冯俊军,陈 霞,丁厚成,林晓飞,胡新成

(1.安徽工业大学 建筑工程学院;2.安徽工业大学 数理科学与工程学院,安徽 马鞍山 243002)

热工学是安全工程专业的一门专业必修课程。本课程能够为学生学习后续专业课程和解决热力工程领域技术问题及从事相关科研奠定基础。由于热工学课程具有较强的理论性,名词及概念繁杂而且高度抽象化,课程的大部分公式需要通过高等数学知识推导得到,许多理论模型也建立在大学物理、理论力学等抽象理论基础上,导致学生在学习过程中存在一定困难,影响了本课程对专业培养目标和毕业要求的支撑,难以达到工程教育专业认证的基本要求。针对这一问题,本文以热工学课程在专业认证中的支撑目标为导向,从课程教学改革方面做了一些探索。

一、安全工程专业认证的内涵及意义

高等工程教育专业认证源起于美国,1932年成立了美国工程与技术认证委员会,之后为世界各工业发达国家和地区所仿效并产生了许多国际性的专业认证协议。《华盛顿协议》是1989年由美国、加拿大、英国、爱尔兰、澳大利亚和新西兰等6国的民间团体组织签订的国际性协议,其核心内容是承认签约方所认证的本科高等工程教育培养方案具有实质等效性,认为高校开设专业经协议成员组织认证后,其毕业生均达到了从事该专业工程师职业的学术要求和质量标准[1]。

我国为适应经济全球化与工业国际化趋势,促进工程技术人才参与国际交流,2005年开始探索构建具有国际实质等效性的工程教育专业认证制度和体系,并逐步展开专业认证工作。2013年6月成为《华盛顿协议》预备成员,2016年6月成为该协议正式成员[2]。专业认证工作的推广对深化我国高等工程教育改革、保障工程教育质量、提高本科学生工程实践与创新能力、增强毕业生就业竞争力、适应就业创业国际化需求具有重要作用。

根据《工程教育认证工作指南》,安全工程专业认证标准包括通用标准以及专业补充标准。通用标准在学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件7个方面作出了明确要求;安全工程专业补充标准是在通用标准基础之上,根据安全专业特点提出的特有的具体要求,包括课程体系、师资队伍、支持条件3个方面。安全工程本科专业认证标准反映了社会安全需要尤其是安全工程界的需要,认证结果也代表了社会安全与安全生产对安全专业教学质量的认可[3]。通过开展安全工程专业认证,加强了社会对专业的认可度,提高了人才的社会适应性。

安徽工业大学安全工程专业自2007年开始招收本科生,专业依托于建筑工程学院,紧紧围绕社会和经济发展的人才需求,培养学生掌握安全工程相关理论知识与专业技能,在建筑安全、消防安全、应急救援、职业卫生等安全领域从事专业技术工作。近年来,安徽工业大学以工程教育专业认证为契机,参照专业认证通用标准和补充标准开展了艰苦细致的教学改革工作,安全工程专业于2017年6月5日至7日接受了教育部专家组的现场考查,教学改革的成效得到了专家的充分肯定。这些举措对于促进我校安全工程教育与国际工程教育的互相认可,提升我校安全工程专业毕业生的国际竞争力具有重要意义。

二、热工学课程对专业认证的支撑及存在问题

在开展安全工程专业认证过程中,通用标准和专业补充标准都是以学生作为主要评价对象,评价该专业所有学生是否达到认证规定的基本要求。首先,安全工程专业制定了符合学校定位的、适应社会经济发展的培养目标,在此基础上提出了能够支撑培养目标的毕业要求。然后,依据本专业所制定的毕业要求开展毕业要求达成度评价,根据评价结果判断本专业所培养的所有学生是否达到毕业要求。毕业要求达成度评价的具体过程为:(1)由专门的评价机构会同责任教授对每项毕业要求进行分解,并列出支撑每条指标点的课程,对每门课程的支撑强度赋值;(2)由专门的评价机构指定专人对该门课程的评价依据(主要是对学生的考核结果,包括试卷、大作业、报告等)合理性进行确认;(3)依据学生考核结果,计算各门课程对毕业要求的支撑度,加权求和得出相应的毕业要求分指标点达成度;(4)汇总每个毕业要求分指标点达成度,得出整项毕业要求达成度评价结果,依据“评价机制”规定的合格标准,明确该项毕业要求是否达成。

安徽工业大学安全工程专业的毕业要求包括12项,分别为工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习。其中,热工学课程支撑的毕业要求分指标点为:(1)掌握工程力学、工程流体力学、工程热力学、电工学、机械基础等工程基础知识;(2)掌握安全工程和安全科学所需的数学、自然科学和工程科学的基本原理;(3)能够设计基于物理、化学、电工、工程力学、机械设计、流体力学等问题的实验。

在开展热工学课程毕业要求达成度评价时,评价依据为课程考试、随堂测验、课后作业和实验报告,通过对课程考核材料的深人分析,发现学生存在以下问题:(1)概念术语记不住,很多学生对于热工学中涉及的大量概念术语很头疼,往往简单地从字面上去理解概念术语的含义,导致名词解释时千奇百怪、错误百出;(2)理论定律吃不透,由于许多理论定律阐述的是多个物理量之间的关系,而由于学生根本记不住物理量的定义,导致他们也无法从根本上理解该理论定律的含义,理论定律与概念术语严重分离;(3)解题方法用不了,热工学课程学习的最终目的是依靠理论定律去解决工程实际问题,而由于学生并未吃透热工学理论定律,就更谈不上将解题方法在实际问题中活学活用了。正是由于“概念术语记不住、理论定律吃不透、解题方法用不了”,导致学生在学习热工学课程时缺乏积极性,课程考核结果并不理想,影响了本课程对毕业要求的支撑。

三、热工学课程教学改革

(一)构建课程框架

对于热工学这类理论性比较强的课程,首先要构建课程框架,用通俗易懂的语言描绘整个课程的主要研究目的和研究内容,从而有利于后期高效地向课程框架中填充知识点。这个课程框架一定要简洁明了,可以理解为一栋房子的框架结构,有了结构之后,才能往里面填充其他材料。框架结构合理不合理,会直接影响整个房子的稳定性。热工学实际上是热能工程学的简称,它所研究的是如何在工程中合理而有效地利用热能。热能的利用主要有两种形式,直接利用和间接利用,直接利用包括加热和制冷,这里面涉及到热量传递问题;间接利用是将热能转化为其他形式的能源来利用,如机械能和电能,这里面涉及的是能量转换问题;对应于这两个问题,热工学课程有两大研究分支,传热学和工程热力学(图1)。这就是整个热工学的课程框架,通过这个框架可以让学生清晰地知道热工学到底研究什么。

图1 热工学课程框架

(二)建立知识体系

知识体系是建立在课程框架基础上的,它给出了知识点之间的逻辑性和关联性。房屋框架结构搭好之后,还需要向里面填充材料,这些材料之间不是孤立的,需要紧密地结合在框架里面。这些材料,就对应着整个课程的知识点。以热工学为例,可以采用思维导图的形式把热工学的知识点做成一套知识体系。通过在授课过程中不断强化这套知识体系,学生掌握的知识点也就一个个串联起来了,并且在他们的头脑里面也呈现出这样一幅清晰的知识地图。从图2可以看出,左侧是课程框架,展开后是课程主干知识点,再展开主干知识点能够看到大量的分支知识点,这样层层叠叠地把整个课程的知识点自上而下地串联了起来,给学生印象非常深刻。

图2 热工学知识体系示例

(三)强化重点难点

建立课程知识体系之后,需要从里面提炼出课程重点难点,在授课过程中不断强化,让学生重点掌握。这些重点难点就是一栋房子的承重墙,决定着房子的稳定性。从图2中可以看出,课程框架下是主干知识点,通常也是课程的重点难点内容,而主干知识点之间没有层级关联性,因此需要从纵向建立主干知识点之间的关联,加深学生理解记忆。以工程热力学的主干知识点为例,工程热力学研究能量转化规律,如热能与机械能转化,热能转化为机械能需要借助一套设备和物质来实现,这套实现能量转换的设备称为热工设备、物质称为工质。通过高温加热工质,工质受热膨胀推动活塞向外做功,从而完成热能向机械能的转化。把实现能量转换的设备和工质作为研究对象,称为热力系统;热力系统里的工质在实现能量转换时会发生状态变化,它在任意时刻的物理状态称为热力状态;热力状态的一系列变化,称为热力过程;热力状态通过一系列变化回到初始状态,称为热力循环。通过这样把工程热力学的几个主干知识点建立了逻辑联系,形成了一个纵向的知识结构(图3)。

图3 热工学知识结构示例

(四)注重课程回顾

每次新课之前一定要把上节课重点内容用板书梳理一遍,这个课程回顾的过程,能够让学生及时回想起上节课内容,然后非常自然地跟新课内容建立关联。以热工学中水蒸气这一章节为例,如果这节课要讲的新内容是水蒸气的热力过程,那么教师可以通过板书把上节课讲的水蒸气基本知识简要回顾一遍,包括什么是水蒸气、如何产生水蒸气、水蒸气有哪些热力状态。最后回顾完水蒸气的热力状态,就很自然地要说到水蒸气热力状态的变化,水蒸气热力状态的变化就是水蒸气的热力过程,这样就很自然地进人了新内容。采用板书教学,能够边回顾、边讲解,还给学生留出了足够的回想时间,效果更好。

(五)巩固实例应用

课程理论知识如果不经过大量实例应用,就很难体会到理论知识的用途,自然难以融会贯通。因此,需要将课堂内外结合起来开展实例应用。课堂上,教师讲解案例使学生对理论应用产生直观印象;课堂外,学生通过课后练习进一步提高应用能力。比如,传热学给出了一些热量传递理论,对于这些传热理论的应用,就可以联系身边的简单案例。以教室里的暖气片为例,暖气片的传热过程就是一个典型复合传热过程,它包括管内热对流、暖气片导热、管外热对流和管外热辐射这四个阶段,涵盖了传热的三种基本方式:导热、对流和热辐射。通过这样的一个案例展开深入讲解计算,学生就可以掌握传热的三种基本形式及规律,并且主动把它应用到生活实际中。除了生活中的案例,在热工学实验课中学生还可以接触到更严谨的案例,通过一些典型的热工学实验,能够进一步加深学生对概念和理论的理解。