃、開展研討課、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、書面、口頭表達能力的培養(yǎng)、跨學(xué)科教育、基于問題的學(xué)習(xí)、自主探究式學(xué)習(xí)、基于合作式學(xué)習(xí)、開放性實驗課程等。還包括將最前沿的科研動態(tài)引入教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生盡可能多地參與研究活動，帶著問題學(xué)習(xí)，用科學(xué)研究的要求組織教學(xué)[4]。

2005年1月，教育部發(fā)出《教育部關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》的文件，提出要積極推動研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力;積極推進討論式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法和合作式學(xué)習(xí)方式。因此，進行案例教學(xué)，在教學(xué)過程中融入科研案例也是響應(yīng)教育部的教學(xué)方針的舉措。通過融入科研案例的教學(xué)，還可引導(dǎo)大學(xué)生參與教師的科研項目，將所學(xué)知識融入科研實踐。“十二五”期間，教育部、財政部繼續(xù)實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”，目的在于優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，改革人才培養(yǎng)模式，支持在校大學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，提高大學(xué)生解決實際問題的實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。因此，科研案例融入課程教學(xué)還可拓展到課外，貫穿整個教學(xué)周期。

開展研究性教學(xué)是順應(yīng)國際國內(nèi)教學(xué)改革的潮流、改進課堂教學(xué)效果的積極有益的方法。將科研案例引入部分能源動力類課程的教學(xué)實踐，是對研究性教學(xué)方法在能源動力類課程中的有益嘗試。國內(nèi)已有教師在做這方面的嘗試，但為數(shù)不多。曾祥蓉、陳進等[5]將科研活動融入混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的實踐，孫家瑛[6]將科研活動融入土木工程材料課程教學(xué)的實踐都取得了良好的效果。

二、教學(xué)實踐

（一）《能源概論》課程教學(xué)

在我校的本科培養(yǎng)計劃中，有一些人文素養(yǎng)類的通識課程，面向全校所有專業(yè)學(xué)生開放，學(xué)生在校期間必須選修1到2門。能源概論是這類課程中唯一的能源動力類課程。該課程的學(xué)習(xí)目的是使學(xué)生在通識教育課程中，體會工程技術(shù)類課程的基本教學(xué)方法，獲得必要的能源科學(xué)基本知識，了解常規(guī)能源、新能源的資源特性及應(yīng)用前景，了解能源與環(huán)境、能源與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)。從學(xué)生的選課情況看，文、理、工、醫(yī)類的都有，大一到大四的都有。對這樣跨學(xué)科、跨年級的學(xué)生群體，必須把握課程內(nèi)容的重點及部分課程內(nèi)容的深度，必須穿插一些特別的教學(xué)方法或手段，融入科研案例的教學(xué)方法就是其中的一種嘗試。

筆者負責(zé)了一個地?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)中的混合式凝汽器研究項目，地?zé)崮軐儆谛履茉矗責(zé)嵴羝牧鲃印⒛Y(jié)伴隨著能量的轉(zhuǎn)換、傳遞過程;混合式凝汽器是實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。在講述到課程內(nèi)容中的“能量的傳遞與轉(zhuǎn)換”章節(jié)時，對于學(xué)習(xí)過傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的學(xué)生來說，比較容易理解課程內(nèi)容，而事實上大部分學(xué)生都沒有學(xué)習(xí)過。結(jié)合科研課題的描述就會有助于學(xué)生理解相關(guān)內(nèi)容并提升注意力。地?zé)嵴羝谌~輪機械或其它膨脹機械中流動、驅(qū)動機械運轉(zhuǎn)的過程實現(xiàn)了熱能、壓力能向機械能的轉(zhuǎn)換;葉輪機械或其它膨脹機械出口的乏汽進入混合式凝汽器與冷卻水直接接觸換熱，則是實現(xiàn)了熱量從高溫向低溫的傳遞過程。這樣就將課題內(nèi)容融入了課程內(nèi)容的講解。講解過程展示一些課題研究過程的實驗圖片，幫助同學(xué)們理解課程內(nèi)容，同時也激發(fā)同學(xué)們對科研的興趣。圖1所示，為講解過程展示的圖片之一，是混合式凝汽器中的噴嘴的實驗圖片。

在講述到課程中的新能源部分的“地?zé)崮堋闭鹿?jié)時，再次引入該課題的立項背景和意義的闡述，介紹了世界和中國的地?zé)崮芾玫默F(xiàn)狀、地?zé)岚l(fā)電的現(xiàn)狀、中國地?zé)岚l(fā)電與世界發(fā)達國家的差距、中國地?zé)崮芾眉暗責(zé)岚l(fā)電的規(guī)劃等，自然的融入了課程內(nèi)容。實踐表明，學(xué)生的專注度提升了，也加深了對課程內(nèi)容的理解。

（二）《換熱器原理與設(shè)計》課程教學(xué)

換熱器又稱為熱交換器，是各行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的一種通用設(shè)備，能源動力行業(yè)的應(yīng)用更是普遍，如發(fā)電系統(tǒng)中的高壓加熱器、低壓加熱器，汽輪機出口乏汽的冷凝器，電機的翅片管式氫氣冷卻器等。在能源動力類專業(yè)的專業(yè)課安排中，換熱器是不可或缺的一門課程。

上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院的課程設(shè)置中，現(xiàn)階段有關(guān)換熱器的課程名為《換熱器原理與設(shè)計》，包含換熱器的計算方法、傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理、高效緊湊式換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理。換熱器是應(yīng)用歷史悠久的工業(yè)領(lǐng)域通用設(shè)備，但隨著工業(yè)的發(fā)展，換熱器不斷出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。隨著電子計算機的普及，傳統(tǒng)的查取圖表的換熱器計算方法逐步被淘汰，取而代之的是計算軟件的興起。通過科研案例向同學(xué)們傳遞這些新結(jié)構(gòu)、新應(yīng)用和新的設(shè)計方法能取得積極的效果。

筆者的主要研究方向是換熱器及強化傳熱，在換熱器的設(shè)計理論、換熱器的結(jié)構(gòu)、換熱器的計算軟件、換熱器的測試技術(shù)方面做了大量科研工作。筆者曾為一家板式換熱器的制造廠家編制過板式換熱器的設(shè)計計算軟件，該計算軟件可根據(jù)客戶的需求參數(shù)進行設(shè)計計算，并輸出設(shè)計圖。筆者在講述到換熱器課程的板式換熱器內(nèi)容的時候，就引入了這個課題。在用該軟件演示計算過程的時候，用的是牛奶被加熱消毒的案例，并介紹了牛奶消毒的相關(guān)知識，引起了同學(xué)們的興趣。圖2所示為軟件的設(shè)計結(jié)果，中間的豎直線表示用于熱交換的板片，豎直線下部帶箭頭的線條表示牛奶的流動路線，豎直線上部帶箭頭的線條表示加熱介質(zhì)的流動路線，圖的上部和下部表示每塊板片的型號。板片型號中標有“13”或“234”的數(shù)字，表示板片角孔開孔的位置號，如果空白，就表示4個角孔“1234”全部開孔。

軟件的演示過程中，會伴隨著給學(xué)生提一些問題，根據(jù)學(xué)生的回答情況進行引導(dǎo)，使得學(xué)生能徹底弄明白問題的答案。比如板片如何配置，能讓板式換熱器構(gòu)成多流道、多流程的流動？就可以結(jié)合圖2進行生動的講解：牛奶的流動路線表示3個流程的流動，加熱介質(zhì)的流動路線表示5個流程的流動;在流體轉(zhuǎn)向位置一般開3個角孔或2個角孔，留下1到2個“盲孔”，盲孔的存在使得流體轉(zhuǎn)向，形成多流程的流動。豐富多彩的軟件界面將學(xué)生的興趣度調(diào)動到一個高潮。

同理，針對板翅式換熱器的講述，將板翅式汽車機油冷卻器的研究內(nèi)容分享給同學(xué)們;針對翅片管換熱器的講述，將波紋翅片管的最新科研成果分享給大家。這些前沿課題的融入，學(xué)生發(fā)應(yīng)熱烈，學(xué)習(xí)興趣提升。

（三）《熱工測試技術(shù)》課程教學(xué)

《熱工測試技術(shù)》是能源動力類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及熱工過程中溫度、壓力、流量、流速等基本熱工參數(shù)的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)測試方法、測量基本原理，還涉及測量傳感器、測量系統(tǒng)以及誤差分析理論。這是一門與實驗方法和手段密切相關(guān)的課程，是實驗性、工程性較強的能源動力類專業(yè)的必學(xué)課程。要上好這門課，除了安排一定的實驗課程之外，在課程的理論課時中，引入科研案例的教學(xué)方法，對于學(xué)生學(xué)好這門課程有著積極的意義。該課程面向能源與動力工程學(xué)院所有專業(yè)的高年級學(xué)生。

筆者承擔過一些實驗裝置研制的課題，如“翅片管單管的測試裝置”、“翅片管管束的測試裝置”、“冷凝管和蒸發(fā)管測試裝置”等。這些測試裝置中，都包含了溫度、壓力、流量、流速等基本熱工參數(shù)的測量。比如講到課程內(nèi)容的溫度測量，主要測溫元件有熱電偶和熱電阻，筆者介紹了在“翅片管管束的測試裝置”中，在試驗件風(fēng)道的出口采用多點熱電偶的布置，在試驗件風(fēng)道的進口則采用單點熱電阻的布置。從這一測溫元件的選擇及布置實例，來闡述熱電偶和熱電阻各自的特點及區(qū)別。類似地，講述了該課題通過測量蒸汽飽和壓力的方式，來調(diào)控蒸汽飽和溫度的方法，導(dǎo)入了有關(guān)測溫元件“熱慣性”的課程內(nèi)容：測量溫度的熱電阻存在熱慣性致使調(diào)節(jié)不靈敏，通過與溫度一一對應(yīng)的蒸汽飽和壓力的調(diào)控可以使調(diào)節(jié)更靈敏。

圖3是筆者在科研案例中用到的測試風(fēng)道中空氣溫度和相對濕度測試裝置，通過干球溫度、濕球溫度的測量，可以計算得到空氣的相對濕度。課堂上，通過該裝置的講解，深化了學(xué)生對空氣相對濕度的測試方法的理解。

（四）《制冷原理》課程教學(xué)

《制冷原理》是能源動力類專業(yè)制冷方向的一門重要專業(yè)課程。制冷裝置涉及的門類非常廣泛，如空調(diào)、冰箱、冷庫、冷鏈等。我國是制冷相關(guān)產(chǎn)品的制造業(yè)大國，有大量的相關(guān)產(chǎn)品出口，在全球占有重要地位。

《制冷原理》這門課程的專業(yè)性很強，部分原理比較抽象，如果僅僅依據(jù)教科書上的內(nèi)容進行講授，學(xué)生不容易理解。筆者同樣引入科研案例貫穿于課程講授過程。

比如講授到制冷劑的冷凝過程時，引入高效強化換熱管的管外制冷劑冷凝研究案例，將案例中涉及到的強化換熱管表面形狀的微觀形態(tài)展示出來，將相應(yīng)管件冷凝實驗的圖片展示出來，分析管件表面形態(tài)與冷凝效果之間的關(guān)系。圖4所示是高效強化換熱管的微觀表面形態(tài)，圖5是相應(yīng)的冷凝效果圖。

通過案例分析及相應(yīng)圖片的展示，促進了學(xué)生對課程內(nèi)容的吸收、理解。

綜合幾門課程的教學(xué)效果，總結(jié)下來，體現(xiàn)在如下幾個方面：

1. 課堂的專注力提升

在引入案例的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的專注力明顯比以往要高，類似講話、做其他事情、眼睛失神等現(xiàn)象大為減少。

2. 學(xué)習(xí)興趣、理解力和能動性增加

通過課后與學(xué)生的交流以及教務(wù)部分的調(diào)查反饋，引入教學(xué)案例及相關(guān)的討論，能增加學(xué)生的興趣、理解力和參與意識。這種參與意識使學(xué)生主動思考問題，產(chǎn)生自身能力體現(xiàn)的欲望，從而提升了學(xué)習(xí)效果。

3. 出勤率和成績提高

比較了引入科研案例教學(xué)方法前后的課堂平均出勤率和課程平均成績，課堂出勤率提升了7%，平均成績也有了提高。

三、研究性教學(xué)現(xiàn)狀及推廣

研究性教學(xué)的提出反映了當今大學(xué)教學(xué)的特征和要求，反映了現(xiàn)代先進教育教學(xué)思想和理念。在我國高等教育過程中，大多本科生的教學(xué)方式依然是以單純的教師傳授知識為主，學(xué)生自主創(chuàng)新性學(xué)習(xí)相對不足。現(xiàn)有的教學(xué)活動大多沒有突破傳統(tǒng)應(yīng)試性的灌輸-接受性的教學(xué)框架，強調(diào)問題式、探究式、互動式的研究性教學(xué)尚未真正走進課堂內(nèi)外。研究性教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神、研究能力、動手實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力等為目標，它改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，倡導(dǎo)教師進行開放式教學(xué)，并將科學(xué)前沿知識引入教學(xué)，鼓勵學(xué)生主動探究式學(xué)習(xí)，使其從知識的吸納者變?yōu)橹R的建構(gòu)者與探究者。

筆者實踐的科研案例融入課堂教學(xué)，實現(xiàn)了問題式、探究式的學(xué)習(xí)方式，并引入了科學(xué)前沿知識，具有研究性教學(xué)的特征，值得推廣。

但要實現(xiàn)這種教學(xué)方式的推廣，必須具備一定的條件。首先要改革教學(xué)管理制度、教學(xué)業(yè)績評價指標，鼓勵提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專注力的教學(xué)方式，鼓勵易于學(xué)生消化理解的教學(xué)方式;其次教師要積極參與課程內(nèi)容相關(guān)的科研活動，一方面通過科研活動促進自身教學(xué)水平的提升，另一方面也是將科研融入教學(xué)的前提。

四、結(jié)束語

能源動力類課程實驗性、工程性較強，部分課程內(nèi)容還略顯“枯燥”，科研案例融入課程教學(xué)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強學(xué)生的專注力、加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，是值得推廣的一種方法。科研案例融入課程教學(xué)的方法，具有研究性教學(xué)的特征，研究性教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神、研究能力、動手實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力等為目標，是當今研究型大學(xué)教學(xué)的一種趨向，也是其他類型高校教學(xué)的重要借鑒方式。對于實驗性、工程性較強的能源動力類課程，科研案例融入課程教學(xué)更為適用。要推廣這種教學(xué)方式，必須改革教學(xué)管理制度、教學(xué)業(yè)績評價指標，還要鼓勵教師積極參與科研活動。

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