基于热交换器原理及应用课程的项目式教学模式研究
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作者:张亮 朱瑞红 田林超 王华山 陈贺敏
[摘要]热交换器原理及应用课程是能源与动力工程专业一门重要的专业课，但该课程的部分理论知识复杂、抽象，仅通过教师的课上讲授学生难以理解。课题组将项目式教学模式引入该课程的教学过程以完善其教学方式和教学内容，同时培养学生主动发现学习与解决问题的能力，并以合理的方式对学生的学习效果进行考核。改革后的教学得到了学生的一致好评，通过分析7个方面、5个等级的教学质量网上评价，发现学生的特别满意率达63%、满意率达到100%。
[关键词]项目式教学;课程改革;热交换器原理及应用
[中图分类号]G420 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2020）05-0059-03
一、热交换器原理及应用课程的特点与教学现状
（一）热交换器原理及应用课程的特点
热交换器原理及应用课程是能源与动力工程专业一门重要的专业课。该课程所涵盖的知识可将锅炉原理、热力发电厂等专业课程中所涉及的换热器方面的相关知识进行纵向延伸，同时可使传热学、流体力学等专业基础课程的抽象理论知识具体化、应用化。通过该课程的学习，学生能够了解3大热交换器的换热特点及应用范围，理解换热器的传热有效度，掌握换热器结构设计的一般步骤。
（二）热交换器原理及应用课程的教学现状
1.教学方式单一
该课程主要采用的教学方式为教室内板书授课。该授课方式最大的特点：教师是整个教学过程的主体，将主要精力放在如何将专业知识传递给学生，整个教学过程的重点在于教师怎样教，较少关注学生是否进行了有效的学习。热交换器原理及应用课程所涉及的换热器种类繁多，同时换热器部分理论知识比较抽象，换热过程所涉及的部件较多，整个换热过程比较复杂，故单一的教学方式难以满足学生学习的需要。
2.教学内容与科技发展不同步
随着科学技术的不断创新，大量的强化换热方法可用于换热器，如纳米流体强化换热、脉动流场下流体的强化传热、往复运动条件下流体的传热特性、波壁管内流体的强化换传热等，这就要求教师不断更新知识，并对教学内容进行优化。但是，这部分知识不能及时扩充到正在应用的教材中，使得教学内容与当今的科学技术发展有所脱节。
3.学生主动发现学习能力不足，不能学以致用
当前学生的学习形式主要为被动的接受学习，缺少主动发现学习方面的训练，造成学生主动发现学习能力不足。学生所学知识与生产实践所需知识不能及时匹配，当生产实践中需要学生应用相关知识解决问题时，学生往往感觉无从下手。
4.考核方式死板
当前的课程成绩主要由占较小比例的平时成绩和实验成绩（各占10%）以及占较大比例的卷面考试成绩（80%）组成。平时成绩的打分依据主要为学生的出勤率、学生的课上表现以及课后作业完成情况;卷面成绩的打分依据为试题标准答案。仅靠上述3种考核方式来考查学生对这门课的掌握程度，得出的考核结果不够全面也不够客观。比如有些卷面成绩高的学生，解决实际问题的能力并不强，而有些卷面成绩不高的学生，却有较好的解决实际问题的能力。在生产实习过程中我们同样发现，卷面成绩与动手能力没有直接关系，经常出现卷面成绩好的学生动手能力却很差的情况。所以任课教师需要新的考核方式，令考核结果更加客观。
二、项目式教学模式的引入对热交换器原理及应用课程教学的整体改善
（一）对教学方式的改善
项目式教学的引入改变了教室内板书授课（总学时为48学时，板书授课占了42学时）为主的教学方式，将板书授课的48学时减少了12学时，并将这12学时中的4学时用于讨论课，其余的8学时用于项目式教学。这种改变可使教师为整个教学过程主体朝着学生为学习主体的方向转变。讨论课的实施过程中，学生在教师的引导下自主查阅、收集、整理关于热交换器原理及应用方面的有用资料，主动了解不同种类热交换器的特点，理解换热器部分理论知识以及简单的换热过程。项目式教学的引入旨在培养学生主动解决问题的能力，以下是讨论课及项目式教学的具体实施过程。
（1）设置合适的开放性题目，让学生从该范围中选择自己感兴趣的题目。
（2）制订讨论课的具体实施方案。讨论课采用学生讲课的方式。师生若对学生讲课内容有疑问，可进行现场提问，任课教师与其余小组根据该小组所做内容与回答问题的情况进行评价。
（3）制订三级项目的具体实施方案。三级项目实施过程可分为3个阶段。
第一阶段：首先，学生课下查阅热交换器参数及换热规律的相关书籍，自行解决遇到的各种基础问题。其次，假若關键问题不能解决，可以分3步走。第一步，小组成员问进行讨论。第二步，咨询其他小组的同学。第三步，向任课教师请教。最后，完成三级项目计划中的学习内容。
第二阶段：课上答辩。首先，每个小组派1名代表上台对第一阶段的整体内容进行讲解。其次，其他小组学生对该组同学进行提问，并根据所做内容与回答问题的情况进行评价。最后，任课教师对该小组所做内容进行评价。
第三阶段：所有小组均上交1份修改完善后的三级项目任务书及PPT，教师根据任务书及PPT的整体质量进行评价。
（4）制订讨论课和三级项目的评价标准和评分要求，采取学生组内自评、组间互评与教师评分相结合的评价方式，教师与学生的评分各占50%。
（5）以热交换器原理及应用三级项目为基础，将其中的优秀项目进行修改完善后推荐为大创活动的项目。
（6）以热交换器原理及应用三级项目为基础，将热交换器传热特性与锅炉设备的效率联系起来，相关的计算结果可以以论文的形式展现出来。这样既可提升学生论文写作能力，又可提升学生科研创新成果的交流与展现能力。
项目式教学模式可提升学生的学习兴趣，激发学生主动学习的热情，促进学生将所学知识内化，培养学生解决实际问题的能力，使得整个教学过程朝着有效教学的方向发展。 （二）对教学内容的完善
项目式教学模式要求教师和学生主动查阅、收集、整理换热器相关资料，在查询资料过程中教师和学生可主动了解换热器原理及应用方面的前沿性知识，如纳米流体是如何强化换热的，将纳米流体用于强化换热器的换热有何利弊，外加扰动流场如何用于换热器的换热，换热器内换热管管型对换热器综合换热效率的影响等，如此，部分前沿性知识就可比较自然地融入传统教学内容中。
（三）对学生学习能力提升效果的改善
项目式教学模式可以将学生的学习由被动的接受学习变为主动的发现学习。该教学模式还可引导学生发现问题并在了解问题限制条件的基础上设计相应的解决策略，在实施解决方案的过程中不断地反思、调整解决方案，最終培养学生用元认知策略解决问题的能力。学生在元认知策略的作用下，可将所学理论知识与生产实践中的问题迅速匹配，以较快地提出问题最优解决方案来解决生产实践中的实际问题，达到学以致用的目的。通过项目式教学的不断训练与强化，可培养学生以下能力。
（1）能够运用工程热力学、传热学、流体力学及熵增原理的知识对能量转换过程中能量的利用与损失以及对换热设备的受力与变形进行表述、建模和求解。
（2）能够应用热力学、传热学和流体力学基本原理，使学生对热交换器基本系统的构成有进一步的了解，为着重研究不同类型热交换器的热量传递提供理论基础。
（3）具备工程应用中各类换热器的设计和校核计算能力，掌握换热器的设计、选型、计算、优化、日常维护等相关知识。
（4）能设计并实施与热交换器相关的能量转换规律测试实验，分析实验结果，验证或优化模型参数，获取有效结论。
（5）能应用专业软件模拟不同类型热交换器内的换热过程，预测热量传递效果，并了解模拟计算的局限性。
（6）能够就热交换器换热过程中出现的问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，了解当今国际先进热交换器的设计理念、发展趋势以及所面临的挑战。
（四）对考核方式的完善
项目式教学的引入丰富了考核的内容，课程由以往的卷面考试作为考核学生的主要形式改为由5大部分表现来综合考核。这5大部分分别为平时表现、讨论课、项目、实验和结课考试。
（1）平时表现：本门课程的所有环节均要求学生参与并签到，不得缺勤。无故缺勤5次者，取消本门课程的考核资格。
（2）讨论课及课程项目：要求学生根据讨论以及项目题目分组查阅资料，归纳总结，撰写报告，制作答辩PPT。讨论课及课程项目采用抽签的方式确定各小组的汇报人及其汇报顺序。每位学生的讨论课和课程项目成绩由学生组间互评、组内自评和教师评分3部分构成。组间互评成绩为每个组对除本组以外的其他小组所进行的综合评价;组内自评成绩评分依据为每个组员在组内的贡献;教师根据学生的资料查阅整理情况、PPT讲解及回答问题情况、针对其余同学的提问参与交流情况来评分。讨论课及课程项目成绩分别占总成绩的10%和30%。
（3）实验：要求学生认真准备，全程参与。实验过程中学生可重点关注项目式教学中的工程实践问题，最后独立完成实验并按时提交实验报告。实验成绩占总成绩的10%。
（4）结课考试：为夯实理论基础，提高学生解决问题的能力，结课考试的试卷客观题（选择、判断、填空等）比例尽量控制在20%以内。结课考试占总成绩的50%。
（5）课程总成绩不满60分者，本课程考核为不合格。
跟以前的考核方式相比较，完善后的考核方式能得出更全面、更客观的考核结果，对学生的评价更加公平、公正，同时各个教学阶段的教学效果能得到较细致地反馈，便于教师了解学生是否进行了有效学习，为其改进教学提供重要参考，同时可为教育评价提供重要依据。
三、项目式教学的实施及其产生的初步效果
以2014级能源与动力工程专业学生为研究对象，热交换器原理及应用课程在该年级首次实施项目式教学。实施项目式教学后，学生自主查阅文献，解决工程实际问题的能力有了较大提高;部分学生可自行发现问题、设计问题，并亲自动手用合理的方法分析并解决问题;学生的创新能力有了较大提高，部分学生申请了实用新型专利。
基于热交换器原理及应用课程的项目式教学模式得到了学生的一致好评。学校通过教务处教学平台对教师的教学效果从7个方面展开综合评价，这7个方面分别是为人师表、尊重与帮助学生、课程组织与设计、讲解与表达、体现以学生为主体的自主学习模式、课程教学过程的管理与考核以及学生相关知识、能力、思想方面的提高情况。学生通过网络平台对这7个方面展开评价，每个方面的评价均分为5个等级即很满意、满意、基本满意、不满意、很不满意，每个等级对应的评价分值分别为4.8、4.3、3.8、3.3、2.8，算出每个小项的单项均值，然后对7大项进行加权平均，计算出总的教学质量评价结果，具体计算方法如表1所示：
通过热交换器原理及应用的网上评价结果可以看出，无不满意的评价，基本满意的学生比例占5%，很满意及满意的学生占95%，这从侧面说明了项目式教学模式的推行比较成功，教学效果得到了学生的一致好评。该课程在2017年春季学期获得教学质量评价网上评价第2名（38门课程参评），比2016年的同期网上评价的第19名（39门课程参评）上升了17个名次，被评为燕山大学优秀课程。
四、结论
热交换器原理及应用课程教学实践证明，开展项目式教学可改善该课程的教学方法，完善其教学内容，培养学生主动发现学习的能力，提高学生解决生产实际问题的能力与创新能力，完善对学生的考核方式，因此能得到学生的一致好评。
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