“工程熱力學(xué)”線上線下混合式教學(xué)改革研究

張小彬 王璐 谷德林 楊春英 劉平安

[摘 要] 在“一流專業(yè)建設(shè)”和“一流課堂建設(shè)”高校教育形勢下，高等院校的教學(xué)改革正面臨著重大的機遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。從教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教改事由、課堂建設(shè)思路和內(nèi)容四個方面介紹了“工程熱力學(xué)”教學(xué)創(chuàng)新的研究與實踐，并通過線上線下混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂參與引導(dǎo)教學(xué)、科研反哺教學(xué)、虛擬實驗教學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用教學(xué)、課程思政教學(xué)等方法策略，切實培養(yǎng)航空航天類應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才，更好地服務(wù)國家和地方區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 工程熱力學(xué)；線上與線下；混合式；教學(xué)改革；“雙一流”建設(shè)

[基金項目] 2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于情景教學(xué)案例的‘工程熱力學(xué)’課程教學(xué)改革研究”（202101373005）；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“虛擬仿真在固體火箭發(fā)動機設(shè)計課程中的應(yīng)用實踐”（202101292008）；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于案例可視化的‘推進系統(tǒng)測試技術(shù)’課程的研究與實踐”（202101373004）

[作者簡介] 張小彬（1979—），男，河北廊坊人，博士，哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事多相流體動力學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）06-0077-04 [收稿日期] 2021-08-27

引言

黨的十九大報告中提出，“加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展。”[1]研究發(fā)現(xiàn)，更新課程教學(xué)內(nèi)容、改進課程教學(xué)模式和建立重視課程教學(xué)績效評價機制體系，不僅可以有效提高中小學(xué)生對數(shù)學(xué)分析學(xué)科課程的學(xué)習(xí)興趣，還可以有效消除對數(shù)學(xué)分析的恐懼心理；同時，為學(xué)生提供前所未有的廣闊視野與學(xué)習(xí)體驗。當(dāng)前，在“一流專業(yè)建設(shè)”和“一流課堂建設(shè)”的國家教育發(fā)展戰(zhàn)略要求下，我校航空航天宇航技術(shù)科學(xué)與工程技術(shù)相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)建設(shè)和研究還存在一些問題，面對更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，還需要根據(jù)我國經(jīng)濟發(fā)展和行業(yè)需求培養(yǎng)高級應(yīng)用型航空航天技術(shù)人才，這也是目前專業(yè)教學(xué)的主要工作目標(biāo)。因此，“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)應(yīng)該面對挑戰(zhàn)，探索“工程熱力學(xué)”課堂教學(xué)創(chuàng)新改革實踐與研究。

一、“工程熱力學(xué)”教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容

“工程熱力學(xué)”課程是哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院針對航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科開設(shè)的專業(yè)核心課程，也是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)其他專業(yè)核心課程（例如：“傳熱學(xué)”“氣體動力學(xué)”“航空發(fā)動機原理”）的基礎(chǔ)。從該專業(yè)實際工程技術(shù)學(xué)理論分析可知，對各個物質(zhì)的熱力學(xué)物理性質(zhì)以及相關(guān)的科學(xué)規(guī)律和方法詳細(xì)分析，能夠為熱能的使用提供重要措施。經(jīng)過課程的有效學(xué)習(xí)和目標(biāo)的確立，學(xué)生需要轉(zhuǎn)變正確的思維觀念，形成完善的知識結(jié)構(gòu)，能夠?qū)φn程的理論知識充分利用，以達到總體的系統(tǒng)分析。

二、“工程熱力學(xué)”教學(xué)中存在的問題和教改原因

受傳統(tǒng)教育理念的影響，在課堂實際教學(xué)中，主要以書本教學(xué)為主，并在課后進行習(xí)題訓(xùn)練，學(xué)生只是被動地接受知識，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

“工程熱力學(xué)”理論課程抽象的數(shù)學(xué)概念多，例如焓和熵等，而且還包含準(zhǔn)確的靜態(tài)相變過程、可逆過程等。另外，“工程熱力學(xué)”課程是最讓學(xué)生頭疼的課程之一。在大多情況下教師所講解的工程應(yīng)用實例，學(xué)生由于無法親自感知，體會和認(rèn)知效果不明顯。這導(dǎo)致傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)生只是被動地接受知識，學(xué)習(xí)興趣和主動性難以提升。但受傳統(tǒng)工程熱力學(xué)實驗設(shè)備體積大、占地多、資源緊缺等客觀條件的使用限制，導(dǎo)致實驗結(jié)果不理想。因此，教學(xué)組在線上線下混合式教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用FELAC軟件制作相關(guān)數(shù)字化案例，在教學(xué)過程中隨堂講解各部分知識涉及的案例，使學(xué)生能夠抽象出工程實際中所涉及熱力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，有效調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)能動性，充分實現(xiàn)“學(xué)中做”“做中學(xué)”的教學(xué)目的與參與方式，進一步提高學(xué)生的科研及創(chuàng)新能力。并能夠解決工程實際遇到的熱力循環(huán)系統(tǒng)方面的問題。通過本項目的開展，將對“工程熱力學(xué)”的相關(guān)教學(xué)方法進行改革，并完善教學(xué)內(nèi)容體系，打造一門有特色、有價值的本科生一流課程，為學(xué)生今后能快速地開展熱力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究工作提供更好的支撐。

三、“工程熱力學(xué)”課程建設(shè)思路及設(shè)計方案

（一）課程建設(shè)思路

課堂中，利用參與式教學(xué)方式積極引導(dǎo)學(xué)生。經(jīng)過小組探討、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的結(jié)合，保證在學(xué)生和教師之間形成良好的溝通和交流模式。

對于教學(xué)手段，不僅可以進行多媒體和視頻教學(xué)方式的結(jié)合，還需要基于現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，為課堂教學(xué)提供更大支持。

對于教學(xué)內(nèi)容，要保證內(nèi)容更加簡單，進行多種類別的劃分，主動把握其中的重點和難點。還要將科技內(nèi)容、重點項目等轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)內(nèi)容，且引進現(xiàn)代先進技術(shù)和知識，保證項目教學(xué)方式的充分利用[2]，并將理論知識和實踐技術(shù)相互結(jié)合，促使學(xué)生獲得更豐富的知識和經(jīng)驗，也能為學(xué)生的未來發(fā)展提供重要保障。

對于課程思政教學(xué)，需要更加合理地分析課程思政和“工程熱力學(xué)”課程之間的關(guān)系。并且，還需要構(gòu)建專業(yè)性的教師隊伍，基于工科專業(yè)教師，將其和思想政治理論課教師相互結(jié)合，還可以增加心理咨詢師、輔導(dǎo)員等，使不同專業(yè)教師相互結(jié)合，促使其各自優(yōu)勢的發(fā)揮，為工科專業(yè)課程思政教學(xué)提供強大的師資力量。最終達到將“顯性課堂”與“隱性課堂”相結(jié)合[3]，在“工程熱力學(xué)”課堂上向?qū)W生傳達社會主義核心價值觀在內(nèi)的多維積極思想。

（二）課程設(shè)計方案

“工程熱力學(xué)”課程在實際教學(xué)中，總教學(xué)課時為64學(xué)時，其中的理論課程知識講解48課時，實驗8學(xué)時，學(xué)術(shù)專題研討8學(xué)時。整個授課環(huán)節(jié)均采用三段式線上線下混合式教學(xué)模式。教學(xué)方案的設(shè)計如圖1所示。在總體上主要劃分為課前、課中和課后三個階段，每個階段都需要引導(dǎo)學(xué)生積極參與，且利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)學(xué)生之間的相互溝通和交流。在整個教學(xué)活動中，需要將學(xué)生作為課程教學(xué)的主體對象，學(xué)生的理論課程學(xué)習(xí)能夠為教師課堂教學(xué)活動的執(zhí)行和發(fā)展提供重要條件。

教師應(yīng)該積極引導(dǎo)學(xué)生，保證學(xué)生形成完善的知識體系，促使課程學(xué)習(xí)更加有效。在課程執(zhí)行前期，教師需要對該課程進行新教學(xué)思路的分析，基于網(wǎng)絡(luò)對該學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)詳細(xì)研究，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在課堂實際教學(xué)過程中，可以利用雨課堂教學(xué)平臺進行測試，測驗包括上次課程內(nèi)容的測驗和本次課程內(nèi)容的檢測兩部分。教師按照整個課程的教學(xué)目標(biāo)以及每個課程前期的測試情況，對教學(xué)中的重點和難點內(nèi)容實現(xiàn)針對性講解，使學(xué)生進行基礎(chǔ)知識的完善。該過程是在線上平臺進行的，能夠在答疑區(qū)域或者在彈幕區(qū)域?qū)崿F(xiàn)師生的相互溝通。并增加對知識的充分利用，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)基礎(chǔ)知識，同時擴展知識面。通過線上平臺的應(yīng)用，能夠促使師生之間的溝通和交流，在課后、課中引導(dǎo)學(xué)生積極反思，促使課程教學(xué)知識的持續(xù)化。在課程完成后，通過習(xí)題復(fù)習(xí)和知識鞏固更好地完成作業(yè)輔導(dǎo)。教師則可以在線上及時進行習(xí)題輔導(dǎo)及答疑。在這個課程改革教學(xué)方案設(shè)計中，能夠?qū)φn程教學(xué)思想政治內(nèi)容有效創(chuàng)新，保證教學(xué)育人和名師教學(xué)的相互結(jié)合，構(gòu)建知識組成與人才培養(yǎng)相互結(jié)合的課程教學(xué)活動，在專業(yè)課程教學(xué)中完成育人目標(biāo)。

四、“工程熱力學(xué)”課程建設(shè)內(nèi)容

完善“工程熱力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容體系，打造一門有特色、有價值的本科生一流精品課程，內(nèi)容如圖2所示。

（一）特色精品慕課課程建設(shè)

在國家航空航天宇航應(yīng)用科學(xué)與工程技術(shù)一流重點學(xué)科建設(shè)政策要求下，結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)秀MOOC資源，基于雨課堂和智慧樹等平臺，建設(shè)具有航空航天特色的精品MOOC課程。

（二）高質(zhì)量數(shù)字化課程建設(shè)

通過對多媒體與視頻教學(xué)的結(jié)合應(yīng)用，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，促使教學(xué)各個環(huán)節(jié)安排合理，并且建立虛擬仿真實驗室，通過Felac有限元分析軟件形成一個真實且不受時間、空間限制的虛擬環(huán)境[4]。使學(xué)生能夠抽象出工程實際中所涉及熱力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)能動性，充分實現(xiàn)“學(xué)中做”“做中學(xué)”的教學(xué)目的與方式。

（三）教學(xué)模式的全方位改革創(chuàng)新

廣泛開展多種、新型的教學(xué)模式，如引進啟發(fā)式教學(xué)、參與性教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課程等模式，將單一的課堂模式進行創(chuàng)新，促使學(xué)生在思想上的激發(fā)，利用現(xiàn)代科研，創(chuàng)建良好的課外競賽平臺，如“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽”“互聯(lián)網(wǎng)+”等，促使學(xué)生積極參與。

“雙一流”建設(shè)能夠提高學(xué)生知識水平，保證現(xiàn)代教育理念的滲透，促使知識的有效傳播，彰顯整體的先進性。依托學(xué)科優(yōu)勢和學(xué)校的優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項目，教學(xué)團隊對“工程熱力學(xué)”課程中的教學(xué)大綱、教學(xué)方案以及教學(xué)模式等進行全方位創(chuàng)新，旨在培養(yǎng)符合我國行業(yè)發(fā)展、國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的先進人才。課程建設(shè)內(nèi)容主要包括出版數(shù)字化大學(xué)教材、題庫和具有時間、空間四維感知屬性的虛擬案例建設(shè)。

（四）課程思政建設(shè)

基于航空航天領(lǐng)域背景，探索和研究“工程熱力學(xué)”課程思政教育的可行性，結(jié)合“工程熱力學(xué)”課程的特點和思想政治教育的核心內(nèi)容，在課程中合理且巧妙地加入思想政治元素，精心安排教學(xué)環(huán)節(jié)，修訂教學(xué)大綱，通過各種網(wǎng)絡(luò)平臺、采取多元的考核方式等具體措施，為工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)提供參考。

結(jié)語

“工程熱力學(xué)”作為航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科開設(shè)的一門專業(yè)核心課程，是從事航空航天類研究、開發(fā)以及設(shè)計工作的主要條件。在課程建設(shè)中還存在一些問題，該課程還需要對傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式進行創(chuàng)新，積極引進參與式、引導(dǎo)式教學(xué)等教學(xué)模式，利用線下和網(wǎng)絡(luò)上的混合式互動教學(xué)，翻轉(zhuǎn)移動課堂、虛擬教學(xué)實驗等創(chuàng)新教學(xué)技術(shù)手段，引進競賽等課外教學(xué)競賽活動平臺，培養(yǎng)學(xué)生的自主綜合創(chuàng)新能力。通過不斷探索引入新教學(xué)知識、新教學(xué)技術(shù)、新工具的使用，使課程教學(xué)內(nèi)容得到積極應(yīng)用?；谝苿踊ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的利用，能使整個課堂教學(xué)動態(tài)展開，保證新型教學(xué)課程符合教學(xué)動態(tài)發(fā)展需要。還可以積極引進創(chuàng)新課程思政教學(xué)，將“顯性課堂”與“隱性課堂”完美結(jié)合，以促使地方區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。

參考文獻

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[2]楊海軍，李勇.基于學(xué)生培養(yǎng)的大型儀器開放共享新模式[J].實驗室研究與探索，2011，30（11）：243-245.

[3]方波，李繼凱.線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實踐——以模擬電子技術(shù)課程為例[J].高教學(xué)刊，2021（11）：46-50.

[4]王麗麗，張快，客海濱.數(shù)值仿真與理論應(yīng)用耦合式教學(xué)法在《工程熱力學(xué)》中的實踐[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2021（4）：129-131.

Research on the Online and Offline Mixed Teaching Reform of Engineering Thermodynamics Course

ZHANG Xiao-bin， WANG Lu， GU De-lin， YANG Chun-ying， LIU Ping-an

（College of Aerospace and Civil Engineering， Harbin Engineering University， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： Under the development requirements of first-class major construction and first-class classroom construction， the teaching reform of colleges and universities is facing great opportunities and severe challenges. From the aspects of the teaching objectives， the teaching content， reasons of teaching reform， the thoughts and contents of class construction， the paper introduces the research and practice of the teaching innovation in the course of Engineering Thermodynamics. Through online and offline mixed teaching， flipped class participation and guiding teaching， teaching supported by scientific research， virtual experimental teaching， applications teaching based on Internet big data， and “curriculum ideological and political education”， the paper proposes to train applicationoriented aviation and aerospace professionals to better serve the economic and social development of the country.

Key words： Engineering Thermodynamics； online and offline； mixed； teaching reform； “double first-class”construction

3167500589261