機(jī)械類專業(yè)《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程教學(xué)思考與改革

趙慶娟 孫金超

摘?要：熱工基礎(chǔ)是本科院校機(jī)械大類專業(yè)開設(shè)的一門綜合性的專業(yè)必修課程。熱工基礎(chǔ)課程知識點多、理論性強(qiáng)、概念抽象，各部分知識點相對獨立。在熱工基礎(chǔ)課程的理論教學(xué)與實踐教學(xué)過程中依然存在很多問題，針對這些問題和不足，依據(jù)新工科及工程教學(xué)的要求有針對性的進(jìn)行了深入而全面的思考與探索。該文在注重學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上提出熱工基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革措施與方案。該教學(xué)改革措施能夠滿足“新工科”建設(shè)及人才培養(yǎng)的要求，同時也為機(jī)械類專業(yè)熱工基礎(chǔ)課程的教學(xué)提供一些可參考的思路。

關(guān)鍵詞：?熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)??理論教學(xué)??教學(xué)改革??機(jī)械類

中圖分類號：TK3-4;O35-4;G642.0???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Thinking?and?Reform?on?the?Teaching?of?Thermal?Fundamentals?and?Hydrodynamics?in?Mechanical?Specialty

ZHAO?Qingjuan??SUN?Jinchao*

（College?of?Mechanical?and?Control?Engineering，?Guilin?University?of?Technology，?Guilin，??Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?541004?China）

Abstract：?Thermal?Fundamentals?is?a?comprehensive?professional?compulsory?course?for?mechanical?major?offered?by?undergraduate?colleges?and?universities.?Thermal?Fundamentals?has?many?knowledge?points，?strong?theory?and?abstract?concepts，?and?the?knowledge?points?of?each?part?are?relatively?independent.?There?are?still?many?problems?existing?in?the?theoretical?teaching?and?practical?teaching?process?of?Thermal?Fundamentals.?In?view?of?these?problems?and?shortcomings，??according?to?the?requirements?of?new?engineering?and?engineering?teaching，?the?in-depth?and?comprehensive?thinking?and?exploration?have?been?targeted?to?carry?out.?This?paper?puts?forward?the?teaching?reform?measure?and?plan?of?Thermal??Fundamentals?on?the?basis?of?focusing?on?the?cultivation?of?students'?engineering?application?ability?and?innovation?ability.??This?teaching?reform?measure?can?meet?the?requirements?of?"new?engineering"?construction?and?talent?training，?and?also?provides?some?reference?ideas?for?the?teaching?of?Thermal??Fundamentals?for?mechanical?specialty.

Key?Words：?Thermal?Fundamentals?and?Hydrodynamics;?Theory?teaching?;?Teaching?reform;?Machinery

根據(jù)2018年9月發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0意見》，高校明確了新工科建設(shè)的發(fā)展方向。自此教育部對新形勢下高等教育教學(xué)和人才培養(yǎng)提出了更高的要求，重點推進(jìn)新工科的發(fā)展建設(shè)[1]。隨著科技的迅猛發(fā)展，在機(jī)械電子、冶金、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域熱科學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛，熱科學(xué)成為各類人才工程素質(zhì)培養(yǎng)的重要內(nèi)容?！稛峁せA(chǔ)及流體力學(xué)》是一門傳授熱科學(xué)及流體力學(xué)基本理論及原理的重要理論課程[2]?！稛峁せA(chǔ)及流體力學(xué)》課程內(nèi)容的設(shè)置為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，著重于工科類人才基礎(chǔ)知識、基本能力及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)以基礎(chǔ)理論知識聯(lián)系生活和工程實踐，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用多種知識和技能解決實際問題的能力。

在國際形勢錯綜復(fù)雜的當(dāng)下，尤其是在很多產(chǎn)業(yè)遭遇“卡脖子”技術(shù)約束的背景下，需要緊跟國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，提高能源利用效率，積極推進(jìn)《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程的教育教學(xué)改革，達(dá)成培養(yǎng)大學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維的目的，進(jìn)而提高大學(xué)生的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)造型人才，滿足社會的發(fā)展和需求。

1?《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程特點

《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程由工程熱力學(xué)，傳熱學(xué)和流體力學(xué)三個篇章構(gòu)成，該課程知識點多、理論性強(qiáng)、概念抽象，但三個部分的知識點即相對獨立，又聯(lián)系緊密。該課程的主要內(nèi)容包括：熱能和機(jī)械能以及其他形式能之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律、熱量傳遞規(guī)律、流體宏觀機(jī)械運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有效掌握工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基本概念和基本規(guī)律，并能夠應(yīng)用工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)及流體力學(xué)基礎(chǔ)知識對各種熱現(xiàn)象、熱交換過程及相關(guān)流體運(yùn)動特性進(jìn)行分析，為培養(yǎng)和提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維打下基礎(chǔ)。《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程在機(jī)械類專業(yè)中占有重要地位，是機(jī)械類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。在機(jī)電類相關(guān)專業(yè)中《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程更顯得尤為重要，由于在設(shè)備的設(shè)計和使用過程中大量存在能量轉(zhuǎn)換、熱量傳遞以及流體力學(xué)相關(guān)問題，大多機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時都要進(jìn)行傳熱設(shè)計或考慮熱控制的問題，有時還要考慮流體的能量轉(zhuǎn)化等問題[3-5]。該課程的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生對熱科學(xué)及流體力學(xué)方面的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思維方式的培養(yǎng)。

2?《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程理論教學(xué)及實踐教學(xué)的現(xiàn)狀分析

《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》是機(jī)械類專業(yè)的核心課程之一，課程涉及了工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)這3個部分內(nèi)容，其中《工程熱力學(xué)》部分包含了熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)基本定律、幾種工質(zhì)、理想氣體的熱力過程、氣體和蒸汽的流動、蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)等內(nèi)容；《傳熱學(xué)》部分包含了熱量傳遞的基本方式、導(dǎo)熱、對流傳熱、輻射傳熱和傳熱過程與換熱器等內(nèi)容；《流體力學(xué)》部分包含了流體及其物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)基礎(chǔ)及粘性流體的管內(nèi)流動等內(nèi)容，三部分之間相對獨立。在教學(xué)過程中存在的主要問題是課程涵蓋內(nèi)容多且相對獨立，各個知識點分散不能達(dá)到系統(tǒng)化，安排的學(xué)時量較少，只有48學(xué)時，課程內(nèi)容安排非常緊湊，導(dǎo)致學(xué)生不能夠很好的理解和消化課堂所學(xué)內(nèi)容。又由于3個部分都涉及到大量的專業(yè)術(shù)語及復(fù)雜繁多得公式，這導(dǎo)致了《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》這門課程不僅知識體系邏輯性強(qiáng)、概念抽象，還需要學(xué)生掌握數(shù)量龐大的公式以及學(xué)會必要的工程參數(shù)查表，因此課堂教學(xué)抽象枯燥，導(dǎo)致學(xué)生對知識的掌握難度大，缺乏熱情。在《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課堂教學(xué)中，在課程涵蓋內(nèi)容多而學(xué)時量少的情況下，教師注重的是學(xué)生對知識點的掌握程度，很少關(guān)注學(xué)生工程實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，授課過程中缺乏工程實例的引用，很難激發(fā)學(xué)生的課上學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到預(yù)計的教學(xué)效果[6-7]。

由于《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程具有極強(qiáng)的理論性、實踐性、應(yīng)用性和工程性，培養(yǎng)和提高學(xué)生解決實際工程問題的能力的途徑，主要依賴于《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的。但是在實際的教學(xué)活動中實驗課學(xué)時量不足，甚至由于實驗條件和學(xué)時安排的原因一些高校不開展“熱工基礎(chǔ)”實驗課程，開設(shè)實驗課程也僅僅被作為理論教學(xué)的輔助，實驗課授課方式仍然采用傳統(tǒng)的“教師在實驗課上講解設(shè)備結(jié)構(gòu)，操作流程，注意事項，并給學(xué)生演示實驗操作步驟，學(xué)生輪流模仿操作，課后寫實驗報告”的實踐教學(xué)形式，《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》實驗教學(xué)還面臨著實驗設(shè)備缺乏或不足的問題，因此實驗教學(xué)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生有機(jī)會操作，多數(shù)學(xué)生只能圍觀的現(xiàn)狀，這使得大多數(shù)學(xué)生沒有掌握實驗操作步驟，甚至不了解設(shè)備或儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，大幅度降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，忽視了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。導(dǎo)致學(xué)生很難將所學(xué)到的《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》相關(guān)知識與生活和工程實踐相關(guān)聯(lián)，不能做到理論聯(lián)系實際，更無法達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。

3?《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》教學(xué)改革措施的研究與討論

針對《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程內(nèi)容特點以及理論和實踐教學(xué)過程中存在的不足，對課程教學(xué)方法和手段進(jìn)行總結(jié)和思考，在注重學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，提出“熱工基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革措施和實施方案。

3.1基于專業(yè)需求的理論教學(xué)方案調(diào)整

在機(jī)械類專業(yè)中開設(shè)《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程，首先遇到就是課程涵蓋內(nèi)容多，而課時不足的問題，這直接導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容和知識點的傳授難以實現(xiàn)面面俱到，因此解決課程內(nèi)容多而學(xué)時少的矛盾是首要問題。首先以工程認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)制定本科生畢業(yè)要求，對課程目標(biāo)和課程內(nèi)容進(jìn)行梳理，結(jié)合專業(yè)特點對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。針對《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程特點，采用一條主線貫穿始終的教學(xué)思路。以能量守恒為線索將課程內(nèi)容融會貫通，形成一個整體。改變傳統(tǒng)教學(xué)中將《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程當(dāng)作三個獨立部分的做法，在確?！豆こ虩崃W(xué)》《傳熱學(xué)》《流體力學(xué)》三個篇章各自特點的同時，將三個篇章聯(lián)系起來，即統(tǒng)一又保持相對立性，使教學(xué)內(nèi)容更具系統(tǒng)性。以社會熱點以及學(xué)科前沿為導(dǎo)引進(jìn)行討論，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，建立科學(xué)思維方式，進(jìn)一步提升學(xué)生解決工程領(lǐng)域中與熱科學(xué)及流體力學(xué)相關(guān)問題的能力[4，7-8]。

3.2《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程教學(xué)方法和手段的改革

《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程主要是以教師為主引導(dǎo)課堂教學(xué)，學(xué)生被迫接受的模式，教學(xué)模式并沒有得到根本的轉(zhuǎn)變。由于《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程內(nèi)容涵蓋面廣，學(xué)時設(shè)置少，單位時間學(xué)生接受信息量過大，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，很難快速的理解和消化所學(xué)內(nèi)容，在這樣的情況下，學(xué)生失去了學(xué)習(xí)和探索的興趣。為了讓學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)過程中，有效的改善教學(xué)效果，達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的，對《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》教學(xué)方法和手段進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.1教學(xué)中加強(qiáng)教師的導(dǎo)學(xué)作用，以學(xué)生為主體，重視理論聯(lián)系實際。

按照專業(yè)特點調(diào)整和安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)，針對難理解和難消化的知識點，安排習(xí)題課，在精講多練的過程中對知識點進(jìn)行反復(fù)強(qiáng)化和吸收。采用引導(dǎo)式教學(xué)，在教學(xué)過程中教師根據(jù)知識點精心設(shè)計問題，在知識點傳授的過程中適當(dāng)?shù)臅r間提出相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，帶動學(xué)生才遇到課堂中來，即從傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)講授的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橛袉栴}、有思考、有講解、有總結(jié)的互動式和啟發(fā)式課堂教學(xué)模式。最大程度的調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，促使學(xué)生能夠做到理論聯(lián)系實際，針對實際問題進(jìn)行思考并給出解答。

3.2.2有效利用信息化教學(xué)手段，采用多樣化授課方法相結(jié)合的授課方式

由于《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程具有大量的專業(yè)術(shù)語以及復(fù)雜繁多的公式，知識體系理論性和邏輯性強(qiáng)、概念抽象難懂，還涉及到大量公式推導(dǎo)等特點，在實際教學(xué)過程中，需要采用多媒體教學(xué)和板書相結(jié)合的方法進(jìn)行授課，充分利用信息化教學(xué)手段的直觀性和生動性，設(shè)計并制作生動而豐富的多媒體教案，通過視頻、虛擬仿真技術(shù)等手段，將像卡諾循環(huán)、熱功轉(zhuǎn)換、熵等抽象難懂的內(nèi)容生動的展示給學(xué)生，使學(xué)生更容易接受、消化和理解晦澀難懂的知識點，以取得良好的教學(xué)效果。

3.2.3充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的優(yōu)勢，實現(xiàn)多平臺互補(bǔ)的課堂結(jié)構(gòu)的改革

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺不但有課程教學(xué)大綱、教學(xué)進(jìn)度、考核方式等教學(xué)資料，方便學(xué)生了解和查閱。教學(xué)平臺還為學(xué)生提供教學(xué)課件、試題庫等資源，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺隨時進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺對《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中遇到的難以理解和消化的問題在平臺上可以隨時向教師提問，實現(xiàn)學(xué)生和教師的良好互動，教、學(xué)雙方都參與到教學(xué)過程中來，發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)的自主性。

3.3基于科技創(chuàng)新項目及競賽的實踐教學(xué)改革

在應(yīng)用型本科教育的大背景下，實驗教學(xué)是高校實踐教育的重中之重，實驗教學(xué)效果的優(yōu)劣直接體現(xiàn)了高校人才培養(yǎng)的質(zhì)量[9]。在新工科建設(shè)的背景下，開設(shè)《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》這門課程目的在于培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計過程中，采用熱科學(xué)的思維方式，保證機(jī)械類工業(yè)設(shè)計的可靠性?！稛峁せA(chǔ)及流體力學(xué)》實驗課程也同時保證了學(xué)生對所學(xué)習(xí)的理論知識進(jìn)一步的理解以及鞏固，鍛煉學(xué)生實踐設(shè)計能力和工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計水平，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的目的。

為了提高實驗教學(xué)的效果，促使學(xué)生將理論知識與實踐相結(jié)合，將科技創(chuàng)新類的活動以及科技競賽加入到學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)中，將《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》與其他機(jī)械及電子類專業(yè)基礎(chǔ)課程相結(jié)合，完成一個完整的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，系統(tǒng)化的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，最終提高工程教育教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生通常以小組形式開展科技創(chuàng)新活動及競賽活動，推動教學(xué)、科技創(chuàng)新、比賽相結(jié)合的實踐教學(xué)改革。

3.3.1開設(shè)創(chuàng)新型綜合實踐課程

面向全校開展科技創(chuàng)新型綜合實訓(xùn)課程選修課，組織多學(xué)科及多專業(yè)的學(xué)生共同參與到科技創(chuàng)新項目中來，多學(xué)科交叉，可以實現(xiàn)知識互通互助的目的，共同完成課程設(shè)置的訓(xùn)練題目。以機(jī)電專業(yè)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計與應(yīng)用為例，為了增加機(jī)器人的可靠性很穩(wěn)定性，往往驅(qū)動電機(jī)設(shè)計時需要在保證散熱的前提下，同時為了防止粉塵和液體進(jìn)入需要對電機(jī)進(jìn)行密閉，這時可以通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及傳熱學(xué)相關(guān)計算，將機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，避免增加過多的散熱系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^將熱工知識和實際應(yīng)用相結(jié)合的訓(xùn)練過程中，達(dá)成綜合實踐訓(xùn)練的效果和目的。

3.3.2鼓勵學(xué)生積極參加學(xué)校組織的各類競賽活動

2019年教育部發(fā)布文件《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，文中提到要實現(xiàn)以賽促教，同時以賽促學(xué)的目標(biāo)，但是要理性參賽。選擇與機(jī)械類專業(yè)具有較大相關(guān)性的比賽，例如互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，中國教育機(jī)器人大賽等等，在競賽過程中涉及到《計算機(jī)輔助設(shè)計》《機(jī)電一體化技術(shù)》《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》《機(jī)器人技術(shù)》《單片機(jī)》等課程，能過達(dá)到以賽促學(xué)的綜合實踐實訓(xùn)的目的。一般參與競賽的學(xué)生以大學(xué)二年級和大學(xué)三年級為主，大學(xué)一年級打好專業(yè)基礎(chǔ)，大學(xué)二年級和大學(xué)三年級可以對所學(xué)的知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，這非常符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律。在整個競賽過程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)和深化大量的相關(guān)專業(yè)知識，在團(tuán)隊中各自發(fā)揮作用，在這個過程中學(xué)生構(gòu)建自身的優(yōu)勢，并確定自身的特長，在這一過程中，不但提高了學(xué)生的動手能力和邏輯思維能力，還大大激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行綜合技能訓(xùn)練的積極性，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神，最終達(dá)成提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐動手能力的目的。

4?結(jié)語

綜上所述，該文針對機(jī)械大類專業(yè)《熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)》課程在教學(xué)中出現(xiàn)的問題，提出理論課程和實踐課程改革方案。通過理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化及教學(xué)方法的改進(jìn)，有利于提高教學(xué)效果和建立學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，讓學(xué)生在實踐的過程中進(jìn)一步理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。通過創(chuàng)新性實踐教學(xué)讓學(xué)生掌握熱科學(xué)的思考方式，創(chuàng)新性完成基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與實踐技術(shù)相結(jié)合的學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)的自主性，為學(xué)生今后從事相關(guān)科研工作和解決實際工程問題奠定必要的熱工理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)