新工科背景下“汽輪機(jī)原理”混合式教學(xué)改革

摘要：在新工科背景下，高等院校對(duì)于培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉背景的創(chuàng)新性新型工科人才既是當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策?！捌啓C(jī)原理”是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門重要的必修課，為順應(yīng)新工科發(fā)展方向，提升汽輪機(jī)課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，結(jié)合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研和對(duì)該專業(yè)人才技能需求特點(diǎn)，本文提出了完善教學(xué)內(nèi)容體系與教學(xué)資源和手段、應(yīng)用和推廣課程項(xiàng)目混合式教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)等具體措施，為滿足新工科培養(yǎng)模式所要求的提高創(chuàng)新能力和多學(xué)科交叉背景的工科本科專業(yè)課程的教學(xué)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：新工科；汽輪機(jī)原理；混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

“汽輪機(jī)原理”是高校工科能源動(dòng)力類專業(yè)一門主要的專業(yè)必修課，要求學(xué)生掌握汽輪機(jī)的工作原理和特性，熟悉汽輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等知識(shí)，具備分析和解決汽輪機(jī)工作中出現(xiàn)問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)提高能源利用效率和節(jié)能減排，保障國(guó)家能源安全。課程要求學(xué)生首先要掌握“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”和“流體力學(xué)”等基礎(chǔ)性理論課程，熟悉與熱力發(fā)電廠、集控運(yùn)行等相關(guān)的專業(yè)課程，該課程具有理論性、實(shí)踐性和學(xué)科交叉性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大［1］。

以產(chǎn)業(yè)交叉融合為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，迫切需要具有多學(xué)科交叉背景、具有創(chuàng)新能力的新工科人才。加快建設(shè)新工科教育體系是高等教育的迫切需求，高等學(xué)校工科教育將向培養(yǎng)以創(chuàng)新型和復(fù)合型人才為特點(diǎn)的新工科的方向發(fā)展?！捌啓C(jī)原理”專業(yè)課程都具有實(shí)踐性強(qiáng)、涉及多領(lǐng)域?qū)W科、教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜和抽象等特點(diǎn)，如何充分利用有限的學(xué)時(shí)資源，獲得“寬”與“?！辈⒅氐膶I(yè)課教學(xué)效果成為新工科培養(yǎng)背景下，高等學(xué)校的專業(yè)課程教師共同面臨的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)［2］。本文結(jié)合本專業(yè)師資力量和學(xué)生基礎(chǔ)等實(shí)際情況，針對(duì)“汽輪機(jī)原理”課程的本科教學(xué)，制定了完善教學(xué)內(nèi)容體系和教學(xué)資源和手段、應(yīng)用和推廣項(xiàng)目式混合教學(xué)、創(chuàng)新混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)等具體解決措施，進(jìn)行不同方向的探索和研究，以提升教學(xué)效果，適應(yīng)新工科背景下的人才培養(yǎng)與教學(xué)。

一、完善教學(xué)內(nèi)容體系與教學(xué)資源和手段

結(jié)合學(xué)科前沿、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，理論課程內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)，注重教材內(nèi)容的更新。教材的緒論中應(yīng)補(bǔ)充汽輪機(jī)的發(fā)展史和主要特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；扭葉片級(jí)的講解中介紹三維熱力設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)；汽輪機(jī)軸封及其系統(tǒng)中介紹先進(jìn)的布萊登汽封技術(shù)特點(diǎn)；汽輪機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)與振動(dòng)中更新主流的600MW以上特別是1000MW超超臨界機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；汽輪機(jī)調(diào)峰運(yùn)行重點(diǎn)介紹深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要影響和解決措施。教師在教學(xué)過(guò)程中要及時(shí)追蹤汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展前沿，調(diào)整或刪減教材中陳舊、落后的技術(shù)等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)給學(xué)生補(bǔ)充汽輪機(jī)發(fā)展新技術(shù)和新方法，突出新工科教學(xué)的前沿性、創(chuàng)新性和學(xué)科交叉性，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)［3］。

蒸汽在汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)流動(dòng)及能量轉(zhuǎn)換、汽輪機(jī)的變工況等內(nèi)容理論性較強(qiáng)，且課時(shí)偏多，學(xué)生自主學(xué)習(xí)難度較大。建議學(xué)生登錄南京工程學(xué)院教務(wù)處網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，進(jìn)入“汽輪機(jī)原理”的學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的課前自主學(xué)習(xí)，如圖1所示。學(xué)習(xí)通具有豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、完善的電子資源庫(kù)與CAI課件，以及每節(jié)課內(nèi)容的教學(xué)視頻，幫助學(xué)生完善知識(shí)儲(chǔ)備。學(xué)習(xí)平臺(tái)具體由學(xué)習(xí)活動(dòng)、課程內(nèi)容和更多資料三大部分組成，學(xué)習(xí)活動(dòng)具有隨堂練習(xí)、主體討論、分組任務(wù)，簽到、問(wèn)卷等功能，課程內(nèi)容和更多資料模塊有助于學(xué)生借助學(xué)習(xí)平臺(tái)全面的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。

學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)通或課程學(xué)習(xí)互助交流群中進(jìn)行教學(xué)資料或視頻的在線學(xué)習(xí)，授課教師可將每章節(jié)知識(shí)點(diǎn)匯總、學(xué)習(xí)重難點(diǎn)、課后自測(cè)等材料上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋，在課堂教學(xué)過(guò)程中增加翻轉(zhuǎn)課題、專題研討等環(huán)節(jié)，做到重難點(diǎn)突出、廣度深度兼具，提高教學(xué)效果。教師應(yīng)建立班級(jí)課程學(xué)習(xí)群，督促學(xué)生注重平時(shí)積累，避免出現(xiàn)平時(shí)不學(xué)、考前突擊的現(xiàn)象。

利用學(xué)習(xí)通可方便獲取學(xué)生考勤、課堂互動(dòng)、課后作業(yè)與平時(shí)測(cè)驗(yàn)成績(jī)等資料，便于后期教學(xué)效果的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)。建立多元化考核評(píng)價(jià)模式，加強(qiáng)過(guò)程化和參與度考核。線上和線下混合式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，給學(xué)生提供開(kāi)放、共享的課程學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)及教學(xué)資源和手段的完善，有助于提高學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)能力，提升教育和教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)新工科背景下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

二、應(yīng)用和推廣課程項(xiàng)目混合式教學(xué)

積極引用和推廣項(xiàng)目混合式教學(xué)模式，其指導(dǎo)思想是以項(xiàng)目為載體，突出學(xué)生的主體作用，加強(qiáng)師生互動(dòng)交流，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。教師在開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)的過(guò)程中，首先要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)做好課程定位；其次要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)確定項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容，要使項(xiàng)目式教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知［4］，把體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)作為考核要點(diǎn)。我院根據(jù)“汽輪機(jī)原理”課程教學(xué)大綱、培養(yǎng)目標(biāo)，將項(xiàng)目式教學(xué)規(guī)劃為四個(gè)子項(xiàng)目。項(xiàng)目一：汽輪機(jī)汽封技術(shù)與應(yīng)用；項(xiàng)目二：汽輪機(jī)初終參數(shù)對(duì)其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響分析；項(xiàng)目三：汽輪機(jī)凝汽器特性及冷端優(yōu)化研究；項(xiàng)目四：汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)及應(yīng)用。為了培訓(xùn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，項(xiàng)目教學(xué)采用線上線下混合指導(dǎo)學(xué)習(xí)。主要實(shí)施步驟為：（1）理解項(xiàng)目目的，針對(duì)項(xiàng)目展開(kāi)充分的調(diào)研，主要包括項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、文獻(xiàn)的檢索和收集，并對(duì)調(diào)研結(jié)果匯總和分析。（2）通過(guò)對(duì)學(xué)生分組選題、研討，進(jìn)行課程項(xiàng)目分解，指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施流程與進(jìn)度安排，撰寫項(xiàng)目報(bào)告。組間可通過(guò)研討等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，教師應(yīng)通過(guò)騰訊會(huì)議等線上平臺(tái)或線下面授，針對(duì)課程項(xiàng)目中的問(wèn)題和疑惑進(jìn)行解答指導(dǎo)。（3）邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)專家或校友在線介紹課程項(xiàng)目的實(shí)際問(wèn)題，交流現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和新技術(shù)，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。項(xiàng)目式混合教學(xué)提倡學(xué)生在教師的協(xié)助下自主學(xué)習(xí)并掌握教學(xué)內(nèi)容的任務(wù)點(diǎn)，如項(xiàng)目一的任務(wù)點(diǎn)有：了解汽輪機(jī)汽封技術(shù)的科技前沿與發(fā)展動(dòng)態(tài)，理解汽封的基本結(jié)構(gòu)和先進(jìn)制造工藝，以及對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要意義；廣泛閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)，探索分析提高汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的措施；通過(guò)項(xiàng)目式混合教學(xué)，學(xué)生主動(dòng)查閱和收集相關(guān)科技文獻(xiàn)等資料，分工合作的方式不僅能夠拓展學(xué)生知識(shí)面的廣度和深度，還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)基本的科學(xué)研究素養(yǎng)［5］。

三、創(chuàng)新混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)

混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可以引導(dǎo)課程實(shí)踐教學(xué)改革方向。積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新技能。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到學(xué)時(shí)數(shù)、實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)量的限制，而新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢耘c互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、虛擬仿真等技術(shù)相結(jié)合，不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備數(shù)量的局限，打破實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上的限制，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，積極開(kāi)發(fā)或引進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能提供更好的資源和平臺(tái)?；旌鲜綄?shí)驗(yàn)教學(xué)不僅降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科研探索能力，對(duì)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義［6］。

在學(xué)校和各級(jí)部門科技創(chuàng)新項(xiàng)目申報(bào)和實(shí)施過(guò)程中，積極鼓勵(lì)和幫助學(xué)生使用MATLAB、Labview等計(jì)算機(jī)軟件及語(yǔ)言，合作開(kāi)發(fā)各種線上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如通過(guò)汽輪機(jī)檢修，有助于深刻理解汽輪機(jī)零部件缺陷與運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障之間的聯(lián)系。為了使學(xué)生能夠在進(jìn)入工作崗位后盡快適應(yīng)和勝任現(xiàn)場(chǎng)工作要求，建議針對(duì)汽輪機(jī)檢修方面的教學(xué)內(nèi)容，可通過(guò)汽輪機(jī)虛擬仿真檢修平臺(tái)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)來(lái)完成安裝與檢修的實(shí)踐環(huán)節(jié)，考核評(píng)價(jià)由線上過(guò)程考核和線下實(shí)驗(yàn)考核結(jié)果綜合評(píng)判，重點(diǎn)提升學(xué)生線上的學(xué)習(xí)與溝通和線下的分工與協(xié)作的能力。

針對(duì)汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，在完成“汽輪機(jī)原理”的課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生需要完成一臺(tái)小型汽輪機(jī)的通流部分的熱力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)繪圖。主要完成內(nèi)容為：（1）通過(guò)該設(shè)計(jì)掌握汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)的原則、方法和步驟。（2）熟悉汽輪機(jī)原則性熱力系統(tǒng)的組成和回?zé)嵯到y(tǒng)的計(jì)算；掌握汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)組成與作用，明確主要零部件在整個(gè)機(jī)組上的作用、位置和相互關(guān)系。（3）系統(tǒng)地總結(jié)、鞏固并加深對(duì)汽輪機(jī)課程知識(shí)的理解和運(yùn)用，并提高機(jī)械設(shè)備的繪圖能力。這培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力和對(duì)工程技術(shù)問(wèn)題的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的作風(fēng)。

教師和學(xué)生利用Python語(yǔ)言合作開(kāi)發(fā)了汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)網(wǎng)站，也可利用手機(jī)打開(kāi)網(wǎng)站，方便學(xué)生隨時(shí)使用，網(wǎng)站首頁(yè)如圖2所示。學(xué)生在進(jìn)行汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)時(shí)，將整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)按相對(duì)獨(dú)立的模塊化的課程設(shè)計(jì)教學(xué)方式進(jìn)行，改變了傳統(tǒng)的手算方式，通過(guò)在線輔助設(shè)計(jì)，大大提升了計(jì)算效率，且便于學(xué)生及時(shí)查找設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的不合理參數(shù)的選擇，便于查找錯(cuò)誤和方便設(shè)計(jì)結(jié)果校核，可以建立起學(xué)生設(shè)計(jì)的信心和熱情，體驗(yàn)到工程設(shè)計(jì)的過(guò)程的快樂(lè)，有助于對(duì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的掌握。在汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)網(wǎng)站和軟件的開(kāi)發(fā)與升級(jí)優(yōu)化過(guò)程中，既培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和工程實(shí)踐技能，又豐富了學(xué)校的教學(xué)實(shí)踐資源。

我院“汽輪機(jī)原理”課程設(shè)置了兩個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別為綜合性“汽輪機(jī)葉片自振頻率測(cè)定實(shí)驗(yàn)”和驗(yàn)證性“臨界轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)”，但由于學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)儀器陳舊和數(shù)量不足，使得學(xué)生需要分批次進(jìn)行，學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力得不到深層次的培養(yǎng)。以提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為宗旨，建議開(kāi)發(fā)或引進(jìn)汽輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主界面如圖3所示。這不僅滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，而且有利于學(xué)生對(duì)課程汽輪機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)與振動(dòng)相關(guān)內(nèi)容有更深入的理解，特別是汽輪機(jī)常見(jiàn)故障的信號(hào)分析與診斷，這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)感覺(jué)到抽象并晦澀難懂，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)振動(dòng)故障數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，分析具體的振動(dòng)故障信號(hào)及其特征來(lái)判斷振動(dòng)故障類型，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，并鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)出更多的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，舉一反三，觸類旁通，發(fā)表自己的見(jiàn)解，既強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，又培養(yǎng)了學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

結(jié)語(yǔ)

新的時(shí)代背景下，高等學(xué)校的教育改革將朝著新工科培養(yǎng)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對(duì)“汽輪機(jī)原理”的課程教學(xué)提出更高要求?？梢酝ㄟ^(guò)合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容體系，完善教學(xué)資源和手段，強(qiáng)化師生協(xié)同的混合式教學(xué)，創(chuàng)新混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，滿足新工科背景下人才培養(yǎng)的要求。同時(shí)，教師需要積極探索和實(shí)踐混合式教學(xué)改革，不斷提高自身創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生敢問(wèn)、敢想、敢挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，落實(shí)以學(xué)生為中心的工程教育理念，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，確保培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，在實(shí)踐中不斷總結(jié)并提高，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］靳智平，王毅林.電廠汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］吳愛(ài)華，候永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動(dòng)適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)［J］.高等工程教育研究，2017（1）：18.

［3］張川，王保文.面向新工科培養(yǎng)模式的汽輪機(jī)原理課程教學(xué)方法的思考［J］.教育教學(xué)論壇，2018（10）：190192.

［4］鄧海龍，康賀銘.項(xiàng)目教學(xué)模式在先進(jìn)制造技術(shù)課程中的應(yīng)用［J］.黑龍江科學(xué)，2022，13（19）：110112.

［5］王娟，葛曉霞，王毅林，等.新工科背景下能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2024（3）：7577.

［6］郭文普，楊百龍，孫曉艷，等.通信網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.教育教學(xué)論壇，2024（4）：9396.

基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JXJS2023018）

作者簡(jiǎn)介：王翔（1981—），男，漢族，安徽銅陵人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事能源與動(dòng)力工程專業(yè)研究與教學(xué)。