工程教育認證背景下熱工基礎課程教學改革研究

[摘 要]為適應工程教育認證對應用型人才培養的要求，文章闡釋了機械設計制造及其自動化專業熱工基礎課程的目標，根據復雜工程問題能力培養的要求優化了教學內容，探討了面向應用型人才需求的課程考核方式，制定了期末考核方案，提出了基于實踐和創新能力提升的實驗設計方法，利用專業教學案例分析了課程體系改革的成效，指出了存在的問題并提出改進的措施。課程體系建設方法對提升課程教學效果及目標達成度具有指導作用。

[關鍵詞]熱工基礎;課程目標;實驗設計;達成度

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2023）03-0072-06

引言

熱工基礎是機械設計制造及其自動化專業（以下簡稱“該專業”）的一門工程基礎類課程[1]，主要講述熱量的傳遞、熱能與機械能轉換規律，由熱力學和傳熱學兩部分構成。熱力學主要講授三大定律、熱力過程及其應用，傳熱學主要講授熱傳導、熱對流和熱輻射的基本原理及數值計算方法[2]。我國的工程教育認證工作經過多年的發展，認證的三大理念被廣泛認同，專業的持續改進促成了專業培養方案的不斷優化以適應應用型人才培養的需要，并按照要求定期進行課程體系設置。在開展認證前，一些高校的該專業未開設熱工基礎課程，課程體系不夠完備，認證開展后相關高校加強了該專業課程體系建設，如安徽工程大學機械工程學院于2015年按照認證要求進行了第一輪培養方案修訂，在機械類專業開設了熱工基礎課程（兩個學分），課程共有32學時，其中理論教學為28學時、實驗教學為4學時。課程貫徹了重基礎、強實踐的培養理念，著力培養學生的實踐應用能力和熱工過程分析能力[3]。根據專業課程知識點的延續性，將課程安排在第6學期，先修課程為理論力學Ⅱ、材料力學、工程流體力學和大學物理等，后續課程為機械制造學等專業課和實踐課。

一、工程教育認證背景下課程目標和教學內容設計

（一）針對復雜工程問題能力培養的課程目標構建

工程認證將畢業要求設定為12個大項，每項對應2至4項指標點，不同的基礎課和專業課分別對應不同的指標點。按照工程教育認證對課程的要求，課程可設置兩個目標，對于該專業的畢業要求“工程知識”和“問題分析”具有支撐作用[4]，課程目標及對應支撐的指標點如表1所示。

（二）注重熱工原理應用的教學內容設計

熱工基礎課程所涉及的工程熱力學和傳熱學如單獨設置課程，占用課時勢必增加，工程認證要求專業總學分控制在180學分以內，故將這兩門相互聯系的課程合并為一門課程講授[5]，根據課程目標，合理地選擇教學內容，重點講授熱力學和傳熱學的基本原理及規律，結合專業特點和要求，主要偏重于熱力學部分，教學內容設計如表2所示。

二、面向應用型人才培養目標的課程綜合考核方式的制定

（一）綜合考核方式建議

課程最終成績由平時成績和期末成績構成，兩者分別占比30%、70%。平時成績由課后作業、實驗、課堂表現等部分組成，三部分各占總成績的10%。期末成績主要考察對熱力和傳熱過程的分析和解答能力，以計算題為主，少量以作圖題形式出現，如考察熱力過程分布規律時，要求能在P-V和T-S圖上熟練表示。

（二）期末考核知識體系構成

（1）熱力學第一定律

重點考察開口和閉口系統的能量方程，同時考察對熱力學能、推動功、流動功和焓等基本概念的掌握。例如，以輸氣系統充氣為知識點出題，已知輸氣管路氣體的溫度和壓力等狀態參數、被充氣系統的氣體初始溫度、壓力和容器體積，求解將被充氣系統氣體的狀態參數上升到一定值時輸入的氣體量。既考核了能量方程的應用、又檢查了對熱力系統總能與熱力學能關系的理解，是熱力學的一個典型工程應用。

（2）氣體和蒸汽的性質

主要考察點包含兩個方面，第一考察點為利用真實比熱容、比熱容直線式、平均比熱容表和氣體熱力性質表等多種方法來計算熱量;第二考察點為進一步利用多種比熱容法來計算理想氣體在狀態變化過程中熱力學能、焓和熵的變化量。

（3）基本熱力過程

主要考察四個典型熱力過程的溫度、壓力和比體積的變化規律，會求解熱力學能、焓和熵等三個狀態欄的變化量及過程熱量、過程功和技術功等三個過程量數值，能夠在P-V和T-S圖上畫出四個典型過程及任意熱力過程，能描述熱力過程的狀態量和過程量的變化。

（4）熱力學第二定律

主要考察卡諾循環凈功和熱效率的計算、可逆過程和不可逆過程的熵變規律?？梢詿岜没蛘咧评溲b置為例，討論裝置是否能實現既定的供熱量或者制冷量，求解所能實現的最大供熱量或者制冷量。

（5）傳熱學方面

主要考察三大熱傳遞方式的基本方程和邊界條件、不同結構的熱傳遞建模、計算傳熱量。

三、基于實踐和創新能力培養的課程實驗設計

雖然實驗在課程考核成績中占比很小，但對于培養學生的工程實踐能力和加深學生對熱工原理的理解作用很大，更重要的是通過實驗可以促進學生對課程的整體認識，激發學生的學習興趣，從而提高其他考核內容的達成度，因此要對課程的實驗方案詳細設計。

（一）空氣絕熱指數測定

1.實驗目的和實驗裝置

該實驗目的是考察對熱力過程原理的理解及了解絕熱指數的測定方法，左邊為介質為水的U形管測壓計，右邊為絕熱材料組成容器，容器內空氣與外界短時間內交換的熱量忽略不計，上面帶有三個氣閥，最右邊氣閥連接充氣氣囊，最左邊氣閥連接U形管測壓計，中間氣閥用于導通容器與外界。

2.實驗步驟

首先打開三個氣閥，通過中間氣閥使容器與外界導通，容器內氣體的狀態參數和外界環境一致，然后關閉中間氣閥;通過氣囊給容器充氣，容器內氣體壓力增加，U形管測壓計水柱上升到一定位置后，停止充氣，記錄水柱高度差，此時標記為狀態1;迅速打開中間氣囊并關閉，在瞬間容器內氣體經歷了一次絕熱膨脹，再次記錄水柱高度差，此時標記為狀態2;將容器靜置1小時以上，經過緩慢熱交換后，認為容器內氣體和環境氣體溫度相等，再次記錄水柱高度差，此時標記為狀態3。

3.數據處理

根據每個狀態的水柱高度差可計算出氣體壓力，由狀態1至狀態2，氣體經歷了絕熱過程，利用過程方程：

（1）

再利用理想氣體狀態方程[6]：

（2）

將三個狀態分別列狀態方程式，再利用狀態2和3的比體積相等、狀態3和1的溫度相等，可求得式（1）中的狀態1與2比體積比等于狀態3與1的壓力比，由此可得：

（3）

將三個狀態壓力代入后，即可求得絕熱指數，最后可對求得的數值和書本上給出的標準值對比進行誤差分析，整個實驗完成。

（二）空氣定壓比熱容測定

1.實驗目的和實驗裝置

比熱容和溫度相關[7]，該實驗目的是了解比熱容測定原理、比熱容的計算方法并發現比熱容隨溫度的變化規律，設備包括鼓風機、流量計、加熱器和比熱測定儀，鼓風機將空氣吹入加熱器加熱，通過流量計測定體積流量，比熱測定儀上顯示加熱過程中空氣的溫度、加熱功率。

2.實驗步驟

實驗過程至少需要4名學生配合，其中1名學生負責計時、1名學生負責記錄流量計的指針轉動圈數、1名學生負責讀取加熱內空氣溫度、1名學生負責記錄數據。事先選定幾組空氣終了溫度，比如40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃，記錄相關數值。通電后從比熱測定儀上記錄空氣的初始溫度，打開鼓風機，再打開比熱測定儀對空氣進行加熱，迅速將功率調整到一定值，同時開始計時。第1個終了溫度到達時，第1名學生要立刻報出溫度，第2名學生報出時間，第3名學生報出流量計圈數，第4名學生做好記錄，后面幾個終了溫度到達時，重復這個步驟。

3.數據處理

流量計每轉一圈，空氣流過5升，根據時間和圈數，可算出體積流量，再根據理想氣體狀態方程，可算出質量流量。根據質量流量、加熱器功率和初終態溫度差，就能分別算出由初始溫度到各終了溫度的平均比定壓熱容。建立初終態平均溫度作為橫坐標、平均比定壓熱容為縱坐標的坐標系，將上述數據點標在坐標系中，對數據點擬合，繪制出直線。根據平均比熱容直線式的表達形式（式4），從圖中可以求解常數a和b，從而求解出空氣定壓比熱容的直線式，完成了實驗。

（4）

四、課程體系改革成效案例分析及啟示

（一）案例概況

以安徽工程大學該專業為例，以第一輪人才培養方案修訂前的2014-2015學年和修訂后的2017-2018學年為例，2014-2015學年該專業大三學生共計183人，2017-2018學年該專業大三學生共計247人，從卷面成績來看，學生對熱力學基本定律和原理的理解較為透徹。大多數學生對過程功、熱力學第一定律基本方程的應用、過程熱量及常見狀態參數的計算掌握得較好。部分學生對典型熱力過程的計算、熱力過程的綜合分析及其在P-V圖及T-S圖的表示方法還有待加強。

（二）達成度分析

兩個學年的課程達成度情況如表3所示，2017- 2018學年的平時成績目標達成度比2014-2015學年低，原因在于在培養方案修訂前，平時成績的考核體系不夠完善，作業量偏少、難度偏容易，不能完全反映出目標達成情況，培養方案修訂后對此進行了改進，加大對作業和課堂表現的考核。2017-2018學年期末考試的兩個目標達成度均比2014-2015學年提高了10%以上，且都超過了6%。綜合期末和平時成績情況，兩個學年的目標達成度對比如下頁圖1所示，2014-2015學年目標1達成度、目標2達成度和綜合達成度分別為0.73、0.53和0.69，2017-2018學年目標1達成度、目標2達成度和綜合達成度分別為0.81、0.67和0.73，可見在課程改革后，課程目標達成度得到了提高。

（三）存在的問題及改進措施

從課程目標的達成情況來看，課程目標1的達成情況較好，課程目標2的達成情況偏低，主要是期末考試的達成情況不夠理想，從卷面上分析，學生對正向和逆向循環的P-V圖和T-S圖的規律掌握得不夠好，對典型的基本熱力過程的曲線分布特征了解不透徹，對熱力過程的綜合分析理解及其在P-V圖及T-S圖的表示方法還要加強，可從下面兩點進行改進。

一是進一步加強課程的互動，及時了解學生的學習薄弱環節，對熱力循環和熱力過程的分析與作圖都引入工程性案例來幫助學生理解，提高學生解決工程問題的能力。

二是合理分配教學時間，對熱力學基本原理的難點要仔細講解，注重細節問題，同時鼓勵學生自學熱力學基本概念等較容易的知識點。

五、結語

工程教育認證強調以學生為中心，圍繞培養目標和學生畢業要求的達成進行資源配置和教學安排，并將學生和用人單位滿意度作為專業評價的重要參考依據;強調專業教學設計和教學實施以學生接受教育后所取得的學習成果為導向，并對照畢業生核心能力和要求，評價專業教育的有效性;強調專業應建立有效的質量監控和持續改進機制，能持續跟蹤改進效果并用于推動專業人才培養質量不斷提升。

工程應用型專業人才應具有系統理論的基礎知識、優良的實踐能力和良好的創新意識，運用工程理論和技術手段去實現工程目標，這類人才糅合了學術與技能、工程與技術。

課程體系建設對于貫徹落實工程認證理念和推動面向應用型人才培養質量具有重要的意義，本文從教學內容、考核方式、考核要點及實驗設計等方面，對熱工基礎課程體系進行了優化，并通過教改前后的相關案例分析了教學成效，綜合達成度有了進一步的提高?？梢?，在課程建設過程中，要不斷地優化課程體系，以課程目標的達成度為抓手，提高學生的工程創新與實踐能力。

[參考文獻]

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[6]常國峰，崔賢.不同環境因素對空氣絕熱指數測量誤差的影響[J].實驗室科學，2021（3）：31-35.

[7]苑偉民，楊文川，廖天昊，等.理想氣體比熱容計算公式的對比研究[J].石油工程建設，2021（2）：25-29.

[作者簡介]孫銅生，安徽工程大學機械工程學院教授，博士，研究方向：機械優化設計。

[責任編輯 韋志巧]