工业余热“大作业”教学模式的探索与实践

2022-06-20王春林，方豪

赤峰学院学报·自然科学版 2022年5期

王春林，方豪

摘要：在应用型本科的“新工科”人才培养过程中课程建设探索是重要的环节，本文以建筑环境与能源应用工程专业的特色课程《工业余热利用》建设为例，为解决供热行业将来面临的“碳中和”、清洁供暖的社会需求目标开发课程，通过学情分析、提取课程特征、设计课程目标，探索“大作业”教学模式，形成“4+3+2+2+1”的教学方法体系，并根据知识点、复杂工程问题的处理、课程思政等方面设计教学反馈评价方式，践行“以学生为中心”的教学理念，将教师作为课程教学的组织者和引导着，形成了专业课程为后续课程服务、为毕业设计服务、为行业发展服务的教学效果。可作为相关专业新课程建设的参考。

关键词：工程教育;教学设计;课程思政;建筑环境与能源应用工程;专业课程设计

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2022）05-0091-04

1 专业建设背景

随着中国经济发展和能源转型，提出2030年前碳达峰目标和2060年前碳中和愿景[1]。作为其中的具体措施，2021年3月，中华人民共和国财政部、住房和城乡建设部、生态环保部等单位联合发文，对冬季实行清洁取暖且有改造需求的北方地区地级以上城市进行奖补，连续支持三年，工业余热、生物质能等多种方式均在此列。据不完全统计，北方城镇供暖地区的高能耗工业余热可提供约20%的城镇供暖，热电联产余热回收可提供80%的城镇供暖，从总体上可实现大幅度降低现有的化石能源采暖，从而实现低碳、清洁的供暖方式。

经济发展、科技革命和产业变革迫切需要高等教育不断提升创新能力，在产业转型升级的进程中发挥引领和支撑作用[2]。本科高等学校的专业及专业课程的设计，需要综合考量学校的定位、人才就业出口、本专业的发展现状等因素。作为以供热、供燃气为主要人才培养方向的赤峰学院建筑环境与能源应用工程专业，具备以下课程特色：

1.2016年赤峰学院入选“产教融合发展工程建设规划项目应用型本科院校”[3];

2.建筑环境与能源应用工程专业（以下简称“建环“）是以能源技术为主，与建筑、机械、信息技术等多专业的交叉应用型学科。与人类基本需求“衣、食、住、行”均紧密相关;

3.工业余热对清洁供暖的作用显著，在供热系统中应作为重要的补充热源，承担末端热用户的基础负荷[4];

赤峰学院的建环专业，是“产学研用”合作办学的典型案例。《工业余热利用》的课程设计，要求在课程定位上对位专业培养目标;在教学组织上与供热行业深度合作;内容上包含宏观的分析产业发展现状、推测供热需求和供给侧的变化，微观的各行各业的工业余热利用技术的专业知识、实践案例等知识点进行设计整合;在考核评价上面向企业的技术需求。

2 学情分析与教学痛点

2.1 学情分析

本课程属于初开课程，在课程的目标设计、内容设计、教学方法、效果评价等各环节中，需要根据学生的具体情况进行动态的分析。围绕学生的心理、课程在课程体系中的作用、学生接受知识的差异、学习方法和潜在问题进行综合考量，通过观察、谈话、调研、书面材料和测验等形式进行教学过程的反馈和改良修正。按照培养目标的要求，在沟通与交往能力、解决工程问题的能力、学习参与能力、课程体系与教学质量满意度、实习时间满意度等多方面[5]进行综合评估。

调查研究法中，应用线上教学资源的优势，通过电子平台进行教学内容掌握的典型评价。主要通过思维导图、发散论点等方法来分析工业余热热源信息及其相关性;通过实践调查案例让学生掌握信息统计工作中的侧重点;通过论文纲要来指导学生的工程报告写作及工程汇报技巧[6]。

2.2 课程特征提取

工业余热利用并未以一门专业课程出现在《高等学校建筑环境与能源应用工程专业本科指导性专业规范（2013年版）》中，课程内容的类比和参照资源较少，具备新技术和交叉学科两个显著特征：

2.2.1 新技术特征显著

（1）技术需求前景巨大，但现有成熟的技术方案不多。

（2）目前无可参考的教材。

（3）缺乏典型的工程案例作为支撑点进行研究。

2.2.2 交叉学科特点鲜明

（1）热源工艺复杂，没有统一标准。

（2）不同行业的分析方法、取热流程差异很大。

（3）不同地区的特点不同，相关的分析成果较少。

2.3 教学目标设计

结合学生的学情分析结果和课程特征，《工业余热利用》课程的主要目标是使学生掌握建立低品位工业余热信息统计的方法体系，利用建立的理论方法与工具，定性描述低品位工业余应用于城镇集中供暖各关键问题的优化目标，掌握定量地进行热源选择的优化方法，能够在系统全局及局部环节进行设计与优化。具体包括：分析工业余热的供暖过程、选择最优取热流程、设计适合低品位工业余热供暖系统的运行调节方法。为毕业设计中的能源综合利用提供一个技术选择路径。课程定位在建环专业中的能源应用专业领域中，并根据专业领域设计课程思政。

3 教学设计

3.1 教学模式

教学模式的设计主要根据学生的学情、专业定位、课程定位进行课堂教学组织。本课程与实践结合的较为紧密，教学过程的特点更接近于职业教育专业教学的特征。课程建设需要紧密贴合行业产业发展，全面掌握相关行业的能源使用现状、利用好互联网的信息整合功能优势，与时俱进的进行行业发展的动态分析[7]。

教学模式主要选用范例教学、引导-发现教学（问题-探究教学），通过项目化的课题设计，利用“探索—翻转—应用”模式进行知识内化[8]，通过ISAS（Information Search and Analysis Skill信息搜索和分析技能）进行综合工程能力的训练[9]。设计指导学生利用课余时间，选择具备挑战性、前瞻性的主题，通过团队分工完成信息搜集、分析、演讲、课题研究报告等环节，在知识性工具的学习和使用、信息技术的选择、沟通表达、团队协同等方面进行综合训练，在难度设计上由浅入深、在题目选择上从宏观到微观，通过研讨的形式探索行业的最新应用技术，如下图。通过四个大作业的设计，预留作业，教学活动以解决问题为中心，在教師指导下发现问题、提出问题通过自己的活动找到答案。课上教师以案例教学介绍问题的其中1种以上的解决方案，进行问题启发。每次教学过程，经过四个阶段，即教师讲解、案例分析、技术讨论、翻转课堂的学习过程，将认知过程，由教师主导逐步向学生学习推动，形成教学的渐进式过渡。并将研究分析方法在第一时间介绍给学生，使得学生在研究问题的时候有明确的方向，从而获得良好的教学效果。

教学内容上，从国家宏观的能源信息统计数据入手，参照典型工程的示范数据，以热源、热网、热用户各点的最新优化技术为基准进行衡量比较，通过分地域、分行业两种方式逐步进行能源总量的细分。逐步展开学习内容，根据学生学习情况动态调节学习进度，力求更加深入的进行工程问题的分析和探索。

教学活动组织中，培养学生组织工程项目、参与工程项目的能力。特别是对带头人的要求，提出具体明确的组长责任：与课代表、助教及时沟通，明确大作业意图和要求;召集讨论，确定汇报思路;合理分工，大作业任务拆解;联系组员，及时完成相应内容;整体把关，查漏补缺。

3.2 思政融入

课程思政是高校为解决培养什么样的人、为谁培养人、如何培养人这个根本问题而必须开展的教学研究工作[10]。本课程围绕专业发展史、社会发展史，结合工程案例，以过去、现在、未来发展等3个阶段，通过线上教学资料发布、课上的案例讲述、小组学习过程中感悟、学生汇报中的认知分享等步骤完成。

3.3 课程教学创新点

基于模块化培养工程应用能力的《工业余热利用》“4×4”教学模式。即按照4个课程主要学习的目标，即余热总量、热源选择、热量输配、热用户优化，分别设置大作业，每个阶段目标按照不同的模式细分为4个主题，即国内余热总量估算、某项目典型余热应用技术、按地域的余热量估算、按行业的与热量估算等。开课即布置本学期的研究目标和研究内容，分组完成，教师进行授课，提出解决方案。在工程案例中穿插课程思政要求，培养高尚的情操。

课程教学可总结为“4+3+2+2+1”：

4个阶段，即4次大作业;

3种授课模式，线下讲授、翻转课堂、线上线下混合模式;

2种教学过程，即教师或行业专家讲、学生完成作业后的汇报2个过程;

2种研究视角，即全国、全球的工业余热总量的宏观视角，和某企业、某热源的余热总量估算方法的微观视角。

1种学习组织。通过分组完成的方式，锻炼学生的科技活动、工程项目的组织能力和执行能力，着力进行应用型课程教学改革。

3.4 教学评价方法

教学评价采用大作业综合评分为主要考核方式，不设标准答案。分组完成4次大作业的PPT及研究报告，课上随机的小作业。每次作业由不同的同学担任组长，不得重复，组长有明确的责任，设置独立加分项，锻炼学生的组织协调和任务协同能力。

因本课程为研究性课程，课程内容的标准答案不唯一，故课程的考核，不以考试论成败，以学习探索的态度、自主完成研究工作的效率、主要结论的创新性作为考核的标注，考核过程受评阅教师主观因素影响。考核评价工作中，每次不少于3位从事工业余热相关领域研究工作的教师、行业、企业的专家学者共同参与，以综合成绩进行评价，同时让学生在同行的提问中思考和成长。

4 教学效果

4.1 教学评价

教学效果评价，采用小作业检查工具性的知识点学习情况，大作业检查特定工程问题分析处理能力，出勤和加分综合考察学习态度和平时表现，总分上限不突破100分。课程综合成绩结果，中等、优秀的比例数较小，良好的比例较高，体现了一定的区分度，避免了在过程评价中的区分度较小的问题[11]。大作业的评价，采用一名教师、一名行业专家、一名本专业毕业生、一名其他高校专家组成评价小组，各专家从不同角度制定评分方案，最后进行综合打分。

为更好地进行每个学生的学习情况分析，用5分梯度的曲面图，来表示在不同作业中的综合表现，如下图。图中横坐标表示学生个体，纵坐标表示作业任务，图中的线，反映每次作业的综合表现，探索不同作业任务条件下的学生短板和优势点，以便为学生综合能力的评估做准备。以小作业3为例，从图中可看出，成绩在75-80分的比例较高，相对于其他的作业，成绩较低，在作业难度上可能偏大，下一步的教学计划需要在此做一定的加强;以第15号学生为例，最高分出现在小作业2、4，成绩在95-100，小作业3相对较弱。在后续课程的暑期供热调研的实习实践活动中，便可以建议该同学带头参加与小作业2、4相关的调研工作，关注自身薄弱环节，向相关类别成绩较高的同学交流学习，形成共同进步。

4.2 社会服务及科研成果

通过研究式的教学过程获得科研成果。教师方面，2019年发表3篇学术论文，其中1篇获得2020年“领跑者5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”;学生成果方面，每年培养1名从事工业余热相关工作的毕业生，已毕业2届学生，2人均获得优秀毕业设计，1人的研究成果发表在《区域供热》杂志，论文获得第二届中国供热学术年会优秀论文，收录在2019中国供热优秀论文集。相关研究受到供热行业的重视，在工业余热清洁供暖的宏观设计方面提供了重要的参考。

教学模式区域成熟，大作业结合工程案例的教学方法，通过3届学生的培养，现已基本稳定，每年逐步更新教学内容和案例数据，使得每年的教学内容随着技术的不断推进而变化，同学们毕业后能直接应用于相关工作，获得了行业认可。

5 小结

通过课程4轮的教学实践，以《工业余热利用》为典型专业课程的新建课程，在教学设计和实践中有如下特点：

1.课程定位在应用能力的培育。课堂教学为工程案例的研究服务，以实际问题的多变和多维解决途径，以发散的思维引导学生的研究能力和创新能力的培养。通过真实案例、与工程的运行进行互动，作为检验学习内容的考核依据，在学习过程中解决工程问题。

2.动态组织教学内容。每年分析一个典型的工业余热系统的真实运行数据，并与不同年份、不同地区的案例进行横向、纵向比较，提高学生的全面分析和解决工程问题的能力。

3.学生是学习活动的主角。学习活动中，将监督、组织、管理学生课后学习的工作，以组长的形式下放。教师对学生的学习活动，由课代表、各题目的组长进行总体安排，形成良性的管理机制。在管理活动中，锻炼学生团结协作和项目组织管理的能力，为将来学生从事工程管理、组织做准备。

4.学习成果与社会服务相结合。学习成果就是研究成果，经过毕业设计阶段的打磨，向行业推送，提高服务行业的能力。

参考文献：

〔1〕张运洲，代红才，吴潇雨，陈睿，张宁.中国综合能源服务发展趋势与关键问题[J].中国电力，2021，54（02）：1-10.

〔2〕孙霄兵.《教育规划纲要》关于推进高等教育改革的目标任务及其实践深化[J].中国高教研究，2020（10）：16-20+41.

〔3〕雷德荣.以改革为突破口推进院校治理现代化——赤峰学院改革发展之路[J].赤峰学院学报（哲学社会科学版），2020，41（09）：1-5.

〔4〕方豪，夏建军，江亿.北方采暖新模式：低品位工业余热应用于城镇集中供热[J].建筑科学，2012，28（S2）：11-14+17.