基于新工科的“内燃机原理”课程改革与实践
时间：2023-02-09 20:55:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘海峰， 尧命发， 许之兴， 郑尊清
（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室， 天津 300072）
新工科建设是在“卓越计划”基础上提出的一项以“主动布局、设置和建设服务国家战略、满足产业需求、面向未来发展的工程学科与专业，培养造就一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的各类交叉复合型卓越工程科技人才”为主要目标的教育改革行 动[1-2]。新工科作为工程教育改革的最前沿和新方向，具有典型的“头雁效应”，引领和支撑“四新”建设构成高等教育“质量革命”的基本载体和主要内容[3]。推进新工科建设是主动应对新一轮科技革命和产业变革、发展新经济、应对未来战略竞争、推动高等教育改革创新的迫切需要[4]。2017年，教育部启动新工科建设，推动形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。天津大学围绕新工科建设“天大行动六问”，问产业需求建专业、问技术发展改内容、问学生志趣变方法、问学校主体推改革、问内外资源创条件、问国际前沿立标准，积极布局施策，全方位推进新工科建设[5]。
内燃机是汽车、船舶、工程机械、农业机械、坦克/装甲车辆、高速军舰的主导动力，是国民经济和国防建设的“动力心脏”。天津大学“内燃机原理”课程的历史可以追溯到20世纪30年代潘承孝先生在北洋大学开设的《内燃机学》课程。1952年史绍熙教授组建了内燃机专业，使天津大学成为新中国成立后国内最早建立内燃机专业的高校之一。天大内燃机从专业建立之初，就践行高等学校“教学”和“科研”两个中心的实践，在国内率先开展内燃机学科的科学和工程应用研究，建立了内燃机研究室。长期以来，“内燃机原理”课程依托天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室科研优势，在课程讲授过程中始终坚持基础理论知识与学科前沿相结合，以解决国家不同发展时期内燃机技术瓶颈为牵引，形成了一批具有天大特色的“内燃机原理”教学资源。近年来，天津大学“内燃机原理”本科课程实施了系列教学改革措施，在教学环节上注重理论与科研实践有机结合，在实验环节注重虚实结合，实现了课程思政、创新思维与专业知识的有机融合，2019年“内燃机原理”获天津市一流本科建设课程。
“内燃机原理”课程是能源动力工程专业的核心课程。该课程是应用专业基础理论知识，培养创新思维和创新能力，建立专业思维的重要课程，是动力方向的必修课。内燃机是现代工程技术科学发展较快的领域之一，是多学科理论知识的综合应用，“内燃机原理”课程呈现以下3个主要特点。1）综合性：该课程涉及多学科理论知识的综合应用，是能动专业四门核心专业基础课热力学、传热学、流体力学、燃烧学核心知识的综合应用体现。2）前沿性：是现代工程技术科学发展最快的领域之一，涉及低碳和碳中性燃料的应用、先进燃烧理论和燃烧技术的发展，以及发动机—电池—电机混合动力的发展等。3）创新性：提供了丰富的创新性思维训练的案例，体现了知行合一的实践精神、科学发展的辩证法；
是系统性思维、联想性思维、批判与包容性思维锻炼的重要载体。
但在以往的“内燃机原理”课程教学中，往往只是将内燃机视为单纯机电部件进行讲授，缺乏多学科交叉，与当前新一轮内燃机效率提升和双碳目标的产业变革不匹配，与新工科背景下课程建设需求不匹配，同时课程也存在着高阶性、创新性和挑战度不足的问题。
课程基于以往教学中存在的问题，以价值塑造、知识传授和能力培养为目标进行改革。1）价值塑造。在课程教学中，通过内燃机领域的国家重大需求介绍、老一代科学家奋斗精神和家国情怀介绍，以及在内燃机领域重大的原理创新、技术发明介绍，激发学生励志解决内燃机卡脖子技术难题的兴趣和热情，培养爱国主义情怀，践行课程育人、思政育人。2）知识传授。学生能够记忆和理解内燃机原理基础理论知识和基本实验方法，能够应用掌握的基础知识，分析内燃机燃烧过程和性能，并能设计简单的研究实验。3）能力培养。基于课堂讲授、系统的实验环节和实践环节的有机结合，使学生能够综合评价内燃机适用于不同动力源应用场景需求的匹配特性，了解面向未来内燃机所需的技术原理创新方向，并提出创新性见解，从而培养出具有高级思维和综合能力的专业人才。
“内燃机原理”课程体系建设围绕价值塑造、知识传授及能力培养的课程目标，从考核评价、教学内容、教学方法和教学团队4个方面进行了改革，突出课程多学科交叉的特点，进一步提升学生创新实践能力培养以及课程的高阶性、创新性和挑战度。项目改革思路与举措如图1所示。
图1 项目改革思路与举措
1. “内燃机原理”课程考核评价方法
改进课程成绩评定方式，在考试中减少被动学习分数占比，激发学生主动学习的积极性。课程最初考核平时成绩占比10%，期末考试占比90%；
随后增加了平时研讨考核点+实验，合计占比20%，其中实验包括基础实验和虚拟实验，从而使期末考试占比降低到80%。进一步教学改革后，将一些创新研讨升级为高阶创新项目，学生课下准备后围绕特定的项目主题进行汇报，再增加20%的平时成绩占比，期末成绩占比降低到60%。
2. “内燃机原理”课程教学内容
课堂教学中不断优化课程讲授内容，在夯实基础知识的前提下，对传统教学内容进行一定的扬弃，结合内燃机日新月异的技术发展，融入课程思政，将内燃机理论知识和最新科技创新发明相融合，给学生展示从原理到技术创新的脉络以及新工科背景下多学科交叉的魅力。降低教师讲授比例，加入案例式教学，“以学生为主，师生互动”的教学模式有利于提高学生积极性和学习热情，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力[6]。以内燃机诞生以来重大发现和发明所体现的创新性思维和创新要素，设计若干创新课程模块并与学生进行互动讨论、开展创新思维训练和创新能力培养。同时，依托内燃机燃烧学国家重点实验室举办的高层次讲座、学术报告、国际暑期学校等资源，将最新的科技成果融汇到“内燃机原理”课程基础学习中，拓展学生的国际视野。同时，结合基础理论学习，设计高阶创新项目（成绩占比20%），例如让学生提出将传统汽油机和柴油机改为氢气、氨气、天然气等低碳零碳燃料发动机的具体策略和方案，探讨人工智能对内燃机性能的提升及场景应用等当前国家重大需求和国际前沿热点，提升学生运用基础理论知识开展创新设计的能力，通过“学以致用”激发学生的学习兴趣、创新精神，提高挑战度。
3. “内燃机原理”课程教学方法
在教学方法上进一步改变传统的教师注入式教学方式，针对内燃机学科实验性强的特征，通过实验教学提升学生对理论知识的理解和运用能力。而且，为了保证教学效果，采用了每班不到30人的小班授课模式。采用课堂理论教学、操作实验教学、虚拟仿真实验、科研实践，四位一体、互相协同和促进的教学模式。1）课堂理论教学方面，在知识传授的过程中，培养学生的自主学习和探究能力。在课堂教学中，避免填鸭式的知识灌输，加入“探究性留白”，更多将前沿进展、经典案例、高水平论文等科学研究引入到教学过程中，引导学生用已学知识分析问题、解决问题、自主探索，使学生真正参与知识创新的过程，启发创新性思维。教学过程中强调科学观点、科学态度与科学方法，提高学生科学素养。此外，每章教学完成后，由学生自主进行章节总结并课堂展示，使学生在构建知识框架的过程中提高系统思维能力。同时，教师根据学生的各章总结展示，发现其学习过程中的薄弱点，在后续课程中针对其薄弱点和重点难点内容进行深入讲解，从而提高学生的知识理解水平。2）操作实验教学方面，通过真实操作性实验（如内燃机性能参数调整、汽油机速度特性与负荷特性、柴油机喷油参数测试等实验），使学生在课堂所学的知识得到进一步巩固，并在实验操作、实验数据处理和分析过程中，激发学生兴趣，培养其科学素养。3）虚拟仿真实验方面，对于传统实验台架难以开展的实验，如缸内气体流动、燃油喷雾雾化、内燃机缸内燃烧火焰发展、有害排放物的生成演化历程等，通过采用仿真实验的形式，结合学生的兴趣自由选择虚仿的模块来实现。4）科研实践方面，对于学有余力和有浓厚兴趣的学生，引导其加入不同研究团队正在开展的科研工作中，依托在研项目开展研究探索型实验和科研实践活动。综上提出的教学方法结合学生的专业培养要求、认知水平，采用分阶段、分层次、分模块的方式，培养学生创新意识、创新能力和工程应用能力，从而达到人才培养的目标要求。
4.“内燃机原理”课程教学团队
组建一支教学科研相长，年龄结构合理的教学团队。团队成员中既有长江学者、杰出青年基金、优秀青年基金获得者，将最新的前沿理论和技术传授给学生，讲授前沿理论和技术突破体现的创新方法，激发学生创新思维；
又有从教30年以上具有丰富内燃机领域教学经验的教授，可以夯实学生需要掌握的关键知识点和知识体系。在实验板块安排专门老师负责实验教学、虚拟仿真实验，以及科研实践。通过教学团队的组建，从基础知识体系、科技前沿分享、实验实践锻炼不同维度提升了学生的获得感，在不同维度也使学生更好地与团队老师形成了有效互动。
1956年，布卢姆等人提出认知领域的教育目标分类体系[7]，1994年，安德森等人进行了修订，将认知过程分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造6类。在“内燃机原理”的教学中，可相应地分为传授知识、培养工程实践能力和创新能力3个模块。下面通过一个教学设计样例展现布卢姆目标教学法在“内燃机原理”教学中的应用（见图2）。
图2 布卢姆目标教学法在“内燃机原理”教学中的应用
1. 教学设计样例的理论讲解
以示功图和发动机运行特性为例。示功图能定性定量地显示气缸内工作过程的实际情况，广泛应用于发动机燃烧放热和动态过程分析，是研究发动机缸内工作过程和动力性能、经济性能等不可缺少的重要依据。发动机运行特性是指发动机主要的性能指标随转速和负荷工况参数变化的规律，对深入理解和掌握发动机与整车的匹配尤为重要。但从以往的教学过程发现，学生对示功图的应用，以及在汽油机、柴油机特性曲线的分析及对比上仍有困难，因此，示功图和发动机运行特性是“内燃机原理”理论教学中的重点和难点。
在初步理论教学中要求学生会分析不同类型发动机（自然吸气发动机、增压发动机、压燃式和点燃式发动机、二冲程发动机）的示功图。要求学生能复述运行特性（负荷特性、速度特性和万有特性）的含义，会分析其变化规律及原因。进一步在课程中耐心引导，利用典型论文和实验数据等，让学生对实际研究中的数据结果进行分析思考，提升其探索欲望，提高解决问题的能力，在主动思考过程中，加深对知识的理解。
2. 教学设计样例的实验设计
示功图及发动机运行特性的实验设计也是“内燃机原理”教学中的重中之重。该部分课程安排4学时的验证与探究实验，虚实结合的示功图测量与燃烧分析实验和发动机运行特性实验。实验前，学生通过虚拟仿真训练掌握实验室操作规范和实验操作步骤，示功图的测取方法，速度特性、负荷特性、万有特性曲线的制取原理和方法。在实验过程中，以学生为主体，由传统的演示性实验转变为学生自主操作的探究性实验，实验指导教师做好辅助安全工作，鼓励学生积极提出问题，激发学生的学习动力和专业志趣，锻炼其动手能力、合作精神和探究创新精神，进而对发动机实验有更加深刻的认识，为以后的研究工作奠定基础。在实验完成后，要求学生自主完成数据处理分析和撰写实验报告，使学生对基础理论知识有更深刻的理解。
3. 教学设计样例的虚拟仿真
内燃机工作过程中，缸内进行着极其复杂的物理化学过程，包括气流运动、喷雾破碎蒸发、燃油与空气的混合、燃烧反应过程等，影响着燃烧过程和有害物质的生成。然而台架实验只能对燃烧过程进行宏观分析，难以捕捉缸内详细过程。因此，课程团队充分利用内燃机燃烧学国家重点实验室在内燃机燃烧领域的科研优势，将先进的内燃机燃烧测试技术与科研成果转化为虚拟仿真教学资源，开发了具有自主知识产权的内燃机示功图测量、进气流动、燃油喷雾、燃烧过程虚拟仿真实验——内燃动力装置燃烧与热力循环虚拟仿真实验。
该仿真实验包括示功图测量与燃烧分析、缸内气体流动可视化、燃油喷雾混合过程、火花点火发动机燃烧、压缩自燃发动机燃烧、典型有害排放物生成特性与新型燃烧方式认知三层次七模块的实验内容（见图3）。
图3 三层次七模块的虚拟仿真实验内容
4. 教学设计样例的创新探索
以国家和产业需求为驱动，围绕双碳目标、有害污染物控制、高效燃烧等设立高阶创新挑战项目。2020年，我国提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标，这将加快传统产业的转型，低碳技术势必成为我国和全球经济发展的新“发动机”。课程团队以传统汽柴油燃料向零碳燃料（如氨、氢燃料）发展为例，设计创新项目案例。1）教师引导。“内燃机原理”课程最后一章节为“新型燃烧方法及替代燃料发动机”，课堂上教师以常见的汽油均质混合气压燃着火、柴油均质混合气压缩着火、部分预混燃烧、反应控制压燃等燃烧方式及天然气、生物柴油等替代燃料为例，引导学生分析替代燃料应用于发动机的技术方案及优劣之处。2）课下调研。学生课下自主调研总结氨、氢燃料的理化性质特点，鼓励学生独立思考、学以致用，根据所学“内燃机原理”理论知识，分析氨、氢燃料应用于发动机的优势和技术难点，并在课堂上进行展示。3）分组选题。针对氨、氢燃料应用于传统发动机上的技术瓶颈，让学生根据兴趣从氨的稳定着火、氨的未燃NH3-NOx排放、氢气发动机异常燃烧抑制策略、氢气发动机的NOx排放控制方法等方向进行选题并组队，约4～5人一组。让学生调研零碳燃料氨和氢应用于发动机上的燃烧和排放控制技术并提出自己的见解，鼓励学生运用仿真模拟实验进行探索。4）成绩评定。高阶创新项目通过各项目小组的评比竞赛，成绩纳入到课程总评成绩，形成平时作业+实验课程+高阶创新性项目（成绩占比10%+10%+20%）+期末考试（60%）的成绩评价体系。提升学生主动学习能力，鼓励学有余力的同学加入科研团队（附加定性评价），从而把优秀项目延伸为毕业设计以及研究生课题。
通过高阶创新项目的实施，一方面使学生正确全面了解国家战略需求与技术发展趋势、科技发展前沿成果，激发学生的学习动力和专业志趣，立志服务国家战略需求与国防安全。另一方面，研究性、创新性、综合性内容的加入，可以拓展知识体系的宽度和深度，使学生不仅能运用所学知识解决现有问题，还有能力学习新知识、新技术去解决未来发展出现的问题，从而提升学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力。
通过“内燃机原理”课程建设和创新人才培养模式，运用课程思政、个人价值塑造、小班授课与关键知识点的研讨、高阶创新项目等教学环节，使学生的综合素质得到显著提升，提高了学生分析问题与解决问题的能力。实现了技能教学向思维方式引导的转变，使学生学习主动性普遍提高，解决了学生创意思维日益增长与教学内容广度和深度不足的矛盾，学生们更多地参与到科研创新实验中，为高热效率低碳发动机开发等领域贡献智慧，点燃同学们对内燃动力的创新热情。
“内燃机原理”课程建设成果也将服务于内燃机相关高校、企业、科研院所以及整个社会的科普。通过持续的课程建设，使课程在国内能动专业内燃机方向人才培养中发挥引领和示范作用。
致 谢：
感谢天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室李志军教授和王灿博士对本篇论文的贡献。
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