張振迎，楊美媛，常莉，陳艷華，陳建偉，王興國

（華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山 063210）

0 引言

《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》是建環(huán)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，本課程是將專業(yè)中牽涉到熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)設(shè)備的內(nèi)容進(jìn)行梳理、充實和加工而形成的課程，它以動量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)講述發(fā)生在建筑環(huán)境與能源系統(tǒng)中發(fā)生的傳熱傳質(zhì)原理及相應(yīng)的設(shè)備熱工計算方法［1］?；旌鲜浇虒W(xué)模式主要是在原有傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，能夠有效提高課堂效率，緩解因課時壓縮而帶來的繁重的教學(xué)任務(wù)壓力［2］。

該課程共40課時，含講課36課時，實驗4課時。授課對象為建環(huán)專業(yè)三年級的本科生，實行小班授課，人數(shù)為30人左右。在“華北理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺”上開課，采用線上教學(xué)與線下課堂教學(xué)相結(jié)合、教師主導(dǎo)的“知識傳授”和學(xué)生主導(dǎo)的“大作業(yè)作品設(shè)計”并行的混合教學(xué)模式，實現(xiàn)課內(nèi)和課外協(xié)同，提高課程的“挑戰(zhàn)度”，提升課程學(xué)習(xí)的難度和深度，同時力爭彌補(bǔ)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教學(xué)體系中“熱濕交換設(shè)備研發(fā)”環(huán)節(jié)缺失的不足。

1 課程現(xiàn)狀分析

《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)過程乏味［3-5］。筆者在多年的教學(xué)經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的弊端：（1）老師授課時間幾乎占據(jù)了全部課堂時間，老師與學(xué)生幾乎無互動，學(xué)生注意力不集中，學(xué)生對教師所講內(nèi)容不感興趣。（2）討論時間有限，學(xué)生不能及時與教師溝通，教師也不能及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。（3）考核方式是閉卷考試，多局限于課本中的基本理論和基本技能，理論知識測試多，應(yīng)用能力考查少；標(biāo)準(zhǔn)答案題多，非標(biāo)準(zhǔn)分析題少，記憶性成份所占比例較大，缺乏思維訓(xùn)練。（4）本課程與實踐緊密相關(guān)，學(xué)生往往只掌握了理論知識，缺乏實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)不夠。

2 改革理念及思路

2.1 在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)

線上的資源是開展混合式教學(xué)的前提，本課程組以學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)為主，對在線學(xué)習(xí)資源進(jìn)行補(bǔ)充完善更新，主要利用教學(xué)平臺的“課程資源”和“課程學(xué)習(xí)”兩個模塊。同時，將其他MOOC資源推薦給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺中的“課程資源”包括：步進(jìn)教程（提供課程各章節(jié)對應(yīng)的課件和教案）；重點(diǎn)難點(diǎn)（提供重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容的解析）；思考與練習(xí)（練習(xí)資料：提供各類練習(xí)對應(yīng)的資料）；專題講解（以微課形式提供各知識點(diǎn)對應(yīng)的授課視頻）；知識拓展（提供熱質(zhì)交換原理與設(shè)備方面的拓展知識）；名詞術(shù)語等。以上教學(xué)資源以PPT和微視頻的形式展現(xiàn)。針對《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》課程主要內(nèi)容，把形象化的多媒體課件和軟件模擬仿真技術(shù)引入到教學(xué)中來，同時購置了東方仿真課程多媒體素材庫，在PPT課件中加入以下內(nèi)容：（1）大量的實物圖片（如換熱器、風(fēng)機(jī)盤管、空氣處理機(jī)組、冷卻塔等），使學(xué)生對實物形成一定的感性認(rèn)識；（2）大量的二維和三維動畫（如蒸發(fā)器、全熱新風(fēng)機(jī)、冷卻塔等），使學(xué)生加深對熱濕交換原理以及設(shè)備工作過程的認(rèn)識和理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?！罢n程學(xué)習(xí)”包括：基本信息（課程簡介、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷等）；答疑討論（提供師生線上交流的場所）；課程問卷（用于課程結(jié)束后收集學(xué)生的反饋）；學(xué)習(xí)筆記（提供學(xué)生）；課程作業(yè)；試題試卷庫（提供課程理論知識的練習(xí)題），根據(jù)教學(xué)大綱要求，建立了熱質(zhì)交換原理與設(shè)備試題庫與試卷庫，目前已編寫試卷10套，300多道題目，每章都有相應(yīng)的習(xí)題，習(xí)題側(cè)重基本理論、知識和思維的考察，內(nèi)容覆蓋面廣。除利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺外，建立了微信群和QQ群，充分利用移動設(shè)備的便利性，作為對PC端的有效補(bǔ)充，微信平臺主要用來發(fā)布即時通知公告，并統(tǒng)一回復(fù)相關(guān)問題。

2.2 實驗教學(xué)基地的建設(shè)

除了課堂教學(xué)外，將培養(yǎng)計劃中的課程實驗納入到專業(yè)課的教學(xué)過程中，由主講教師與實驗教師共同負(fù)責(zé)，安排熱質(zhì)交換設(shè)備相關(guān)的現(xiàn)場參觀與講解，使學(xué)生在課程中進(jìn)行初識相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的構(gòu)成，為課堂的教學(xué)過程提供必要的感性知識。近年來，結(jié)合我校建環(huán)專業(yè)的培養(yǎng)特點(diǎn)，先后建設(shè)了噴淋室表冷器實驗裝置、冷卻塔性能測試裝置、新風(fēng)熱回收機(jī)性能測試實驗平臺、全尺度人工環(huán)境倉實驗平臺、空氣源熱泵性能測試實驗平臺、CO2制冷與熱泵系統(tǒng)實驗平臺等，為本課程的建設(shè)增添了實驗與專業(yè)實踐的基地，學(xué)生可以親自對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和研究。實驗前要求學(xué)生寫出實驗預(yù)習(xí)報告，做到有備而來，班級分小組進(jìn)行實驗，盡量讓每位學(xué)生參與到實驗過程中，實驗結(jié)束后每位學(xué)生寫一份實驗結(jié)果分析報告，教師再根據(jù)實驗過程中的表現(xiàn)和實驗報告的撰寫情況進(jìn)行打分。

2.3 非標(biāo)準(zhǔn)討論題目及大作業(yè)題目建設(shè)

1）課上討論題目庫的建設(shè)：如第三章設(shè)置了（1）分析忽略和考慮輻射時對濕球溫度測量結(jié)果的影響，討論如何正確測量濕球溫度；（2）說明風(fēng)速對人體散熱的影響，以此說明為什么夏季南方人更愛開窗通風(fēng)或愛開風(fēng)扇等討論題目。第四章設(shè)置了（1）空調(diào)為什么會有凝結(jié)水？（2）車庫為什么會結(jié)露？怎么防止結(jié)露？（3）分析比較醫(yī)院潔凈室的空氣處理方案等討論題目。這些問題要求學(xué)生用實際數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，不能直接照著書和課件講解，這樣讓師生之間的見面用來實現(xiàn)一些更加高級的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生有更多的機(jī)會在認(rèn)知層面參與學(xué)習(xí)。

2）與實際工程聯(lián)系緊密的非標(biāo)準(zhǔn)大作業(yè)課題庫建設(shè)。大作業(yè)以實際工程項目訓(xùn)練為主導(dǎo)，樹立“以工程實際為背景，學(xué)生自主學(xué)習(xí)”的現(xiàn)代教育理念［6］。大作業(yè)題目3~4人一組，各組分別完成一種室內(nèi)熱濕環(huán)境控制系統(tǒng)的方案和主要熱質(zhì)交換設(shè)備的《設(shè)計報告》，大作業(yè)根據(jù)CDIO教學(xué)理念的要求，從構(gòu)思、設(shè)計、實施和操作四個方面鍛煉學(xué)生們解決工程問題的能力［7］。最后提交的報告主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計計算書、系統(tǒng)實施及設(shè)備圖紙、運(yùn)行方案分析，有能力的同學(xué)可以制作樣機(jī)或模型，并提供測試報告。

2.4 線上線下教學(xué)安排

線上教學(xué)充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的各個模塊，進(jìn)行混合式教學(xué)。通過在線學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)的課堂講授在一定程度上進(jìn)行前移，讓學(xué)生基本了解熱質(zhì)交換原理與設(shè)備的基本知識點(diǎn)，同時教師通過教學(xué)平臺動態(tài)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，及時總結(jié)與改進(jìn)自己的教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)通過精心設(shè)計的討論活動為載體，教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，通過創(chuàng)建問題背景，激發(fā)學(xué)生探究并靈活運(yùn)用在線學(xué)到的基礎(chǔ)知識。具體教學(xué)安排如表1所示。

對于部分翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，基本理論由教師課堂講解，同時教師布置課外的學(xué)習(xí)活動，針對一些典型建筑或空間的空氣熱濕處理方案類題目讓學(xué)生自己去閱讀相關(guān)資料，并指定若干活動小組，每組3-4名同學(xué)，提出相關(guān)熱濕處理方案并進(jìn)行分析和比較，最終形成研究報告，課堂上各組進(jìn)行分享和討論。教師對各組報告進(jìn)行點(diǎn)評和補(bǔ)充講解。課后學(xué)生再整理相關(guān)資料和報告，進(jìn)而完成反思以深化知識。

完全翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)則提前讓學(xué)生到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上自主學(xué)習(xí)，再結(jié)合課程內(nèi)容，指定活動小組進(jìn)行實際調(diào)研，并對設(shè)計校核類非標(biāo)準(zhǔn)大作業(yè)進(jìn)行初步分析，形成第一次報告，課堂上各小組分享討論自己的學(xué)習(xí)成果，從而讓學(xué)生了解不同熱濕處理方案及熱質(zhì)交換設(shè)備在建筑中的實際應(yīng)用方式和優(yōu)缺點(diǎn)。課堂討論主要包括工程案例理論知識和解決問題的思維方法，以及關(guān)鍵和常見問題的解答。課后，學(xué)生各小組完成設(shè)計校核類非標(biāo)準(zhǔn)大作業(yè)題目，并形成初步設(shè)計作品，課堂上對作品進(jìn)行展示和講解，教師同學(xué)對各組作品進(jìn)行提問或點(diǎn)評，課后各小組對作品進(jìn)行完善，最終上交。

表1 混合式教學(xué)安排

2.5 課程學(xué)習(xí)效果評價與考核

變革傳統(tǒng)的考核方式，采用平時多種考核、大作業(yè)與期末答辯相結(jié)合考核、期末閉卷筆試的綜合能力考核方式，注重通過課內(nèi)討論和實踐中考核學(xué)生。本門課程的考核方式如圖1所示。通過講課、上課討論、在線討論與測試、平時小作業(yè)等環(huán)節(jié)使學(xué)生掌握課程知識，使教師了解和檢驗教學(xué)效果；通過大作業(yè)作品的構(gòu)思、計算過程、設(shè)計說明、階段匯報等環(huán)節(jié)使學(xué)生掌握課程知識在實際中的運(yùn)用方法，并同時了解和考察學(xué)生對課程方法的掌握程度；通過大作業(yè)作品的方案、研發(fā)過程以及答辯等環(huán)節(jié)提升和考查學(xué)生的創(chuàng)新能力和表達(dá)能力。解決學(xué)生“平時不學(xué)，期末突擊”而不能真正發(fā)揮考試的導(dǎo)學(xué)作用問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動參與性，同時培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。另外，為了進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效果，優(yōu)秀的大作業(yè)作品會推薦參加學(xué)校以及各類的大學(xué)生科技競賽。

圖1 課程考核方式

3 改革成果

（1）使學(xué)生真正體驗了自己所學(xué)知識在實際工程中的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)效果。學(xué)生們對非標(biāo)準(zhǔn)課上討論題目以及大作業(yè)非常感興趣，歷年的大作業(yè)題目如實驗室CO2熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器/氣體冷卻器設(shè)計校核、某品牌空調(diào)的蒸發(fā)器/冷凝器設(shè)計校核、自己居住的宿舍樓的熱濕環(huán)境控制系統(tǒng)方案及設(shè)備設(shè)計、學(xué)校教學(xué)樓的熱濕環(huán)境控制系統(tǒng)方案及設(shè)備設(shè)計、某品牌風(fēng)機(jī)盤管的設(shè)計校核、某品牌冷卻塔的設(shè)計校核等。學(xué)生學(xué)習(xí)由被動變?yōu)榱酥鲃樱粌H加深了對課堂內(nèi)容的理解，還發(fā)現(xiàn)自己能夠利用課本的知識設(shè)計研發(fā)實際產(chǎn)品，使得書本中的知識“站”起來了，提升了自我成就感。調(diào)查問卷表明：90%以上的學(xué)生感到該課程改革比單純學(xué)習(xí)課本知識有意義得多，促進(jìn)了對基礎(chǔ)知識的理解和掌握；98%以上的學(xué)生認(rèn)為自己的動手能力、口頭表達(dá)、團(tuán)隊協(xié)作能力得到提升。在大作業(yè)討論過程中，教師們也從中獲得了很多新創(chuàng)意，真正實現(xiàn)了教學(xué)相長。

（2）取得了部分科技成果和競賽獲獎，激發(fā)了學(xué)生的自信心和責(zé)任感。自2016年開始，對優(yōu)秀的課程大作業(yè)作品經(jīng)過加工整理后，申報專利和軟件著作權(quán)，并參加各類相關(guān)的科技競賽，目前為止，獲得實用新型專利2項，軟件著作權(quán)3項。獲得河北省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽獲得銅獎1項；中國制冷空調(diào)行業(yè)大學(xué)生科技競賽二等獎1項，三等獎2項；中國制冷學(xué)會創(chuàng)新大賽獲得三等獎1項；獲得校級大學(xué)生互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽一等獎2項。

4 改革中遇到的問題

（1）學(xué)生對重點(diǎn)和難點(diǎn)理解不透徹，因為混合式教學(xué)方式對學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)提出了更高的要求，也需要在線學(xué)習(xí)資源要更精準(zhǔn)更生動的展示課程內(nèi)容，照顧到學(xué)習(xí)能力程度不同的學(xué)生，使每位同學(xué)學(xué)有所獲。教師也需要花費(fèi)更多的精力來設(shè)計課堂的環(huán)節(jié)和建設(shè)在線學(xué)習(xí)平臺，保證不浪費(fèi)課上的每一分鐘，使各個環(huán)節(jié)緊密連接，同時線上線下也密切配合，做到真正的有機(jī)結(jié)合。

（2）大作業(yè)需要學(xué)生用大量課外時間來完成，收獲大，但負(fù)擔(dān)也重；學(xué)生選題或技術(shù)路線不合適，可能到學(xué)期結(jié)束也拿不出作品。因此，選題和確定技術(shù)路線的確定也需要教師投入大量的輔導(dǎo)時間。同時大作業(yè)答辯容易和其他科的考試相沖突，影響了后期的大作業(yè)效果。

（3）要合理處理與其它相關(guān)課程的關(guān)系。目前我們課程安排的時間是流體力學(xué)和傳熱學(xué)已經(jīng)上完，和建筑冷熱源及建筑環(huán)境學(xué)并行開課，但是暖通空調(diào)課程還未開課。實踐證明，在講課時碰到?jīng)]有出現(xiàn)過的暖通空調(diào)系統(tǒng)概念時學(xué)生普遍感到接受困難。但是通過課程大作業(yè)和討論題正好把剛學(xué)過的傳熱學(xué)、冷熱源及建筑環(huán)境學(xué)的知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，同時讓學(xué)生感到學(xué)無止境。在講述到本課程與暖通空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)的內(nèi)容時，盡量把學(xué)生的日常所見與課程理論聯(lián)系起來，并告訴學(xué)生具體計算方法和原理將在暖通空調(diào)課程中學(xué)習(xí)。這樣不僅有助于學(xué)生深入理解本課程，而且能夠使學(xué)生帶著問題進(jìn)入后期的專業(yè)課程，有利于提高學(xué)習(xí)的主動性。

5 結(jié)論與展望

通過熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的混合式教學(xué)的探索與實踐，教師可以在線實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，比如學(xué)習(xí)時間、討論、作業(yè)提交情況等，有助于教師及時答疑和調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，使教學(xué)處于動態(tài)可控狀態(tài)。本課程改革通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，以小組為單位，以非標(biāo)準(zhǔn)大作業(yè)為載體，引領(lǐng)學(xué)生自學(xué)自講，遇到問題自己尋找答案，有效提高了教師上課的效率和緩解課時壓縮帶來的講課任務(wù)繁重的壓力，將課堂主導(dǎo)權(quán)平移給了學(xué)生，使學(xué)生在課堂上有效的討論、交流和發(fā)言，主動、積極地展現(xiàn)自己，同時滿足了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需求，激發(fā)了他們不斷追求和探索的欲望，有利于以學(xué)生為中心的教學(xué)模式的形成。具有吸引力和挑戰(zhàn)性的非標(biāo)準(zhǔn)大作業(yè)有利于教學(xué)內(nèi)容與工程實際相結(jié)合，提高學(xué)生的工程能力；并有意識地鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)查閱、口頭表達(dá)、批判性思維、團(tuán)隊協(xié)作等綜合能力，提升教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生對課程教學(xué)的滿意度。