新工科背景下行業(yè)特色型高校特色課程“熱工過程與設備”和配套“窯爐課程設計”聯動改革＊

張任平

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

當今世界處在調整、變革和發(fā)展經濟和產業(yè)格局的新歷史時期，各發(fā)達國家在先進制造等新興技術領域進行了戰(zhàn)略部署[1]。中國經濟發(fā)展進入了改革和發(fā)展的攻堅期，面臨高新技術領域創(chuàng)新產業(yè)革命，提出了“一帶一路”倡議，實施了“大數據”“云計算”“中國制造2025”“物聯網”和“人工智能”等重大前沿科技的戰(zhàn)略部署。為驅動新業(yè)態(tài)的蓬勃發(fā)展，急需新興技術領域的復合型人才[2]。

中國的高等工程教育承擔著培養(yǎng)工程技術人才的使命，科技與產業(yè)革命對工程教育提出了新的要求，需要從工程教育理念和人才培養(yǎng)模式上進行改變。雖然中國工程教育規(guī)模最大，但面對新形勢下的經濟和產業(yè)，還沒有較為清晰的人才培養(yǎng)目標，側重于數理能力的培養(yǎng)，對于工程實踐能力和實驗課程教學、通識課程教育和工程技術教育之間的聯系與區(qū)別認識模糊不清，高等工程教育與企業(yè)的生產實際、行業(yè)發(fā)展脫節(jié)嚴重，工科學生在知識結構和專業(yè)素養(yǎng)方面存在明顯缺陷[3]。因此，“新工科”是新形勢下中國高等教育工作者為培養(yǎng)適應產業(yè)發(fā)展的新型工科人才達成的共識，是工科學科建設更新迭代和學科內容的升級改造，也是承擔探索未來工科學生的培養(yǎng)方式、目標和結果的改革嘗試。從2017年開始，教育部圍繞高等工程教育主導召開了多次發(fā)展戰(zhàn)略研討會，明確了“專業(yè)適應產業(yè)需求、進行工科專業(yè)結構調整、內容適應技術發(fā)展、重構工程人才新的知識體系、新方法迎合學生志趣、新手段創(chuàng)新工程教育等”新的教育理念[4-6]?！靶鹿た啤北尘跋聞?chuàng)新的教育思想對傳統的工科教育提出了較為清晰的改革需求，同時明確了未來的改革方向。

景德鎮(zhèn)陶瓷大學能源與動力工程專業(yè)培養(yǎng)的人才側重于陶瓷工業(yè)窯爐的設計、施工、運行和陶瓷工業(yè)節(jié)能和能源的綜合梯級利用。“熱工過程與設備”及“窯爐課程設計”是培養(yǎng)陶瓷工程科技人才的特色課程。側重于陶瓷材料的燒成過程分析，由熱工基礎、燃燒技術和陶瓷燒成設備3部分組成，是陶瓷材料和熱工專業(yè)的必修課，通過課程學習，使學生獲得較寬廣的熱工燃燒基礎知識和陶瓷窯爐知識，培養(yǎng)學生分析和解決陶瓷熱工工程問題的能力?！盁峁み^程與設備”需要緊跟陶瓷工業(yè)窯爐的發(fā)展趨勢，隨時更新課程知識體系，比如今年最熱的陶瓷巖板，課程需要更新添加巖板燒成窯爐方面的知識，同時“窯爐課程設計”也需要作出相應的改革，設計題目緊跟產業(yè)的發(fā)展步伐，設計需要增加學科交叉方面的知識。通過“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”的聯動改革，不但能讓學生學到最新的專業(yè)知識，而且可以讓學生把學到的最新專業(yè)知識應用于實踐之中，提高學生的學習熱情，進一步鞏固所學的知識，有利于學生解決復雜工程問題和數字化能力的培養(yǎng)。

“熱工過程與設備”作為景德鎮(zhèn)陶瓷大學材料大類專業(yè)和能源與動力工程學生的特色專業(yè)課，在專業(yè)的課程教學體系中扮演舉足輕重的角色，是學生全面認識學習陶瓷燒成熱工設備的基礎，是理論過渡到實際的重要紐帶，也是培養(yǎng)學生解決生產實際問題的不可或缺的環(huán)節(jié)。同時，“熱工過程與設備”課程是從事陶瓷材料和熱工的專業(yè)必修課，每年上千人學習這門課程。隨著計算機控制技術的迅猛發(fā)展，陶瓷燒成設備技術日新月異。陶瓷窯爐涉及最新的云控制技術，是人工智能和云計算技術應用的先行者，再加上陶瓷瓷磚的品類發(fā)展非常迅速，如最近的巖板技術。這些都需要及時更新陶瓷熱工設備課程的最新知識，需要課程改革緊跟窯爐的發(fā)展步伐。因此，“熱工過程與設備”及“窯爐課程設計”是培養(yǎng)陶瓷行業(yè)熱能工程師的最重要的核心專業(yè)課程，以相互聯系的這兩門課程作為典型案例，針對存在的核心問題找尋具體的改革措施，是“新工科”背景下“熱工過程與設備”和配套“窯爐課程設計”課程改革的重中之重。

1 新工科要求下課程體系結構中的問題

“新工科”倡導一種工程教育的新模式，其培育人的本質特征沒有變化，但變化的是培養(yǎng)要求。新工科要求培養(yǎng)面向未來的人才，其核心素養(yǎng)包括家國情懷、三創(chuàng)合一、學科交叉融通、批判精神特質、廣博的全球視野、計算數字素養(yǎng)?！盁峁み^程與設備”作為一門重要的專業(yè)課，是在系統地學習專業(yè)基礎課之后開設的針對陶瓷燒成過程涉及的傳熱和流體動力學知識以及燒成熱工設備相關知識的課程，同時依據實際實踐教學的需要，配套設置“窯爐課程設計”。

“熱工過程與設備”課程教學注重熱工基本原理的介紹，而“窯爐課程設計”更偏重于陶瓷燒成窯爐實踐教學，通過窯爐課程設計，學生可以更好地理解所學的理論知識，熟悉陶瓷工業(yè)窯爐整體和局部結構布置情況，掌握陶瓷窯爐中燃燒、傳熱和氣體流動的計算方法，從而能夠加深對“熱工過程與設備”課程知識的理解、鞏固和提高。隨著碳達峰、碳中和以及一系列節(jié)能減排政策的出臺，不符合節(jié)能標準的窯爐逐漸被淘汰。而隨著節(jié)能、環(huán)保和自動控制等新技術的發(fā)展，陶瓷工業(yè)窯爐必須加持大數據和人工智能技術，緊跟時代發(fā)展步伐。因此，已有的課程組織方式和知識結構很難適應當前陶瓷工業(yè)的更新迭代對學生素質能力的培養(yǎng)需要，需要對傳統的“窯爐課程設計”進行改進，與“新工科”理念相契合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)能力，使學生成為“三創(chuàng)型”順應時代潮流的人才。對比新工科的新理念和新要求，基于傳統模式“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”的課程體系結構存在較大的問題，大致有以下幾方面[7]。

1.1 教學內容過時嚴重

“熱工過程與設備”作為陶瓷材料大類的專業(yè)課程，教學大綱和教材內容基本停留在傳統的知識框架之中，雖然內容體系較為完整，基本涉及陶瓷燒成所有知識點，但還不能及時跟蹤陶瓷熱工設備最新科技成果和交叉學科知識。此外，該課程面向學院的多個專業(yè)開設，對于不同的專業(yè)，大綱和教材基本一樣，所教授的內容對不同專業(yè)沒有進行區(qū)分，很少對專業(yè)需求進行分析去優(yōu)化教學內容。這種不問對象普適性的教學狀態(tài)，顯然與新工科要求的學科交叉和體現特色個性化的培養(yǎng)模式相背離。

1.2 教學方法與時代脫節(jié)

“熱工過程與設備”一直沿用傳統的教學方法，主要采用課堂講授和隨堂提問的方法，“嵌入交互式教學”較少采用。而以往針對課程進行的教育教學改革，往往都是著眼于采用新的教學手段，教師主導的提高課程活躍度的教學活動的設計創(chuàng)新，針對學生的科學素養(yǎng)、三創(chuàng)能力培養(yǎng)和解決復雜工程問題的教學方法形式創(chuàng)新涉及的非常少。

1.3 教學手段沒有與時俱進

“熱工過程與設備”的教學手段在過去往往比較單一，基本課堂上采用多媒體教學為主。多媒體技術在圖文和視頻信息融合方面有一定的優(yōu)勢，可以豐富生動地展示教學內容給學生，某種程度上可以激起學生的學習熱情，但某種程度上在培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新意識方面存在一定的不足。而工程教育改革的基調是縮短課堂講授學時。如果繼續(xù)采取教師為主角的課堂教學模式，忽略培養(yǎng)學生的自主學習意識，將不可避免地帶來兩方面的后果：①教師占用大量的時間教授書本上的知識，學生短時間接受大量的信息，部分學生難以消化吸收；②教師為了完成課程教學內容，不得不加快教學節(jié)奏，根本談不上去進行交互式教學，難以取得預期的教學效果。

1.4 教學效果評價體系沒有及時更新

課程考核環(huán)節(jié)需要不斷優(yōu)化，單純地依靠考試分數很難全面評價學生全過程的學習效果。當前大部分課程都采用百分制試卷進行閉卷考試，通過最后的考試成績來確定學生的課程最終的成績，對于“熱工過程與設備”課程知識擴展應用的考核比較少，這樣會忽視應用“熱工過程與設備”課程相關知識解決工程實際問題能力的培養(yǎng)，導致無法客觀評價課程教學效果，難以體現新型工程教育背景下的工科人才培養(yǎng)目標。

1.5 課程設計環(huán)節(jié)與陶瓷熱工設備發(fā)展不同步

目前景德鎮(zhèn)陶瓷大學的材料大類和能動專業(yè)均開設了“熱工過程與設備”的課程設計類實踐課，窯爐課程設計的題目遵循與時俱進與多樣化原則，比如有的專業(yè)進行輥道窯設計，設計過程中需要考慮最新的窯爐的智能控制系統；也有的專業(yè)選擇隧道窯進行設計，設計需要考慮隧道窯的最新技術的應用。

課程設計在實施過程中遵循以下步驟：教師給每個學生制定不同的設計題目，并以任務書的形式提出不同的設計要求。學生依據設計題目和設計任務書的要求，參考《窯爐課程設計指導書》和《陶瓷工業(yè)窯爐》等書籍資料，在教師的指導下完成窯爐的結構尺寸計算、工作系統的確定、材料和厚度的確定、燃料燃燒的計算和阻力計算及風機選型。并進行計算結果匯總，同時繪制窯爐預熱帶、燒成帶和冷卻帶的結構與尺寸圖，標出需要布置風機、燃燒器、熱電偶和檢查孔的位置。最后總結結果并撰寫窯爐課程設計說明書。大部分學生根據往屆同學的設計模板，通過修改設計的部分參數，完成相應的設計工作。這種依葫蘆畫瓢的操作模式，往往會使得學生對設計過程碰到的問題缺乏獨立解決的能力，討論與交流更是少之又少。學生抱著完成任務的心態(tài)進行的課程設計，本身缺乏興趣和愛好驅動，再加上課程設計的過程較為枯燥，這樣很難調動學生的學習熱情和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新潛力。

2 課程改革措施

新型工程教育對人才培養(yǎng)提出了新要求，秉承“學生為中心、產出導向和持續(xù)改進”的工程教育認證理念，針對以往教育教學過程中存在的突出問題，提出“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”聯動改革的方向和具體舉措如下。

將“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”實行聯動式教學改革，改革的目的瞄準工程教育專業(yè)論證核心素養(yǎng)的培養(yǎng)：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學科交叉融合、批判性思維、自主終身學習、數字素養(yǎng)以及解決復雜工程問題能力，通過專業(yè)特色課程“熱工過程與設備”和配套“窯爐課程設計”的聯動改革，從課程設計的模式、手段和評價方法，以及課程的內容設置、學科交叉內容、學科前沿內容、項目式學習等方面進行互聯互動、協調一致改革，培養(yǎng)以互聯網為核心的新一輪科技和產業(yè)革命所需的新型陶瓷熱工工程技術人才。

課程教學內容實行以需求為導向進行優(yōu)化，體現層次化和模塊化的特點，兼顧學科前沿和時代特色，考慮學科充分交叉。針對各種不同層次的培養(yǎng)需求，“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”充分體現多層次、結構模塊化和瞄準學科前沿與產業(yè)前沿的特點?！盁峁み^程與設備”和“窯爐課程設計”教學內容應適當重組，突出學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

注重新工科內涵式建設，大力發(fā)展交互式課堂多樣性教學方法，加強課程頂層系統設計。新型工程教育注重培養(yǎng)學生能力，學生需要具備系統思維、高效交流、合作互助協同、批判性思維、自我驅動管理和數據決策等技能。在新型工程教育的理念下，需要改變單純傳授知識的教學模式，采用“項目研究驅動型教學”培養(yǎng)學生的高級思維能力。

教學過程中植入先進教學理念，采用“互聯網+”信息化教學模式。在人工智能和大數據加持下，一方面可以充分利用網絡教育資源，另一方面將線上線下混合式教學模式與研究項目式教學相結合，最大限度地挖掘線上線下混合式、課堂內外、教師和學生教學互動的重要作用。有效利用慕課、超星學習通、愛課程、學堂在線和智慧樹等公共網絡教學平臺，接受能力較弱的學生可以利用線上資源強化課程學習，學習能力較強的學生可以學習更多的擴展知識。

在工程設計實際問題中，引入計算機編程工具快速解決問題。當前陶瓷工業(yè)窯爐的設計計算大多數是采用人工進行計算，計算起來費時費力，尤其碰到需要反復迭代的地方，更是需要不斷地假定然后重新計算。例如壁面溫度的計算，由于壁面溫度影響材料的導熱系數，這其中涉及反復迭代的過程。傳熱過程對流換熱系數的計算也是一個比較麻煩的過程，涉及到的影響因素非常多，同時很多物性參數是溫度的函數，通過人工進行精確計算也比較復雜。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機技能作為大學生的基本專業(yè)技能，學生在大一或大二學習了C語言、Fortron和Python等，學習的這些東西很少用于解決實際的工程問題。在陶瓷窯爐課程設計過程中，尤其是涉及到相關的計算，比如燃燒計算、熱平衡計算、窯墻散熱計算和流動阻力計算等計算模塊中，學生可以采用計算機編程的方法進行計算，這樣會簡化計算工作量。學生通過計算機編程解決所學專業(yè)方面的問題，能進一步鞏固所學的程序設計方面的知識，有利于培養(yǎng)學生使用計算機工具解決復雜工程問題的能力。

轉變課程評價思維，實現課程不同階段進行不同的評價和多方位立體化評估學生不同方式學習效果。新型工程教育非常注重培養(yǎng)學生的自主學習能力。為應對新工科的新要求，“熱工過程與設備”課堂改革過程中將解決復雜工程問題放在非常重要的位置，更加注重所學知識應用于解決實際工程問題能力的培養(yǎng)，通過專題討論和研究性課題教學活動等引導學生進行主動學習，著力培養(yǎng)在教學實施過程中學生學習的能動性、創(chuàng)新性和自我驅動性，增強學生的探究精神和實踐意識。這樣的教學過程的有效實施必須有相配套的教學評價考核機制。只有健全的評價機制，學生的學習過程和實踐過程得到充分肯定，才能進一步調動學生的學習積極性，感受到自己的價值得到實現，在項目式探究學習過程同時能培養(yǎng)有效溝通能力和團隊協作意識。

3 總結

“熱工過程與設備”需要緊跟陶瓷工業(yè)窯爐的發(fā)展趨勢，隨時更新課程知識體系，比如今年最熱的陶瓷巖板，課程需要更新添加巖板燒成窯爐方面的知識，同時“窯爐課程設計”也需要作出相應的改革，設計題目緊跟產業(yè)的發(fā)展步伐，設計需要增加學科交叉方面的知識。通過“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”的聯動改革，不但能讓學生學到最新的專業(yè)知識，而且可以讓學生把學到的最新專業(yè)知識應用于實踐之中，提高學生的學習熱情，進一步鞏固所學的知識，有利于學生解決復雜工程問題和數字化能力的培養(yǎng)?！盁峁み^程與設備”和“窯爐課程設計”課程改革呈現足夠“新”的教學方法，改革從以教師為中心的教學轉到以學生為中心的教學，開展互助協作式、組隊活動式、設計式和個別式等眾多形式相結合的課堂教學模式，同時選用多媒體、虛擬仿真實驗室和VR技術等多種教學技術進行教學規(guī)劃。能夠體現師生的互動性，能夠激發(fā)學生深度思考、主動創(chuàng)新。

“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”課程改革呈現足夠“新”的教學手段，給學生創(chuàng)造更多動手實踐的機會，讓學生主動參與到教學中來，最大限度地激發(fā)學生的主觀能動性，發(fā)揮出自身的潛能。讓學生主動地汲取知識，甚至創(chuàng)造知識。優(yōu)化課程考核評價辦法，充分調動學生的學習積極性?！盁峁み^程與設備”和“窯爐課程設計”課程聯動改革必將助能動類新型工程教育人才培養(yǎng)一臂之力。

“熱工過程與設備”和“窯爐課程設計”的聯動改革，可以夯實學生的專業(yè)知識基礎、工程實踐能力和提高創(chuàng)新創(chuàng)造能力的多層次、全方位交叉培養(yǎng)，學生的實踐能力得到層層遞進的提高，學生不但具備了扎實的專業(yè)功底，而且實踐能力等到了充分的鍛煉，必將會呈現優(yōu)秀的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

景德鎮(zhèn)陶瓷大學能源與動力工程專業(yè)特色鮮明，主要培養(yǎng)陶瓷工業(yè)領域窯爐設計、施工、調試、節(jié)能改造和運行維護的人才，在此領域景德鎮(zhèn)陶瓷大學培養(yǎng)的陶瓷熱工專業(yè)人才優(yōu)勢明顯。所以，以行業(yè)特色院校的能動專業(yè)“熱工過程與設備”及“窯爐課程設計”為例，既有實際意義和可行性，也具有代表性和典型性，有利于研究成果的推廣。