基于工程教育专业认证的工程热力学课程教学探索
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作者:尤彦彦 毛明明 杨彬彬 齐晓霓 王有镗
[摘要]工程教育专业认证为我国高等工程教育发展指明了方向。在深入理解工程教育专业认证基本理念的基础上，高校对工程热力学教学进行了深刻反恩，重新明确了课程定位，革新了教学思路，探索灵活的教学方法，加大课程实践力度，以适应工程教育认证要求，不断提高人才培养质量。
[关键词]工程教育专业认证;工程热力学;人才培养;教学探索
[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0071-03
2013年6月，中国加入《华盛顿协议》，标志着我国工程教育专业认证工作全面展开。截至2017底，全国已有198所高校的846个工科专业通过了教育部高等教育教学评估中心和中国工程教育专业认证协会的认证，由此表明，我国工程教育质量及其保障机制得到了国际工程教育界的認可，标志着我国工程教育已迈出了国门，走向了世界。
工程热力学作为能源动力类、机械类各专业的一门重要专业基础课，是工程教育认证课程体系中不可或缺的课程，课程支撑学生工程知识、问题分析、开发/解决方案、研究、个人和团队、终身学习等多个方面的毕业要求，属“强支撑”课程，教学工作开展直接关系到学生毕业要求的达成度。为此，深刻把握工程教育认证三个基本理念——成果导向，以学生为中心和持续改进为主线，重新定位课程，革新教学思路，调整教学方法，进行有效的实践教学改革有着非常重要的意义。
一、课程定位
工程教育认证背景下，工程热力学课程性质并没有没变，但是课程承载的东西不同了，除了知识，要同时兼顾能力、思维、环境与社会、人文素质等。如此，教学过程将不限于课上、教室和书本，课堂必将变为交流知识、碰撞思维和体悟情感的场所。相对于陈述性知识而言，教学内容应更注重策略性知识（如何学习、如何思维）的传授，重视学科理念，学科思想的传播，还要渗透人文素质教育在其中，可见工程热力学承载的是“全人”的培养，教师要紧跟时代步伐，不断深入思考，及时转变教育教学观念。
二、先进的教学理念
工程教育专业认证以成果为导向，实质是以市场为导向，以学生的毕业要求为导向，因此无论是培养目标制定、课程体系设置，还是教学活动开展都必须进行反向设计，从需求开始。教师要充分把握教育教学规律和学科发展方向，运用先进的教学理念指导教学，以适应工程教育认证要求，以下是笔者近几年在工程热力学教学中的几点粗浅实践，期待与同行们进行交流。
（一）以研究的态度从事教学
要通过课程教学达成学生对问题分析、开发/解决方案、研究等方面的毕业要求，可尝试以研究的态度从事教学，把每一个概念与科学理论看成是一个重新发现的过程，使学生得到创新思维的启发。像平衡状态、准静态过程、可逆过程这几个抽象的概念，它们在整个学科体系中的地位和作用，类似于开展研究、建立模型之前做的一些必要假设与简化，将复杂的热力过程简化成易研究、可研究、方便研究的热力过程，一个理想的热力学过程。研究实际气体通用状态方程时用到的对应态原理，实则是相似原理结合无量纲分析，该方法也是研究流体流动、传热问题的常用方法。气体动力循环热效率影响因素分析采用单因素分析法，若考虑因素间交互作用，常用正交实验设计来完成，以上均为工程研究中常用到的方法。另外，授课过程中还可以设置一些启发思维发问，比如卡诺循环热效率那么高，为何实际的气体动力循环、蒸汽动力循环都不采用卡诺循环，特别是蒸汽动力循环，有机会实现等温的吸放热等，从而将学生带入到思考之中。我们知道唯有学思结合，才有可能创新。
（二）将知识讲成通俗的故事
在2018年第十届全国高等院校制冷及暖通空调学科发展与教学研讨会大会报告上，清华大学史林教授分享工程热力学教学经验时讲到，要“用最浅显的语言，最通俗地把一个现象说明白，把一件事情说明白，把一种方法说明白，将热力学的本质讲明白”。另外，还有“将知识讲成通俗的故事”，全国模范教师、河北工业大学化工学院李春利教授一直这样实践着化工原理课程的讲授。前辈们的这些经验特别适用于像热力学这类以抽象理论为基础的难教难学难懂的课程。为了达到上述效果，笔者在课程中恰当采用比拟法，并坚持将更多的日常生活和工程案例融入教学过程中，使抽象的知识更接地气。如准静态过程比拟成电影或视频播放，一帧一帧静态图片最后得到连续画面，准静态过程在P-v、T-s图上同样也是一条连续的实线;将“门窗紧闭的房间开冰箱门能否降温”“夏天开空调时为何有水不停流出”“冬季戴眼镜的人进入温暖的屋内，眼镜片上出现一层‘雾’如何解释”等一系列日常现象引入课程。同时展示课题组一直以来在低品位能源利用技术领域开展的研究工作与成果，特别是低浓度煤矿瓦斯热氧化和催化氧化关键技术及装置示范运行等。以上做法大大拉近了学生与知识之间的距离，使学生感觉到知识不都是高冷的，而是有温度的，甚至是带有人类情感的。
（三）深化“全人”培养，加强人文素质教育
在高等工程教育中加强对学生人文素质的培养，是学生人性自我完善和身心健康发展的内在需要，也是社会对高素质创新人才的要求。通过人文素质教育有利于促进学生形成正确的世界观、人生观和价值观，从而激发学习动力，提高学习兴趣，树立专业自信。专业课教学中渗透人文素质教育具有先天优势，属于更深层次的人文教育。首先是该类课程教学时间长，占理工科总学时的一多半，其次是人文素质与专业研究相同，前者是精神支柱、是追求真理的动力，后者是实践，另外教师对于教学的热情和态度、自身人文素质对学生有着更直接、广泛和深远的影响。教师自身要对工作、对科研、对生活抱有极大的热情，敢于提出自己独到的见解，愿意与学生分享自己的生活科研经历。具体教学过程中可采用将热力学史或身边的人物、事件融入其中的方法，如热力学发展史上焦耳和迈尔分别在实验和理论方面对能量守恒与转换定律、热力学第一定律做出了巨大贡献，前者坚持实验验证近30年，后者则倾其一生来捍卫“真理”，早年因受学术界排斥，曾一度精神失常;还有克劳修斯，他从明确地表述热力学第二定律到正式引入“熵”的概念，足足经历了15个春秋。身边事件则有像“无氯氟聚氨酯新型化学发泡剂”这项革命性颠覆性的世界发明，是由我校毕玉遂教授率领团队潜心研究了13年的成果。这些例子无论在科学精神方面还是研究方法方面都值得学生们认真学习，深入思考。 （四）有效的交流反馈评价机制
要真正做到以学生为中心，将教学工作做到实处，需要建立有效的教学反馈和评价机制，特别是来自教师自身和教学团队内部的反馈与评价。教师的自我反馈如下：首先，课程结束要及时进行教学分析，包括经验与不足，形成总结材料。其次，在课程分析的基础上撰写发表教研论文，至少2年1篇，因为撰写教研论文的过程即是对教学过程进行深度反思的过程，也是与同行进行认真交流学习的过程，是对教育教学规律认真把握的过程。关于团队反馈则指课程教学组内部的教学研讨与教学经验交流，此处强调的是形成制度，确保落地，而不是“纸上谈兵”，哪怕每学期仅进行1次，因为大家授课一致、面向的对象也基本一致，组内定期交流既有利于师资队伍建设，又有利于教学改革的深入开展，当然也鼓励教師走出去，参加相应的学科发展与教学研讨会，与更多的同行交流，同时还可以深入了解教育教学发展新导向。最后是教学评价，可探索述职报告、同事评价、叙事研究等制度，从“物本”向“人本”转变，充分体现教师在评估中的主体地位与人性价值，从不同方面加强评估的沟通与对话。
三、灵活的教学方法
“教学有法，教无定法，贵在得法”，也许最好的方法就是那些最能契合课程特点、最能激起学生兴趣、最能触动学生心坎、最能兼顾到学生毕业要求和长远发展的方法。工程教育认证对支撑课程均有着明确的定位，基于课程定位，在保证对课程有足够了解的前提下，包括基本知识、知识架构、学科思想、学科理念、学科背景，甚至工程应用等，针对不同的教学内容采用不同的教学法。比如关于热力学第二定律数学表达式的讲解，可以采用“先人为主”的方法，先给出公式，说明用途，再逐一推导，最后强调各式中不同符号的含义和注意事项，这样学生先在整体思路上对这部分较难的知识有一个清晰的架构，整个过程才能变得不那么“懵”。而像理想气体热力过程这种具有并行结构的知识，可采用“精讲其一”的方法，其余通过翻转课堂由不同小组的学生完成，同时该部分内容进行还可引导学生采用“填表+绘图”的形式完成，这样不同过程对应的各项研究内容一目了然，过程方程、初终态参数关系、P-v，T-s图，过程热力学能变化、焓变和熵变、过程功量和热量等。
四、有效的实践环节
（一）重视课程实验
课程实验的目的是通过实验，培养学生的基本实验技能，加深学生对热力学基本理论知识的理解，同时训练分析、处理、解释实验数据，并将结果进行关联，获得有效结论等各方面的综合能力。为了达到更好的效果，本课程采用任课教师自己带实验的方法，实验时特别提醒学生要深入了解实验原理、实验构思及扩展应用，要熟悉热工参数像温度、压力、流量、空气湿度等基本量的测量方法。例如空气定压比热测定的原理是比热容的定义，按照此定义进行实验构思，具体实施则通过对流动的工质进行加热，测量单位时间内空气温升对应的加热量，从而计算空气的平均比定压热容，实验同时还要引导学生去思考更多的问题，如空气定压比热与压力是否有关，相应定容比热如何获取，若用实验获取定容比热，开展工作将存在什么困难等。
（二）开展专题拓展
为了增强学生的工程意识，开拓大学生知识视野，了解热力学技术发展与应用，可恰当开展专题拓展讲座。像中央台经济半小时节目清华同方“热泵技术，十年冷暖”，这一既节约能源又减少污染物排放的技术属我们国家环保产业的又一项新技术，其最惊艳的亮相是在2008年北京奥运会上，清华同方的水源热泵技术就在奥运村里派上了用场，赢得了各国代表团的赞许，助推了绿色奥运、科技奥运和人文奥运理念的成功实现。通过该讲座既培养了学生们的爱国情怀，又使学生们对地源热泵、水源热泵和空气源热泵技术的热力学原理有了更深刻的理解，对知识的工程应用有了更直观的感受，另外，通过与同方负责人的访谈，学生还间接了解了企业的生存发展之道和新技术的产业化市场化过程等知识。
（三）布置课程小论文
本着巩固知识，强化热力学分析方法和培养解决问题能力的原则，工程热力学教学要结合当前热力学领域出现的新技术及社会上与热力学相关的热点问题，给学生分组布置小论文任务，比如“有机朗肯循环热力学分析”“二氧化碳超临界循环”“冷热电三联产”“能源大系统”“溴化锂吸收式热泵技术”“水源、地源、空气源热泵循环等”等相关主题的论文。各组学生要就选题查资料、展开讨论、分工合作、撰写论文、制作PPT、进行答辩等，这种以学生为中心的自学活动，充分调动了学生的学习自主性，有利于发挥他们的创新能力、沟通交流能力和团队协作能力。
（四）组织学生参加专业竞赛
将热力学知识与各种创新实践结合起来，依靠学校创新创业平台、学院“一专业、一社团、一赛事”创新实践平台、山东高校低品位能源及余热利用重点实验室等，鼓励学生积极组队参加各种学科竞赛和创新项目，如大学生科技创新大赛、交通科技大赛、大学生应用型人才综合技能大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、大学生创新研究项目、第二课堂科创项目等。近几年实施的项目有“斯特林发动机声光电互补系统”“农村能源消费结构调查分析”“新型半导体制冷车载冰箱”“电动汽车动力电池散热系统的研发”等。通过参赛培养了学生的创新意识和专业自信，增强了学生解决工程问题的能力，提升了其综合素质。
五、结语
我国实施工程教育专业认证，对于培养适应社会发展的优秀工程技术人才具有重要意义，但是对于现行高校的工程教育也提出了更高的要求，加快了高校工程技术人才培养的步伐。工程热力学作为能源动力类、机械类各专业工程教育认证课程体系中不可或缺的一门课程，承载着多方面的毕业要求。高校可以通过革新教学理念、变换教学方法、进行科学实践等措施，以适应工程教育专业认证要求，努力培养出具有当代工程观的高素质工程技术人才。
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