三維動畫在“食品工程原理”理論教學中的應用

張樂道，劉云宏，任廣躍，段 續(xù)，樊金玲，于慧春

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽 471023）

教師的教學和學生的學習是教學過程2個關鍵要素。學生的學習過程是教學的核心，可以使學生掌握知識、培養(yǎng)能力、開發(fā)潛質(zhì)、體驗學習的樂趣[1]。在教學過程中，要樹立“以學生為中心”的理念，充分調(diào)動學生的積極性，使他們成為主體，要為學生留出足夠的時間和空間，使得學生主動參與教學過程[2]。

“食品工程原理”是食品科學與工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎課之一，主要講授流體流動、傳熱、蒸發(fā)、干燥等食品企業(yè)常用的單元操作機理及設備，是一門理論性和實踐性結合緊密的課程。學生學習時需要具有良好的物理化學、高等數(shù)學等基礎并能綜合理解、運用這些知識的能力[3-6]。該課程難度較大，學生接受重點、難點內(nèi)容吃力、不透徹，導致讓學生運用工程知識解決實際問題的教學目標難以達成。

三維模型顯示的物體可以是現(xiàn)實世界的實體，也可以是虛構的物體。任何物理自然界存在的物體和人為設想的概念都可以用三維模型表示。將三維模型運用到抽象概念多、難點多的“食品工程原理”課程當中，正迎合了2012年3月教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[7]提出的推動信息技術與高等教育深度融合的要求。

如能有效提高學生的學習興趣，則能有效培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，必將有利于提高學生的綜合能力和實踐能力，有利于OBE（Outcome Based Education）[8]教學目標的達成，并為提升課程建設和深化教育教學改革提供強有力的支持。筆者多年來從事食品工程原理課程教學工作，對如何能有效提高學生的學習興趣進行了制作三維模型的嘗試，旨在促進教學質(zhì)量和教學水平的提高。

1 抽象內(nèi)容適宜通過三維動畫展示

抽象內(nèi)容通過教師在課堂上的講解很難達到學生理解的效果。如連續(xù)介質(zhì)理論，它是流體流動與輸送部分的基礎概念，需要讓學生理解大量的做無序隨機運動的分子構成了流體，分子之間有一定的間隙，如常壓常溫下的氣體，分子間的距離約為3.3×10-9m，是不連續(xù)的，物理性質(zhì)和運動參數(shù)也不是連續(xù)分布的。此時引入一種處理方法，即引入流體微團的概念，以其尺度遠小于流體的宏觀尺度，而又遠大于分子平均自由程的流體微團作為考察對象，則可認為流體是由大量的彼此間無間隙的流體質(zhì)點組成，流體質(zhì)點連續(xù)布滿整個流體空間，從而流體是由連續(xù)的流體微團構成，流體的物理性質(zhì)和運動參數(shù)是連續(xù)分布的，這就是連續(xù)介質(zhì)假定。

在這里要讓學生理解常溫常壓下氣體的分子自由程與流動尺度的比值，是較小的（小于10-3），連續(xù)介質(zhì)理論適用。若稀薄氣體（分子自由程大），或者流動尺度很小的情況，分子自由程與流動尺度比值較大（大于10-3），則連續(xù)介質(zhì)理論不再適用。推理出如下結論：連續(xù)介質(zhì)假定對絕大多數(shù)流體都適用，但是當流動體系的特征尺寸與分子自由程相當時，如微孔中高真空稀薄氣體的流動，連續(xù)介質(zhì)即受到限制而不能應用。

由于學生上課之前沒有接觸過流動尺度的概念，不清楚流動尺度指的是什么，整個理論聽下來難以理解，只記得結論。若將整個理論以三維動畫的形式展示，通過三維動畫說明流體本來的不連續(xù)性，引入微團結構近似看作連續(xù)，把分子自由程和流動尺度等概念形象的顯示，則學生必然會對這個抽象而重要的理論有深刻的認識，能夠獨自推理適用或者不適用連續(xù)介質(zhì)理論的情況。

2 重點難點內(nèi)容的工程應用背景與三維動畫相結合

若忽略對學生工程觀點的培養(yǎng)，必然導致學生工作之后工程意識淡薄、創(chuàng)新能力不足[3]?？茖W的發(fā)掘重點、難點內(nèi)容的工程應用背景，將這些背景與三維動畫相結合，加深學生對動畫所述重點、難點內(nèi)容的理解，還能培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。發(fā)掘重點、難點內(nèi)容的工程應用背景對教師的工程應用能力要求非常高，不僅專業(yè)要精深，還要引導學生發(fā)現(xiàn)目前工程中存在的問題，并由這些問題引出了一些重點、難點問題，工程師解決重點、難點問題的思路。與三維動畫相結合，最終做到“授之以漁”的工程教學目標。

3 重點內(nèi)容適宜通過三維動畫展示

“食品工程原理”的課程特點注定其中的重點內(nèi)容晦澀難懂，學生往往聽得一頭霧水，需要依靠大量的習題才能深入理解重點內(nèi)容。如流體流動的質(zhì)量衡算和能量衡算部分中的能量衡算，通過能量衡算推導出伯努利方程。其中，能量衡算晦澀難懂，伯努利方程的應用注意事項有很多，使得學生很難在課堂上消化吸收。若將這個過程以三維動畫的形式展現(xiàn)，以視覺沖擊的方式讓學生更直觀地看到進入系統(tǒng)的能量、流出系統(tǒng)的能量，穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能量守恒，得出等式。學生必然對得出的等式記憶深刻、理解到位。等式當中的項在什么情況下舍去，以三維動畫的形式直觀表現(xiàn)出來，可以幫助學生深入理解方程式當中的各項。

4 引導學生用批判性思維看待動畫

批判性思維是一種人生態(tài)度，一種思維傾向。任何觀點或思想都可以而且應該受到質(zhì)疑和批判；任何觀點或思想都應該通過理性的論證來為自身辯護；在理性和邏輯面前，任何人或任何思想都沒有對于質(zhì)疑、批判的豁免權?！鞍岩磺兴蜕侠碇堑姆ㄍァ笔桥行运季S的基本主張和口號。

“食品工程原理”是一門與工程實踐緊密相關的課程，其中的很多知識點都是針對具體工程問題而出現(xiàn)的。例如，對流傳熱中冷凝部分，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)大，而工程設計都是按膜狀冷凝進行計算的原因，在總傳熱動畫中沒有體現(xiàn)冷凝方式，提醒學生動畫中沒有展現(xiàn)的內(nèi)容，培養(yǎng)學生的批判性思維，引導學生深入掌握知識點，提高學生的工程能力。

5 結語

提高學生學習興趣是提高教學質(zhì)量和教學水平的關鍵。根據(jù)“食品工程原理”課程特點，結合作者多年來的教學經(jīng)驗，探討了通過三維動畫提高“食品工程原理”理論教學過程中學生學習興趣的方法。目前，雖然應用該方法取得了較好的教學效果，但在今后的教學中仍需繼續(xù)改進、不斷完善，使教學質(zhì)量更上一層樓。