涉農(nóng)高校生物質能源領域傳熱學課程教學改革研究

摘要" 為適應能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)能適應和引領新一輪能源科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，本文對涉農(nóng)高校生物質能源領域的必修課程傳熱學進行教學改革研究。針對該課程教學內(nèi)容復雜、教學模式單一和考核評價方式有待優(yōu)化等教學現(xiàn)狀，結合CDIO教育理念，提出相應的教學改革措施。具體包括“線上+線下”融合，實施翻轉課堂；引入CDIO教育理念，強化案例教學；以賽促學，激發(fā)學習熱情；融入思政元素，增強思政覺悟；改革考核方式，加大過程性考核力度。通過具體的工程案例提高學生的課堂參與度，加強師生互動，有利于培養(yǎng)學生的批判性思維。為類似課程教學改革創(chuàng)新研究提供參考。

關鍵詞" 傳熱學；生物質能源；生物質材料；CDIO教學

中圖分類號" G642.0；S216 """文獻標識碼" A """文章編號" 1007-7731（2024）24-0114-04

DOI號" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.24.025

Research on teaching reform of Heat Transfer course in biomass energy field in agricultural universities

WEI Guoqiang1 YAO Yecheng1 YANG Xixian1 YI Qun2

（1South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China;

2Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， China）

Abstract" To meet the development needs of the energy industry and cultivate outstanding engineering and technological talents who can adapt to and lead the new round of energy technology revolution and industrial transformation， conducted teaching reform research on the compulsory course of Heat Transfer in the field of biomass energy in agricultural universities. In response to the complex teaching content， single teaching model， and need for optimization of assessment and evaluation methods in this course， combined with the CDIO educational concept， corresponding teaching reform measures were proposed. Specifically， it includes the integration of “online+offline” and the implementation of flipped classrooms; introducing CDIO educational concept and strengthening case teaching; promoting learning through competitions and stimulating enthusiasm for learning; integrating ideological and political elements to enhance ideological and political awareness; reforming the assessment method and increasing the intensity of process based assessment. Through specific engineering cases， students’ classroom participation had been improved， teacher-student interaction had been strengthened， and it was conducive to cultivating students’ critical thinking. Provides a reference for research on teaching reform and innovation in similar courses.

Keywords" Heat Transfer; biomass energy; biomass materials; CDIO education

姜未汀等[1]研究表明，為加快清潔能源的綜合利用與高效轉化，能源動力類學科承擔著重要的發(fā)展任務。實踐中，隨著能源產(chǎn)業(yè)面臨新一輪的變革與挑戰(zhàn)，亟需培養(yǎng)一大批能適應和引領新一輪能源科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，有必要進一步從人才培養(yǎng)方案著手，加大力度挖掘課程思政元素，結合綠色發(fā)展理念，深化課程教學改革。張嘉杰等[2]研究認為，傳熱學研究的一項重要內(nèi)容是熱量傳遞規(guī)律，其是涉農(nóng)高校生物質能源領域和能源動力專業(yè)的必修課程之一。CDIO（Conceive， Design， Implement， Operate）是一種基于工程教育的理念，旨在培養(yǎng)學生的核心能力，包括構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和操作（Operate）。將該理念應用于傳熱學課程，可為學生提供更加綜合和更具實踐性的學習體驗。

關于傳熱學課程，相關學者進行了一系列教學改革探索與實踐工作。李文強等[3]研究提出，通過新媒體技術將前沿科學實驗引入線下理論課堂，極大激發(fā)了學生的學習熱情和創(chuàng)新思維。胡艷鑫等[4]根據(jù)課程“應用范圍廣、知識覆蓋面廣和時間跨度大”的特點，基于翻轉課堂，使用多元化的教學資源與新媒體技術，對教學模式進行改革。馮耀勛等[5]探索了網(wǎng)絡教學模式與常規(guī)教學法相結合的教學方法，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡教學可以大幅提高學生的學習興趣。朱群志等[6]研究優(yōu)化教材體系，提出了調整課程結構與教學內(nèi)容，創(chuàng)新專題討論及實驗教學等措施，提高教學效果，增強實踐和創(chuàng)新能力。尚琳琳等[7]研究提出了調整實驗教學體系的教學方案，結合開放性實驗室的管理模式，優(yōu)化實驗考核與獎勵等實施辦法，對于本科實驗教學過程創(chuàng)新能力培養(yǎng)進行新的嘗試和探索。

本文針對傳熱學課程教學內(nèi)容復雜，教學模式單一，考核評價有待多元化等問題，提出采用翻轉課堂教學模式，結合CDIO教育理念，通過具體的工程案例提高了學生的課堂參與度，加強師生互動，促使學生進行批判性思考。通過對傳熱學課程教學模式的改革，以培養(yǎng)適應和引領新一輪能源科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才。

1 生物質能源領域傳熱學課程教學現(xiàn)狀分析

當前，生物質能源轉化方式以催化熱解為主，熱量在生物質之間傳遞的機制、規(guī)律和影響因素等十分復雜。傳熱學的核心內(nèi)容之一是探討生物質熱量傳遞規(guī)律，該課程知識框架清晰，主要包括導熱、對流換熱和輻射換熱3種基本傳熱過程及其綜合應用。

1.1 教學內(nèi)容與模式方面

傳熱學是能源與動力專業(yè)的基礎課，王杰等[8]研究認為，其具有理論性和抽象性的特點，如基本概念和原理過多，容易混淆；公式多，推導過程復雜，難以記憶；教學內(nèi)容復雜，抽象的內(nèi)容難以理解，應用靈活，學生較難掌握。實踐中，該課程教學形式較為生硬且教學內(nèi)容枯燥，部分學生學習的積極主動性不高。部分教師對教學內(nèi)容的理解和把握程度有待提高，在教學過程中較為注重對概念、定理和公式推導過程的介紹，而對于如何在未來的專業(yè)課程中深入應用這些知識點，以及如何利用專業(yè)知識解決實際的工程問題等的講解有待深入；對建立起理論和實際工程應用之間聯(lián)系的主動性不足，學生較難更全面理解課程知識體系。解丹等[9]研究認為，這可能導致學生重視對知識點的客觀記憶，而學以致用能力有待進一步增強。同時，教學中對課程思政元素的融入不夠自然，教學內(nèi)容與綠色低碳發(fā)展理念的結合度不夠深入，有待融入工匠精神。

1.2 考核評價方面

在該課程考核中，期末成績占70%，平時成績占30%。成績構成有待多元化，評價方法單一，過程性考核評價方法有待應用。李雪梅[10]研究認為，有必要改革考核評價模式，以真實反映學生的能力和水平。尚琳琳等[7]研究指出，為鼓勵學生主動鍛煉動手能力和創(chuàng)新思維，有必要進一步加強對其實操水平和問題分析能力的考量，優(yōu)化綜合成績構成。

2 傳熱學課程教學改革措施分析

針對該課程教學形式較生硬、教學內(nèi)容抽象復雜，思政元素融入不足，考核評價方式有待多元化等現(xiàn)狀，提出應用翻轉課堂、案例教學和以賽促學等教學模式與方法。

2.1 “線上+線下”融合，實施翻轉課堂

傳熱學在生產(chǎn)技術中發(fā)揮重要作用，在該課程教學的概念化階段，可以幫助學生理解傳熱的基本原理和概念，包括傳熱的機制、傳熱方程和熱導率等。通過深入挖掘優(yōu)質在線資源，利用慕課等網(wǎng)絡平臺的在線學習資源，特別是農(nóng)業(yè)生物質材料熱轉化方面，讓學生建立起對傳熱學的概念性認識。同時，建立熱傳導課程的在線題庫資源，通過學習群討論課題和作業(yè)，使學生能及時鞏固和實踐線下所學知識。學期初，課題組教師從各章節(jié)中選取合適的教學內(nèi)容，通過在線學習平臺，將相關學習視頻推送給學生進行課前預習，通過翻轉課堂的形式，開展教學活動。翻轉課堂的課件制作要求精美，知識點講解要求清晰，以使大部分學生能掌握授課內(nèi)容，并在課堂練習和講解上分配一定學時。充分利用在線題庫資源，通過互動式教學、課前在線交流、課內(nèi)小組討論和課后習題評價等方式，將教學模式轉變?yōu)椤跋葘W后教”，讓學生及時鞏固和實踐線下所學知識。謝新奇等[11]研究認為，這有利于進一步激發(fā)學生的學習主動性，有效活躍了課堂氣氛，實現(xiàn)了良好的師生互動。另外，搭建生活小場景實驗，為學生提供動手操作的平臺，并涉及傳熱設備的操作和維護等內(nèi)容，以檢驗其對專業(yè)知識的掌握程度。

2.2 引入CDIO教育理念，強化案例教學

借鑒張賀磊等[12]的研究成果，引入CDIO教育理念，結合相關工程案例，按照基礎—綜合—創(chuàng)新的多維度思路，進行該課程的教學改革。對實際工程所涉及的復雜傳熱、傳質過程進行剖析，引導學生對相應的傳熱過程、知識進行串聯(lián)學習。依據(jù)學科前沿動態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展動態(tài)，更新知識結構，設計教學項目，豐富教學內(nèi)容，使學生充分認識到課程內(nèi)容的技術革新，增強其專業(yè)認同感。楊建平等[13]研究探索“案例引入—理論學習—案例剖析—創(chuàng)新實踐”的漸進啟發(fā)式教學方法，注重將“雙碳”元素引入教學案例中。在對新概念、新原理、新結構、新技術和新應用的求知過程中，結合實際案例，提高學生對知識點的認知，鍛煉其分析和解決問題的能力，進而為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎。將CDIO教育培訓理念融入課堂教學（表1），逐步實現(xiàn)從基礎到綜合，再到創(chuàng)新的多維度能力培養(yǎng)。

2.3 以賽促學，激發(fā)學習熱情

借鑒楊建平等[13]的研究成果，開展課前課中課后、線上線下的“全時空”教學。實踐中，教研組對接“全國高校人工環(huán)境科學獎”專業(yè)基礎競賽與各大高校考研典型傳熱試題，將相關內(nèi)容有機整合到教學中，將競賽試題以平時作業(yè)的形式分發(fā)給學生，在學期末組織傳熱課堂知識競賽，以激發(fā)學生的學習熱情，提高課堂趣味性和參與度。為提高學生的課外學習能力，將教學過程分為課前準備、課中教學和課后拓展3個階段。課前通過線上視頻，培養(yǎng)學生自主學習能力；課中注重發(fā)揮教師的引導作用，采用任務驅動等方法，剖析案例中的傳熱問題，完成相應的教學任務，幫助學生探索新知識；課后將所學的理論知識運用到學科競賽、大創(chuàng)項目中，以提高學生創(chuàng)新能力和綜合素質。

2.4 融入思政元素，增強思政覺悟

全方位、深度挖掘綠色發(fā)展理念下的傳熱學課程中蘊含的思政元素，并與課堂教學進行高度融合，形成協(xié)同育人效應。在理論課堂教學過程中，從專業(yè)理論知識的認知、案例的剖析和實踐環(huán)節(jié)的鍛煉3個過程入手，結合能源動力行業(yè)領域的發(fā)展現(xiàn)狀，深入挖掘關鍵知識點，與碳達峰、碳中和案例中的思政元素進行有機融合。將課程體系理論知識與思政元素進行有機結合，讓學生在職業(yè)發(fā)展中貫徹綠色發(fā)展理念。

馬衍坤等[14]研究指出，在教學設計過程中，將時事熱點、社會新聞案例與教學內(nèi)容進行有機結合，將思政元素、專業(yè)素質與教學內(nèi)容進行有機結合。例如，對于傳熱過程的控制，可以結合新的節(jié)能材料和節(jié)能措施，幫助學生樹立節(jié)能減排意識，培養(yǎng)其社會責任感；對于傅里葉定律，可以融入工匠精神，結合大量的實驗實例獲得可靠的數(shù)據(jù)；對于大型容器的沸騰換熱，可以結合臨界熱流密度的概念進行安全教育，強調安全生產(chǎn)的重要性。該課程思政元素的映射和融合如表2所示。

2.5 改革考核方式，加大過程性考核力度

為突出應用型人才的培養(yǎng)力度，結合王任遠等[15]和趙亮等[16]的研究成果，對考核方式進行優(yōu)化，進一步加強對學生實操能力的考核，增加實驗課考核成績占比，總體考試成績由期末考試（65%）、實驗課（15%）和平時成績（20%）組成。同時，將階段測試、在線學習和課程分組評分等納入過程性考核，定期實時更新學生的平時成績，激發(fā)其學習積極性。

綜上，本文開展傳熱學課程教學改革。采用多種現(xiàn)代教學方式，如翻轉課堂、線上線下混合式教學等，形成活潑的課堂教學氛圍。通過師生互動討論，增強了課堂吸引力和學生注意力。結合CDIO教育培訓理念，通過具體的工程案例，讓學生組成團隊，不斷進行批判性思考，提高其發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。依托本課程，教師在思政教學比賽和青年教師演講比賽中多次獲獎。

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（責任編輯：楊歡）