航天专业“工程热力学”线上线下混合教学模式研究

［摘 要］ “工程热力学”作为工科院校航空航天、能源动力等领域的一门重要专业基础课程，是支撑飞行器动力、航空航天工程、飞行器设计等航天特色专业进行深入学习的基础，其课程的教学效果直接影响学生后续专业课程的学习热情和效果。面对航天技术产业对工程人才所提出的新需求，以课堂教学为主的传统“工程热力学”教学模式已经无法适应。围绕航天专业“工程热力学”课程线上线下混合式教学改革，在对比研究国内外相关教学改革现状的基础上，针对课程内容的特点和专业发展趋势，分析总结了开展课程教学改革的关键问题，提出了教学改革的具体措施。

［关键词］ 工程热力学；航天专业；线上线下混合式教学

［基金项目］ 2021年度湖南省教学改革项目“以应用效果为导向的‘推进系统试验方法’课程自主学习——互助教学模式研究”（yjsy2021023）

［作者简介］ 车碧轩（1990—），男，四川西昌人，博士，国防科技大学空天科学学院讲师，主要从事空间先进推进技术和磁流体力学研究；李小康（1983—），男，陕西汉中人，博士，国防科技大学空天科学学院副教授（通信作者），主要从事空间先进推进技术研究；黄敏超（1969—），男，重庆人，博士，国防科技大学空天科学学院教授，主要从事液体火箭发动机技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）41-0009-05 ［收稿日期］ 2022-02-22

引言

习近平总书记指出：“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”［1］航天作为高新技术产业，长期以来一直对经济民生、产业发展具有重要的引领作用。随着航天产业的高速发展，其对高素质航天工程人才展现出巨大需求。“工程热力学”作为航空航天、能源动力等领域的一门重要专业基础课，是深入学习飞行器动力、航空航天工程、飞行器设计等航天特色专业的基础，其课程的教学效果直接影响学生后续专业课程的学习热情和效果。经过二十余年的建设，我校“工程热力学”的教学内容和教学方法不断完善，取得了显著成效，已经形成了以高水平特色自编教材、高素质专业教学团队、高标准综合热工教学实验室为代表的一大批先进教学成果和必备教学条件。面对航天技术产业对工程人才所提出的新需求，“工程热力学”课程在以下几方面有待完善：（1）传统的“工程热力学”讲授与分析的对象大多是围绕蒸汽轮机、内燃机等地面工作的热力机械，而航天领域用到的动力机械，如火箭发动机，虽然遵循同样的热力学基本规律，但是使用要求和工作特点不同。（2）目前课程以课堂为主，结合实物开展实验教学，没有充分利用MOOC、VR虚拟现实等信息化教学手段，距离线上线下混合式一流课程还有一定的提升空间。（3）课程主要按照“教师授课—学生听讲”的模式开展，无法充分拓展学生的自主学习能力。因此，在已有课程的基础上，围绕航天特色重塑课程内容，开展线上线下混合教学模式探索，充分拓展传统“工程热力学”教学的时间和空间维度，提高教学效果，对培养航空航天类专业人才具有重要的现实意义。

一、课程教学现状分析

“工程热力学”是一门从工程技术的角度出发，研究热能和机械能的相互转化规律及热能有效利用的科学，是能源和机械动力领域培养合格工程师的重要专业基础课程。以国防科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等为代表的高等国防院校，在开设航天相关专业的专业课程之前，均将“工程热力学”作为必修课程。

1.在教学内容的安排上，以沈维道、童钧耕等编写的《工程热力学》为例，该教材将教学内容划分为基本理论和工程应用两部分。基本理论部分主要讲授热力学的基本概念、基本定律、工质的热力性质、热力过程等内容；在工程应用等部分，主要介绍气体与蒸汽的流动、压气机的热力过程、气体动力循环、蒸汽动力装置循环、制冷循环等内容［2］。美国俄亥俄州立大学的Moran等人编写的教材Fundamentals of Engineering Thermodynamics，在介绍了热力学基本定律、基本过程、工质的热力性质的同时，穿插介绍了各类热力循环和内燃机、燃气轮机等热能转化利用装置［3］。综合国内外已有的各类教材来看，传统的“工程热力学”课程主要围绕生产生活中常见的各类热能转化利用装置（如活塞发动机、燃气轮机、蒸汽轮机等）开展教学，其所涉及的工质（如水蒸气）也比较常见。而航天技术所涉及的热能转换装置，如拉瓦尔喷管等，其热力循环过程与常见热机之间存在一定的区别，所采用的工质往往处于超低、高温、超高压，甚至超临界等非常见状态，其相关知识在传统的“工程热力学”课程内容中一般少有涉及。

2.在教学方法的创新上，针对工程热力学知识概念较多、理解记忆难度较大、课程内容相对枯燥等特点，国内各大高校分别从课堂、实验、思想政治教育等方面切入，积极探索教学改革创新。譬如，在课堂教学环节中，通过情景引入和虚拟仿真实验等手段，充分激发学生的学习兴趣［4］；在实验教学环节中，用综合性、设计性实验代替演示和验证性实验，以培养学生的创新实践能力［5］；在理论知识的基础上，通过适当融合思政元素实现立德树人，以提高教学效果［6］。以上教学方法的创新，对于进一步提高“工程热力学”课程的教学效果具有很好的参考价值。此外，在有限的学时内，既要保证“工程热力学”课程的教学效果，又要突出航天技术的特色内容，因此需要在时间和空间上对课堂进行拓展。近年来，兴起的大型开放式网络课程（MOOC）具有课程资源丰富、形式多样、学习无空间或时间限制等优点，哈尔滨工业大学结合MOOC开展了“工程热力学”线上线下混合教学模式的探索，可有效提高学生的学习兴趣，缓解部分学生对研究型教学模式的不适应［7］。

二、线上线下混合教学模式改革的关键问题

作为重要的专业基础课，“工程热力学”不仅要让学生深入理解并熟练掌握热力学的理论知识，还要充分培养学生理论联系实际的能力和创新思维能力。课程内容既包含抽象的基本概念和定律，又包含对实际问题的具体分析，具有概念术语多、公式计算多、科学抽象多、工程背景强等特点，普遍存在抽象概念难以理解、知识体系难以把握、理论联系实际能力不足、难以做到举一反三等教学难点。针对以上课程内容和教学难点，开展课程与教学改革，需要重点解决以下四个问题：（1）如何构建专业特色突出、内容辐射广泛的课程资源体系，充分满足航空宇航与力学及其他相关专业学科对教学内容的专业性和差异性需求。（2）如何用先进的教学方法和信息化教学手段，增强师生互动，激发学生兴趣，实现理论教学提质增效。（3）如何进一步挖掘实验教学环节的教学收益，强化理论认识，同时又培养学生的工程素养和理论联系实际的能力。（4）如何通过创新实践项目实现对学生高阶能力的培养，提升其团队协作、知识统筹和创新思维的能力。

三、教学改革成效

“工程热力学”一直是我校航空宇航与力学方向的重要专业基础课程。经过多年的积累，目前已拥有了以高标准宇航热物理教学实验室、高水平特色自编教材、高素质专业教学团队为代表的优越教学条件。授课对象由航空宇航与力学拓展至核工程、数学、机械等多个学科，顺利完成了近万名本科生的培养工作，指导学生在各类全国性创新竞赛中屡获佳绩，教学效益显著。

1.在课程建设方面，目前出版了四部教材，即《工程热力学》《热工实验教程》《航天热能工程》《工程热力学典型题解与实战模拟》，初步形成了航天特色突出、理论实践并重的自编教材体系。教学内容分为基础理论和工程应用两个部分，前者主要包含热力学基本概念和定义、热力学第一定律、热力学第二定律、工质的热力性质，后者主要包含流动过程热力学分析、化学热力学基础、空天动力循环过程的热力学分析等，初步构建了“基础理论+工程应用”的模块化课程知识单元，可根据专业需求定制教学内容；建成了液体火箭发动机、燃气涡轮发动机等多种典型热机数字样机，可以有效支撑案例教学的开展；完成了MOOC资源准备工作，下一步将在我军内外平台同步推出线上课程。

2.在实验条件方面，目前已建成国内一流的宇航热物理教学实验室，占地面积400 m2，拥有以气体定压比热测定实验、空气湿度测定实验为代表的多种基础热工实验设备，以及数十种以太阳能光热推力器为代表的前沿热工实验装置，有效支撑了由基础性到综合创新性的多层次实验教学。实验室面向全校开放，并提供了技术指导，在创新实践、学科竞赛、毕业设计等方面发挥了重要的推动作用。

3.在教学方法的应用方面，理论教学灵活采用研讨式、案例式等多种教学方法，强化学生的中心主体地位；借助数字样机、自制教具等手段激发学生的学习兴趣；结合雨课堂平台开展线上线下混合式教学，发布课程录像和微课视频，强化师生互动，方便学生自主学习。在实验教学中引入“计划—实施—评价—改进”的全流程管理体系，提高学生的参与度；在传统热工实验项目的基础上，结合学科前沿开展综合设计性实验，开阔学生的眼界，培养其科研兴趣。围绕课程内容，开展项目式大作业，指导学生参与相关科研课题和全国性创新竞赛，通过竞赛牵引知识学习，充分锻炼学生的团队协作、知识统筹与创新实践能力。

经过多年的改革探索，“工程热力学”已成为理论体系完善、实践特色鲜明、教学成果显著的专业基础课程，获得学生和校内专家的一致好评。课程多次获得校级优秀评价，授课教师获得校级教学质量奖和“教学能手”称号近10项，围绕课程建设发表教学论文10余篇，承担教改课题2项，获校级教学成果二等奖和院级教学成果二等奖各1项。依托课程资源指导学生参加全国性创新竞赛，获全国大学生节能减排大赛三等奖1项，未来飞行器设计大赛一等奖1项、二等奖2项，全国大学生本科毕业设计大赛一等奖、二等奖各1项；组织承办节能减排大赛校赛，并获得优秀组织奖。

四、改革实施方案

开展航天专业特色的“工程热力学”线上线下混合式教学改革，需要从教学内容、课程设计与建设、教学方法、综合实践体系等方面展开研究，解决教学内容与专业挂靠不紧密、线上与线下教学手段没有充分融合等问题，最终形成航天特色突出、教学效果显著的线上线下混合教学模式，实施方案见图1。

1.重塑航天特色突出的课程内容。“工程热力学”内容丰富、概念众多，具有鲜明的实践特色，传统教学内容常常围绕内燃机、蒸汽机等常见热机展开。作为航天相关专业的基础课程，目前对于航天领域所涉及的各类火箭发动机、高温燃气、低温推进剂的分析和讨论较少，导致学生对工程热力学知识在航天领域的实际应用认识不足，因此在后续的专业课程上出现了面对热力学问题似曾相识、知识运用困难等情况。针对以上学情特点，需要紧贴航天领域的特色背景与实际需求，以火箭发动机主要部件及整机的工作特性、火箭发动机常用工质的热力性质为主要抓手，进行教学内容的设计，并构建生动丰富、特色鲜明的教学案例库，从而使学生在深度理解热力学基本概念、热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质等经典内容的基础上，熟悉热力学知识在航天领域的具体应用。在紧扣航天专业特色、激发学生学习主动性的同时，结合我国近年来在航天领域的最新成就，培养学生热爱航天、钻研航天的价值追求。

在基础理论部分注重梳理知识结构，帮助学生建立明确的知识脉络体系，强化学生对热力学基本概念、热力学第一定律、热力学第二定律、工质的热力学性质等基础理论的认识；在工程应用部分，基于拉瓦尔喷管、喷注器、涡轮泵等航天领域典型的热能转化利用装置，建设航天特色突出的教学案例库，依托教学案例开展典型热力过程和热力循环的互动教学，帮助学生熟悉航天工程技术的特点，掌握对实际问题的分析处理方法；在工质类型和状态参数的选择上，紧贴航天应用实际，设计案例对象参数，凝练热力学知识理论原理，突出超低、高温、超高压、超临界等航天工程领域特有工质状态的相关内容；在理论知识的基础上，紧贴时事热点和发展历史，融入课程思政元素，激发学生的学习热情，树立正确的价值取向。

2.打造“时间-空间”双向拓展的多维度课堂。传统线下教学模式的课时相对有限，手段较为单一，为了保证对“工程热力学”经典内容和航天特色内容的教学效果，需要开展线上线下混合式教学设计，充分拓展教学的时间和空间维度。在时间维度上，围绕课前、课中、课后等环节，开展课前线上预习、课中线上互动、课后线上研讨、线下重点和难点讲解、线下综合实践训练等；在空间维度上，合理设置线上及线下课堂对应的具体环节和内容，构筑“时间-空间”双向拓展的多维度课堂。对于背景知识、基本概念和原理，如热力学发展历史、热力学系统分类等知识点，主要依托线上MOOC课程进行；线下课堂则主要突出重点和难点的讲解，以及案例剖析和研讨，如热力学第二定律的内涵、开口系统熵方程等，通过合理安排，可以大幅提升学生的学习效率，充分提升学生的主动学习能力。