以興趣為先導的高等傳熱學課程教學改革探索和實踐

摘

要：高等傳熱學是動力工程與工程熱物理一級學科研究生的重要學位課程，目前其教學體系存在偏重數(shù)理推導、與工程實際聯(lián)系不緊密、教學方法陳舊等問題。文章針對研究生教育教學改革倡導的創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)目標，提出興趣先導是提高研究生理論課程教學成效的主導因素，并以此為出發(fā)點，從課程內容、專題研究及討論、教學方法和過程考核等方面進行高等傳熱學課程改革探索與實踐，以期為能源動力類研究生相關課程的教學改革提供新思路。關鍵詞：高等傳熱學；興趣先導；專題討論；教學方法國家“雙碳”戰(zhàn)略和科教融合背景下，能源與動力工程學科研究生培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。高等傳熱學是動力工程及工程熱物理一級學科研究生的主干學位課，也是供熱、制冷空調、化工等專業(yè)研究生的重要課程之一，其目的是基于本科傳熱學理論體系，加強學生對熱傳導、對流傳熱傳質及熱輻射基本原理和基本規(guī)律的認知，培養(yǎng)學生運用數(shù)學手段分析解決傳熱問題的基本思路和能力，從而為研究生從事相關設計、科研工作和解決實際工程傳熱問題奠定基礎。高等傳熱學課程的系統(tǒng)性、理論性較強，傳統(tǒng)教學內容晦澀難懂、偏重數(shù)理推導，理論方法與工程應用聯(lián)系不夠緊密，加之教學“本科化”，部分學生缺乏學習興趣、被動式學習，不利于達成新形勢下研究生教學改革倡導的“三強一高”（創(chuàng)新能力強、實踐能力強、國際交流能力強、綜合素質高）培養(yǎng)目標[1]。因而，高等傳熱學教學改革對于能源動力類研究生培養(yǎng)具有實際意義。近年來，國內諸多高校已認識到高等傳熱學課程建設的重要性，陸續(xù)開展了相關教學改革探索，如在課堂教學中引入研究性教學方法[2-3]或開放互動式教學方法[4]提高學生參與度，探索基于實驗教學的研究型教學改革途徑[5]，以及嘗試規(guī)劃課程內容、教材建設、特色案例庫建設以及小學時等教學改革舉措，其共性目標在于調動學生的學習積極性，培養(yǎng)科研思維和創(chuàng)新能力[6-10]。然而，筆者在多年高等傳熱學課程教學中發(fā)現(xiàn)，依靠外驅力調動學生學習積極性往往事倍功半，特別是在信息技術快速發(fā)展的今天，研究生通過互聯(lián)網(wǎng)便捷地獲取學習資源的同時，其興趣點也易受到社交媒體和短視頻的沖擊，僅從教學方法和課程內容上加以改革很難達成預期目標。一、興趣先導的重要性綜合國內各高校課程開設情況及筆者所在學校教學實踐經(jīng)驗，目前高等傳熱學課程教學中還存在一些典型問題。（一）課程內容邏輯性強，偏重數(shù)理推導高等傳熱學課程內容著重導熱和對流傳熱問題的解析分析方法，如分離變量法、拉普拉斯變換法、相似解法和積分法等，這些方法均涉及煩瑣的邏輯推理和數(shù)學推導，需要較好的數(shù)學基礎，對工科研究生不友好。尤其對于跨學科讀研或跨專業(yè)選課的學生，由于本科階段沒有系統(tǒng)學習過流體力學和傳熱學等能源動力類專業(yè)基礎課，其知識體系基礎不牢，甚至難以支撐高等傳熱學課程學習，普遍對枯燥的理論推導存在“畏難”情緒，學習興趣也相應地大打折扣。（二）課程設置導向性不強，與工程實踐存在脫節(jié)高等傳熱學推導的理論解通常包含復雜的函數(shù)形式（如無窮級數(shù)、貝塞爾函數(shù)等），而工程傳熱計算追求簡便、易行，過于繁雜的理論解往往無用武之地。同時，解析方法只適合解決具有規(guī)則幾何結構和簡單邊界條件的傳熱問題，對于工程實踐中常見的具有不規(guī)則結構、變物性、隨時空變化的邊界條件等特征的研究對象，則更宜采用數(shù)值模擬方法。由此，高等傳熱學本應作為培養(yǎng)學生應用傳熱學理論解決實際工程問題能力的課程，變成應試型教學，使得學生對其實用性產生質疑，缺乏主動學習的興趣，更遑論探究性學習了。（三）教學方法“本科化”，考核方式不靈活由于課程內容設置過于注重理論分析，課堂教學以數(shù)學公式推導為主，基本沿襲本科階段“照本宣科”的教學方式，教學過程中教師往往作為主角，忽視了研究生的主體性，并且理論知識也不能有效聯(lián)系實踐，無助于提高學生分析和解決實際問題的能力。煩瑣、枯燥的授課內容也使得課堂氛圍沉悶，教學過程中學生專注度和參與度不高，教師與學生間缺乏有效互動。課程考核方面，基本采用期末考試方式，考核內容大多為公式推導，忽視過程考核，難以評價學生對知識靈活運用的能力。高等傳熱學課程存在的上述問題嚴重制約了學生學習的積極性，其本質原因在于研究生對傳統(tǒng)課程內容缺乏學習興趣、內驅力不足。著名科學家愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”我國古代著名教育家孔子也說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！边@些思想都體現(xiàn)了內驅力的重要性。如果能從思想意識層面轉變學生的學習態(tài)度，使其變被動學習為主動學習，這對于研究生培養(yǎng)質量提高將大有助益。因而，如何激發(fā)學生的學習興趣，是高等傳熱學課程教學改革應著力解決的問題。山東大學是教育部直屬重點大學、國家“雙一流”建設高校，學校對于研究生培養(yǎng)一慣注重夯實基礎，為使學生不僅能夠掌握扎實的基礎理論，而且能夠提升解決實際工程問題的能力，近年來從興趣先導思路出發(fā)，開展了高等傳熱學課程教學改革研究。二、興趣先導的課程建設圍繞激發(fā)學習興趣這一指導思想，從課程內容優(yōu)化、專題研究及討論、教學方法和課程考核等四方面進行改革實踐。（一）課程內容優(yōu)化作為研究生專業(yè)基礎課，高等傳熱學課程的內容設置既要“寬”又要“?！?。研究生個體的知識構成有差異，未來從事的課題也多樣化，因而課程內容要盡量多地涵蓋傳熱學科的基本概念和理論體系，以培養(yǎng)學生扎實的理論功底。同時，考慮到各高等院校行業(yè)背景和學科方向的差異，加之層出不窮的新興交叉研究領域，課程內容設置上還需納入新理論和新方法，以開拓學生視野，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。理論性課程要吸引學生注意力，需要與實踐緊密結合，讓學生認識到課程的實用價值，因而筆者在高等傳熱學理論體系基礎上，兼顧山東大學主要科研方向與新興交叉學科，梳理和優(yōu)化了授課內容，適當刪減應用面狹窄或推導過于煩瑣的教學內容，如拉普拉斯變換法或格林函數(shù)法，強化理論方法的實際運用，并增加了本領域前沿動態(tài)介紹。由于山東大學已開設輻射換熱原理課程，優(yōu)化后的教學內容按導熱和對流傳熱兩部分展開，采用單元化教學模式，其中導熱內容設置導熱理論基礎、多維穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱單元，涉及的理論方法有分離變量法和近似分析解法；對流傳熱內容包括層流流動與換熱、湍流流動與換熱、自然對流換熱和相變傳熱單元，涉及的理論方法有量綱分析法、相似解法和積分法。為減少煩瑣的理論推導，提高學生學習興趣，弱化理論性教學內容，并結合相關科研成果遴選新能源、儲能等熱點領域的研究性教學素材和傳熱學問題案例，拓展實踐性教學內容，引導學生將理論知識應用于實際問題分析，從而達到知行合一。（二）專題研究及討論專題研究及討論是增強課堂教學互動、激發(fā)研究生學習興趣的有效方式，能夠增進學生對所學理論知識的掌握與運用。當前00后一代已基本成為研究生主體，該群體伴隨互聯(lián)網(wǎng)成長，思維活躍，視野較為寬廣，因而專題研究選題非常關鍵，既要密切聯(lián)系理論知識，又要具備一定趣味性和實用性。專題研究的題目分為引導性題目和自選題目兩類，其中引導性題目由筆者根據(jù)熱點事件或日常生活中的趣味性素材設計，如結合電影《泰坦尼克號》場景提出“不同環(huán)境下人體失溫問題”，結合短視頻熱點提出“非穩(wěn)態(tài)導熱視角下如何優(yōu)雅地吃撒尿牛丸”，結合生活中的氣候變化提出“冰柱的成長歷程問題”，如表1所示；自選題目由研究生根據(jù)興趣自行設計和選擇，教師不作過多限制，但選題范圍不可超出高等傳熱學課程內容范疇，同時鼓勵學生結合未來各自的研究方向選擇題目。專題研究所采用的研究方法可以是綜述、數(shù)值模擬和解析求解，鼓勵采用解析方法進行分析，最終完成并提交一篇專題研究論文，且要求參考資料不少于5篇，可以為教科書、期刊論文、研究報告、網(wǎng)絡信息等；圍繞相關專題，選擇學生進行PPT報告并展開提問和討論，最終由教師進行點評。（三）教學方法傳統(tǒng)高等傳熱學教學的主要任務是提高學生理論水平，教學重點是傳熱過程數(shù)理方程推導和解析分析方法，由此導致教學“本科化”傾向。然而，隨著研究生教育理念的發(fā)展，創(chuàng)新能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)受到重視，同時還需兼顧課程思政建設，這就需要將原本單純的理論課轉變?yōu)樯婕皬娀碚撍仞B(yǎng)、拓寬學術視野和提高實踐能力的綜合訓練，結合新的課程定位及興趣先導的指導思想，對教學方法進行改革。在教學手段方面，課堂上充分利用互聯(lián)網(wǎng)學習資源，在有限的授課時間內增加教學信息量和最新研究動態(tài)，提高課程效率；課堂以外充分運用現(xiàn)代信息技術作為輔助教學手段，利用如課程網(wǎng)站、微信群等，拓寬教師與學生間討論、互動的渠道，對于促進課堂教學具有明顯成效。在授課方法方面，采用模塊化設計將課程分為三個教學模塊，如圖1所示。第一模塊占總學時10%，重點回顧本科傳熱學基礎知識，幫助基礎薄弱或跨專業(yè)選課研究生鞏固基礎，同時介紹傳熱領域的研究動態(tài)和新課題，并通過引導性專題討論培養(yǎng)學生學習興趣。第二模塊占總學時的70%，針對每個教學單元講授高等傳熱學基礎理論和特色案例，其中基礎理論講授弱化數(shù)學推導，著重厘清分析問題思路。第三模塊占總學時的20%，采用開放互動式教學模式開展專題討論，使學生充分參與教學，通過主動思考和實踐鍛煉分析與解決實際問題的能力。（四）課程考核方式高等傳熱學課程考核應強調理論知識靈活運用和解決實際問題的能力，考核內容不應只考慮數(shù)學公式推導和理論計算，同時也可將考核方式作為研究生更好地開展主動學習的激勵手段。課程考核的原則是強化過程考核，適當降低期末考試成績權重。成績組成包括期末考試占60%，專題研究成果（如研究論文、模型等）占30%，PPT報告和專題討論占10%。若滿足以下兩個條件中的任意一條，則課程成績直接評定為優(yōu)秀：（1）專題研究小論文在國內核心及以上期刊發(fā)表；（2）針對某傳熱問題開展系統(tǒng)的自主研究，并主動報名參加PPT報告討論，獲得一致認可。通過考核方式改革，引導學生積極參與實踐性教學環(huán)節(jié)。三、教學改革實踐及效果目前，上述高等傳熱學教學改革舉措已在山東大學2019級、2020級、2021級和2022級動力機械及工程、工程熱物理、熱能工程等專業(yè)研究生教學中進行了實踐。通過貫徹興趣先導，學生的學習興趣在第一模塊授課中得到充分激發(fā)，特別是引導性專題研究貼近生活、趣味性強，提高了學生參與專題研究的積極性和主動性，學生能夠通過查閱文獻和資料論證問題，并積極參與專題討論和課堂互動，使得以學生為主體的教學理念得到體現(xiàn)。同時，這種學習熱情也能夠延續(xù)到第二模塊和第三模塊的課程教學。根據(jù)每屆學生選課人數(shù)情況，約40—60%的學生能夠參與到專題討論環(huán)節(jié)，使得課程整體教學效果明顯提高。新的考核方式弱化期末考試成績，突出過程考核和成果導向，能夠更加直觀反映學生理論聯(lián)系實際的能力。在四年的教學改革實踐過程中，筆者在每屆學生中開展調查問卷，及時反饋教學改革舉措的問題和不足，并及時加以調整和完善。其中較為突出的問題是專題討論環(huán)節(jié)實施方式的選擇，