以畢業(yè)要求為導(dǎo)向的“傳輸原理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

杜詩(shī)文 宋建軍

[摘 要] “傳輸原理”課程是材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，由于其涉及的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)多，在教學(xué)過(guò)程中存在教師難教，學(xué)生難學(xué)的特點(diǎn)。圍繞工程認(rèn)證對(duì)材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)管理等方面進(jìn)行了探索。通過(guò)教學(xué)改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，多渠道培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，達(dá)成畢業(yè)要求。

[關(guān)鍵詞] 傳輸原理;畢業(yè)要求;教學(xué)改革

[教改項(xiàng)目] 2019年度太原科技大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目“基于逆解與正解相結(jié)合的大學(xué)生培養(yǎng)方式研究”（JG201924）

[作者簡(jiǎn)介] 杜詩(shī)文（1975—），女，山西晉中人，工學(xué)博士，太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事材料加工先進(jìn)集成制造技術(shù)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）29-0157-02 ? ?[收稿日期] 2019-09-25

一、引言

“傳輸原理”是我校材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握物質(zhì)體系內(nèi)描述其物理量從不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的基本規(guī)律，熟悉傳輸過(guò)程的研究方法，使學(xué)生能夠運(yùn)用基本知識(shí)分析材料成型過(guò)程中各因素的影響機(jī)理。本課程為改進(jìn)優(yōu)化工藝操作和改進(jìn)設(shè)備、提高控制和設(shè)計(jì)水平打下基礎(chǔ)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度[1]。為適應(yīng)工程教育新形勢(shì)，推動(dòng)我校材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)發(fā)展，該專(zhuān)業(yè)申請(qǐng)并通過(guò)了工程教育認(rèn)證。工程教育認(rèn)證要求，每一門(mén)課程都能夠支撐畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)。為了適應(yīng)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證及“新工科”的建設(shè)，“傳輸原理”課程大綱也不斷調(diào)整，學(xué)時(shí)數(shù)從最初的64學(xué)時(shí)，縮減為48學(xué)時(shí)，最新的教學(xué)大綱縮減為32學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)數(shù)減少的同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容卻并未減少很多[2]。目前大多數(shù)高校的“傳輸原理”課程都面臨著學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多的困境，亟待改革教學(xué)方法，提高教學(xué)效率。

二、教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

“傳輸原理”課程作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論課，理論性強(qiáng)，內(nèi)容多，不易理解，難于記憶。主要課程特點(diǎn)為：三多，即：概念多、公式多、知識(shí)點(diǎn)多;三難：理解難、記憶難、應(yīng)用難。這門(mén)課總體感覺(jué)就是：教師教學(xué)費(fèi)勁，學(xué)生學(xué)著吃力。目前教學(xué)中存在的主要問(wèn)題如下。

1.教學(xué)方法有待改進(jìn)。目前的教學(xué)方法主要采用PPT為主，板書(shū)相輔的方法，由于該課程內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)煩瑣，單純講授，學(xué)生無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中注意力，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不好。

2.多學(xué)科交叉，理論性強(qiáng)。“傳輸原理”課程涉及的數(shù)理知識(shí)多，學(xué)習(xí)起來(lái)很枯燥。動(dòng)量傳輸本質(zhì)上是流體力學(xué)范疇;熱量傳輸屬于物理學(xué)中熱學(xué)范疇;而質(zhì)量傳輸和材料科學(xué)基礎(chǔ)中的擴(kuò)散部分密不可分。課程中所涉及的物理量都是時(shí)間和空間的函數(shù)，分析過(guò)程中都是針對(duì)微分體進(jìn)行的，所得到的方程為偏微分方程，推導(dǎo)及求解過(guò)程都復(fù)雜。如果學(xué)生前期的高等數(shù)學(xué)及大學(xué)物理基礎(chǔ)不好，極易產(chǎn)生理解困難，難以跟上教學(xué)進(jìn)度。

3.知識(shí)的體驗(yàn)與應(yīng)用能力缺乏。本課程以課堂講授為主，學(xué)生沒(méi)有主動(dòng)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。由于課時(shí)減少，課程大綱中并未設(shè)置實(shí)驗(yàn)。另外在教學(xué)計(jì)劃設(shè)置上，該課程作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，開(kāi)設(shè)時(shí)間在專(zhuān)業(yè)課之前，學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)掌握較少，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)的知識(shí)應(yīng)用能力差。

三、教學(xué)改革實(shí)踐

1.對(duì)比分析法在課程中的應(yīng)用。針對(duì)理論性強(qiáng)，大量的公式推導(dǎo)等問(wèn)題，深入方程本質(zhì)，深入理解其物理意義，采用對(duì)比方法強(qiáng)化學(xué)生理解和記憶。比如理想流體的動(dòng)量傳輸方程歐拉方程和實(shí)際流體的動(dòng)量傳輸方程納維爾-斯托克斯方程。動(dòng)量傳輸方程推導(dǎo)的依據(jù)是牛頓第二定律，所以從物理本質(zhì)上講，兩個(gè)方程都是本質(zhì)上都是力的平衡方程。方程的區(qū)別在于納維爾-斯托克斯方程適用于實(shí)際流體，必須考慮由于黏性力作用帶來(lái)的力學(xué)效應(yīng)。每個(gè)公式推導(dǎo)的前提決定了其適用的范圍。同樣的對(duì)比可用于后續(xù)的伯努利方程（實(shí)際流體的能量方程與理想流體的能量方程）。課堂講授的過(guò)程中，注重講解公式推導(dǎo)的依據(jù)、思路、方法;關(guān)鍵放在對(duì)于公式中每一個(gè)物理量的理解，盡量簡(jiǎn)化公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，把握公式的內(nèi)涵和本質(zhì)，綜合應(yīng)用量綱分析，化繁為簡(jiǎn)。

2.類(lèi)比分析法在課程中的應(yīng)用。針對(duì)公式多，難于記憶的特點(diǎn)，對(duì)于公式采用類(lèi)比分析法。如采用歐拉法描述流場(chǎng)空間的物理量時(shí)，每一個(gè)物理量都是位置及時(shí)間的函數(shù)，那么，對(duì)空間物理量的求導(dǎo)，會(huì)比較復(fù)雜。在直角坐標(biāo)系中，x、y、z都是量綱為L(zhǎng)，坐標(biāo)線為直線且相互正交的坐標(biāo)量，他們相互之間具有對(duì)等性。由此對(duì)應(yīng)的方程也必然具有對(duì)等性。由于坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸的標(biāo)注是可以互換的，那么在x方向的加速度方程已知的情況下，y方向的方程自然可以類(lèi)比得到。只需將對(duì)應(yīng)的物理量的坐標(biāo)進(jìn)行互換即可。導(dǎo)熱中，關(guān)于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱需要掌握單層平壁、多層平壁、圓筒壁和球壁的導(dǎo)熱。與電學(xué)中的電阻概念相類(lèi)比，引入熱阻的概念，深入理解導(dǎo)熱的驅(qū)動(dòng)力與阻力，方便公式的記憶與理解。

3.實(shí)例分析法在課程中的應(yīng)用。上課時(shí)，注重理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中有趣的生活實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。還可采用多媒體課件，演示一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。動(dòng)量傳輸中涉及了大量的流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如雷諾實(shí)驗(yàn)、伯努利實(shí)驗(yàn)、文丘里流量計(jì)校核實(shí)驗(yàn)等。盡管無(wú)法實(shí)際操作，但在課上可以采用多媒體給學(xué)生演示一下實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。對(duì)于平板二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱這種推導(dǎo)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，采用模擬軟件，演示其模擬過(guò)程，弱化學(xué)生對(duì)于煩瑣公式的推導(dǎo)。

平時(shí)注意收集專(zhuān)業(yè)相關(guān)應(yīng)用，將科研成果融入教學(xué)中，使科研與教學(xué)有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)。如在講授一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第一類(lèi)邊界條件（即表面溫度是常數(shù)）的問(wèn)題時(shí)，結(jié)合高強(qiáng)度板熱沖壓模具的設(shè)計(jì)，詳細(xì)講解問(wèn)題的簡(jiǎn)化及理論求解。熱沖壓模具，其作用是使板料在模具中成形及冷卻，達(dá)到對(duì)成形件強(qiáng)化處理的方法。在沖壓完成之后，要通過(guò)埋在模具中的冷卻水管進(jìn)行及時(shí)的冷卻。這類(lèi)問(wèn)題可處理為表面溫度為常數(shù)的一維非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，冷卻水管距離模具表面的位置即為規(guī)定時(shí)間內(nèi)，工件熱量剛剛傳導(dǎo)到的平面。簡(jiǎn)化分析之后，可以求出水管位置的理論解。對(duì)于一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，第三類(lèi)邊界條件（已知周?chē)橘|(zhì)溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)），以鋼板在加熱爐內(nèi)加熱為例，相同的問(wèn)題，課本求解得到的理論解與模擬軟件得到的解相對(duì)比，強(qiáng)化理解。科研與教學(xué)相長(zhǎng)，即豐富了教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的前沿性;同時(shí)也真正做到了深入淺出，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

4.思維導(dǎo)圖在課程中的應(yīng)用。思維導(dǎo)圖是一種可視化的思維工具，具有層次感強(qiáng)、重點(diǎn)突出等特點(diǎn)。利用思維導(dǎo)圖，建立強(qiáng)大的基礎(chǔ)理論體系，梳理課程的知識(shí)點(diǎn)。每一章課程結(jié)束后，列出一個(gè)知識(shí)框架，把該章的知識(shí)點(diǎn)用樹(shù)形圖展開(kāi)，方便學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建完善的知識(shí)體系。

5.課程考核方式改革。課程考核方式上，減少學(xué)生背、記的內(nèi)容，更加注重對(duì)于基礎(chǔ)理論及其物理本質(zhì)的理解。對(duì)于涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容，以大作業(yè)的形式，強(qiáng)化學(xué)生的工程應(yīng)用能力，弱化公式的理論推導(dǎo)過(guò)程。采用軟件模擬，以小組為單元提交作業(yè)。最終成績(jī)?cè)u(píng)定為：期末考試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)+大作業(yè)成績(jī)。平時(shí)作業(yè)圍繞課后習(xí)題，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)知識(shí)的掌握能力。期末考試卷以考查學(xué)生對(duì)于“三傳”基本理論及應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2017年11月修訂）[S].2017：1.

[2]左海濱.《冶金傳輸原理》教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].教育教學(xué)論壇，2016（50）：87-89.