[摘 要]為適應(yīng)工程教育認(rèn)證對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，文章闡釋了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)熱工基礎(chǔ)課程的目標(biāo)，根據(jù)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的要求優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，探討了面向應(yīng)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(shí)踐和創(chuàng)新能力提升的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用專業(yè)教學(xué)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(jìn)的措施。課程體系建設(shè)方法對(duì)提升課程教學(xué)效果及目標(biāo)達(dá)成度具有指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]熱工基礎(chǔ);課程目標(biāo);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);達(dá)成度

[中圖分類號(hào)]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656（2023）03-0072-06

引言

熱工基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱“該專業(yè)”）的一門工程基礎(chǔ)類課程[1]，主要講述熱量的傳遞、熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換規(guī)律，由熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分構(gòu)成。熱力學(xué)主要講授三大定律、熱力過程及其應(yīng)用，傳熱學(xué)主要講授熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的基本原理及數(shù)值計(jì)算方法[2]。我國(guó)的工程教育認(rèn)證工作經(jīng)過多年的發(fā)展，認(rèn)證的三大理念被廣泛認(rèn)同，專業(yè)的持續(xù)改進(jìn)促成了專業(yè)培養(yǎng)方案的不斷優(yōu)化以適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，并按照要求定期進(jìn)行課程體系設(shè)置。在開展認(rèn)證前，一些高校的該專業(yè)未開設(shè)熱工基礎(chǔ)課程，課程體系不夠完備，認(rèn)證開展后相關(guān)高校加強(qiáng)了該專業(yè)課程體系建設(shè)，如安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院于2015年按照認(rèn)證要求進(jìn)行了第一輪培養(yǎng)方案修訂，在機(jī)械類專業(yè)開設(shè)了熱工基礎(chǔ)課程（兩個(gè)學(xué)分），課程共有32學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)為28學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為4學(xué)時(shí)。課程貫徹了重基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐的培養(yǎng)理念，著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和熱工過程分析能力[3]。根據(jù)專業(yè)課程知識(shí)點(diǎn)的延續(xù)性，將課程安排在第6學(xué)期，先修課程為理論力學(xué)Ⅱ、材料力學(xué)、工程流體力學(xué)和大學(xué)物理等，后續(xù)課程為機(jī)械制造學(xué)等專業(yè)課和實(shí)踐課。

一、工程教育認(rèn)證背景下課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一）針對(duì)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的課程目標(biāo)構(gòu)建

工程認(rèn)證將畢業(yè)要求設(shè)定為12個(gè)大項(xiàng)，每項(xiàng)對(duì)應(yīng)2至4項(xiàng)指標(biāo)點(diǎn)，不同的基礎(chǔ)課和專業(yè)課分別對(duì)應(yīng)不同的指標(biāo)點(diǎn)。按照工程教育認(rèn)證對(duì)課程的要求，課程可設(shè)置兩個(gè)目標(biāo)，對(duì)于該專業(yè)的畢業(yè)要求“工程知識(shí)”和“問題分析”具有支撐作用[4]，課程目標(biāo)及對(duì)應(yīng)支撐的指標(biāo)點(diǎn)如表1所示。

（二）注重?zé)峁ぴ響?yīng)用的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

熱工基礎(chǔ)課程所涉及的工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)如單獨(dú)設(shè)置課程，占用課時(shí)勢(shì)必增加，工程認(rèn)證要求專業(yè)總學(xué)分控制在180學(xué)分以內(nèi)，故將這兩門相互聯(lián)系的課程合并為一門課程講授[5]，根據(jù)課程目標(biāo)，合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)講授熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基本原理及規(guī)律，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和要求，主要偏重于熱力學(xué)部分，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如表2所示。

二、面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)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(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)構(gòu)成，兩者分別占比30%、70%。平時(shí)成績(jī)由課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)等部分組成，三部分各占總成績(jī)的10%。期末成績(jī)主要考察對(duì)熱力和傳熱過程的分析和解答能力，以計(jì)算題為主，少量以作圖題形式出現(xiàn)，如考察熱力過程分布規(guī)律時(shí)，要求能在P-V和T-S圖上熟練表示。

（二）期末考核知識(shí)體系構(gòu)成

（1）熱力學(xué)第一定律

重點(diǎn)考察開口和閉口系統(tǒng)的能量方程，同時(shí)考察對(duì)熱力學(xué)能、推動(dòng)功、流動(dòng)功和焓等基本概念的掌握。例如，以輸氣系統(tǒng)充氣為知識(shí)點(diǎn)出題，已知輸氣管路氣體的溫度和壓力等狀態(tài)參數(shù)、被充氣系統(tǒng)的氣體初始溫度、壓力和容器體積，求解將被充氣系統(tǒng)氣體的狀態(tài)參數(shù)上升到一定值時(shí)輸入的氣體量。既考核了能量方程的應(yīng)用、又檢查了對(duì)熱力系統(tǒng)總能與熱力學(xué)能關(guān)系的理解，是熱力學(xué)的一個(gè)典型工程應(yīng)用。

（2）氣體和蒸汽的性質(zhì)

主要考察點(diǎn)包含兩個(gè)方面，第一考察點(diǎn)為利用真實(shí)比熱容、比熱容直線式、平均比熱容表和氣體熱力性質(zhì)表等多種方法來計(jì)算熱量;第二考察點(diǎn)為進(jìn)一步利用多種比熱容法來計(jì)算理想氣體在狀態(tài)變化過程中熱力學(xué)能、焓和熵的變化量。

（3）基本熱力過程

主要考察四個(gè)典型熱力過程的溫度、壓力和比體積的變化規(guī)律，會(huì)求解熱力學(xué)能、焓和熵等三個(gè)狀態(tài)欄的變化量及過程熱量、過程功和技術(shù)功等三個(gè)過程量數(shù)值，能夠在P-V和T-S圖上畫出四個(gè)典型過程及任意熱力過程，能描述熱力過程的狀態(tài)量和過程量的變化。

（4）熱力學(xué)第二定律

主要考察卡諾循環(huán)凈功和熱效率的計(jì)算、可逆過程和不可逆過程的熵變規(guī)律?？梢詿岜没蛘咧评溲b置為例，討論裝置是否能實(shí)現(xiàn)既定的供熱量或者制冷量，求解所能實(shí)現(xiàn)的最大供熱量或者制冷量。

（5）傳熱學(xué)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(jié)構(gòu)的熱傳遞建模、計(jì)算傳熱量。

三、基于實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

雖然實(shí)驗(yàn)在課程考核成績(jī)中占比很小，但對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和加深學(xué)生對(duì)熱工原理的理解作用很大，更重要的是通過實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程的整體認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高其他考核內(nèi)容的達(dá)成度，因此要對(duì)課程的實(shí)驗(yàn)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)。

（一）空氣絕熱指數(shù)測(cè)定

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖强疾鞂?duì)熱力過程原理的理解及了解絕熱指數(shù)的測(cè)定方法，左邊為介質(zhì)為水的U形管測(cè)壓計(jì)，右邊為絕熱材料組成容器，容器內(nèi)空氣與外界短時(shí)間內(nèi)交換的熱量忽略不計(jì)，上面帶有三個(gè)氣閥，最右邊氣閥連接充氣氣囊，最左邊氣閥連接U形管測(cè)壓計(jì)，中間氣閥用于導(dǎo)通容器與外界。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

首先打開三個(gè)氣閥，通過中間氣閥使容器與外界導(dǎo)通，容器內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)和外界環(huán)境一致，然后關(guān)閉中間氣閥;通過氣囊給容器充氣，容器內(nèi)氣體壓力增加，U形管測(cè)壓計(jì)水柱上升到一定位置后，停止充氣，記錄水柱高度差，此時(shí)標(biāo)記為狀態(tài)1;迅速打開中間氣囊并關(guān)閉，在瞬間容器內(nèi)氣體經(jīng)歷了一次絕熱膨脹，再次記錄水柱高度差，此時(shí)標(biāo)記為狀態(tài)2;將容器靜置1小時(shí)以上，經(jīng)過緩慢熱交換后，認(rèn)為容器內(nèi)氣體和環(huán)境氣體溫度相等，再次記錄水柱高度差，此時(shí)標(biāo)記為狀態(tài)3。

3.數(shù)據(jù)處理

根據(jù)每個(gè)狀態(tài)的水柱高度差可計(jì)算出氣體壓力，由狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體經(jīng)歷了絕熱過程，利用過程方程：

（1）

再利用理想氣體狀態(tài)方程[6]：

（2）

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

（3）

將三個(gè)狀態(tài)壓力代入后，即可求得絕熱指數(shù)，最后可對(duì)求得的數(shù)值和書本上給出的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比進(jìn)行誤差分析，整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成。

（二）空氣定壓比熱容測(cè)定

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)裝置

比熱容和溫度相關(guān)[7]，該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私獗葻崛轀y(cè)定原理、比熱容的計(jì)算方法并發(fā)現(xiàn)比熱容隨溫度的變化規(guī)律，設(shè)備包括鼓風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、加熱器和比熱測(cè)定儀，鼓風(fēng)機(jī)將空氣吹入加熱器加熱，通過流量計(jì)測(cè)定體積流量，比熱測(cè)定儀上顯示加熱過程中空氣的溫度、加熱功率。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過程至少需要4名學(xué)生配合，其中1名學(xué)生負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)、1名學(xué)生負(fù)責(zé)記錄流量計(jì)的指針轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、1名學(xué)生負(fù)責(zé)讀取加熱內(nèi)空氣溫度、1名學(xué)生負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)。事先選定幾組空氣終了溫度，比如40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃，記錄相關(guān)數(shù)值。通電后從比熱測(cè)定儀上記錄空氣的初始溫度，打開鼓風(fēng)機(jī)，再打開比熱測(cè)定儀對(duì)空氣進(jìn)行加熱，迅速將功率調(diào)整到一定值，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。第1個(gè)終了溫度到達(dá)時(shí)，第1名學(xué)生要立刻報(bào)出溫度，第2名學(xué)生報(bào)出時(shí)間，第3名學(xué)生報(bào)出流量計(jì)圈數(shù)，第4名學(xué)生做好記錄，后面幾個(gè)終了溫度到達(dá)時(shí)，重復(fù)這個(gè)步驟。

3.數(shù)據(jù)處理

流量計(jì)每轉(zhuǎn)一圈，空氣流過5升，根據(jù)時(shí)間和圈數(shù)，可算出體積流量，再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可算出質(zhì)量流量。根據(jù)質(zhì)量流量、加熱器功率和初終態(tài)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(tài)平均溫度作為橫坐標(biāo)、平均比定壓熱容為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，將上述數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)在坐標(biāo)系中，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，繪制出直線。根據(jù)平均比熱容直線式的表達(dá)形式（式4），從圖中可以求解常數(shù)a和b，從而求解出空氣定壓比熱容的直線式，完成了實(shí)驗(yàn)。

（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(xué)該專業(yè)為例，以第一輪人才培養(yǎng)方案修訂前的2014-2015學(xué)年和修訂后的2017-2018學(xué)年為例，2014-2015學(xué)年該專業(yè)大三學(xué)生共計(jì)183人，2017-2018學(xué)年該專業(yè)大三學(xué)生共計(jì)247人，從卷面成績(jī)來看，學(xué)生對(duì)熱力學(xué)基本定律和原理的理解較為透徹。大多數(shù)學(xué)生對(duì)過程功、熱力學(xué)第一定律基本方程的應(yīng)用、過程熱量及常見狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算掌握得較好。部分學(xué)生對(duì)典型熱力過程的計(jì)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(qiáng)。

（二）達(dá)成度分析

兩個(gè)學(xué)年的課程達(dá)成度情況如表3所示，2017- 2018學(xué)年的平時(shí)成績(jī)目標(biāo)達(dá)成度比2014-2015學(xué)年低，原因在于在培養(yǎng)方案修訂前，平時(shí)成績(jī)的考核體系不夠完善，作業(yè)量偏少、難度偏容易，不能完全反映出目標(biāo)達(dá)成情況，培養(yǎng)方案修訂后對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，加大對(duì)作業(yè)和課堂表現(xiàn)的考核。2017-2018學(xué)年期末考試的兩個(gè)目標(biāo)達(dá)成度均比2014-2015學(xué)年提高了10%以上，且都超過了6%。綜合期末和平時(shí)成績(jī)情況，兩個(gè)學(xué)年的目標(biāo)達(dá)成度對(duì)比如下頁(yè)圖1所示，2014-2015學(xué)年目標(biāo)1達(dá)成度、目標(biāo)2達(dá)成度和綜合達(dá)成度分別為0.73、0.53和0.69，2017-2018學(xué)年目標(biāo)1達(dá)成度、目標(biāo)2達(dá)成度和綜合達(dá)成度分別為0.81、0.67和0.73，可見在課程改革后，課程目標(biāo)達(dá)成度得到了提高。

（三）存在的問題及改進(jìn)措施

從課程目標(biāo)的達(dá)成情況來看，課程目標(biāo)1的達(dá)成情況較好，課程目標(biāo)2的達(dá)成情況偏低，主要是期末考試的達(dá)成情況不夠理想，從卷面上分析，學(xué)生對(duì)正向和逆向循環(huán)的P-V圖和T-S圖的規(guī)律掌握得不夠好，對(duì)典型的基本熱力過程的曲線分布特征了解不透徹，對(duì)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(qiáng)，可從下面兩點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

一是進(jìn)一步加強(qiáng)課程的互動(dòng)，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)熱力循環(huán)和熱力過程的分析與作圖都引入工程性案例來幫助學(xué)生理解，提高學(xué)生解決工程問題的能力。

二是合理分配教學(xué)時(shí)間，對(duì)熱力學(xué)基本原理的難點(diǎn)要仔細(xì)講解，注重細(xì)節(jié)問題，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)熱力學(xué)基本概念等較容易的知識(shí)點(diǎn)。

五、結(jié)語

工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成進(jìn)行資源配置和教學(xué)安排，并將學(xué)生和用人單位滿意度作為專業(yè)評(píng)價(jià)的重要參考依據(jù);強(qiáng)調(diào)專業(yè)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施以學(xué)生接受教育后所取得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，并對(duì)照畢業(yè)生核心能力和要求，評(píng)價(jià)專業(yè)教育的有效性;強(qiáng)調(diào)專業(yè)應(yīng)建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，能持續(xù)跟蹤改進(jìn)效果并用于推動(dòng)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升。

工程應(yīng)用型專業(yè)人才應(yīng)具有系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)知識(shí)、優(yōu)良的實(shí)踐能力和良好的創(chuàng)新意識(shí)，運(yùn)用工程理論和技術(shù)手段去實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，這類人才糅合了學(xué)術(shù)與技能、工程與技術(shù)。

課程體系建設(shè)對(duì)于貫徹落實(shí)工程認(rèn)證理念和推動(dòng)面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義，本文從教學(xué)內(nèi)容、考核方式、考核要點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)熱工基礎(chǔ)課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，并通過教改前后的相關(guān)案例分析了教學(xué)成效，綜合達(dá)成度有了進(jìn)一步的提高。可見，在課程建設(shè)過程中，要不斷地優(yōu)化課程體系，以課程目標(biāo)的達(dá)成度為抓手，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新與實(shí)踐能力。

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[作者簡(jiǎn)介]孫銅生，安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[責(zé)任編輯 韋志巧]