融合多樣化計算機工具的“汽輪機原理”教學(xué)探索實踐

摘要：“汽輪機原理”是動力工程及工程熱物理專業(yè)的核心必修課程之一。通過課程教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生使用計算機專業(yè)軟件和自編程序開展研究性學(xué)習(xí)，一方面可以夯實理論基礎(chǔ)，另一方面可以拓展視野，讓學(xué)生提前接觸“算力”時代，為電力行業(yè)培養(yǎng)和輸送高素質(zhì)專業(yè)人才。這樣的教學(xué)方式對動力工程及工程熱物理專業(yè)高等教育具有現(xiàn)實意義。本文簡要介紹了“汽輪機原理”課堂授課過程中的教學(xué)改革與實踐，如水蒸氣熱力學(xué)參數(shù)查閱與計算機物性軟件工具結(jié)合、速度三角形繪制與計算機專業(yè)作圖軟件結(jié)合、熱力學(xué)計算與計算機語言結(jié)合，提出了在“算力”快速發(fā)展的時代背景下“汽輪機原理”課堂教學(xué)改革的重要性。

關(guān)鍵詞：多樣化；計算機工具；教學(xué)改革

一、引言

教師教學(xué)方式與學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，是高等教育專業(yè)課程改革的核心任務(wù)和顯著特征。自20世紀(jì)80年代起，我國教育改革開始朝著素質(zhì)教育的方向變革[1]。改革熱點之一是如何確立學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位問題。典型的理論共識是：在教學(xué)實踐過程中重視學(xué)生的積極性和主動性，重視學(xué)生在課程講授過程中的參與度，并以之為目標(biāo)探索新的教學(xué)模式。

突破局限性是高等教育持續(xù)改革的重要方向之一。在素質(zhì)教育改革取得一定成效的基礎(chǔ)上，教育改革持續(xù)向更深、更高、更全面的方向展開?？v觀過去40年的教學(xué)改革進程可以發(fā)現(xiàn)：在改革開放初期，高等教育改革往往基于“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的論斷，努力追趕世界領(lǐng)先科技。進入21世紀(jì)，我國高等教育領(lǐng)域?qū)嵤┲R創(chuàng)新工程、科教興國戰(zhàn)略，將科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提升到國家戰(zhàn)略層面。到2022年，加快實現(xiàn)高水平科技自立自強、建設(shè)科技強國被置于前所未有的高度，高等教育的目標(biāo)和職能也因此完全超越了之前的定位。

信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合是高等教育發(fā)展的必然趨勢[2]。未來，算力將與國民生產(chǎn)生活高度關(guān)聯(lián)。根據(jù)《中國算力白皮書（2022年）》的定義，算力主要分為四個部分：通用算力、智能算力、超算算力和邊緣算力。四種算力都與國民生產(chǎn)生活高度關(guān)聯(lián)。因此，國家科技自立自強必然要求高等教育開展教育改革，更新課程目標(biāo)和內(nèi)容，融入更多“現(xiàn)代算力”和“大數(shù)據(jù)思維[3]”內(nèi)容，為實現(xiàn)科技強國提供人才支撐。

本文以動力工程及工程熱物理專業(yè)“汽輪機原理”課程教學(xué)方式改革和學(xué)生學(xué)習(xí)方式變化為例，闡述“汽輪機原理”課程教學(xué)與多樣化計算機工具相融合的教學(xué)改革內(nèi)容，揭示教師授課方式與學(xué)生主動學(xué)習(xí)方式間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，明確高等教育專業(yè)課程內(nèi)容與最新計算機技術(shù)相融合的必然性。

二、教學(xué)實踐中融入物性計算工具

在“汽輪機原理”課程中融入工質(zhì)物性計算工具是支撐學(xué)生后續(xù)科研或職業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。“汽輪機原理”課程中，汽輪機級的工作原理章節(jié)是課程內(nèi)容的核心基礎(chǔ)。課程習(xí)題中，常常給出新蒸汽壓力和溫度。此時，蒸汽對應(yīng)的焓值需要學(xué)生通過查表獲取。在教學(xué)實踐過程中，學(xué)生已經(jīng)完成“工程熱力學(xué)”課程學(xué)習(xí)，具有水蒸氣表查閱及使用能力，滿足“汽輪機原理”課程對相應(yīng)基礎(chǔ)課程理論的儲備要求。然而，查閱“水蒸氣表”的傳統(tǒng)方法，在時效和精度方面不具有優(yōu)勢，也不能很好地支撐學(xué)生后續(xù)的科研和職業(yè)發(fā)展。因此，在本科“汽輪機原理”課程講授階段，教師應(yīng)基于課程內(nèi)容需要，在教學(xué)方式中添加主動引導(dǎo)環(huán)節(jié)，即主動引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用當(dāng)前先進的計算機物性計算軟件。這種教學(xué)方式有助于豐富學(xué)生的專業(yè)技能，使學(xué)生感受計算機專業(yè)工具的精確性和便捷性，促進學(xué)生向主動學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。

考慮到現(xiàn)代設(shè)計體系中計算機工具的普及應(yīng)用，教師應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生在掌握《水蒸氣表》的基礎(chǔ)上，借助“汽輪機原理”課程學(xué)習(xí)和使用更為先進的計算機工具。當(dāng)前，工程和學(xué)術(shù)界已經(jīng)廣泛使用計算機工具查閱工質(zhì)物性參數(shù)，包括工質(zhì)密度、熵、比熱、黏度、熱導(dǎo)率、界面張力等物性參數(shù)。與傳統(tǒng)的《水蒸氣表》相比，計算機軟件工具提供的工質(zhì)物性數(shù)據(jù)具有以下優(yōu)點：提供參數(shù)數(shù)量多；查詢方便快捷；物性數(shù)據(jù)精度高；可被多種工業(yè)軟件調(diào)用。能源與動力工程相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生掌握此類計算機工質(zhì)物性計算軟件，一方面可以提高本科階段專業(yè)課程學(xué)習(xí)效率，另一方面也可為后續(xù)職場工作或研究生課題研究奠定計算機軟件工具的使用基礎(chǔ)。

此外，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用先進物性計算軟件可以產(chǎn)生舉一反三的教學(xué)效果。“汽輪機原理”是本科必修專業(yè)課程之一，教師不僅可以引導(dǎo)學(xué)生將計算機工質(zhì)物性計算軟件融入“汽輪機原理”課程中，還可引導(dǎo)其將該軟件應(yīng)用于“鍋爐原理”、“熱工基礎(chǔ)”、“換熱器設(shè)計”等專業(yè)課程中。此外，“汽輪機原理”課程主要以水蒸氣作為做功工質(zhì)講授。在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，部分學(xué)生未來將承研新能源相關(guān)課題，如循環(huán)系統(tǒng)以有機工質(zhì)、真實氣體（二氧化碳）、氦氣等為做功工質(zhì)。對于此種工質(zhì)開展研究，工質(zhì)物性計算軟件是必需工具。因此，在“汽輪機原理”授課過程中，在學(xué)生掌握“水蒸氣表”使用的基礎(chǔ)上，教師主動引導(dǎo)學(xué)生使用計算機工質(zhì)物性計算軟件，可以達到“舉一反三”和“觸類旁通”的教學(xué)效果。這一方法與探究式教學(xué)方法[4]具有相似功能，即能夠充分調(diào)動學(xué)生的主動性。

基于計算機技術(shù)開發(fā)的物性計算軟件已經(jīng)應(yīng)用到熱力學(xué)各個工程計算領(lǐng)域，通過與眾多工程軟件建立通訊端口，可以被程序快速訪問和調(diào)取數(shù)據(jù)。當(dāng)前，能源與動力專業(yè)本科學(xué)生，在掌握傳統(tǒng)《水蒸氣表》使用方法的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該學(xué)會使用計算機物性計算工具，以更好適應(yīng)未來工作職位和研究生科研課題對自身學(xué)科基礎(chǔ)工具使用能力的要求。

三、教學(xué)實踐中融入繪圖工具

在“汽輪機原理”課程中融入計算機繪圖工具可以很好地支撐學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計和后續(xù)的工作/科研工作。能源與動力專業(yè)本科學(xué)生已經(jīng)完成機械制圖課程和大學(xué)試驗課程學(xué)習(xí)，具有一定的繪圖能力，可以手工繪制機械圖紙和坐標(biāo)圖像。然而，隨著無紙化辦公方式的普及，本科學(xué)生為了適應(yīng)未來工作/科研對個人能力的要求，還需要掌握利用計算機工具繪圖的能力。

一些常用繪圖軟件是本科學(xué)生學(xué)習(xí)“汽輪機原理”課程的優(yōu)質(zhì)輔助工具。汽輪機級的工作過程可以從流體力學(xué)和熱力學(xué)兩個方面進行分析。流體力學(xué)分析的主要變量是速度。因為速度是矢量，分析過程需要繪制速度三角形。

相比于手工繪圖，計算機軟件工具繪制出的圖形具有快捷、干凈、整潔、易修改等特征。此外，不同軟件間通過協(xié)議端口，可以在Office辦公軟件包中直接調(diào)用繪圖軟件，極大地便利了學(xué)生對圖形的二次編輯工作。Viso就是典型的常用繪圖軟件之一，可以在Word和PowerPoint工具中直接調(diào)用與編輯，極大地提高了專業(yè)人員的繪圖效率。學(xué)生在“汽輪機原理”理論學(xué)習(xí)和課程設(shè)計中使用此類軟件，將有效提升學(xué)習(xí)效率和課程作業(yè)質(zhì)量。

數(shù)據(jù)圖繪制可以轉(zhuǎn)變本科學(xué)生的知識學(xué)習(xí)方式，即從認(rèn)識學(xué)習(xí)型轉(zhuǎn)變?yōu)檠袑W(xué)型。例如，輪周效率隨速比變化規(guī)律是“汽輪機原理”課程的重點內(nèi)容之一。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是，首先理解公式推導(dǎo)，然后認(rèn)識輪周效率隨速比變化曲線。這是一種被動認(rèn)知型的學(xué)習(xí)方式。教師可以引導(dǎo)學(xué)生在課后使用軟件（例如Excel和Origin軟件）求解方程，然后用軟件重新繪制曲線圖，從而將學(xué)生的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹角笮?。主動探求型學(xué)習(xí)方式的好處是：提升學(xué)生探求知識的能力；強化學(xué)生對所學(xué)知識的理解和記憶；激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

計算機繪圖軟件有助于本科學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生事半功倍的效果。在專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中，配合專業(yè)課程知識體系，適時使用現(xiàn)代繪圖工具復(fù)現(xiàn)教材中的部分圖形，有助于加深學(xué)生對理論知識的理解。通過修改假設(shè)條件或已知變量，學(xué)生可以獲得教材中未出現(xiàn)過的參數(shù)變化規(guī)律，從而拓展教材內(nèi)容，增加知識的廣度。此外， 由于目前的“汽輪機原理”教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)略顯脫節(jié)[5]，因此，掌握繪圖軟件是一款通用高效工具，除了有助于學(xué)生高效開展“汽輪機原理”課程學(xué)習(xí)之外，還將助力其他實踐環(huán)節(jié)，如其他課程學(xué)習(xí)、完成畢業(yè)設(shè)計課題、開展未來工作/科研課題。

四、教學(xué)實踐中融入現(xiàn)代計算工具

本科學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中應(yīng)融入更多現(xiàn)代計算工具。計算工具是指從事計算所用的器具或輔助計算的實物。從數(shù)學(xué)誕生之日起，人類就從未停止追求方便計算或加速計算工具的腳步。例如，中國代代相傳的“掐指一算”說法，其實質(zhì)是以手指作為計算工具，也就是指算。其可完成簡單的計數(shù)和加減運算。經(jīng)過千年衍化革新，計算工具在發(fā)展過程中先后出現(xiàn)了計算尺、機械計算機和電子計算機。當(dāng)前，電子計算機已經(jīng)滲入人類活動的所有領(lǐng)域，其超強的計算能力遠(yuǎn)超我國全日制本科學(xué)生課程學(xué)習(xí)需求上限。但遺憾的是，學(xué)生課程學(xué)習(xí)中并未充分利用此項現(xiàn)代計算工具。

學(xué)生的首選計算工具與高素質(zhì)專業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)不匹配。筆者在對本科學(xué)生開展“汽輪機原理”課程教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，兩個班級共計44名學(xué)生不約而同地選取傳統(tǒng)“手按式計算器”為計算工具，展開對靜葉噴嘴出口理想速度、輪周功率和輪周效率的計算。課程作業(yè)完成結(jié)果顯示其中存在諸多問題，如計算結(jié)果數(shù)據(jù)不一致、計算精度低、小數(shù)點后有效數(shù)字不統(tǒng)一等問題。這一教學(xué)實踐結(jié)果說明：雖然手按式計算工具完全能夠滿足學(xué)科學(xué)習(xí)需要，但計算效率低、易出錯。作為教育工作者，更深層次的反思是：通過這種方式培養(yǎng)出來的學(xué)生，畢業(yè)后在專業(yè)技術(shù)工作崗位上是否能夠高質(zhì)量地完成其所承擔(dān)的專業(yè)工作。

學(xué)生對現(xiàn)代常用計算工具的選取需要授課教師多加引導(dǎo)。筆者在“汽輪機原理”課程授課過程中，結(jié)合課程思政教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計了主動引導(dǎo)學(xué)生使用現(xiàn)代計算工具的環(huán)節(jié)。引導(dǎo)過程中，主要推薦工程中常用的Excel（Office軟件包中模塊）和C語言工具。經(jīng)過第一次引導(dǎo)，5名學(xué)生使用Excel軟件完成課后計算題作業(yè)，1名學(xué)生使用C語言工具完成課后計算題作業(yè)。使用現(xiàn)代化工程計算工具的學(xué)生比例為13.64%。

此數(shù)據(jù)說明：授課教師在課堂上的主動引導(dǎo)，對學(xué)生計算工具的選取抉擇有積極作用；單次引導(dǎo)后學(xué)生響應(yīng)比例雖然低，但學(xué)生有積極改變現(xiàn)狀與提升能力的意愿；高比例學(xué)生響應(yīng)需要授課教師開展多次主動引導(dǎo)。而教師反復(fù)引導(dǎo)的過程，即是推動學(xué)生由“被動學(xué)習(xí)已知”向“主動學(xué)習(xí)未知”的轉(zhuǎn)變過程[6]。

“汽輪機原理”是能源與動力類專業(yè)本科學(xué)生的必修課程。雖然教材在不斷改版和更新，但在紙質(zhì)教材與現(xiàn)代計算工具的結(jié)合方面仍有提升空間。當(dāng)前，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代科技研發(fā)與工程設(shè)計要求專業(yè)人員必須掌握現(xiàn)代工程計算方法。因此，在“汽輪機原理”專業(yè)課程授課過程中，教師結(jié)合課程思政環(huán)節(jié)，主動引導(dǎo)學(xué)生接受和使用現(xiàn)代計算機工具是教學(xué)策略和方法調(diào)整的重要環(huán)節(jié)之一。

五、結(jié)束語

“汽輪機原理”是一門專業(yè)必修課程，與熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)直接關(guān)聯(lián)。該課程知識體系專業(yè)性強，內(nèi)容知識點繁雜。如何通過教學(xué)改革，使學(xué)生采用“研究型”學(xué)習(xí)方式， 是當(dāng)下“汽輪機原理”課堂教學(xué)改革的一大難點。鑒于當(dāng)前“算力”快速發(fā)展，筆者嘗試在“汽輪機原理”課堂教學(xué)中融入專業(yè)計算機工具使用環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生以“研究者”角度學(xué)習(xí)汽輪機原理課程體系和知識點，一方面拓寬了學(xué)生的知識視野，另一方面有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，最終促進教學(xué)質(zhì)量的提升。

作者單位：趙奔 華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院

周騰 英國南安普頓大學(xué)

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