本科生科技创新能力培养的实践与思考
王瑜 张淑娟 谈美兰 刘金祥 周斌 李维
摘要：传热学是建筑环境与能源应用工程专业的专业基础课之一。随着新工科建设的推进，传热学教学将承担创新人才培养的任务，课程目标与现行的本科生科创能力培养体系一致。南京工业大学建环专业传热学课程教学引入“五问反思报告”体系，鼓励学生将所学知识及时应用至本科生科技创新训练项目中，并在授课过程中多次引入挑战杯、“互联网+”创新创业大赛等案例讲解传热学基本原理和开展科创项目讨论。此类实践为建环专业传热学教学质量的提升和学生创新能力的培育提供了参考。
关键词：传热学;建筑环境与能源应用工程;科技创新;反思报告;案例教学
中图分类号：G642， TU83 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）02-0097-06
近年来，新兴产业和经济社会获得了快速发展，亟需一批工程实践能力强、创新能力强和具备国际竞争力的高素质复合型人才，这对高校培养专业工程人才模式提了严峻挑战[1]。因此，中国工程教育开始在新工科改革中前进，从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，唱响了新工科建设“三部曲”[2]。
建筑环境与能源应用工程专业[3]
（以下简称“建环”专业）是土木工程专业的重要组成部分，以培养适应现代建筑发展的高级工程技术复合型人才为目标，融合制冷、传热、控制和节能等多领域专业内容，是新工科建设覆盖的专业之一。在新工科建设背景下，传统土木工程专业建设发展更需要以创新能力为核心[4]。程建杰等人[5]指出，在专业中如何调整教学内容，使得培养的学生真正具有设计和调试系统的能力是极其迫切的。
建环专业传热学课程内容主要关注建筑热的过程，涉及的工程问题大多与热量传递有关。传热学是研究热量传递规律的科学，《高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范（2013版）》中指出，传热学与流体力学、工程热力学构成了建筑环境与能源应用工程专业三大主干专业基础课[6]，在培养方案中占据重要地位。因此，传热学课程教学必须紧密结合新工科特征，与时俱进，积极吸收新的教学理念，探索新的教学方法，以促进该专业人才培养体系的转型与提高[7]。
新工科建设本质上是本科生综合能力提升的教学工程，除正常授课之外，本科生可通过大学生创新创业项目的实践提升自身的创新能力，为成为工程复合型人才提供实践储备。大学生创新创业项目的教学目标与新工科背景下传热学教学目标一致，并且传热学作为专业基础课，也为学生实施创新创业计划提供理论储备。因此，二者可实现协调交互式发展。
依据新工科提倡的创新人才培养理念，如何在传热学教学过程中促进学生更好地承担起创新创业项目，提升学生熟练运用相关知识解决实践问题的能力，是传热学教学未来的改革方向之一。本文结合笔者2019—2020学年传热学教学实践，探讨了如何在教学过程中鼓励学生及时将所学知识应用至科创环节，为新工科背景下以创新人才培养为导向的建环专业传热学教学提供了有益的尝试和探索。
一、传热学对本科生科技创新的意义
建環专业本科生科技创新课题主要分为三类：（1）传热设备制造与优化;（2）节能系统设计;（3）净化过滤装置设计。传热设备制造与优化主要集中在换热器、热管和辐射制冷领域;节能系统设计主要涉及建筑墙体、建筑通风、空调系统和人体热舒适;净化过滤装置设计主要涉及厂房、工业建筑和医院建筑的新型空气净化方法研究。2019—2020年，南京工业大学该专业本科生科技创新课题数目如表1所示。
由表1可知，建环专业本科生科创课题主要集中在节能系统类，并辅助以一定数量的传热设备类和净化装置类。对于节能系统类课题，传热学是系统设计和优化的基础，如建筑墙体问题
涉及导热知识，建筑通风问题涉及对流换热知识等。对于传热设备类课题，传热学是解决问题的直接方法和手段。对于净化装置类课题，虽然没有传热设备类和节能系统类两类课题关系密切，但其中的传质内容和对流换热部分的相似理论仍可以为课题提供理论基础和研究思路。加之上文所述，在新工科背景下，二者在人才培养方面的教学目标一致。因此，传热学教学与本科生科技创新能力培养的交叉发展势在必行，在传热学教学过程中引入科创能力培养内容，兼顾正在进行的本科生科创项目，有利于提升学生的独立思考能力和创新能力，促使学生主动寻求学以致用的方法。
二、传热学与本科生科技创新现状分析
（一） 科技创新现状
作为地方高校的南京工业大学具有百年办学历史，是首批入选2011计划的14所高校之一、江苏高水平大学建设全国百强省属高校、教育部首批卓越工程师培养计划试点高校。学校坚持以人才培养为核心，牢牢把握立德树人的根本任务;以新工科建设为引领，全面构建创新创业人才培养体系，着力培养具有中国灵魂、世界胸怀的创新创业人才。
建环专业自2015年以来实施本科生综合能力提升工程，本科四年全程配备导师，以促进学生广泛投入科创活动，同时有效利用教师科研项目和校企协作平台，以提高学生创新创业能力。学生先后获得了挑战杯江苏省一等奖、节能减排竞赛全国一等奖等多项科创竞赛奖励，创新创业能力培养成效显著。该专业本科生科技创新项目一般在大二上学期开始，与目前的传热学课程设置学期相同。
（二）传热学教学现状
传热学是一门来源于生活、应用性极强的课程，它根植于工程领域的实际问题之中，服务于具体的生产和实践。然而，大多数高校建环专业传热学仍采用传统的以教师为主的“单向知识传导”模式，忽视了学生主动学习能力和创新能力的培养，不利于锻炼学生运用传热学基础知识解决实际工程问题的能力[8]，更无法激发学生主动探索知识的欲望。
根据学习成效的SOLO分类法（Structure of Observed Learning Outcomes），预期学习成效分为五个层次（如图1所示）：“前结构”是指错过关键知识点;“单点结构”是指能够简单地按步骤操作的识别、命名、描述和记忆知识点;“多点结构”是指能够结合自身经验抓住主要的列举、罗列相关知识点;“关联结构”是指通过关联相关理论对知识点进行比较、分类和解释，设想知识的应用情景，实现实际运用;“抽象拓展”是指通过反思建立科学假说，能够归纳出新规律、提出新概念。当前学生在传热学学习过程中，对课程知识掌握理解基础上很难理论联系实践，建环专业传热学课程的学习成效，多处于“多点结构”这一层次，较少达到“关联结构”和“抽象拓展”这两个层次。学生普遍采用浅层学习方式，缺乏独立分析和解决实际问题的能力，无法达到深度学习状态。
三、基于本科生科技创新能力培养的教学尝试
为了促使学生达到深度学习状态，需将传热学课程与大学生科创活动融会贯通。2019—2020学年，笔者在建环专业18级本科生传热学教学过程中，开展了两项尝试。第一项是 “五问反思报告”，通过预留思考环节，促使学生主动思考如何运用传热学知识;第二项是引入专业相关科创比赛获奖案例，直接连接教学内容与科创活动，为学生提供知识储备。
（一） 五问反思报告
借鉴南京工业大学张淑娟老师创建的“基于五问反思报告的学业测评方案”，设置了传热学课程的“五问反思报告”。五个问题包括：（1）“我学到了什么知识点”;（2）“学之前我是怎样想的”;（3）“我之前的想法怎么样”;（4）“我应该怎样想”;（5）“我如何才能用上它”。
“学之前我是怎样想的”和“我之前的想法怎么样”，这两个问题使学生了解自身知识的欠缺，产生学习兴趣，促使学生增加感情投入。“我应该怎样想”和“我如何才能用上它”，这两个问题表明了对学生深层认知和思辨的期待，为学生的努力提供了方向，促使学生增加认知投入。对于“我如何才能用上它”，答案要求除了设想应用情景外，还包括对应用知识进行创新，并具体说明创新包括但不限于提出新概念、新理念、新假说等，给学生留足自由发挥的空间。为了能够实现对传热学知识的学以致用，作业中明确“我如何才能用上它”的作答要求，结合了自身科创课题设想知识的应用情景。
在课程进行过程中依托“超星学习通”软件，在课程节点设置了五次反思报告，获得了学生的一致欢迎和好评。学生的回答主要集中在如下两个方面。
（1）对自身学习方法的反思和改进。
在课程节点设置反思报告，有助于学生第一时间对阶段学习状况进行总结，并针对性改进下阶段的学习方法，此部分内容主要集中在回答第3和第4问中。如某次反思报告中，有学生提出“反思报告反映了对近期知识点的总结和知识在实际生活的应用，对每一章节的了解都变得更清晰和真实”，也有学生提出“隐约感受到大学专业课要引领我们当代大学生独立思考，合理利用时间，完善人格的那一份心思”等。
（2）针对科创方向和生活实际案例提出自己的见解。（如图2所示）学生分别针对科创方向和生活实际案例提出了自己的见解，部分学生针对第5问的回答，通过撰写反思报告，部分学生已开始有意识的用传热学知识联系生活实际，如对“冰的融化过程”“泡奶粉的热水快速降温”和“地板热感觉”现象的思考。此外，还有学生进一步将传热学知识和自身科创课题结合起来开展了大量的独立研究，提出了新的课外发明制作思路方案等。
（二）创新大赛案例教学
教学过程中，除了传统的理论分析和公式推导外，还引入了创新大赛相关案例作为案例在课堂上讲述。在案例讲述过程中，通過引入各类创新大赛案例，让学生感受到课程的重要性，理解课程的创新价值。如：在导热部分的授课中，讲到复合平壁导热相关内容时，由于复合平壁导热公式较为复杂，仅凭记忆掌握较为困难，因此引入“双侧相变混凝土砌块外墙对建筑热环境的影响研究” 项目作为案例教学内容，该项目曾获得第九届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖。以此项目进行案例教学，有助于学生理解复合平壁在建筑墙体节能中的应用，强化对各类边界条件下复合平壁导热公式的理解和运用能力。此外，该项目涉及部分相变换热内容，在讲授相变换热内容时还可再次引入，让学生明白相变换热在专业中应用的广泛程度。在讲授专业知识和原理的同时，穿插讲述该项目从研发到立项、从取得成果到获奖的全周期进程，让学生更加深入了解一教师成功的科创项目完成需要做的努力，以达到传授知识与鼓励创新的双重效果。
课程教学中引入正在进行的科创项目，以进一步实现传热学知识与科创项目融会贯通。由于课堂学时有限（58学时），需在课外开设讨论课，以传热学知识点为主干，直接就学生承担的科创项目涉及的课程知识进行讨论。讨论内容还可延伸至项目进行过程中遇到的技术问题，教师重点讲述课题涉及的课程知识，并与学生共同探讨解决方案。此类讨论和思辨过程，利于学生扎实掌握传热学知识点，更利于应用型人才培养目标的实现。目前实施的本科生科创课题一般为先进装备环境控制、辐射制冷和高大空间隧道等涉及国计民生或行业前沿的项目，问题的讨论和解决过程也有助于提升学生的自我满足感和对科创项目的自豪感，有助于科创项目的顺利实施。讨论课围绕学生科创课题中的传热学问题展开，鼓励学生在科创设计中不要拘泥于传统传热方法，多考虑辐射换热和相变换热的应用。
（三）教学方案提炼
在方案实施过程中发现了部分不足，如部分学生对“五问反思报告”的回答流于表面，没有落实到行动，因此，拟建立包含动态评价机制的反思报告体系，通过课堂表现或者单元测试表现来评估学生反思效果，结合撰写报告的实际表现给出评分。同时，讨论课除了讨论科创课题中的传热学问题之外，将增加与反思报告撰写和实践的讨论环节。在案例教学方面，将持续收集专业典型科创案例，建立案例库，整理归类，以便于在授课过程中更有针对性地选择案例开展教学。
后续学年的教学工作中，笔者将继续坚持和持续改进“五问反思报告”和案例教学相结合的方式，进一步构建传热学教学与本科生创新项目之间的纽带关系，实现“一门课，两种收获”。另外，作者负责的另一门专业基础课——工程热力学，目前也在积极筹备将“五问反思报告”和案例教学引入工程热力学授课过程中，以期促使本科生的科技创新项目与专业基础课形成全方位的紧密联系。
四、结语
基于南京工业大学建环专业传热学课程教学，探讨了新工科建设背景下传热学教学与本科生科技创新能力培育的关系，在教学过程中从深度学习能力和自我思考能力提升
两方面连接了本科生科创项目，以期为新时期建环专业创新复合型人才目标的实现提供参考。
新工科背景下，传热学教学与本科生科技创新项目在人才培养方面的目标一致，二者之间的交叉发展势在必行。
当前建环专业传热学课程的学习成效多处于“多点结构”这一层次，学生普遍采用浅层学习方式，缺乏独立分析和解决实际问题的能力。
“五问反思报告”可以促使学生结合自身科创课题设想应用情景，有助于学习向深度状态迁移。
引入过往案例教学和现有科创课题讨论，不仅可以拓展教学内容及深度，深化学生对课程内容的理解，还可以确保科创项目顺利实施。
参考文献：
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复旦大学出版社， 2015.
Cultivation of scientific innovation ability for undergraduates：
Based on teaching
practice of the heat transfer course of building environment and
energy application engineering specialty
WANG Yu， ZHANG Shujuan， TAN Meilan， LIU Jinxiang， ZHOU Bin， LI Wei
（College of Urban Construction， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， P. R. China）
Abstract：
The heat transfer course is one of the professional basic courses in the subject of building environment and energy application engineering specialty. With the promotion of emerging engineering education， the heat transfer course will undertake the task of training innovative talents， which are consistent with the current undergraduate scientific innovation ability training system. In the teaching process of heat transfer course in Nanjing Tech University， the “five-question introspect report” system is introduced to encourage students to apply their knowledge to undergraduate scientific innovation training programs. Meanwhile， the cases in the former challenging cups and “internet plus” innovation and entrepreneurship competition are introduced to explain the basic principles of heat transfer， as well as the discussion on scientific innovation projects. This practice provides a reference for the improvement of teaching quality in heat transfer course and the cultivation of innovative ability of undergraduate students in this subject.
Key words：
heat transfer course; building environment and energy application engineering; scientific innovation; introspect report; case teaching
（責任编辑 崔守奎）
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