工程教育認(rèn)證背景下熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

[摘 要]為適應(yīng)工程教育認(rèn)證對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，文章闡釋了機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)熱工基礎(chǔ)課程的目標(biāo)，根據(jù)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的要求優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，探討了面向應(yīng)用型人才需求的課程考核方式，制定了期末考核方案，提出了基于實踐和創(chuàng)新能力提升的實驗設(shè)計方法，利用專業(yè)教學(xué)案例分析了課程體系改革的成效，指出了存在的問題并提出改進的措施。課程體系建設(shè)方法對提升課程教學(xué)效果及目標(biāo)達(dá)成度具有指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]熱工基礎(chǔ);課程目標(biāo);實驗設(shè)計;達(dá)成度

[中圖分類號]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-7656（2023）03-0072-06

引言

熱工基礎(chǔ)是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)（以下簡稱“該專業(yè)”）的一門工程基礎(chǔ)類課程[1]，主要講述熱量的傳遞、熱能與機械能轉(zhuǎn)換規(guī)律，由熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分構(gòu)成。熱力學(xué)主要講授三大定律、熱力過程及其應(yīng)用，傳熱學(xué)主要講授熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的基本原理及數(shù)值計算方法[2]。我國的工程教育認(rèn)證工作經(jīng)過多年的發(fā)展，認(rèn)證的三大理念被廣泛認(rèn)同，專業(yè)的持續(xù)改進促成了專業(yè)培養(yǎng)方案的不斷優(yōu)化以適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，并按照要求定期進行課程體系設(shè)置。在開展認(rèn)證前，一些高校的該專業(yè)未開設(shè)熱工基礎(chǔ)課程，課程體系不夠完備，認(rèn)證開展后相關(guān)高校加強了該專業(yè)課程體系建設(shè)，如安徽工程大學(xué)機械工程學(xué)院于2015年按照認(rèn)證要求進行了第一輪培養(yǎng)方案修訂，在機械類專業(yè)開設(shè)了熱工基礎(chǔ)課程（兩個學(xué)分），課程共有32學(xué)時，其中理論教學(xué)為28學(xué)時、實驗教學(xué)為4學(xué)時。課程貫徹了重基礎(chǔ)、強實踐的培養(yǎng)理念，著力培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和熱工過程分析能力[3]。根據(jù)專業(yè)課程知識點的延續(xù)性，將課程安排在第6學(xué)期，先修課程為理論力學(xué)Ⅱ、材料力學(xué)、工程流體力學(xué)和大學(xué)物理等，后續(xù)課程為機械制造學(xué)等專業(yè)課和實踐課。

一、工程教育認(rèn)證背景下課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

（一）針對復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的課程目標(biāo)構(gòu)建

工程認(rèn)證將畢業(yè)要求設(shè)定為12個大項，每項對應(yīng)2至4項指標(biāo)點，不同的基礎(chǔ)課和專業(yè)課分別對應(yīng)不同的指標(biāo)點。按照工程教育認(rèn)證對課程的要求，課程可設(shè)置兩個目標(biāo)，對于該專業(yè)的畢業(yè)要求“工程知識”和“問題分析”具有支撐作用[4]，課程目標(biāo)及對應(yīng)支撐的指標(biāo)點如表1所示。

（二）注重?zé)峁ぴ響?yīng)用的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

熱工基礎(chǔ)課程所涉及的工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)如單獨設(shè)置課程，占用課時勢必增加，工程認(rèn)證要求專業(yè)總學(xué)分控制在180學(xué)分以內(nèi)，故將這兩門相互聯(lián)系的課程合并為一門課程講授[5]，根據(jù)課程目標(biāo)，合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，重點講授熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基本原理及規(guī)律，結(jié)合專業(yè)特點和要求，主要偏重于熱力學(xué)部分，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如表2所示。

二、面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的課程綜合考核方式的制定

（一）綜合考核方式建議

課程最終成績由平時成績和期末成績構(gòu)成，兩者分別占比30%、70%。平時成績由課后作業(yè)、實驗、課堂表現(xiàn)等部分組成，三部分各占總成績的10%。期末成績主要考察對熱力和傳熱過程的分析和解答能力，以計算題為主，少量以作圖題形式出現(xiàn)，如考察熱力過程分布規(guī)律時，要求能在P-V和T-S圖上熟練表示。

（二）期末考核知識體系構(gòu)成

（1）熱力學(xué)第一定律

重點考察開口和閉口系統(tǒng)的能量方程，同時考察對熱力學(xué)能、推動功、流動功和焓等基本概念的掌握。例如，以輸氣系統(tǒng)充氣為知識點出題，已知輸氣管路氣體的溫度和壓力等狀態(tài)參數(shù)、被充氣系統(tǒng)的氣體初始溫度、壓力和容器體積，求解將被充氣系統(tǒng)氣體的狀態(tài)參數(shù)上升到一定值時輸入的氣體量。既考核了能量方程的應(yīng)用、又檢查了對熱力系統(tǒng)總能與熱力學(xué)能關(guān)系的理解，是熱力學(xué)的一個典型工程應(yīng)用。

（2）氣體和蒸汽的性質(zhì)

主要考察點包含兩個方面，第一考察點為利用真實比熱容、比熱容直線式、平均比熱容表和氣體熱力性質(zhì)表等多種方法來計算熱量;第二考察點為進一步利用多種比熱容法來計算理想氣體在狀態(tài)變化過程中熱力學(xué)能、焓和熵的變化量。

（3）基本熱力過程

主要考察四個典型熱力過程的溫度、壓力和比體積的變化規(guī)律，會求解熱力學(xué)能、焓和熵等三個狀態(tài)欄的變化量及過程熱量、過程功和技術(shù)功等三個過程量數(shù)值，能夠在P-V和T-S圖上畫出四個典型過程及任意熱力過程，能描述熱力過程的狀態(tài)量和過程量的變化。

（4）熱力學(xué)第二定律

主要考察卡諾循環(huán)凈功和熱效率的計算、可逆過程和不可逆過程的熵變規(guī)律?？梢詿岜没蛘咧评溲b置為例，討論裝置是否能實現(xiàn)既定的供熱量或者制冷量，求解所能實現(xiàn)的最大供熱量或者制冷量。

（5）傳熱學(xué)方面

主要考察三大熱傳遞方式的基本方程和邊界條件、不同結(jié)構(gòu)的熱傳遞建模、計算傳熱量。

三、基于實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程實驗設(shè)計

雖然實驗在課程考核成績中占比很小，但對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和加深學(xué)生對熱工原理的理解作用很大，更重要的是通過實驗可以促進學(xué)生對課程的整體認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高其他考核內(nèi)容的達(dá)成度，因此要對課程的實驗方案詳細(xì)設(shè)計。

（一）空氣絕熱指數(shù)測定

1.實驗?zāi)康暮蛯嶒炑b置

該實驗?zāi)康氖强疾鞂崃^程原理的理解及了解絕熱指數(shù)的測定方法，左邊為介質(zhì)為水的U形管測壓計，右邊為絕熱材料組成容器，容器內(nèi)空氣與外界短時間內(nèi)交換的熱量忽略不計，上面帶有三個氣閥，最右邊氣閥連接充氣氣囊，最左邊氣閥連接U形管測壓計，中間氣閥用于導(dǎo)通容器與外界。

2.實驗步驟

首先打開三個氣閥，通過中間氣閥使容器與外界導(dǎo)通，容器內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)和外界環(huán)境一致，然后關(guān)閉中間氣閥;通過氣囊給容器充氣，容器內(nèi)氣體壓力增加，U形管測壓計水柱上升到一定位置后，停止充氣，記錄水柱高度差，此時標(biāo)記為狀態(tài)1;迅速打開中間氣囊并關(guān)閉，在瞬間容器內(nèi)氣體經(jīng)歷了一次絕熱膨脹，再次記錄水柱高度差，此時標(biāo)記為狀態(tài)2;將容器靜置1小時以上，經(jīng)過緩慢熱交換后，認(rèn)為容器內(nèi)氣體和環(huán)境氣體溫度相等，再次記錄水柱高度差，此時標(biāo)記為狀態(tài)3。

3.數(shù)據(jù)處理

根據(jù)每個狀態(tài)的水柱高度差可計算出氣體壓力，由狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體經(jīng)歷了絕熱過程，利用過程方程：

（1）

再利用理想氣體狀態(tài)方程[6]：

（2）

將三個狀態(tài)分別列狀態(tài)方程式，再利用狀態(tài)2和3的比體積相等、狀態(tài)3和1的溫度相等，可求得式（1）中的狀態(tài)1與2比體積比等于狀態(tài)3與1的壓力比，由此可得：

（3）

將三個狀態(tài)壓力代入后，即可求得絕熱指數(shù)，最后可對求得的數(shù)值和書本上給出的標(biāo)準(zhǔn)值對比進行誤差分析，整個實驗完成。

（二）空氣定壓比熱容測定

1.實驗?zāi)康暮蛯嶒炑b置

比熱容和溫度相關(guān)[7]，該實驗?zāi)康氖橇私獗葻崛轀y定原理、比熱容的計算方法并發(fā)現(xiàn)比熱容隨溫度的變化規(guī)律，設(shè)備包括鼓風(fēng)機、流量計、加熱器和比熱測定儀，鼓風(fēng)機將空氣吹入加熱器加熱，通過流量計測定體積流量，比熱測定儀上顯示加熱過程中空氣的溫度、加熱功率。

2.實驗步驟

實驗過程至少需要4名學(xué)生配合，其中1名學(xué)生負(fù)責(zé)計時、1名學(xué)生負(fù)責(zé)記錄流量計的指針轉(zhuǎn)動圈數(shù)、1名學(xué)生負(fù)責(zé)讀取加熱內(nèi)空氣溫度、1名學(xué)生負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)。事先選定幾組空氣終了溫度，比如40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃，記錄相關(guān)數(shù)值。通電后從比熱測定儀上記錄空氣的初始溫度，打開鼓風(fēng)機，再打開比熱測定儀對空氣進行加熱，迅速將功率調(diào)整到一定值，同時開始計時。第1個終了溫度到達(dá)時，第1名學(xué)生要立刻報出溫度，第2名學(xué)生報出時間，第3名學(xué)生報出流量計圈數(shù)，第4名學(xué)生做好記錄，后面幾個終了溫度到達(dá)時，重復(fù)這個步驟。

3.數(shù)據(jù)處理

流量計每轉(zhuǎn)一圈，空氣流過5升，根據(jù)時間和圈數(shù)，可算出體積流量，再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可算出質(zhì)量流量。根據(jù)質(zhì)量流量、加熱器功率和初終態(tài)溫度差，就能分別算出由初始溫度到各終了溫度的平均比定壓熱容。建立初終態(tài)平均溫度作為橫坐標(biāo)、平均比定壓熱容為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，將上述數(shù)據(jù)點標(biāo)在坐標(biāo)系中，對數(shù)據(jù)點擬合，繪制出直線。根據(jù)平均比熱容直線式的表達(dá)形式（式4），從圖中可以求解常數(shù)a和b，從而求解出空氣定壓比熱容的直線式，完成了實驗。

（4）

四、課程體系改革成效案例分析及啟示

（一）案例概況

以安徽工程大學(xué)該專業(yè)為例，以第一輪人才培養(yǎng)方案修訂前的2014-2015學(xué)年和修訂后的2017-2018學(xué)年為例，2014-2015學(xué)年該專業(yè)大三學(xué)生共計183人，2017-2018學(xué)年該專業(yè)大三學(xué)生共計247人，從卷面成績來看，學(xué)生對熱力學(xué)基本定律和原理的理解較為透徹。大多數(shù)學(xué)生對過程功、熱力學(xué)第一定律基本方程的應(yīng)用、過程熱量及常見狀態(tài)參數(shù)的計算掌握得較好。部分學(xué)生對典型熱力過程的計算、熱力過程的綜合分析及其在P-V圖及T-S圖的表示方法還有待加強。

（二）達(dá)成度分析

兩個學(xué)年的課程達(dá)成度情況如表3所示，2017- 2018學(xué)年的平時成績目標(biāo)達(dá)成度比2014-2015學(xué)年低，原因在于在培養(yǎng)方案修訂前，平時成績的考核體系不夠完善，作業(yè)量偏少、難度偏容易，不能完全反映出目標(biāo)達(dá)成情況，培養(yǎng)方案修訂后對此進行了改進，加大對作業(yè)和課堂表現(xiàn)的考核。2017-2018學(xué)年期末考試的兩個目標(biāo)達(dá)成度均比2014-2015學(xué)年提高了10%以上，且都超過了6%。綜合期末和平時成績情況，兩個學(xué)年的目標(biāo)達(dá)成度對比如下頁圖1所示，2014-2015學(xué)年目標(biāo)1達(dá)成度、目標(biāo)2達(dá)成度和綜合達(dá)成度分別為0.73、0.53和0.69，2017-2018學(xué)年目標(biāo)1達(dá)成度、目標(biāo)2達(dá)成度和綜合達(dá)成度分別為0.81、0.67和0.73，可見在課程改革后，課程目標(biāo)達(dá)成度得到了提高。

（三）存在的問題及改進措施

從課程目標(biāo)的達(dá)成情況來看，課程目標(biāo)1的達(dá)成情況較好，課程目標(biāo)2的達(dá)成情況偏低，主要是期末考試的達(dá)成情況不夠理想，從卷面上分析，學(xué)生對正向和逆向循環(huán)的P-V圖和T-S圖的規(guī)律掌握得不夠好，對典型的基本熱力過程的曲線分布特征了解不透徹，對熱力過程的綜合分析理解及其在P-V圖及T-S圖的表示方法還要加強，可從下面兩點進行改進。

一是進一步加強課程的互動，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)薄弱環(huán)節(jié)，對熱力循環(huán)和熱力過程的分析與作圖都引入工程性案例來幫助學(xué)生理解，提高學(xué)生解決工程問題的能力。

二是合理分配教學(xué)時間，對熱力學(xué)基本原理的難點要仔細(xì)講解，注重細(xì)節(jié)問題，同時鼓勵學(xué)生自學(xué)熱力學(xué)基本概念等較容易的知識點。

五、結(jié)語

工程教育認(rèn)證強調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成進行資源配置和教學(xué)安排，并將學(xué)生和用人單位滿意度作為專業(yè)評價的重要參考依據(jù);強調(diào)專業(yè)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施以學(xué)生接受教育后所取得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，并對照畢業(yè)生核心能力和要求，評價專業(yè)教育的有效性;強調(diào)專業(yè)應(yīng)建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進機制，能持續(xù)跟蹤改進效果并用于推動專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升。

工程應(yīng)用型專業(yè)人才應(yīng)具有系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)知識、優(yōu)良的實踐能力和良好的創(chuàng)新意識，運用工程理論和技術(shù)手段去實現(xiàn)工程目標(biāo)，這類人才糅合了學(xué)術(shù)與技能、工程與技術(shù)。

課程體系建設(shè)對于貫徹落實工程認(rèn)證理念和推動面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義，本文從教學(xué)內(nèi)容、考核方式、考核要點及實驗設(shè)計等方面，對熱工基礎(chǔ)課程體系進行了優(yōu)化，并通過教改前后的相關(guān)案例分析了教學(xué)成效，綜合達(dá)成度有了進一步的提高?？梢姡谡n程建設(shè)過程中，要不斷地優(yōu)化課程體系，以課程目標(biāo)的達(dá)成度為抓手，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新與實踐能力。

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[作者簡介]孫銅生，安徽工程大學(xué)機械工程學(xué)院教授，博士，研究方向：機械優(yōu)化設(shè)計。

[責(zé)任編輯 韋志巧]