摘要" 為適應(yīng)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,培養(yǎng)能適應(yīng)和引領(lǐng)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(duì)涉農(nóng)高校生物質(zhì)能源領(lǐng)域的必修課程傳熱學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革研究。針對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜、教學(xué)模式單一和考核評(píng)價(jià)方式有待優(yōu)化等教學(xué)現(xiàn)狀,結(jié)合CDIO教育理念,提出相應(yīng)的教學(xué)改革措施。具體包括“線上+線下”融合,實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂;引入CDIO教育理念,強(qiáng)化案例教學(xué);以賽促學(xué),激發(fā)學(xué)習(xí)熱情;融入思政元素,增強(qiáng)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(xué)生的課堂參與度,加強(qiáng)師生互動(dòng),有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。為類似課程教學(xué)改革創(chuàng)新研究提供參考。
關(guān)鍵詞" 傳熱學(xué);生物質(zhì)能源;生物質(zhì)材料;CDIO教學(xué)
中圖分類號(hào)" G642.0;S216 """文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A """文章編號(hào)" 1007-7731(2024)24-0114-04
DOI號(hào)" 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(zhuǎn)化,能源動(dòng)力類學(xué)科承擔(dān)著重要的發(fā)展任務(wù)。實(shí)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(yīng)和引領(lǐng)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(jìn)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(jié)合綠色發(fā)展理念,深化課程教學(xué)改革。張嘉杰等[2]研究認(rèn)為,傳熱學(xué)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容是熱量傳遞規(guī)律,其是涉農(nóng)高校生物質(zhì)能源領(lǐng)域和能源動(dòng)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(xué)生的核心能力,包括構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和操作(Operate)。將該理念應(yīng)用于傳熱學(xué)課程,可為學(xué)生提供更加綜合和更具實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
關(guān)于傳熱學(xué)課程,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列教學(xué)改革探索與實(shí)踐工作。李文強(qiáng)等[3]研究提出,通過新媒體技術(shù)將前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)引入線下理論課堂,極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新思維。胡艷鑫等[4]根據(jù)課程“應(yīng)用范圍廣、知識(shí)覆蓋面廣和時(shí)間跨度大”的特點(diǎn),基于翻轉(zhuǎn)課堂,使用多元化的教學(xué)資源與新媒體技術(shù),對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革。馮耀勛等[5]探索了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式與常規(guī)教學(xué)法相結(jié)合的教學(xué)方法,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。朱群志等[6]研究?jī)?yōu)化教材體系,提出了調(diào)整課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)新專題討論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等措施,提高教學(xué)效果,增強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力。尚琳琳等[7]研究提出了調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的教學(xué)方案,結(jié)合開放性實(shí)驗(yàn)室的管理模式,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)考核與獎(jiǎng)勵(lì)等實(shí)施辦法,對(duì)于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行新的嘗試和探索。
本文針對(duì)傳熱學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜,教學(xué)模式單一,考核評(píng)價(jià)有待多元化等問題,提出采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,結(jié)合CDIO教育理念,通過具體的工程案例提高了學(xué)生的課堂參與度,加強(qiáng)師生互動(dòng),促使學(xué)生進(jìn)行批判性思考。通過對(duì)傳熱學(xué)課程教學(xué)模式的改革,以培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)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(zhì)能源領(lǐng)域傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析
當(dāng)前,生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化方式以催化熱解為主,熱量在生物質(zhì)之間傳遞的機(jī)制、規(guī)律和影響因素等十分復(fù)雜。傳熱學(xué)的核心內(nèi)容之一是探討生物質(zhì)熱量傳遞規(guī)律,該課程知識(shí)框架清晰,主要包括導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱3種基本傳熱過程及其綜合應(yīng)用。
1.1 教學(xué)內(nèi)容與模式方面
傳熱學(xué)是能源與動(dòng)力專業(yè)的基礎(chǔ)課,王杰等[8]研究認(rèn)為,其具有理論性和抽象性的特點(diǎn),如基本概念和原理過多,容易混淆;公式多,推導(dǎo)過程復(fù)雜,難以記憶;教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜,抽象的內(nèi)容難以理解,應(yīng)用靈活,學(xué)生較難掌握。實(shí)踐中,該課程教學(xué)形式較為生硬且教學(xué)內(nèi)容枯燥,部分學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性不高。部分教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和把握程度有待提高,在教學(xué)過程中較為注重對(duì)概念、定理和公式推導(dǎo)過程的介紹,而對(duì)于如何在未來的專業(yè)課程中深入應(yīng)用這些知識(shí)點(diǎn),以及如何利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際的工程問題等的講解有待深入;對(duì)建立起理論和實(shí)際工程應(yīng)用之間聯(lián)系的主動(dòng)性不足,學(xué)生較難更全面理解課程知識(shí)體系。解丹等[9]研究認(rèn)為,這可能導(dǎo)致學(xué)生重視對(duì)知識(shí)點(diǎn)的客觀記憶,而學(xué)以致用能力有待進(jìn)一步增強(qiáng)。同時(shí),教學(xué)中對(duì)課程思政元素的融入不夠自然,教學(xué)內(nèi)容與綠色低碳發(fā)展理念的結(jié)合度不夠深入,有待融入工匠精神。
1.2 考核評(píng)價(jià)方面
在該課程考核中,期末成績(jī)占70%,平時(shí)成績(jī)占30%。成績(jī)構(gòu)成有待多元化,評(píng)價(jià)方法單一,過程性考核評(píng)價(jià)方法有待應(yīng)用。李雪梅[10]研究認(rèn)為,有必要改革考核評(píng)價(jià)模式,以真實(shí)反映學(xué)生的能力和水平。尚琳琳等[7]研究指出,為鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)鍛煉動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其實(shí)操水平和問題分析能力的考量,優(yōu)化綜合成績(jī)構(gòu)成。
2 傳熱學(xué)課程教學(xué)改革措施分析
針對(duì)該課程教學(xué)形式較生硬、教學(xué)內(nèi)容抽象復(fù)雜,思政元素融入不足,考核評(píng)價(jià)方式有待多元化等現(xiàn)狀,提出應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂、案例教學(xué)和以賽促學(xué)等教學(xué)模式與方法。
2.1 “線上+線下”融合,實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂
傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)中發(fā)揮重要作用,在該課程教學(xué)的概念化階段,可以幫助學(xué)生理解傳熱的基本原理和概念,包括傳熱的機(jī)制、傳熱方程和熱導(dǎo)率等。通過深入挖掘優(yōu)質(zhì)在線資源,利用慕課等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的在線學(xué)習(xí)資源,特別是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)材料熱轉(zhuǎn)化方面,讓學(xué)生建立起對(duì)傳熱學(xué)的概念性認(rèn)識(shí)。同時(shí),建立熱傳導(dǎo)課程的在線題庫(kù)資源,通過學(xué)習(xí)群討論課題和作業(yè),使學(xué)生能及時(shí)鞏固和實(shí)踐線下所學(xué)知識(shí)。學(xué)期初,課題組教師從各章節(jié)中選取合適的教學(xué)內(nèi)容,通過在線學(xué)習(xí)平臺(tái),將相關(guān)學(xué)習(xí)視頻推送給學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí),通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式,開展教學(xué)活動(dòng)。翻轉(zhuǎn)課堂的課件制作要求精美,知識(shí)點(diǎn)講解要求清晰,以使大部分學(xué)生能掌握授課內(nèi)容,并在課堂練習(xí)和講解上分配一定學(xué)時(shí)。充分利用在線題庫(kù)資源,通過互動(dòng)式教學(xué)、課前在線交流、課內(nèi)小組討論和課后習(xí)題評(píng)價(jià)等方式,將教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋葘W(xué)后教”,讓學(xué)生及時(shí)鞏固和實(shí)踐線下所學(xué)知識(shí)。謝新奇等[11]研究認(rèn)為,這有利于進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性,有效活躍了課堂氣氛,實(shí)現(xiàn)了良好的師生互動(dòng)。另外,搭建生活小場(chǎng)景實(shí)驗(yàn),為學(xué)生提供動(dòng)手操作的平臺(tái),并涉及傳熱設(shè)備的操作和維護(hù)等內(nèi)容,以檢驗(yàn)其對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握程度。
2.2 引入CDIO教育理念,強(qiáng)化案例教學(xué)
借鑒張賀磊等[12]的研究成果,引入CDIO教育理念,結(jié)合相關(guān)工程案例,按照基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新的多維度思路,進(jìn)行該課程的教學(xué)改革。對(duì)實(shí)際工程所涉及的復(fù)雜傳熱、傳質(zhì)過程進(jìn)行剖析,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相應(yīng)的傳熱過程、知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)學(xué)習(xí)。依據(jù)學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)態(tài),更新知識(shí)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目,豐富教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到課程內(nèi)容的技術(shù)革新,增強(qiáng)其專業(yè)認(rèn)同感。楊建平等[13]研究探索“案例引入—理論學(xué)習(xí)—案例剖析—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐”的漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)方法,注重將“雙碳”元素引入教學(xué)案例中。在對(duì)新概念、新原理、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)和新應(yīng)用的求知過程中,結(jié)合實(shí)際案例,提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知,鍛煉其分析和解決問題的能力,進(jìn)而為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。將CDIO教育培訓(xùn)理念融入課堂教學(xué)(表1),逐步實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)到綜合,再到創(chuàng)新的多維度能力培養(yǎng)。
2.3 以賽促學(xué),激發(fā)學(xué)習(xí)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(shí)空”教學(xué)。實(shí)踐中,教研組對(duì)接“全國(guó)高校人工環(huán)境科學(xué)獎(jiǎng)”專業(yè)基礎(chǔ)競(jìng)賽與各大高校考研典型傳熱試題,將相關(guān)內(nèi)容有機(jī)整合到教學(xué)中,將競(jìng)賽試題以平時(shí)作業(yè)的形式分發(fā)給學(xué)生,在學(xué)期末組織傳熱課堂知識(shí)競(jìng)賽,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高課堂趣味性和參與度。為提高學(xué)生的課外學(xué)習(xí)能力,將教學(xué)過程分為課前準(zhǔn)備、課中教學(xué)和課后拓展3個(gè)階段。課前通過線上視頻,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力;課中注重發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用,采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)等方法,剖析案例中的傳熱問題,完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù),幫助學(xué)生探索新知識(shí);課后將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到學(xué)科競(jìng)賽、大創(chuàng)項(xiàng)目中,以提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。
2.4 融入思政元素,增強(qiáng)思政覺悟
全方位、深度挖掘綠色發(fā)展理念下的傳熱學(xué)課程中蘊(yùn)含的思政元素,并與課堂教學(xué)進(jìn)行高度融合,形成協(xié)同育人效應(yīng)。在理論課堂教學(xué)過程中,從專業(yè)理論知識(shí)的認(rèn)知、案例的剖析和實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉3個(gè)過程入手,結(jié)合能源動(dòng)力行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀,深入挖掘關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn),與碳達(dá)峰、碳中和案例中的思政元素進(jìn)行有機(jī)融合。將課程體系理論知識(shí)與思政元素進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,讓學(xué)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(xué)設(shè)計(jì)過程中,將時(shí)事熱點(diǎn)、社會(huì)新聞案例與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,將思政元素、專業(yè)素質(zhì)與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。例如,對(duì)于傳熱過程的控制,可以結(jié)合新的節(jié)能材料和節(jié)能措施,幫助學(xué)生樹立節(jié)能減排意識(shí),培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任感;對(duì)于傅里葉定律,可以融入工匠精神,結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)實(shí)例獲得可靠的數(shù)據(jù);對(duì)于大型容器的沸騰換熱,可以結(jié)合臨界熱流密度的概念進(jìn)行安全教育,強(qiáng)調(diào)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(yīng)用型人才的培養(yǎng)力度,結(jié)合王任遠(yuǎn)等[15]和趙亮等[16]的研究成果,對(duì)考核方式進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)操能力的考核,增加實(shí)驗(yàn)課考核成績(jī)占比,總體考試成績(jī)由期末考試(65%)、實(shí)驗(yàn)課(15%)和平時(shí)成績(jī)(20%)組成。同時(shí),將階段測(cè)試、在線學(xué)習(xí)和課程分組評(píng)分等納入過程性考核,定期實(shí)時(shí)更新學(xué)生的平時(shí)成績(jī),激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。
綜上,本文開展傳熱學(xué)課程教學(xué)改革。采用多種現(xiàn)代教學(xué)方式,如翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學(xué)等,形成活潑的課堂教學(xué)氛圍。通過師生互動(dòng)討論,增強(qiáng)了課堂吸引力和學(xué)生注意力。結(jié)合CDIO教育培訓(xùn)理念,通過具體的工程案例,讓學(xué)生組成團(tuán)隊(duì),不斷進(jìn)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(xué)比賽和青年教師演講比賽中多次獲獎(jiǎng)。
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(責(zé)任編輯:楊歡)