基于CDIO教育理念的熱交換原理與技術教學改革

胡 冰

(東莞理工學院 , 廣東 東莞 523808)

CDIO是指一種集構思、設計、實施、運行于一體的工程教育模式。它以產品或系統從研究、開發到運行的全過程為載體,培養學生的工程能力,以滿足現代工業工程質量的需要。

CDIO教育理念是通過CDIO教學大綱和標準來實現的[1]。它對工程師必備的知識、能力和素質進行了詳盡的提煉,共400多項,并將培養目標納入本科生培養計劃。一般來說,本科課程占總教學計劃的60%～70%,因此,教學質量對實現CDIO工程教育目標至關重要。

熱交換原理與技術是一門工程性很強的專業基礎課;然而,在教學過程中,學生能力目標卻不是很明確。將CDIO理念應用于工程教育教學改革中,探索在實踐教學中實現CDIO精細化培養目標的有效途徑。

1 教學中存在的問題及改革思路

CDIO模式不僅沒有弱化技術知識的需求,而且增強了知識應用、能力和素質的綜合訓練。在CDIO教學模式中,將工科教育的知識和能力目標細化為每個教學環節都可以觀察和評價的項目。為CDIO教育目標提供了實施要求和指導方針[2]。

熱交換原理與技術對能力培養的要求不夠細化,僅泛泛地描述為：計算能力、分析和解決問題的一般能力以及實驗能力。雖然教師能夠理解能力培養的重要性,但由于教學大綱沒有對能力提出具體的要求,導致教學過程中目標和標準的缺失。因此,課程改革應從修訂教學大綱開始。

在原有的課程大綱內容中增加了個人能力的基本要求。這一新內容提出了一系列可以實現的能力建設目標。包括以下能力：發現和表達問題、建立熱交換模型、定性評價與分析、實施與修正、創造性思維、否定思維、假設建立、文獻索引、實驗研究、自學、表達與交流等。此外,還制定了與個人能力基本要求相對應的30多項細化要求。針對這一細化能力目標,建立有效的教學模式,探索能力培養與精品課程教學過程相結合的途徑。

2 熱交換原理與技術課程改革實踐

為實現熱交換原理與技術課程大綱修訂后的能力培養目標,教師的教學方法和學生的學習方式同時進行了改革。目前的實踐側重于一些在以往教學中被忽視的要求,以下是改進能力建設的方法。

2.1 基于“創造性思維”的教學設計

創新或創造性思維能力通常表現為：提出新理論、進行新發明和新產品開發的能力。顯然,對于仍處于基礎課學習階段的本科生來說,很難做一些創新。CDIO大綱中的創造性思維被定義為：具有概念化和抽象化的能力;綜合性和普遍性的能力;解釋相關技術發明;討論創造性在藝術、科學、人文和技術中的作用。 顯然,在熱交換原理與技術課程教學中,是可以實現CDIO對于創新能力的要求。

2.2 概念化和抽象能力

熱交換原理與技術課程中概念較多,通常的教學方法是直接引入一個概念,然后進行解釋。學生習慣于記住概念并理解它們,學生不太可能有概念形成的意識,這說明對概念形成過程的重視不夠。在當前的教學中,以引導學生通過觀察、思考、提煉等方法建立新的概念,培養學生的概念化能力,取代了直接給出概念的教學方法。如殼程流體流路教學,首先讓學生觀察殼程流體的流動情況,然后將其分析為折流板、縱向隔板的組合,教師引導學生針對問題建立具有本質特征的概念,形成廷克流路的概念。在教學中,教師要讓學生從認識到提出新概念,要求學生關注概念的建立過程,而不僅僅局限于對概念的理解。

2.3 課程內容與相關技術發明的關聯

由于課時有限,過去只能用較少的時間解釋與課程內容相關的技術發明?，F在增加了相關的技術發明介紹。

例如,一項關于水平管噴淋降膜蒸發器的技術發明,蒸發器的設計壓力1.0 MPa,密封嚴密,保證真空度。在蒸發器底部設計排液口,進行蒸發器內部液位控制與工質排放。蒸發器側面設計直徑200 mm的視鏡,觀察降膜蒸發過程。降膜蒸發器壁面散熱量大,所以在外側使用橡塑板進行保溫,蒸發器上部安裝壓力計,測量蒸發器內蒸發壓力。噴淋管位于換熱管上方,有效噴淋長度為1 050 mm,噴淋管下部開孔,以保證有機工質液體能均勻地通過噴淋管以液滴或液柱的形式淋灑在換熱管上,形成沿圓周作降膜流動的液膜。在每個孔口中掛上導流片,長度為8 mm,垂直對準下方的換熱管,液態R245fa有機工質流入噴淋管內,從孔口流出,并順著導流片滴落到換熱管表面。

因此,對技術發明的介紹可以加強學生對課程內容的理解。有助于學生理解加強換熱原理在促進技術創新中的應用。同時,它也將有助于學生了解技術發展的演變和可能性。這對于創新能力的培養是非常重要的。

2.4 基于假設能力訓練的教學設計

通過對比假設結果,能使學生發現問題,進而思考和討論。最后讓學生明白假設的正確性對獲得正確結論起著決定性的作用。

2.5 結合實際,培養工程實踐能力

CDIO教學大綱要求教師不僅要教給學生知識,還要培養學生的實踐能力。不僅要改革課堂教學方法,而且要改革學生的學習方式。對于一個學生來說,學習過程通常包括在課堂上聽課、看書和做課后作業。學習效果主要體現在作業上。熱交換原理與技術的作業主要是模擬,其中給出了模型、原始數據的確定和標準答案。學生只需要運用理論知識來解決這些問題。

CDIO教學大綱列出了構建模型、評估數據、分析假設和偏差來源、估計數量級和范圍、形成建議等具體要求。很明顯,目前的學習方式是有缺陷的,無法實現廣泛的能力培養目標,學生學習主動性明顯不足。在當前的教學改革實踐中,學生可以在分組作業中主動、務實地完成這些實踐課題。例如：①熱水在兩根相同的管內以相同流速流動,管外分別采用空氣和水進行冷卻。經過一段時間后,兩管內產生相同厚度的水垢。試問水垢的產生對采用空冷還是水冷管道的傳熱系數影響較大?為什么?②為強化一臺冷油器的傳熱,有人用提高冷卻水流速的辦法,但發現效果并不顯著,試分析原因。③室內暖氣片為什么只把外表面制成翅片狀?要解答這類問題,學生需要經歷整個解題過程,包括建立模型、確定相關數據、分析結果。

2.6 改革實施效果

新熱交換原理與技術教學大綱對能力培養目標進行了細化。對以往教學中忽視的能力目標進行了新的界定,使培養目標更加全面、具體。在課堂教學中,通過各種教學設計,將能力培養貫穿于知識的傳授過程中。針對能力目標的細化,提出了一些能力訓練方法。這些方法取得了良好的教學效果。在當前的教學實踐中,學生不再僅僅關注知識的獲取過程,更注重能力的鍛煉和提高。師生之間有了更好的互動和交流。有助于實現知識與能力的一體化培養目標。

讓學生通過接觸實物的方式來完成作業,使學生具有更大的知識覆蓋面。而且,這些題目限制條件少,沒有給出任何答案,有效地激發了學生的學習興趣。在問題解決過程中,提高了學生的感性認識,增強了對課程內容的理解。提高了建模、提出假設、獲取信息、評估數據、觀察分析、評價結果、協同工作等能力。在解決問題的整個過程中,學生可以體驗到處理理想計算模型所不能遇到的各種情況。因此,完整的解決過程為學生提供了從多個角度發現、分析和獨立解決問題的機會。同時,學生從錯誤中學到了很多東西。學生普遍認為這是一種很好的學習方式。

從目前課程的CDIO教學改革來看,不僅使學生掌握了課程大綱所列的基本知識,而且培養了學生的多種能力,使能力訓練成為可行的,且避免了模糊的要求。

3 結語

詳細的能力培養大綱對教學模式和教學方法的改革具有指導意義。建議教學改革要注重細節,為學生營造積極的學習環境。實踐性題目能使學生在解決問題的全過程中,增強對知識的理解,增強能力。這些知識和能力將應用于工程問題。這種教學模式不需要減少正常的課時,無需額外的經費支持即可實施。學生可以獲得與知識和經驗相關的背景知識。這正好與CDIO的教育理念相符。教育改革不僅需要先進的教育理念,更需要具體的、可操作的培養目標和方法。本文所提出的模式及其具體的培養目標和方式具有可持續性和多功能性,可為其他課程改革提供借鑒。