熱能工程實踐教學改革的探索

凡鳳仙, 胡曉紅

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093)

隨著經濟轉型升級,國家高度重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)。專業(yè)是創(chuàng)新的基礎,創(chuàng)新是創(chuàng)業(yè)的靈魂,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心是大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實踐教學是工科教育至關重要的環(huán)節(jié),是理論與實際相結合,培養(yǎng)學生工程實踐能力與創(chuàng)新能力的重要途徑[1-4]。然而,傳統(tǒng)的實踐教學目標通常是通過提供模擬有關現(xiàn)象的裝備和儀器,幫助學生理解和鞏固理論課程知識。這種實踐教學不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為滿足當今社會對大學生專業(yè)技能與創(chuàng)新能力的綜合要求,必須對實踐教學進行改革。上海理工大學熱能工程實踐教學依托學校能源動力工程國家級實驗教學示范中心(以下簡稱“實驗中心”),以及熱能工程國家級特色專業(yè)與上海市本科教學高地,近年來,教學團隊秉承“將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與素質教育相結合、與專業(yè)人才培養(yǎng)相結合”的理念,以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才為目標,在實踐教學平臺構建和組織實施上不斷進行研究和探索,取得了可供復制推廣和參考借鑒的實踐教學成果。

一、熱能工程專業(yè)實踐教學平臺構建

熱能工程專業(yè)實踐課程是針對燃燒學、鍋爐設備及運行、清潔燃燒技術等專業(yè)課程開設的,具有很強的實踐性、綜合性和創(chuàng)新性。結合實驗中心資源,根據“基礎—應用—提高—創(chuàng)新”的循序漸進的人才培養(yǎng)規(guī)律,對實踐教學平臺進行分層次、模塊化建設,創(chuàng)建了由淺入深、層次分明、可適應創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的實踐教學體系。表1給出了實踐教學平臺的模塊劃分及組成。

(一)模型演示模塊

模型演示模塊是為了使學生理解熱能工程專業(yè)理論課程的教學內容,更好地實現(xiàn)教學目標而開設的。將知識有效地傳授給學生始終是每一位教師追求的目標。雖然在理論課程的教學中可以借助多媒體,通過動畫和圖形展示裝置構造和系統(tǒng)過程,但由于仍是平面呈現(xiàn),學生不能直觀、深入地了解結構全貌。帶領學生到鍋爐廠、電廠等企業(yè)實習,觀察實際設備,存在安全性、經濟性、時間成本,以及教學進度與生產進程協(xié)調的問題,而且也很難觀察到裝備的內部結構。實體模型具有良好的直觀性和靈活性,模型演示能更立體、較真實地呈現(xiàn)出熱能工程裝備及系統(tǒng)的布置情況,一些比較復雜的設備能夠看到內部構造,或者通過拆卸可以觀察到組件構成,從而彌補多媒體教學與進廠實習的不足。通過模型演示模塊教學,學生加深了對裝備與系統(tǒng)的基本構架、工作原理、工作過程以及實際應用的理解,提高了學習興趣和學習效率,增強了工程實踐能力。

(二)專業(yè)訓練模塊

專業(yè)訓練模塊旨在強化熱能工程專業(yè)的綜合實驗技能,培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力。該模塊包括四個子模塊(見表1),主要設備和實驗臺架如圖1所示,其中,燃料分析子模塊配有較為完備的固體和液體燃料特性分析裝置;鍋爐水動力特性子模塊設有兩套自行設計的實驗臺;污染物排放控制子模塊配有除塵、脫硫和脫硝實驗臺架;燃燒與煙氣分析子模塊擁有自主研發(fā)的能源島熱電聯(lián)產系統(tǒng)及其自動控制系統(tǒng),并配有奧氏煙氣分析儀、Testo350型便攜式煙氣分析儀和Gasboard-3000型在線式煙氣分析儀。通過該模塊,使學生全面掌握熱能工程專業(yè)相關實驗原理、實驗方法、實驗技能,提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力,并樹立嚴謹求實的工作作風,為學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)打下堅實的基礎。

圖1 專業(yè)訓練模塊的主要設備和實驗臺架Fig.1 Major apparatus and experimental benches for professional training module

(三)虛擬仿真模塊

隨著計算機仿真技術的發(fā)展,構建虛擬仿真實驗成為一種新的教學思路。虛擬仿真實驗是一種基于軟件技術開發(fā)的數(shù)字化、虛擬化的實驗系統(tǒng),可為專業(yè)實踐課程提供全新的教學環(huán)境[5-6]。實驗中心開設了一系列虛擬仿真教學項目,形成了具有特色的熱能工程實踐教學虛擬仿真模塊。

虛擬仿真模塊是模型演示模塊和專業(yè)訓練模塊的有力補充。該模塊能夠提供模型演示模塊無法演示的過程,如鍋爐爐內燃燒過程等,能夠克服專業(yè)訓練模塊實驗裝備投資高、實驗方式過于刻板、實驗內容難以拓展的不足。通過虛擬仿真模塊實現(xiàn)了理論和實際的有機融合,強化了學生的專業(yè)知識應用能力。此外,虛擬仿真實驗靈活方便,學生可以自行搭建實驗系統(tǒng),調節(jié)實驗參數(shù),完成不同實驗,從而學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維能力得到了鍛煉。通過該模塊,一些富有創(chuàng)新潛質的學生顯露出來,成為創(chuàng)新實踐的參與者。

(四)創(chuàng)新實踐模塊

創(chuàng)新實踐模塊是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的必然要求,是實踐教學的目標所在。開設該模塊的目的是對有創(chuàng)新潛質的部分學生進行精英式培養(yǎng),為這些學生提供創(chuàng)新實踐的場所和導師,引導其參與創(chuàng)新項目,全方位提升其創(chuàng)新能力。實驗中心除擁有多個綜合實驗臺可供學生開展創(chuàng)新實踐外,還充分利用兩個省部級重點實驗室從事熱能工程學科科學研究、裝備開發(fā)的專職教師的科研平臺,以及與行業(yè)內知名企業(yè)和研究所建立的產學研基地,有力延伸了創(chuàng)新實踐模塊的教學空間。例如,2018年獲批立項的國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“液化石油氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰特征的分析”就是基于實驗中心自有的液體燃料燃燒綜合實驗臺而提出的,2018年結題的上海市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“上海理工大學校區(qū)大氣顆粒物濃度分布及污染分析”則是借助專職教師的科研平臺開展的。圖2為學生利用實驗中心自有的液體燃料燃燒綜合實驗臺(左)和能源島熱電聯(lián)產綜合實驗臺(右)開展創(chuàng)新實踐。

圖2 創(chuàng)新實踐模塊實驗臺示例Fig.2 Examples of laboratory benches for innovative practice module

二、熱能工程專業(yè)實踐教學組織實施

先進的實踐教學組織實施模式在學生創(chuàng)新能力和綜合素質培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。實驗中心充分考慮學生的學習需求和規(guī)律,在實踐教學組織形式和教學方法上積極探索,為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)提供了新思路。

(一)組織形式

傳統(tǒng)的熱能工程實踐教學(即熱能工程實驗教學),僅涉及專業(yè)訓練模塊的內容,組織教學時教師將學生分組排出課程表,指導學生集中完成實驗任務[2]。這種教學組織形式課時有限,造成設備的利用率和學生的參與度不高。為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才,實驗中心開拓出開放實驗室與網上預約相結合的實踐教學組織形式。

開放實驗室強調以學生為中心,在實踐內容、實踐時間和實踐難度等方面給予學生充分的自主權[7-8]。在這種模式下,學生能夠根據個人能力和興趣愛好選擇實踐項目,能力強的學生可以多開展實踐項目、開展難度更大的實踐項目。實踐時間由學生通過實驗中心的網上預約平臺提前預約,網上預約平臺可以將參與實踐的學生人數(shù)與實驗室資源進行良好的匹配。

開放實驗室與網上預約相結合的實踐教學組織形式因實踐模塊的不同而存在差異性。模型演示模塊重在觀察、操作較少,實行個人預約,同一時段預約人數(shù)上限為10人。專業(yè)訓練模塊中的綜合性實驗需要團隊協(xié)作完成,學生自由組合為3～5人的團隊,確定團隊負責人,由團隊負責人完成預約;其他實驗要求學生獨立完成,實行個人預約,同一時段預約人數(shù)和實驗設備或臺架數(shù)目相匹配。虛擬仿真模塊不受人數(shù)、時間和空間的限制,學生通過電腦、手機等終端設備登錄網上預約平臺后,即可使用相應資源。創(chuàng)新實踐模塊與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目緊密結合,項目負責人在網上預約平臺對項目進行登記,并按季度提交進展報告。

(二)教學方法

傳統(tǒng)的灌輸式實踐教學模式下,教師主講,學生跟隨,學生按照教師指令操作設備,一般不會出現(xiàn)意料之外的現(xiàn)象和問題。在開放實驗室教學模式下,學生自主預習實踐報告,自主進行設備操作,實踐過程中必然會出現(xiàn)多種情況和問題。因此,教師的參與必不可少,教師仍然是教學的靈魂,教學方法決定著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)質量。實驗中心對高等教育教學方法進行研究,推陳出新,將啟發(fā)式、討論式和參與式教學方法全方位引入實踐教學。

啟發(fā)式教學根據教學目的和內容,采用啟發(fā)誘導方法給學生提供廣闊的思考空間,使其思維能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉,是高等教育創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要途徑之一[9]。在專業(yè)訓練模塊的教學中,采用了啟發(fā)式教學法,即在學生進入實驗室時,通過提出啟發(fā)性問題,引導學生思考、歸納、激發(fā)學生的求知欲,同時檢驗和強化學生的預習效果;進入操作階段后,根據實驗現(xiàn)象和實驗中出現(xiàn)的問題,有針對性地提問,以調動學生的主動性,激發(fā)學生的創(chuàng)造性。以煤的工業(yè)分析實驗為例,教師依次提出了“為什么需要進行煤的工業(yè)分析?”“煤的工業(yè)分析需要測定哪些指標?”“這些指標對煤的工業(yè)利用有何影響?”“如何測定這些指標?”,在實驗過程中,向學生提問“煤的組成有哪幾種基準表示?”“實驗采用的煤樣屬哪種基準?”“煤有哪些種類?”“能否根據實驗數(shù)據判斷煤樣的種類?”從而引導學生發(fā)揮教學中的主體作用,收到了良好的效果。

在討論式教學中,教師通過組織學生討論和發(fā)言,強化學生對知識的理解,培養(yǎng)學生的自主思考和分析解決問題的能力,并引導學生的思維觸及學科前沿,使學生的知識體系得以鞏固、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得以提升[10]。在實驗操作中,學生遇到問題向教師提問,教師不直接給出問題的答案,而是召集同一實驗項目的學生就該問題發(fā)表各自的見解,逐步引導學生以找到問題所在和解決問題的方法。在實驗操作完成后,教師再次召集學生就實驗數(shù)據進行討論和分析,將實驗原理和方法與工程實際案例和學科前沿發(fā)展動態(tài)聯(lián)系起來,在師生的討論式互動中將新知識傳授給學生,以最大限度地發(fā)揮實驗教學的作用,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。以煙氣成分分析及燃燒污染物監(jiān)測實驗為例,實驗完成后召集學生討論奧氏煙氣分析儀與Testo350型便攜式煙氣分析儀獲得的實驗數(shù)據,以及兩種煙氣分析儀的工作原理和特點,進而將討論引申到其他煙氣分析儀,以及煙氣監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢。

在參與式教學法的運用中,讓學生感到自己并不是簡單地操作實驗設備,而是能夠借助實驗設備進行專業(yè)研究探索,對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力有重要作用[11-12]。在專業(yè)訓練模塊教學中,主動向學生提問相關知識點,如果學生能夠迅速準確回答,則增加問題難度,向更深層次、更前沿的問題滲透,鼓勵并引導學生借助實驗臺設計新的實驗,當教學實驗平臺無法滿足學生的實踐要求時,為其推薦導師開展創(chuàng)新實踐項目;如果學生面露困惑,則提示相關知識點,激發(fā)其探尋答案,使學生手腦并用。在虛擬仿真模塊教學中,教師在評審學生提交的實驗報告時,除給出成績外,還給出繼續(xù)探索的建議,鼓勵學生由驗證已知科學規(guī)律向探索未知科學問題轉變,增強學生進行創(chuàng)新實踐的積極性和主動性,為創(chuàng)新實踐項目發(fā)掘有創(chuàng)新熱情和潛質的學生。例如,程序點火及火焰監(jiān)測實驗中,部分學生不再滿足于在實驗工況下對火焰的定性觀測,而提出不同空燃比下火焰溫度、結構、傳播速度的問題,在教師的引導下,他們設計了管道內液化石油氣+空氣預混燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程的創(chuàng)新試驗,申報并獲批國家級大學生創(chuàng)新訓練項目。

三、結束語

高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標是培養(yǎng)學生基于專業(yè)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。圍繞這一目標,實驗中心對熱能工程實踐教學平臺構建、組織形式和教學方法等方面進行研究和探索,實現(xiàn)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)與專業(yè)實踐教學的有效融合,全面提升了學生的自主學習能力、工程實踐能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力,促進了教育教學水平和人才培養(yǎng)質量的全面提高。依托熱能工程實踐教學內容,學生申請并獲批2018年度國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目2項,同時獲批上海市級和校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目共計11項,各級項目覆蓋學生56人。上海理工大學熱能工程實踐課程特色明顯,成效顯著,具有引領示范作用,可復制推廣到其他高等學校的熱能工程專業(yè),同時可為工科專業(yè)實踐教學改革提供參考和借鑒。