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

杜詩文 宋建軍

[摘 要] “傳輸原理”課程是材料成型及控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于其涉及的數(shù)學(xué)、物理知識多，在教學(xué)過程中存在教師難教，學(xué)生難學(xué)的特點。圍繞工程認證對材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求，在教學(xué)實踐過程中，對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)管理等方面進行了探索。通過教學(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)雜工程問題的能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，達成畢業(yè)要求。

[關(guān)鍵詞] 傳輸原理;畢業(yè)要求;教學(xué)改革

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

[作者簡介] 杜詩文（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集成制造技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 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業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(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)移過程的基本規(guī)律，熟悉傳輸過程的研究方法，使學(xué)生能夠運用基本知識分析材料成型過程中各因素的影響機理。本課程為改進優(yōu)化工藝操作和改進設(shè)備、提高控制和設(shè)計水平打下基礎(chǔ)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認證是國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，推動我校材料成型及控制工程專業(yè)發(fā)展，該專業(yè)申請并通過了工程教育認證。工程教育認證要求，每一門課程都能夠支撐畢業(yè)要求的指標(biāo)點。為了適應(yīng)工程教育專業(yè)認證及“新工科”的建設(shè)，“傳輸原理”課程大綱也不斷調(diào)整，學(xué)時數(shù)從最初的64學(xué)時，縮減為48學(xué)時，最新的教學(xué)大綱縮減為32學(xué)時，學(xué)時數(shù)減少的同時，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)狀及問題分析

“傳輸原理”課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課，理論性強，內(nèi)容多，不易理解，難于記憶。主要課程特點為：三多，即：概念多、公式多、知識點多;三難：理解難、記憶難、應(yīng)用難。這門課總體感覺就是：教師教學(xué)費勁，學(xué)生學(xué)著吃力。目前教學(xué)中存在的主要問題如下。

1.教學(xué)方法有待改進。目前的教學(xué)方法主要采用PPT為主，板書相輔的方法，由于該課程內(nèi)容抽象、知識點煩瑣，單純講授，學(xué)生無法長時間集中注意力，無法調(diào)動學(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。“傳輸原理”課程涉及的數(shù)理知識多，學(xué)習(xí)起來很枯燥。動量傳輸本質(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)中的擴散部分密不可分。課程中所涉及的物理量都是時間和空間的函數(shù)，分析過程中都是針對微分體進行的，所得到的方程為偏微分方程，推導(dǎo)及求解過程都復(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)進度。

3.知識的體驗與應(yīng)用能力缺乏。本課程以課堂講授為主，學(xué)生沒有主動實踐的機會。由于課時減少，課程大綱中并未設(shè)置實驗。另外在教學(xué)計劃設(shè)置上，該課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課，開設(shè)時間在專業(yè)課之前，學(xué)生對專業(yè)知識掌握較少，導(dǎo)致學(xué)生對與本專業(yè)相關(guān)的知識應(yīng)用能力差。

三、教學(xué)改革實踐

1.對比分析法在課程中的應(yīng)用。針對理論性強，大量的公式推導(dǎo)等問題，深入方程本質(zhì)，深入理解其物理意義，采用對比方法強化學(xué)生理解和記憶。比如理想流體的動量傳輸方程歐拉方程和實際流體的動量傳輸方程納維爾-斯托克斯方程。動量傳輸方程推導(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際流體，必須考慮由于黏性力作用帶來的力學(xué)效應(yīng)。每個公式推導(dǎo)的前提決定了其適用的范圍。同樣的對比可用于后續(xù)的伯努利方程（實際流體的能量方程與理想流體的能量方程）。課堂講授的過程中，注重講解公式推導(dǎo)的依據(jù)、思路、方法;關(guān)鍵放在對于公式中每一個物理量的理解，盡量簡化公式的數(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。

2.類比分析法在課程中的應(yīng)用。針對公式多，難于記憶的特點，對于公式采用類比分析法。如采用歐拉法描述流場空間的物理量時，每一個物理量都是位置及時間的函數(shù)，那么，對空間物理量的求導(dǎo)，會比較復(fù)雜。在直角坐標(biāo)系中，x、y、z都是量綱為L，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等性。由此對應(yīng)的方程也必然具有對等性。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比得到。只需將對應(yīng)的物理量的坐標(biāo)進行互換即可。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)中的電阻概念相類比，引入熱阻的概念，深入理解導(dǎo)熱的驅(qū)動力與阻力，方便公式的記憶與理解。

3.實例分析法在課程中的應(yīng)用。上課時，注重理論聯(lián)系實際，結(jié)合現(xiàn)實生活中有趣的生活實例，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)實驗。動量傳輸中涉及了大量的流體力學(xué)基礎(chǔ)實驗，如雷諾實驗、伯努利實驗、文丘里流量計校核實驗等。盡管無法實際操作，但在課上可以采用多媒體給學(xué)生演示一下實驗原理和實驗過程。對于平板二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱這種推導(dǎo)過程相當(dāng)復(fù)雜的問題，采用模擬軟件，演示其模擬過程，弱化學(xué)生對于煩瑣公式的推導(dǎo)。

平時注意收集專業(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)有機統(tǒng)一起來。如在講授一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第一類邊界條件（即表面溫度是常數(shù)）的問題時，結(jié)合高強度板熱沖壓模具的設(shè)計，詳細講解問題的簡化及理論求解。熱沖壓模具，其作用是使板料在模具中成形及冷卻，達到對成形件強化處理的方法。在沖壓完成之后，要通過埋在模具中的冷卻水管進行及時的冷卻。這類問題可處理為表面溫度為常數(shù)的一維非穩(wěn)態(tài)問題，冷卻水管距離模具表面的位置即為規(guī)定時間內(nèi)，工件熱量剛剛傳導(dǎo)到的平面。簡化分析之后，可以求出水管位置的理論解。對于一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，第三類邊界條件（已知周圍介質(zhì)溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)），以鋼板在加熱爐內(nèi)加熱為例，相同的問題，課本求解得到的理論解與模擬軟件得到的解相對比，強化理解?？蒲信c教學(xué)相長，即豐富了教學(xué)內(nèi)容，加強了教學(xué)內(nèi)容的前沿性;同時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)生解決實際工程問題的能力。

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、重點突出等特點。利用思維導(dǎo)圖，建立強大的基礎(chǔ)理論體系，梳理課程的知識點。每一章課程結(jié)束后，列出一個知識框架，把該章的知識點用樹形圖展開，方便學(xué)生梳理知識點，構(gòu)建完善的知識體系。

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，更加注重對于基礎(chǔ)理論及其物理本質(zhì)的理解。對于涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容，以大作業(yè)的形式，強化學(xué)生的工程應(yīng)用能力，弱化公式的理論推導(dǎo)過程。采用軟件模擬，以小組為單元提交作業(yè)。最終成績評定為：期末考試成績+平時成績+大作業(yè)成績。平時作業(yè)圍繞課后習(xí)題，檢驗學(xué)生對于基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)知識的掌握能力。期末考試卷以考查學(xué)生對于“三傳”基本理論及應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決工程問題的能力。

參考文獻

[1]中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會.工程教育認證標(biāo)準（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.