课程思政背景下《工程热力学》课程教学改革与实践_刘红姣.pdf

2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 337 课程思政背景下工程热力学课程思政背景下工程热力学 课程教学改革与实践课程教学改革与实践 刘红姣1，王小雨1，晋 梅2（1江汉大学智能制造学院；2江汉大学光电材料与技术学院，武汉 湖北 430056）摘摘 要要：工程热力学是国内外多个理工科专业本科生的核心课程之一，本文结合工程热力学教学目标和课程特点，提出了“以学生为中心”的课程教学过程设计和教学效果评价方案，通过重构教学单元，挖掘核心思政元素，有机融入教学过程，改革教学模式，提升教学质量，有效实现知识传授、能力培养和价值引领的目标。关键词关键词：课程思政；工程热力学；教学设计；以学生为中心 引引 言言 2020 年 5 月，教育部印发了高等学校课程思政建设指导纲要，要求各高校统筹做好各学科专业、各类课程的思政建设1。工程热力学是一门研究热能和机械能相互转换及热能有效利用的科学，涉及的热能利用和热机效率等知识覆盖热能动力、机械、化工、环境、电子、航天航空等各个领域，是现代工程技术人员必学的专业基础课程2，课程地位十分重要。热力学艰难而充满悖论的发展历程承载了知识、意识、思维和能力等多方面的要求，蕴含着丰富的思政元素，对于开展课程思政教育拥有天然优势。同时，工程热力学课程内容具有概念繁多、容易混淆，公式众多、难于记忆，内容抽象、难于理解的特点。学生普遍认为工程热力学知识难于理解，很难学明白，授课教师也认为工程热力学很难讲透3。传统的“以教师为中心”的教学模式不能很好满足课程的教学要求。2018 年，教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见 明确提出要坚持立德树人、德育为先，坚持学生中心、全面发展等基本原则。本文结合工程热力学课程特点和课程思政教育，在明确课程教学目标，重构教学单元，挖掘核心思政元素的基础上，针对学生的学习特点和需要，提出“以学生为中心”的课程教学过程设计和教学效果评价方案，改革创新教学模式，提升课程教学质量，以实现知识传授、能力培养和价值引领的人才培养目标，取得了较好的效果。1 1 课程思政建设背景下工程热力学的教学目标课程思政建设背景下工程热力学的教学目标 结合工程热力学课程特点和课程思政元素，凝练课程教学知识目标、能力目标和价值目标。其中 工程热力学知识目标包括掌握热能与机械能相互转化的基本概念和基本规律，掌握理想气体和常见实际工质的热力性质及其计算，掌握基本热力过程中能量转换的计算，掌握常见热机的热力计算。能力目标主要侧重结合基本概念、基础理论与工程实践，培养学生解决简单热工问题的能力。价值目标主要包括使学生了解我国能源科学的发展，深刻认识到能源科学在国民经济发展和国家安全方面的重要地位与作用；培养家国情怀，坚定理想信念，增强职业自豪感、社会责任感和使命感；牢固树立节能减排的观念，严谨务实、勤勉尽责的职业素养。2 2 挖掘核心思政元素，加强思政元素与挖掘核心思政元素，加强思政元素与课程知识的融合课程知识的融合 图图 1 1 工程热力学课程思政教学设计框图工程热力学课程思政教学设计框图 DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.049338 刘红姣：课程思政背景下工程热力学课程教学改革与实践 从原始社会到现代社会，从木柴到石油天然气，从蒸汽机到内燃机，人类一直渴望从大自然中获取更多的能量，获取更高的效率。热力学艰难而充满悖论的发展中蕴含着丰富的思政元素。同一个专业内容和知识点可以挖掘出多种思政元素，而同一个思政元素也可能蕴含在不同的专业内容和知识点中4。笔者在工程热力学的教学实践中，结合课程教学目标，挖掘核心思政元素，有机融入课程知识讲授中，促进思政理念内化于心，引导学生用正确的价值观看待身边发生的事和面对生活中的逆境，真正实现思想价值外化于行5。图 1 为工程热力学课程思政教学设计框图。2.1 家国情怀、使命担当、职业自豪感和爱岗敬业的职业操守 在绪论部分，首先指出我国能源现状和面临的问题，能源对国民经济发展和国家安全的重要意义等；其次面对目前的世界形势，如俄乌冲突等，我国能源发展面临的挑战和机遇。最后，我国未来能源发展战略。结合 2020 年 9 月 22日，习近平主席在联合国大会上做出承诺：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和。”指出为实现碳达峰和碳中和目标，低碳经济是我国国家未来发展战略。热能动力既是传统行业，也是朝阳行业，使学生深刻认识到热动工作是实现自我人生价值，维护国家利益的光荣职业，使学生坚定理想信念，增强职业自豪感，有效调动学生学习专业的热情。在热力过程和热机循环中，介绍我国热动发展的艰难历程和辉煌成就，如古代火药的发明、当代有两弹一星、核潜艇等；现代有中国“动力心”、超高声速飞行器、压水堆华龙一号、大功率风力发电、国产大飞机 C919、光伏发电、上海外高桥火力发电、长征和神舟系列火箭等等；介绍老一辈热动专家为国家发展做出的伟大贡献：如清华大学吴仲华先生，曾受聘于美国国家航空航天局(NASA)，1954 年毅然回国，1956 年创建我国第一个燃气轮机专业，为我国工程热力学的发展做出了重要贡献。西安交通大学陈学俊，1946 年在美国硕士毕业后毅然回国，1957 年又响应国家号召从上海举家西迁，为我国工业锅炉大型化、火电机组近代化、城市煤气化、工业窑炉高效化及机车电气化的发展做出了重大贡献7。更有林宗虎、彭士禄、陈学俊、吴中华、王补宣等，他们在国家最穷的时候放弃了国外的优厚条件毅然坚定地回来建设祖国。使学生坚定理想信念，树立家国情怀和使命担当。2.2 严谨治学、潜心研究、不畏艰苦、勇攀高峰的科研精神 在热力学基本定律部分，介绍在热力学上做出突出贡献的科学家的事迹：如焦耳花费大约 35 年进行热功当量测量，为能量守恒定律的发现奠定了实验基础。更有迈耶、克劳修斯、开尔文、迈耶，瓦特，普朗特等早期的热力学奠基人。我国更有为实际气体状态方程做出贡献的侯虞钧和严家騄等。使学生真正领会到他们身上严谨治学、潜心研究、不畏艰苦、勇攀高峰的科研精神，为现代科研攻关树立榜样。2.3 去伪存真、求真务实、严谨细致的职业操守 热力学的发展是一部艰难而充满悖论的发展史，在热力学基础理论部分，“热质说”、“热寂说”、“第一类永动机”和“第二类永动机”等曾经影响了几代人的思想观念。拨开云雾见本质，在不断的实践过程中去伪求真，能量守恒定律的发现和热力过程的方向、条件和限度的探讨，能量传递迁移过程中数量守恒和品质的蜕变，这些基本的定理包含着深刻的人生哲理：努力与收获、选择与付出等，无不承载了求真务实、严谨细致的科学原则。3 3 “以学生为中心”的工程热力学课程的教学设计“以学生为中心”的工程热力学课程的教学设计 3.1 工程热力学课程教学单元重构 工程热力学 主要研究能量的转换和有效利用，是学生最早接触的专业基础课程，概念多、抽象难懂。本文围绕热能与机械能相互转换这条主线，对教学内容按照一定逻辑进重构教学单元，工程热力学课程的教学单元及主要教学内容见表 1。表表 1 1 工程热力学课程教学单元构成工程热力学课程教学单元构成 教学单元 主要教学内容 绪论 我国和世界能源储藏与利用状况；热力学的发展历程；热力学的研究对象、研究主要内容和研究方法。基础理论 基本概念 热力系统；热力状态与状态参数；热力过程与热力循环。热力学第一定律 热力学第一定律的实质；功和热量的定义及计算；闭口系统的能量方程；稳定流动系统的能量方程。热力学第二定律以及分析 热力学第二定律的实质；卡诺循环、卡诺定理；克劳修斯积分不等式；孤立系统的熵增原理；值与损失计算。气体与蒸汽的热力性质 理想气体的状态方程；理想气体的内能、焓和熵的计算；实际气体的状态方程；水蒸气的热力性质。应用 气体与蒸汽的热力过程 理想气体的热力过程；蒸汽的热力过程；压气机中的热力过程；蒸汽轮机中工质膨胀热力过程。热力循环 蒸汽动力循环；制冷循环；热泵供暖循环；气体液化循环。刘红姣：课程思政背景下工程热力学课程教学改革与实践 339 3.2 工程热力学课程教学设计 热力学第二定律及分析是课程学习的难点也是重点，所谓“学焓寒心，学熵伤心”5。本文以该教学单元为例，采用反向设计，秉承“以学生学习为中心、以学习效果为中心、以学生发展为中心”的原则，对该教学单元按照反向设计法进行教学设计，如表 2所示。教学设计首先要明确该教学单元的教学目标，从预期效果出发设计教学过程6。表 2 按照热力学第二定律的实质、热力学第二定律的数学表达以及分析三部分教学内容分别阐释了具体知识和能力目标以及通过全部教学内容实现的价值目标。其次是根据教学目标设计学习效果的评价与反馈方式，用以检验是否实现了教学目标。再次是根据学情设计学生的学法，让学生能带着问题进课堂，带着好奇与信心完成课后测试。最后根据学法设计对应的教师教法。学法是教学设计的重点，教法为学生学习提供引导、组织和帮助，包括重难点讲授、答疑等，主要是激发学生兴趣，引导学生思考，帮助学生解决问题，激发学生课后用所学知识解决实际问题的兴趣，对学生学习起到“牵引”的作用，将学生学习由被动变成主动。表表 2 2 热力学第二定律及分析教学单元设计热力学第二定律及分析教学单元设计 热力学第二定律及分析 教学 目标 知识目标 理解热力学第二定律的实质以及各种不同说法的统一性；掌握各种卡诺循环热效率的计算和卡诺定理；掌握克劳修斯积分不等式的意义以及应用；掌握熵增原理的意义与应用；掌握熵的定义以及应用；掌握的定义以及和损失的计算；能力目标 利用热力学第二定律的各种数学表达式判断热力过程发生的可能性、条件以及限度；利用的定义计算各种不可逆因素所引起的用损失。价值目标 热力学第二定律的发展史培养学生追求真理，勇于实践的精神；第二定律关于热力过程方向的选择等，培养学生思辨能力：辩证看待努力与收获、选择与努力等。教学 设计 教学手段 运用微课、慕课、网络视频等线上教育教学资源7和超星、QQ 课堂、腾讯会议等网络手段，适时推送相关资料和测试题等。1）资料推送：卡诺、克劳修斯、普朗克等科学家的生平资料；清华大学刘仙洲教授、东南大学夏彦儒等；2）根据课程教学目标和进度，适时在课堂和智慧平台发布相关问题，或者应用“雨课堂”等智慧教学软件进行测验等：第二类永动机为什么不能实现？热量从低温传到高温需要满足什么条件？热能能否全部装换成机械能？能量从总量来说是守恒的，我们如何才能节能？能量的质量与品质如何理解等等；教学方法 践行“以学生为中心”的教育理念。并有意识地回应学生在学习、生活、社会交往和实践中所遇到的真实问题和困惑。采用开放式、启发式和案例式教学方式，增加学生阐述见解的机会，特别是在对热力学第二定律的理解上，用生活中真实的体验和案例解答学生的困惑。利用教学平台进行签到、测验、讨论、选人，针对不同学生给予不同方式的关注和不同的问题，组织学生开展互动式讨论，增强学生自信，调动学生的学习兴趣和学习的积极性。学生学法 课前阅读资料和相关问题推送，让学生带着问题进课堂；参与课堂问题讨论，明确知识逻辑体系，解决问题；完成课后思考题和线上作业测试。评价与反馈 课前线上预习、测试；课堂回答教师的提问和其他同学的疑问，课堂讨论；课后线上测试等。4 4 “以学生为中心”的工程热力学课程思政实施效果“以学生为中心”的工程热力学课程思政实施效果及教学效果评价及教学效果评价 4.1 “以学生为中心”的工程热力学课程思政实施效果 课程思政的有效性是基于课程教学内容特点及其蕴含的思维方法和价值理念的基础上，提升学生专业素养和思想价值观念。本文基于学生的获得感评价课程思政建设成效。首先，从学生对课程和教师的认可、对专业价值的认同等方面设计课前和课后对比调查问卷，通过对课前课后调查问卷答案对比，评估课程思政对学生的专业素养和专业精神的影响。其次，从学生在课堂和智慧平台等参与的积极性、准确性和合理性，评估学