基于卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的《傳輸原理》課程改革

起華榮　曹建春

摘要：為了適應(yīng)“卓越工程師計(jì)劃”的要求，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)工程教育的理性回歸，本文以《傳輸原理》課程教學(xué)改革為例，提出理論教學(xué)+數(shù)值模擬的教改思路，使教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)、直觀，同時(shí)增加學(xué)生動(dòng)手參與機(jī)會(huì)，能夠提高教學(xué)效果和學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師計(jì)劃；傳輸原理；數(shù)值模擬；課程改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）06-0087-02

《傳輸原理》是本科材料工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)的新增專業(yè)基礎(chǔ)課，特點(diǎn)是概念多、公式雜、理論推導(dǎo)繁復(fù)?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”[1]要求高等教育遵循“適度指導(dǎo)”[2]原則，不再是“滿堂灌”，要“實(shí)踐+引導(dǎo)”，讓學(xué)生在動(dòng)手中學(xué)習(xí)、思考、掌握知識(shí)。老課程面臨新問(wèn)題，如何改，往哪里改，這些探索對(duì)中國(guó)高校工程教育的理性回歸具有重要意義和深刻的影響。

一、傳輸原理課程現(xiàn)狀

昆明理工大學(xué)材料學(xué)院自2011年開(kāi)始了材料科學(xué)與工程專業(yè)的卓越工程師教育改革[3]，在材料工程基礎(chǔ)、材料熱處理等課程中都進(jìn)行了教學(xué)改革，大幅度減少了理論教學(xué)課時(shí)，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。材料工程基礎(chǔ)理論教學(xué)由原來(lái)的128學(xué)時(shí)減少為108學(xué)時(shí)，增加了20個(gè)學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程，將定向凝固、真空鍍膜、鎂合金熔煉等實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。但傳輸原理課程由于內(nèi)容涵蓋面廣，公式、定理眾多，理論教學(xué)任務(wù)重，所以一直都只能以滿黑板的理論公式推導(dǎo)作為主要授課方式，由于實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、費(fèi)用限制等因素，很難為傳輸原理課程建立學(xué)以致用的專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

二、教學(xué)改革的內(nèi)容

（一）教學(xué)大綱的修訂

為了提高學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，學(xué)校對(duì)傳輸原理教學(xué)體系進(jìn)行了改革，在保證正常教學(xué)課時(shí)的基礎(chǔ)上，壓縮理論教學(xué)，增加數(shù)值模擬實(shí)訓(xùn)課時(shí)。首先對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了修訂，傳輸課程理論講授課時(shí)由原來(lái)的48學(xué)時(shí)減少為32學(xué)時(shí)，增加16學(xué)時(shí)的數(shù)值模擬課程。課堂教學(xué)只負(fù)責(zé)把傳熱、傳質(zhì)、流體運(yùn)動(dòng)的基本原理、基本公式、基本概念講清楚，而一些典型的傳輸過(guò)程則以工程實(shí)例的方式，采用ANSYS平臺(tái)下的Fluent模擬軟件來(lái)演示和講解，教會(huì)學(xué)生Fluent建模、前處理、參數(shù)賦值、結(jié)果分析等基本技巧，同時(shí)將型鋼熱軋加熱爐傳熱模型、真空負(fù)壓鑄造充型過(guò)程、旋風(fēng)除塵器收塵原理、真空擴(kuò)散焊界面區(qū)域組織演變等以教學(xué)實(shí)例的方式發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自己運(yùn)行計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算，自主改變相關(guān)參數(shù)，獲得不同結(jié)果，使學(xué)生具備綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)分析的技能，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際地分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)根據(jù)具體要求，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

（二）教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改變

為了適應(yīng)教學(xué)課時(shí)減少的情況，學(xué)校在新的教學(xué)內(nèi)容中增加了熱處理過(guò)程中三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型及計(jì)算，圓管中的固液兩相流，熱交換器中的繞流及熱交換，銅、鉛金屬界面的熱擴(kuò)散過(guò)程等內(nèi)容的講授，減少了高維傳輸過(guò)程理論推導(dǎo)及講授。在原有的教學(xué)中，原理、定理、公式講得多，缺乏聯(lián)系材料科學(xué)與工程實(shí)際的工藝分析，特別是缺乏結(jié)合圖像、視頻、曲線、表格的具體過(guò)程分析展示，使得課程內(nèi)容枯燥、晦澀難懂，為了解決這些問(wèn)題，教師將成熟的數(shù)值模擬技術(shù)引入課程教學(xué)過(guò)程中，既解決了實(shí)踐教學(xué)方面實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、安全、組織聯(lián)系等方面的限制，又讓學(xué)生掌握了傳輸原理的三個(gè)典型過(guò)程：傳熱、傳質(zhì)、流體運(yùn)動(dòng)的物理本質(zhì)，并能夠通過(guò)自行改變模型參數(shù)，更加深刻地感受傳輸過(guò)程的奇妙及各參數(shù)對(duì)傳輸過(guò)程的作用效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）加強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力

“授人以魚(yú)，不如授人以漁”[4，5]，通過(guò)傳輸原理教給學(xué)生的應(yīng)該是一個(gè)可以網(wǎng)到“魚(yú)”的“漁”，而不是網(wǎng)住自己的“漁”。所以課程改革決定打破原有封閉的教學(xué)體系，設(shè)計(jì)成一個(gè)兩頭開(kāi)放的體系，向老師開(kāi)放，讓老師可以不斷豐富教學(xué)內(nèi)容。向?qū)W生開(kāi)放，讓學(xué)生可以自主控制傳輸過(guò)程，加深對(duì)知識(shí)的理解，從而提高解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。結(jié)合數(shù)值模擬之后，傳輸原理給學(xué)生提供的不再是枯燥的原理、公式，而是活生生的流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)，這對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力有重要的意義。一個(gè)模型建好后，學(xué)生可以通過(guò)改變溫度邊界條件，改變材料形狀、材質(zhì)、尺寸直觀地看到溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、流場(chǎng)的變化，這樣的變化按照以往的理論解法，需要漫長(zhǎng)的求解和近似處理，而且極易出錯(cuò)，結(jié)果抽象，而借助數(shù)值模擬技術(shù)，瞬間就可以獲得所需要的結(jié)果畫(huà)面，可以動(dòng)態(tài)再現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)變化過(guò)程，這對(duì)學(xué)生自主開(kāi)展科學(xué)研究提供了便利，為學(xué)生結(jié)合不同材料、不同工藝，進(jìn)行各種創(chuàng)新性研究提供了條件。

（四）完善講義及課件建設(shè)

為了提高傳輸原理的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)校將傳輸原理的教案理論部分壓縮，在教學(xué)日歷上安排專門的軟件學(xué)習(xí)時(shí)間，修改教學(xué)大綱，將ANSYS平臺(tái)的Fluent軟件實(shí)習(xí)列為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)同等的位置，編寫(xiě)相應(yīng)的上機(jī)操作講義內(nèi)容、作業(yè)要求及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。將傳輸原理的典型傳輸過(guò)程建立數(shù)值模型，將計(jì)算結(jié)果填充到講義中。以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，建立型鋼熱軋加熱爐傳熱、真空負(fù)壓鑄造充型過(guò)程、旋風(fēng)除塵器收塵原理、真空擴(kuò)散焊界面區(qū)域組織演變等典型計(jì)算模型，讓學(xué)生通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，自主改變計(jì)算結(jié)果，并能夠?qū)φ照n本知識(shí)對(duì)不同結(jié)果給出合理的解釋。

（五）加強(qiáng)工程師進(jìn)課堂活動(dòng)

教會(huì)小鷹飛翔的當(dāng)然還得是老鷹。要培養(yǎng)卓越的工程師，離不開(kāi)來(lái)自企業(yè)界的現(xiàn)任工程師們的幫助。為此，學(xué)校從昆鋼、云銅、云鋁等大型國(guó)有企業(yè)邀請(qǐng)來(lái)了熱能工程師、鑄造工程師、熱處理工程師，他們有著豐富的工作經(jīng)歷和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，既熟悉傳統(tǒng)的工藝和技術(shù)，又在實(shí)踐中應(yīng)用了新技術(shù)和新設(shè)備，將企業(yè)實(shí)踐中遇到的典型問(wèn)題與傳輸原理的基本理論相結(jié)合[6]進(jìn)行講解，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力有著顯著的作用。

（六）考核方式的改革

目前采取的考核方式為“平時(shí)成績(jī)30%+卷面成績(jī)70%”的方式，缺少對(duì)實(shí)踐能力的考核，無(wú)法判斷學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程之后具備的解決實(shí)際問(wèn)題的能力及水平。將數(shù)值模擬作為實(shí)訓(xùn)內(nèi)容引入課堂教學(xué)之后，需加強(qiáng)卓越班的實(shí)踐能力考核。一方面，理論考試部分增加復(fù)雜工程問(wèn)題的考核；另一方面，將平時(shí)成績(jī)分出20%，用于考核學(xué)生完成指定的數(shù)值模擬作業(yè)，并根據(jù)模擬結(jié)果創(chuàng)造性地提出自己的解決方案，根據(jù)模型建立情況、計(jì)算結(jié)果分析的合理性，給予綜合評(píng)分，制定實(shí)訓(xùn)部分成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)。

三、結(jié)語(yǔ)

傳輸原理課程教學(xué)改革的創(chuàng)新之處在于在教學(xué)內(nèi)容上壓縮了煩瑣的公式推導(dǎo)、理論計(jì)算，引入了當(dāng)前應(yīng)用廣泛且成熟可靠的數(shù)值模擬技術(shù)，做到老師易上，學(xué)生易懂，切實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，取得了良好的效果，符合國(guó)家“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的要求。

參考文獻(xiàn)：

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