流體力學的發(fā)展范文
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篇1
關鍵詞:流體力學;教學改革;探討
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A
流體力學是一門研究流體運動基本規(guī)律以及流體與物體之間的相互作用力的學科,它作為一門嚴密的且應用面很廣的專業(yè)基礎學科,是以數學、物理學為基礎發(fā)展起來的,也是土木、機械、動力、水利、環(huán)境等學科的一門技術基礎課程。改革開放以來,雖然各院校在該課程教學實踐中都積累了豐富的經驗并取得了不少成果,但是在該課程建設中仍存在著許多問題。論文結合教學現(xiàn)狀,從學生興趣培養(yǎng)、教學方法改革以及師資隊伍建設三方面探討提高流體力學教學水平的方法。
一、 流體力學教學現(xiàn)狀
流體力學是一門主要研究流體平衡和運動規(guī)律及其實際應用的技術科學,具有理論性強、工程實際應用廣、概念和方程較多且易混淆、對學生高等數學知識及綜合分析和處理問題能力要求較高等特點。流體力學建立在理論、計算、實驗三大技術手段之上,是化工、土木、機械等眾多學科或專業(yè)的基礎學科。另外,流體力學在環(huán)境工程設計和實際工程中也有著廣泛的應用,是水處理設備設計與應用的必備知識,以及生態(tài)分析的重要理論基礎。同時,流體力學是環(huán)境工程與其他學科體系溝通的橋梁,這個橋梁作用是其他基礎課或專業(yè)課無法替代的,直接影響到環(huán)境工程學科體系的完善性。因此,提高流體力學課教學質量,使學生學好本門課程,培養(yǎng)學生分析問題的能力和創(chuàng)新能力,對流體力學課程教學進行改革以適應學科發(fā)展顯得十分必要。
目前國內院校的流體力學課程教學過程大體可歸納為“課前預習、課堂教師講授、實驗室實驗、課后教師評閱”的四段串行模式。實踐證明,這種傳統(tǒng)的教學模式在強化理論教學成果以及動手能力的培養(yǎng)方面效果比較顯著,然而在創(chuàng)新意識培養(yǎng)方面卻收效甚微。原因在于:①理論教學中注重經驗理論與公式的講解,而公式多且乏味,導致教師難教,學生難懂,課堂教學缺乏生動性。另外,本科流體力學理論教學模式多為填鴨式教育,對學生而言,流體力學課缺少客觀體驗,理論抽象,不易理解,而由此帶來了一系列的問題是現(xiàn)在流體力學課程教學的主要障礙;②目前,大部分院校的流體力學實驗教學多采用傳統(tǒng)驗證性實驗,每一學生進行的實驗完全相同,教師由實驗報告的數據評定實驗成績。雖然實驗有利于增進學生對理論知識的理解,但此手段不能激發(fā)學生的積極性,無法體現(xiàn)學生的主體性,也不能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性[1]。由于實驗教學內容多數為驗證性實驗,在按既定的理論知識和實驗方案實踐的過程中,學生所得到的主要是從理論知識到實踐成果的收獲,而教師的作用主要是理論知識的傳授,具體實驗的演示、引導與糾錯,甚至有時會耳提面命,因此學生作為學習主體的創(chuàng)造性很難有機會得到展示。
因此,采用一種有效的教學方法進行流體力學理論和實驗教學的改革,激發(fā)學生的學習積極性和主動性,以提高流體力學課程教學質量,并對相關專業(yè)產生積極的影響,從而促進學生創(chuàng)新性的培養(yǎng)非常有必要。
二、 培養(yǎng)學生對邏輯思維的興趣
學生對任何概念和公式的形成、理解有一個過程,而在流體力學中,這些概念、公式又較為抽象,要求學生具備較強的邏輯思維能力,因此,根據學生掌握知識的快慢,耐心引導學生進行邏輯思維,培養(yǎng)學生對邏輯思維的興趣,使他們產生對邏輯推理的愛好,就成為教學中的關鍵。例如,流體力學中的三大方程――連續(xù)性方程、動量方程和能量方程需通過輸運公式逐步推導而來,如此的教學安排便使知識較為系統(tǒng)、連貫、緊湊,并有利于認識各個方程的物理意義。而輸運公式的推導由于邏輯性較強,講授時就需要花費較多的學時和精力來理清邏輯思路,理解每一步推導中的物理含義和數學要領,使學生對輸運公式有一個清晰準確地理解。最后,將輸運公式中的物理量換成質量、動量、能量即可得出連續(xù)性方程、動量方程和能量方程,如此便形成了較為完整的邏輯演繹體系。此種方式不僅使理論教學更加清晰明了,而且會使學生對將要學習的知識接受產生極大興趣,具有更加強烈的探索感和求知欲。
三、 教學方法探討
教學方法作為聯(lián)結教師和學生的重要紐帶,在提高教學質量方面起著重要的保證作用。為了更好地適應學科發(fā)展要求,工科“流體力學”課程方法的改革勢在必行,作者結合自身多年的教學經驗,針對該課程特點,認為應該在以下幾個方面進行課程教學方法改革。
(1)重視緒論課的作用
部分教師認為緒論課僅是對流體力學的簡單介紹,作用不大,所以對緒論的授課過程照本宣科、枯燥無味。其實緒論課對整個教學活動的成功與否起了至關重要的作用,它不僅是學生了解流體力學課程的窗口,也是教師教學水平的第一次展示。
講授緒論課的較好方法是介紹流體力學的成就、發(fā)展方向、廣闊前景及其在國民經濟中的重要作用等。教師要注重講解流體力學知識在工程中的應用,特別是教師自己承擔的科研項目,以展示流體力學在科學和工程技術中所取得的輝煌成就[2]。例如,通過介紹流體力學理論在“神舟號”系列飛船上的廣泛應用,使學生明白流體力學這門相對古老的學科還具有旺盛的生命力;通過介紹美國華盛頓州的塔科馬懸索橋在1940年秋天的大風中倒塌的例子,說明在實際工程中忽視流體力學會造成巨大的災難[3]。另外,流體力學的發(fā)展史對于激勵學生的學習熱情也有著非常重要的作用。在上課的同時,要善于借助互聯(lián)網,及時的將一些重要理論的發(fā)展過程、重要研究成果展現(xiàn)在學生的面前[4]。
(2)從實例中引出教學內容
流體力學雖有概念多、邏輯性強、理論上較難理解的特點,但卻與生活和生產實際密切相關。在具體教學內容的講解過程中,穿插一些生活中的現(xiàn)象,并結合課本中的理論“雙管齊下”,利用學生求趣、求新、求知的心理,引導學生學習并掌握教學內容。例如,在講流體粘性時,比較水的粘性和油的粘性;在講流體靜力學知識時,可講一些水庫垮壩事件,主要是設計時有缺陷和施工存在著質量問題,不能承受水對壁面的靜壓力。另外,還可以進行一些相關事例的延伸,如是否建設三峽工程時流體力學專家的爭論,通過分析得到的建設三峽工程必要性的結論等,使學生切實體會到學好流體力學的重要性[5]。利用這些鮮活的事例,使課堂教學更生動、更有意義。
(3)師生互動,培養(yǎng)良好學風
調動學生主動的學習,培養(yǎng)學生良好的學風,提高學生綜合素質,是加強流體力學教學效果的重要條件。作者在每次講課后都會對本次課程的內容進行總結,然后下次課隨機抽取部分學生回顧上次課的內容,并讓其他學生作出補充和建議。在課堂上,多為學生提供隨堂練習的機會,師生互相之間進行探討和思考,針對練習中的問題講解做題思路和方法,給予糾正和補充。這種授課模式充分調動了學生的主觀能動性,課堂氣氛活躍,有利于拓寬學生的思維深度,查漏補缺。學風對于任何一門課程教學的成功與否都起到了非常關鍵的作用,所以從第一堂課、第一次作業(yè)就要嚴格要求學生,對作業(yè)的批改做到一絲不茍,指出其作業(yè)中的各種問題并要求其修改。例如,要求學生對作業(yè)中的每道題,在解答時必須寫出已知、求解,并畫出相應圖示,這些小細節(jié)可以幫助學生以簡明的方式加深理解題意,取得了較好的效果。
(4)重視實驗教學
流體力學按研究方法可以分為理論流體力學、實驗流體力學和計算流體力學。實驗流體力學是理論流體力學發(fā)展的基礎,是計算流體力學的檢驗依據。因此,實驗教學在流體力學教學中有著極其重要的地位。流體力學中的公式繁多,難以記憶,難以理解,通過實驗可以加強學生對公式的感性認識,有助于學生深刻理解公式和概念的物理意義。例如,在講解伯努利方程意義的時候,單從公式上講解并不形象,通過能量方程實驗,可以使學生非常直觀的理解伯努利方程中每一項對應的意義。對于沒有開的實驗課,通過在網絡上收集照片、視頻等展示給學生,也可提高學生對理論知識的理解[6]。
(5)傳統(tǒng)教學方式和多媒體技術互補
過去,流體力學課程在教學手段上采用板書教學,這種方式能夠在教師的書寫和同步的講解中促進學生的積極思維與參與意識,但對教學內容中比較抽象的概念、復雜的流動現(xiàn)象和流動規(guī)律,很難用語言和文字準確、形象地描述。多媒體教學最大的優(yōu)點是形象、生動、具體、直觀、易于理解且信息量大,但也有不能突出推導過程和思維、學生對知識的掌握比較膚淺的一些弊端。將傳統(tǒng)教學方法和多媒體技術綜合應用于教學過程是一種很好的方法,在講授偏重于推導過程的內容時采用傳統(tǒng)授課方式,而講授直觀形象的內容時采用多媒體教學方法,做到取長補短、優(yōu)化組合,會獲得較好的教學效果[7]。
四、師資隊伍的建設
為適應素質教育的需要,教師不僅要掌握先進的教學手段,而且要努力研究實施素質教育的教學方法。在實際教學過程中,要靈活應用各種教學方法,并且要善于歸納總結教學經驗,虛心向有經驗的教師請教,同時要高度重視學生的反饋信息,不斷調整自己的教學思路,只有這樣才能逐步提高自己的教學水平。社會發(fā)展對教師的自身素質提出了更高的要求,教師要明確教學水平的提高和發(fā)展是一個畢生的過程,教師應該不斷開闊視野,更新知識體系,才能形成對流體力學更深層次的理解和認識。
五、 結論
論文結合流體力學教學現(xiàn)狀,從學生興趣培養(yǎng)、教學方法改革及師資隊伍建設三方面論述的教學方法,將教與學有機結合起來,使枯燥的流體力學課堂變得生動活潑,多方面激發(fā)學生的主動性、積極性及創(chuàng)造性。將上述方法運用于教學實踐后發(fā)現(xiàn),該方法能夠有效的提高流體力學課程的教學效果。
參考文獻
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篇2
關鍵詞 應用型大學 流體力學 教學改 革CFD
應用型教育是以培養(yǎng)知識和能力全面發(fā)展,面向生產實踐一線的應用型人才為目標的高等教育。流體力學作為我校理論與應用力學專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課,非常廣泛地應用在實際工程中,如管道水力計算以及城市管網設計等。流體力學基本概念多、公式復雜、內容抽象,有較強理論性和較強工程實際意義。然而作者在多年的流體力學教學過程中發(fā)現(xiàn)學生普遍感覺該課程比較枯燥難學,學習積極性不高,期末考試及格率較低,應用性不。因此,在我校向“應用型特色科技大學”轉型的大背景下,如何適應“應用型本科教育”的要求,是流體力學教學及實踐中必須面對的問題。
1目前,我校流體力學課程教學存在的問題
(1)教材內容設計偏重理論推導。目前我校使用的流體力學教材主要強調課程的完整性和系統(tǒng)性,偏重于理論推導,選用的例題和練習題的設計過于理想化,與實際應用相脫離,應用性設計不夠突出,偏重于介紹流體力學可以解決工程問題這一點,造成學生剛接觸工程問題時就手足無措,這與應用型大學的培養(yǎng)要求不相適應。
(2)課堂教學效果不好。作者在流體力學課堂教學中發(fā)現(xiàn),通過緒論課的大量工程實例以及視頻教學能調動學生學習的積極性,開學初期,教學效果相對較好,而隨著課程的進行、課程難度的加深,學生的學習積極性越來越低。主要原因有:①學生對流體力學涉及的高等數學、理論力學等課程的知識掌握不盡如意;②流體力學理論性較強,公式推導多,與實際應用相脫節(jié)。
(3)缺乏計算流體力學仿真軟件實踐教學。計算流體力學(CFD)技術作為一種數值模擬方法,在實際工程中的應用越來越廣泛,借助CFD技術,可以得到流動細節(jié),如速度、壓力、能量損失、湍動量、漩渦等,從而在產品結構設計和優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。這就要求技術人員掌握流體力學分析、數值模擬及優(yōu)化設計的能力。而現(xiàn)階段我校的流體力學教學中并未引入CFD技術,僅安排了一次課來介紹計算流體力學的內容,且完全進行理論教學,學生學了一大堆理論公式,但拿到實際工程問題卻無從下手。
2教學目標和內容設計
針對上述問題,作者在結合本?!皯眯吞厣萍即髮W”的發(fā)展方向下對流體力學課程課堂教學方式及實踐環(huán)節(jié)進行改革。從課程教學內容,教學方式方法,實踐環(huán)節(jié)等方面進行設計,解決學生學習興趣低,課堂教學效果較差,理論與應用相脫離的問題。同時,通過借助CFD豐富教學內容,增強實用性,使學生會用仿真軟件求解工程問題。具體改革內容:
2.1突出應用性教學
以培養(yǎng)應用型人才為教學目標,結合流體力學的課程特點,將教學內容分為基礎理論教學部分和考慮應用的專題教學部分。
基礎理論教學內容包括流體力學基本概念、基本原理和基本方程,這是應用的基礎,要求學生重點掌握。授課過程中強調對基本概念的理解和基本理論的應用,而弱化對方程的數學推導,但應明確方程的意義、適用條件以及如何應用方程解決實際問題。專題教學以實際工程問題為切入點,例如以均質液體對平壁和曲壁的總壓力為例,從為什么對平壁和曲壁總壓力進行計算(壓力容器,水壩,潛艇等結構安全),引申出相關知識點(平壁和曲壁總壓力的大小、作用點、壓力體等)和基本理論(流體靜力學基本方程、歐拉平衡方程等),以此加強學生解決實際工程問題的能力。
2.2課堂教學方法設計具有針對性
課堂教學方法也是影響教學效果的重要因素。傳統(tǒng)教學方法以教師主講為主,缺乏與學生的有效互動和交流,教學效果較差。本課程采用師生互動的方式進行教學,對理論教學部分采用教師主講和提問、學生回答的方式;對專題教學的課后練習,集中安排一次課進行分組上講臺匯報,學生自己當評委,自己打分,鍛煉學生主動思考和動手能力,增強對課程應用性的理解。同時,采用多媒體授課,圖片和視頻能形象直觀地表現(xiàn)文字和語言不能描述的現(xiàn)象,如雷諾實驗、卡門渦街等。在成績的構成上除課后作業(yè)和專題匯報外,還布置一個課外小任務一觀察生活中的流體力學,例如空調掛機安裝位置問題,讓學生發(fā)現(xiàn)生活中的流體力學現(xiàn)象,并結合課堂所學理論知識進行分析,增強學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。
2.3將CFD技術引入課堂教學
在理論教學和專題教學完成后將CFD技術應用于教學之中,做到數值仿真計算與理論推導相結合,增強流體力學的應用性。
(1)授課時對流體力學商用數值仿真軟件Fluent的操作步驟做簡要介紹,結合我校的數值仿真中心,完成代表性例題的數值分析計算,將數值仿真結果與理論解進行對比。
(2)將工程實際問題引入流體力學教學,提高學生面對具體問題的實際操作能力。每學期邀請兩位具有豐富工程實際問題經驗的校外人員來校給學生做一次報告,向學生介紹其建立工程問題的簡化模型和簡化過程,以及采用Fluent求解過程和結果,讓學生學會面對工程問題時準確建立力學模型的能力,同時開闊學生的視野,提高學習積極性。
3主要特色
(1)突出實用性。在流體力學課程教育中調整教學內容,添加CFD技術的實踐,同時邀請經驗豐富的校外人員進課堂,為學生講解企業(yè)中的實際問題,教會學生學以致用,學生通過課程教學掌握該工具之后能更好地跟進企業(yè)工作并提高就業(yè)質量。(2)主次明確。強調實用性的同時,也不完全放棄對公式推導能力的教學,采取理論聯(lián)與工程實際相結合的方式,在提高學習主動性的同時,增強對基礎理論的認知。
篇3
關鍵詞:計算流體力學;求解;基本原理;化學工程;應用
化學工程在我國具有較長的研究與應用歷程,并在實際的生產與生活中取得到巨大的應用成效,不僅能夠供給正常的生活需求,同時根據新材料的開發(fā),能夠滿足現(xiàn)代型環(huán)保材料的使用。在化學工程中,較多的反映環(huán)境和反應機制都是在溶液中進行的,具有質量守恒和熱量守恒定律的應用。而這種質量與能量的關系正是計算流體力學的主要原理。通過對實際應用環(huán)境和原理的分析,能夠優(yōu)化工程設計和工藝改進,提高化學工程的生產效率。
1計算流體力學在化學工程中的基本原理
計算流體力學簡稱CFD,是通過數值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內的動量、熱量、質量方程等流動主控方程,從而發(fā)現(xiàn)化工領域中各種流體的流動現(xiàn)象和規(guī)律,其主要以化學方程式中的動量守恒定律、能量守恒定律及質量守恒方程為基礎。一般情況下,計算流體力學的數值計算方法主要包括數值差分法、數值有限元法及數值有限體積法,其也是一門多門學科交叉的科目,計算流體力學不僅要掌握流體力學的知識,也要掌握計算幾何學和數值分析等學科知識,其涉及面廣。針對計算流體力學的真實模擬,其主要目的是對流體流動進行預測,以獲得流體流動的信息,從而有效控制化工領域中的流體流動。隨著信息技術的發(fā)展,市場上也出現(xiàn)了計算流體力學軟件,其具有對流場進行分析、計算、預測的功能,計算流體力學軟件操作簡單,界面直觀形象,有利于化學工程師對流體進行準確的計算。
2計算流體力學砸你化學工程中的實際應用
2.1在攪拌中的應用分析
在攪拌的化學反應中,反映介質之間的流動性比較復雜,依據傳統(tǒng)的計算形式根本無法解決,并在化學試劑在攪拌中存在不均勻擴散的特點,在湍流的形式中能量的分布狀況也存在著空間特點。若是依據實驗手段測得反映中物質、能量和質量的變化規(guī)律,其得出的結構往往存在較差時效性,實驗騙差加大。通過對二維計算流體力學的應用,能夠對攪拌中流體的形式進行模擬,并進行質量、能量等數據的驗證。但是流體的變化,不僅與化學試劑的濃度、減半速度有關,還與時間、容器的形狀等有著之間的聯(lián)系,需要建立三維空間模擬形式進行計算流行力學。隨著科學技術和研究水平的提高,在通過借助多普勒激光測速儀后,已經對三維計算形式有了較大的突破,這對于化工工程中原料的有效應用和工程成本的減低具有促進的作用,但是在三維計算流體力學中還存在一定的缺陷,需要在今后的研究中不斷的完善。
2.2CFD在化學工程換熱器中的應用分析
換熱器是化學工程中主要的應用設備,通過管式等換熱器、板式換熱器、冷卻塔和再沸器等的應用,能夠有效的控制化學試劑在反應中的溫度變化。其中根據換熱器的形式不同,計算流體力學的方式也就不同。在管式換熱器中主要是通過流體湍流速度的改變,增加換熱速率的。在板式換熱器中是通過加大流體的接觸面積,提高換熱效率的。而在冷卻塔和再沸器中,熱量交換的形式更為復雜,但是卻群在重復性換熱的特點,增加了換熱的時間,提高了換熱的效果。從總體上分析,計算流量力學中,需要對溫度變化、流體的速度變化、熱交換面積變化和時間變化進行分析。通過CFD計算流體力學的應用,能夠計算出不同設備的熱交換效果,并根據生產的實際需求進行換熱器的選擇使用。
2.3在精餾塔中的應用
CFD已成為研究精餾塔內氣液兩相流動和傳質的重要工具,通過CFD模擬可獲得塔內氣液兩相微觀的流動狀況。在板式塔板上的氣液傳質方面,Vi-tankar等應用低雷諾數的k-ε模型對鼓泡塔反應器的持液量和速度分布進行了模擬,在塔氣相負荷、塔徑、塔高和氣液系統(tǒng)的參數大范圍變化的情況下,模擬結果和現(xiàn)實的數據能夠較好的吻合。Vivek等以歐拉-歐拉方法為基礎,充分考慮了塔壁對塔內流體的影響,用CFD商用軟件FLUENT模擬計算了矩形鼓泡塔內氣液相的分散性能,以及氣泡數量、大小和氣相速度之間的關系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一種用塔內典型微型單元(REU)的流體力學性質來預測整塔的流體力學性質的方法,對每一個單元用FLUENT進行了模擬計算,發(fā)現(xiàn)塔內的主要能量損失來自于填料內的流體噴濺和流體與塔壁之間的碰撞,且用此方法預測了整塔的壓降。Larachi等發(fā)現(xiàn)流體在REU的能量損失(包括流體在填料層與層之間碰撞、與填料壁的碰撞引起的能量損失等)以及流體返混現(xiàn)象是影響填料效率的主要因素,而它們都和填料的幾何性質相關,因此用CFD模擬計算了單相流在幾種形狀不同的填料中流動產生的壓降,為改進填料提供了理論依據。CFD模擬精餾塔內流體流動也存在一些不足,如CFD模擬規(guī)整填料塔內流體流動的結果與實驗值還有一定的偏差。這是由于對于許多問題所應用的數學模型還不夠精確,還需要加強流體力學的理論分析和實驗研究。
2.4CFD在化學反應工程中的應用研究
在化學反應工程中,反應物和生成物的化學反應速率與反應器、溫度和壓力等有著較大的聯(lián)系,在實際的反應中可以利用計算流體力學進行數據的獲取。但是這數據的獲取具有一定的溫度限制,當反應中溫度過大,就會造成分子的劇烈運動,其運動軌跡的變化規(guī)律就會異常,在利用計算流體力學的模型計算中,計算數據與實際情況會發(fā)生較大的偏差。由于高溫中分子的運動軌跡和運動速度難以獲取,在計算流體力學的實際計算中,就要借助FLUENT進行三維建型,并利用測速反應器進行速度的測量,通過綜合的比較分析,利用限元法進行數據的計算。可以得出不同環(huán)境下的反應器的流線、反應器內部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟件預測反應器的速度、溫度及壓力場,可以更進一步理解化學反應工程中的聚合過程,詳細、準確的數據可以優(yōu)化化學反應中的操作參數。
結束語
計算流體力學對于化學工程的應用具有實際意義,并在經濟效益的提高上具有重要的價值,在近幾年,化學工程技術人員不斷的計算流體力學中展開研究,以二維空間計算和模擬為基礎,不斷的完善三維空間的流量計算,并得出了一系列的流體流動規(guī)律。根據計算流體力學在化學工程中的廣泛應用,在今后的化學工程發(fā)展中,應加強此類學科的教學與延伸,提供出更有效的反應設備和工藝操作。
參考文獻
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篇4
關鍵詞:工程流體力學;教學研究;改革探索
作者簡介:李小川(1976-),男,河南焦作人,揚州大學能源與動力工程學院,講師;田萌(1977-),女,陜西安康人,揚州大學能源與動力工程學院,講師。(江蘇?揚州?225127)
中圖分類號:G642.0?????文獻標識碼:A?????文章編號:1007-0079(2012)23-0047-01
“工程流體力學”課程在能源動力類工科專業(yè)中占有非常重要的地位,主要研究流體(液體和氣體)的平衡、運動規(guī)律及其實際工程應用的技術科學,是力學的一個重要的分支學科。通過本課程流體力學的基本概念和基本原理的學習,學生掌握分析和解決本專業(yè)中涉及流體力學問題的能力,為后續(xù)專業(yè)課程學習奠定基礎,然而當前的教學效果并不理想。自然界和人類生活中,以及工農業(yè)生產的各行各業(yè)中均廣泛存在流體流動現(xiàn)象,但是由于缺乏對生活的觀察,學生很難做到對課本講授內容形成直觀映像。此外,自然界中的流動現(xiàn)象往往包含多種流動方式,在理論分析與公式推導中涉及許多復雜的數學理論與方法,經驗公式多,且不易理解記憶,給學生的學習帶來很大困難,導致教師難教、學生難學,實踐與應用起來更是難上加難,教學效果不理想,教學目的難以實現(xiàn)。還對后續(xù)專業(yè)課的學習造成很大影響,進而影響本科教學的整體質量。因此,“工程流體力學”教學改革勢在必行。
一、“工程流體力學”教學調查研究
“工程流體力學”課程通常是開設于熱能動力工程專業(yè)二年級階段。對揚州大學的學生的問卷調查顯示,多數學生對“工程流體力學”課程的評價是“難學”。為何會有這樣的評價,通過分析發(fā)現(xiàn),存在幾個方面的原因。
1.研究對象比較抽象
“工程流體力學”課程本身研究對象是流體,沒有一定的形狀和具有流動性,這是流體區(qū)別于固體的本質特征。這一特征決定了流體力學研究理論比較抽象、經驗公式繁多且推導過程復雜不易理解、易混淆,進而導致了本課程教師難教、學生難學,教學效果不夠理想。因此,能否將前面學習過的對“固體”平衡和運動物理規(guī)律的分析方法通過比擬的方式移植到“流體”上,并使其形成正向的學習遷移是學生能否很快的掌握本門課程學習方法、學好本課程的一個很重要的方面。[1]
2.教師與學生
“教學”包括“教”與“學”兩個方面的內容,忽視任何一個方面都有可能造成教學效果的不理想。理論課教學是工程流體力學課程教學的主要方面,是進行實驗指導和應用于工程實踐的基礎。某些任課教師為了自己的方便省事,教材和教學內容仍然是多年前的老教材,對現(xiàn)階段流體力學的發(fā)展方向和研究成果,以及本學科的最新科技前沿理論及工程應用進展不能做到及時更新,教學內容與實際應用嚴重脫節(jié)。
教學方法單一呆板,無法吸引學生的興趣。經??吹竭@樣一種現(xiàn)象:教師在講臺上只顧著自己滔滔不絕地講,忽視了課堂教學的互動性和學生的主觀能動性,學生了無興趣的在座位上睡覺、開小差、玩手機,基本上是教師在向學生單方面地傳授知識,這樣的教學效果是很低的。[2]
本專業(yè)本科生新的培養(yǎng)方案中課程設置有這樣一個特點:課程增加,課時壓縮,總學分保持不變。“工程流體力學”課程理論課學時從64壓縮到48學時,在教學內容總量不變的情況下,每堂課教授的內容,即學生需要接受的信息量就大大增加了,嚴重增加了學生的負擔?!案≡辍笔钱敶芏啻髮W生所普遍具有的心理特征,導致的直接結果是學生自制力差、怕吃苦,上課前不預習、課后不認真復習、作業(yè)普遍抄襲。
二、教學改革的目標
圍繞當前“工程流體力學”課程教學中存在的問題,以提高課程教學質量、實現(xiàn)教學目標為目的,進行了如下方面的改革:改變教育理念,以課程改革與教學適應新時代的要求為目的;加強教學方法與教學手段的改革,提高“教”的質量;加強課程的應用性,解決基礎理論課程的知識教育、應用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng),全面提升學生的綜合素質;加強課程教學評價與考核體系改革,引入全程教學評價與考核機制。[3]
三、“工程流體力學”教學改革探索
從上面的分析可知,“工程流體力學”課程教學效果不理想存在很多方面的原因,因此,教學改革也要同時從多方面入手才可以起到事半功倍的效果。以下是筆者在揚州大學熱能與動力工程專業(yè)本科生課程教學中進行的探索與嘗試,取得了較好的效果。
1.教學方法的探索與實踐
篇5
關鍵詞:流體力學 教學改革 教學方法
中圖分類號:G641 文獻標識碼:A 文章編號:1003-9082(2013)12-0220-01
一、重視“緒論”課
在正式緒論課之前,先以“引子”的方式引入流體力學的概念,并列舉生活中存在的流體力學現(xiàn)象,例如球類運動,運輸行業(yè),長距離體育項目激發(fā)學生對流體力學的興趣,并強調流體力學存在于自身身邊,并不是高深的學問,打消學生對學習困難的顧慮。
再列舉流體力學在專業(yè)中的應用,例如水力學中的管道、渠道等,空氣動力學中的氣象污染擴散、室內通風等,強調流體力學對于專業(yè)來說是一門重要的專業(yè)基礎課,在流體力學課程的基礎上架設的多門專業(yè)課如《化工原理》、《水污染控制工程》、《大氣污染控制工程》均需要流體力學課程相關理論的支撐,使學生知曉學好流體力學課程的重要性與必要性。
之后再少量列舉專業(yè)外流體力學的應用,如水力發(fā)電、火力發(fā)電、心腦血管疾病、石油的開采和運輸、航空航天、給排水等向學生傳達學好流體力學不僅可以在本專業(yè)有所發(fā)展,還可以向相關專業(yè)進行滲透,進一步激發(fā)學生學習的興趣。
二、教學手段的改革
1.利用輔助教學手段,將抽象教學轉換為形象教學
1.1針對流體力學課程制作助教型和助學型兩套多媒體輔助教學軟件。利用目前國際上比較前沿的軟件Fluent(在美國的市場占有率為60%。凡跟流體,熱傳遞及化學反應等有關的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能,在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。其在石油天然氣工業(yè)上的應用包括:燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等)、Flash、虛擬現(xiàn)實、錄像等手段針對流體力學課程制作助教型和助學型兩套多媒體輔助教學軟件。
1.2充分利用助學型教學軟件,使授課系統(tǒng)化。授課前先將流體力學助學型教學軟件下發(fā)至每一位學生,要求部分內容自學,部分內容課堂討論、部分內容自行設計、搭建模型并求解,充分解決傳統(tǒng)講授部分學時占用過大,大部分的學時均被教師用來課堂推導、計算、分析、總結,沒有充分調動學生的積極性和主動性的缺點。并將一些涉及到科技前沿應用的知識點、和日常生活非常接近的知識點以及涉及到的相似相近內容體現(xiàn)在助學型教學軟件中,增加學生對課程學習的興趣。
1.3充分利用助學型教學軟件,加強學生實踐環(huán)節(jié)訓練。流體力學實驗不僅涉及到經典的流體力學模型建立、計算、求解、驗證還包括可以將各種模型相互組合,組合后驗證經典流體力學經典公式、模型在新模型建立及求解過程中的應用。在助學型多媒體課件軟件中,設計各種經典流體力學實驗環(huán)節(jié),規(guī)定學生在課余時間自己動手在虛擬的助學型教學軟件中進行實驗環(huán)節(jié),達到使學生鍛煉動手動腦能力的目的。另外,還可利用助學型課件軟件中的典型模型組合功能,在課余輔導中,讓學生自己動手建立模型。
1.4充分利用助教型教學軟件,使教學不再枯燥乏味。在流體力學教學過程中,經常會遇到簡單口述和簡單二維圖片無法闡述清楚的內容,在教學過程中輔助老師的講授進行演示,不僅可以減少教師的無謂勞動也可以增強學生對這些知識點的理解。
2.增加習題課比例,注重實踐性習題
之前的教學過程中只是對課后習題中出錯率較高的習題進行課堂專門講解,但經過一段時間的教學探索,發(fā)現(xiàn)這樣的方式對學生的學習積極性并沒有起到大的促進和改善,因此將課堂教學時間的一部分專門開設為習題課,選擇有實踐性甚至是直接從實踐環(huán)節(jié)總結出的習題,習題給出后,并不由教師直接講授解題思路與方法,而是選擇學生上講臺,一邊解題一邊向大家介紹自己的解題思路,在解題的過程中有的學生就能夠發(fā)現(xiàn)自己考慮的不周全的地方,或者下一位學生就能夠指出上一位學生的出錯點,這樣全班學生的思想都被調動起來進行思考,題目也在大家的討論中得到了正確的解答,學生對于這個知識點的掌握也就更加清楚明了。這樣的做法雖然會壓縮理論課教學時間,但是學生對于相應概念、公式、理論的理解卻更加深入。讓學生真正成為課程學習的主體,達到“教”與“學”的同步。
三、考核方式的改革
傳統(tǒng)教學模式中,考試卷子可謂“分量最重”,學生對該門課程的掌握程度完全憑借一張試卷中的十幾道試題體現(xiàn),在題目的設置、試卷的審閱、批改過程中難免會遇到平時課堂表現(xiàn)不錯但實際考分卻并不理想的學生,因此,筆者將《流體力學》課程考核方式設定為40%平時成績+60%考試成績組成,平時成績由課堂隨機提問、習題課習題完成情況、作業(yè)成績、課堂出勤率共同組成,強調在隨機提問與習題課中,只要積極回答問題就會得到相應的加分,鼓勵學生積極參與課堂討論??荚囋嚲硪灿稍鹊闹匾曈嬎泐}和應用題轉為多種題型增強多種形式的考核,從多方面考查學生對知識的掌握程度。
也可以通過開卷或大作業(yè)形式考核學生靈活運用基本理論分析問題、解決問題的能力,題型可為一些綜合性的計算題和分析題,如:簡單管網的計算、簡單管網系統(tǒng)運行工況的分析等,分值可計算入平時成績并在平時成績中占60%~70%的比例。
總之,改革課程考核內容是“流體力學”教學綜合改革的又一項重要內容。必須多能力、全方位地考核學生,全面反映學生掌握該課程基本知識的程度和綜合運用能力,動手能力。
四、結語
《流體力學》是面向應用型工程技術人才的課程,教師在教學時要注重教學理念的轉變,不斷進行教學方法的改革,使學生全面學習和掌握知識,進一步提高“工程流體力學”課程的教學水平。
參考文獻
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篇6
Abstract: Hydromechanics is a course combining theory with practice and has abstract concept. The traditional teaching method is difficult to achieve good teaching effect. Based on the practice and exploration in the teaching process of Hydromechanics, this paper proposes some suggestions and measures for the teaching reform.
關鍵詞:流體力學;過程裝備與控制;教學改革
Key words: Hydromechanics;process equipment and control;teaching reform
0 引言
《流體力學》課程主要描述自然環(huán)境中的流體運動的一般規(guī)律及特定條件下流動機理。其內容涉及基本概念的理解、公式推導、計算方法等。考慮到大二學生尚未接觸實際工程問題,因此教學雙方對流體力學的學習過程均存在困惑。本文針對流體力學課程的特點及教學過程中遇見的問題,對《流體力學》教學改革進行相關探索,總結教學過程中積累的經驗,提出相應改進方案。
1 合理運用現(xiàn)代化教學手段與技術
首先,以《流體力學》教材中所采用的大量流場圖片為例,對流場理解的正確與否決定其學習流體力學的興趣與積極性,傳統(tǒng)的教學方法多采用授課教師手繪流線等方法來說明流體的流動過程,在講解的過程中,由于流場僅僅是枯燥的曲線靜態(tài)分布,無法有效吸引學生注意力,使學生對流動機理有進一步深刻認識和理解,從而降低教師的教學效率和教學效果。
在《流體力學》教學中采用多媒體課件,通過制作一些流體運動的Flash動畫演示把流動的特性形象地展示在學生眼前,表現(xiàn)形式相對新穎、活潑、再加上圖文并茂的效果,使學生可以直觀地觀察有趣的物理流體現(xiàn)象,通過這一環(huán)節(jié)的改進,可以主動改變沉悶的教學過程,創(chuàng)造出生動活潑的教學場景,激發(fā)學生的學習興趣,調動學生的學習積極性。
其次,《流體力學》教材中涉及了大量的基本概念、假設、原理及公式推導等,據統(tǒng)計大量公式的推導過程占據板書時間的較大比例,這有可能造成教師無法在有效課時完成教學大綱規(guī)定的教學內容,降低教學效率。在《流體力學》教學中的應用PPT多媒體技術,復雜繁瑣的公式推導可以較形象地展現(xiàn)在學生面前,對學生理解公式有較大好處。一旦形成這樣的教學場景,那么在規(guī)定的課堂時間內必將可以細致透徹地完成教學任務,達到事半功倍的教學效果。
靈活采用各種PPT制作技術在一定程度上可以避免“多媒體”變成“單媒體”,在《流體力學》教學中對多媒體的使用多集中于流體運動學與動力學基礎、圓管流動、薄厚壁孔口出流、縫隙流動及氣體動力學基礎等。
此外,考慮到多媒體教學蘊含的信息較大,合理分配PPT播放時間對教師的課堂教學掌控能力是一個挑戰(zhàn)。如果“整個教學過程從頭到尾充斥著大量復雜的信息、不停轉動的畫面,而沒有充分考慮學生的思維水平和思維速度,像電視或電影畫面那樣一閃而過,不斷向學生灌輸,這樣的‘填鴨’式教學形式會引起學生的‘消化不良’,扼殺了學生創(chuàng)作的機會”。
2 建立新的教學手段模型,提高考試成績
本文所建立的教學模型如圖1所示,為提高教學效果及學生考試成績,采用立體式的教學手段。該模型包括以下四項內容:情景式啟發(fā),多媒體技術,工程實例講解,動態(tài)視頻輔助。
情景式啟發(fā)屬于現(xiàn)代教學論范疇,創(chuàng)造一定的“休閑、放松、特色”的學習環(huán)境。通過營造啟發(fā)式學習的氛圍,讓學生獲得更加美好的學習體驗。這種方式能充分調動學生的學習積極性,對激發(fā)學生的學習熱情和學習需要能夠產生有效的激勵作用。
工程實例講解是以學生常見的工程問題作為引入點,但同時大部分同學對該類問題理解不深或是出現(xiàn)偏頗。結合該類問題,解釋其中所蘊含的流體力學定理,加深學生對該問題及相關定理的認識,無疑有利于學生學習流體力學。
動態(tài)視頻輔助是一些在實際生活中難以見到,但又屬于流體力學理論范圍的現(xiàn)象再現(xiàn),通過這些視頻可以加深學生對流體力學相關理論的理解。
最后可以發(fā)現(xiàn):采用先進教學手段的班級,無論是考試的優(yōu)良率還是平均分數均比采用傳統(tǒng)教學方法講解的班級高出約15%左右,從而達到提高教學效果的目的。
3 重組教學內容,調整知識布局
根據《流體力學》課程的教學大綱,借鑒國內外對本課程改革的成果,按照當前教學改革發(fā)展的要求對教材內容進行調整,以流體的流動為主線,將相關內容有機地融合在一起最終形成能夠相互促進的教學模式,如圖2所示。
課程體系分為三個部分:第一部分是不動的液體,主要講述流體基本概念與流體靜力學內容;第二部分是運動的液體,使學生掌握流體運動學及動力學規(guī)律,對簡單的管道流動及縫隙流動有定性及定量的認識;第三部分是運動的氣體,可以把這章內容采用視頻播放加師生互動方式講解,來培養(yǎng)學生獨立自學的能力。
4 加強實踐教學,提高學生認知能力
《流體力學》實驗是學生職業(yè)技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),因為它的實驗課題是以流體運動為背景的,如畢托管測速實驗,雷諾實驗等典型實驗。通過選取典型的實驗現(xiàn)象給學生展示實驗結果,加深學生對流動原理、流場結構特點等信息的了解。同時教師在指導流體力學實驗過程中可對部分操作手段進行相應改進,也可設計并提出一些新的實驗內容。合理利用已有條件培養(yǎng)學生理論與實踐相結合的能力,做到學以致用。
5 結束語
《流體力學》教學改革是一項艱巨、長期的工作,本文從合理運用現(xiàn)代化教學手段與技術,建立新的教學手段模型,提高考試成績,重組教學內容調整知識布局、加強實踐教學,提高學生認知能力等三個方面論述了相關經驗和具體的實施手段。雖然在一些方面探索出若干經驗并取得了一定的效果,但還相對薄弱。改進教學手段,引入多種教學方法,因材施教等均可提高學生的學習和接受能力,為以后學習專業(yè)課及工作奠定堅實的基礎。
參考文獻:
篇7
【關鍵詞】船舶流體力學 任務化模式 教學改革
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2015)22-0057-02
在船舶與海洋工程本科專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃中,船舶流體力學是其中的專業(yè)基礎課程,包括流體的性質、流體靜力學、流體運動的描述和基本方程、伯努利方程、勢流理論、波浪理論、粘性流體力學、邊界層理論等,課程教學在一個學期,其內容非常復雜。一方面為了使學生更加全面地理解應用相關的知識,另一方面培養(yǎng)學生往應用型科技人才的方向發(fā)展,在船舶工程專業(yè)人才的培養(yǎng)模式上,我們應該改變原有的教學方式以適應時代要求和技術變遷,將任務化模式教學融入船舶流體力學的教學過程。我們在船舶流體力學這門本科課程的教學中,嘗試以任務化模式教學的形式,將數字化、實驗化的教學過程放到船舶流體力學教學課程的全過程中,以船舶流體力學的基本知識應用為向導布置任務化模塊課題,學生以小組的形式完成任務化模塊,在完成任務化模塊的過程中理解應用知識,并培養(yǎng)其知識的應用能力,實現(xiàn)從注重知識傳授向更加重視能力和素質培養(yǎng)的方向轉變。
一 目前船舶流體力學教學存在的問題
以欽州學院為例,船舶流體力學課程定位為船舶與海洋工程專業(yè)的主干課程,是進一步學習船舶原理等課程的基礎。長期以來,因概念抽象、學生數學基礎較差,使得流體力學課程既難教也難學,要想讓學生將學到的知識與相關的實際問題結合起來尤為困難。盡管流體力學具有悠久的歷史,豐富的內涵和外延,但是作為專業(yè)基礎課,船舶流體力學為專業(yè)課服務的定位極大地限制了課程的教學時間。在學生素質參差不齊的情況下,使得培養(yǎng)學生扎實的基礎和拓寬知識面兩方面不能兼顧,顧此失彼。這一問題的存在不但限制了學生學習的積極性,也不利于培養(yǎng)學生在工程中分析問題和解決問題的能力。因此有必要對這一問題進行研究,找到解決問題的方法,改善流體力學教學的效果。
二 以任務化模塊為導向的教學模式探索
對流體力學教學途徑的探索和改革一直在開展,其中提高學生學習的興趣是改善教學效果的核心,而任務化模塊是有效的手段之一。應用型科技大學的教育以培養(yǎng)企業(yè)需要的高素質應用型人才為目標,為適應船舶工業(yè)發(fā)展對人才的需求,本課程的教學方式基于專題化模塊為導向,采用講授、自學、討論、數字化工程訓練、總結等手段。本質就是結合船舶流體力學課程性質和鮮明特點,通過布置課程任務讓學生查找資料進行科學分析、研究和探索、小組討論、數字化工程操作等,最后讓學生理解所學知識。
1.任務化模塊的選取
任務化模塊主要是基于課本的基本知識,提出課程任務,課程任務的目標是讓學生在完成任務的過程中對基本知識可以有更深刻的認識,以及應用這些基本知識,提高學生的應用知識能力。所以在布置教學任務時應注意以下幾點:
第一,圍繞問題意識選取任務化模塊。圍繞問題意識,注重培養(yǎng)學生的探索精神。所謂問題意識,本質上就是一種尋根求源的探索精神、是一種革新的批判精神,問題意識是萌發(fā)創(chuàng)造思維的前提。古語說“心有靈犀一點通”,這里的“靈犀”其實就是問題,學生頭腦中時刻裝著問題,才能進人“日有所思,夜有所夢”的地步,才會產生靈感。就像受命鑒別皇冠的阿基米德那樣,在沐浴時受到浮力的啟發(fā),而發(fā)現(xiàn)了浮力定律。
例如,在學習第三章流體的描述和基本方程時,我們可以提出:什么是流線、如何理解好動量方程等問題。這些圍繞問題意識提出的小問題就可以組成一個任務化模塊。
第二,圍繞工程意義選取任務化模塊。在應用型科技大學教育中,船舶流體力學這門課程應著力于提高學生工程素質和學生專業(yè)基礎知識為目標進行課題教學。
譬如,機翼理論是船舶流體力學的重點難點內容,部分概念抽象難懂,公式復雜,機翼理論對于船舶與海洋工程領域的重要性不言而喻,在螺旋槳的學習、高速船的學習等均需要機翼理論作為基礎。對類似極具實際工程意義的問題,肯定要布置任務化模塊。
2.任務化模塊的實施
在船舶流體力學的任務化模塊教學改革中應遵循理論教學和技能訓練相結合,走理論與工程實踐相結合的道路,所以之前的準備工作必須充分,并且依據教學內容設計出適合這門課程的任務方案。大致的任務化模塊實施流程如圖所示。
任務化模塊實施流程圖
第一,布置任務書。根據不同的教學內容分別設置不同的任務化模塊,根據上一節(jié)提出任務化模塊的方法,提出與本節(jié)知識相關的任務化模塊。
第二,學生攻克任務化模塊。學生根據任務書的要求,通過網絡收集相關資料、實驗室的硬件了解學習、數字化實驗室軟件的自學,結合所學相關知識完成任務化模塊并提交報告。
例如,在流體運動的描述和基本方程任務化模塊,讓學生利用網絡搜集與其相關的資料,以及參觀實驗室的流線實驗、動量方程實驗,將收集的資料制作成有豐富材料的PPT、報告、視頻等,總結說明各種情況下流體運動的特點、在實驗中如何體現(xiàn)動量方程等。
再比如,實施機翼理論任務化模塊時,學生組成任務攻克小組,利用網絡搜集與機翼理論相關的資料,以及學習FLUENT、Shipflow軟件,應用計算機輔助設計程序CATIA、AutoCAD軟件。曾經有學者提議將數字化軟件應用到教學中,但并沒有說明具體的措施。這里需要注意的是,學生可以通過學校網站上的微課視頻自學FLUENT、SHIPFLOW、CATIA、AutoCAD軟件,相關的微課視頻由教師提前錄制好放在網站上供學生點擊觀看,反復學習。最后讓學生使用FLUENT、SHIPFLOW軟件完成機翼的流體計算、利用計算機輔助設計程序CATIA、AutoCAD軟件畫出機翼三維圖。
第三,總結任務化模塊完成情況。根據學生完成任務化模塊的情況以及提交的報告進行總結。在總結中分析存在問題,對相關問題進行理論的補充學習,加強學生的理解。
第四,考核。通過任務化模塊的完成過程對學生的不同能力進行考核,考核階段就分為了基本素質考核、自學能力考核和應用能力考核??己藢W生基本知識掌握情況、收集相關資料的情況,學生自學相關軟件的考核,對任務化模塊攻關的報告評價。
三 結語
通過任務化模式的教學改革使學生通過理論結合實踐的方式理解一門理論性極強的課程,并從培養(yǎng)應用型科技人才的角度出發(fā),采用這樣創(chuàng)新的教學方法,使學生能真正地掌握一門專業(yè)知識,培養(yǎng)學生的學習興趣,提高教學質量。同時重視學生個體差異發(fā)展的特點,以攻克小組的形式互補長短,培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。這樣任務化教學模式應認真對待教學改革活動進程中出現(xiàn)的問題,所布置任務應有針對性,在整個過程中以學生為主導,貫穿于整個教學過程中。更加要注重教學活動的每一個細節(jié),肯定學生每一步所取得的成績,以其調動學生主動學習的積極性。
參考文獻
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篇8
關鍵詞:卓越工程師培養(yǎng)計劃 工程流體力學 教學改革
中圖分類號:G642.4 文獻標識碼:A DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2014.03.019
教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)是貫徹落實國家教育改革和人才發(fā)展規(guī)劃綱要的重大改革項目,主要目標是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來,培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強,適應經濟社會發(fā)展需要的高質量型工程技術人才。天津工業(yè)大學是天津市“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的首批實施高校,環(huán)境工程專業(yè)是我校的重點學科方向之一,而工程流體力學是本專業(yè)本科教學的一門重要專業(yè)基礎課,為強化學生的工程能力和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)行業(yè)通用的工程型人才,針對“卓越計劃”開展的教學改革勢在必行。
流體力學是力學的一個分支,它主要研究流體靜止和運動的力學規(guī)律及在工程實踐中的應用。環(huán)境專業(yè)中討論的各類問題,例如流體在管路中的運輸、氣體和液體中顆粒物的分離等均離不開流體力學的基本知識,因此學好工程流體力學有助于后續(xù)專業(yè)課的理解和掌握,為培養(yǎng)工程型人才打下堅實的基礎。
1 教學中存在的問題
目前,工程流體力學的教學過程中存在很多問題。首先,課堂授課時間長,內容抽象、枯燥,導致學生學習積極性不高。工程流體力學課的主要研究對象是流體,流體本身沒有固定的形狀,進行研究討論的時候缺少固定的客觀形象,難于理解和掌握,并且公式推導較多,推導過程復雜,對學生的數學功底、邏輯思維能力和理解能力要求較高,因此導致教學過程中存在老師難教,學生難學的問題[1]。其次,授課方法單一,主要是教師在上面講,學生在下面聽,忽視教學中的互動性,理論知識與實際應用聯(lián)系不夠緊密,教學效果不理想。第三,課程成績由最終期末考試的卷面成績決定。學生考試都是依靠老師劃重點和考前突擊復習的方式通過,死記硬背的定義、公式在考試結束后馬上被遺忘,對課程知識沒有消化理解,就不可能有綜合運用的能力[2]。
2 教學改革的內容
2.1 課程內容的優(yōu)化改革
減少理論教學學時,強調學以致用。將環(huán)境工程專業(yè)的特點與“卓越計劃”的目標相結合,為增加學生參與工程、實踐的時間,對本科教學課程的教學時間進行調整,課堂講授課時由76學時減少至60學時。教學內容上相應減少繁瑣的理論公式推導部分,特別復雜的公式或結論不需要死記硬背,只要求學生重點掌握基本概念、公式的物理意義、應用范圍和各項參數的含義等。同時,增加了泵與風機(即流體機械)部分內容,將前面的基礎理論與實際應用相結合,要求學生了解流體機械的基本構造及工作原理,掌握計算運行參數及設備選型的方法。例如增加了葉片式泵與風機的理論基礎內容,主要掌握離心式泵與風機的工作原理、工況分析及選擇和安裝的方法,其他類型的往復泵、真空泵等也會做介紹,拓寬學生的知識面。
2.2 教學方式的改革
完善教學手段,增設實踐討論課,培養(yǎng)學生的綜合應用能力。多媒體教學手段會增加授課內容,提高講課速度,但會使教師忽略學生對課件內容的理解消化需要時間,導致學生的思維跟不上教師的講課速度。因此,在教學過程中,需要將多媒體技術和傳統(tǒng)板書有機結合起來[3]。利用ppt課件中的視頻、聲音、動畫等直觀的表現(xiàn)方式展示流體流動的狀態(tài)、流體機械的內部結構、工作原理等難于用語言和文字描述的內容,幫助學生理解書本中抽象的文字和圖片。而公式推導過程、各參數意義及計算方法等則采用板書書寫的形式,這樣能更好地引導學生的思維,使學生對課程內容有足夠的時間消化吸收。為充分調動學生的學習積極性,授課方式由單純的教師講,學生聽,改為教師、學生一起講。增加實踐討論課,讓學生將所學內容與實際相結合,舉出各種流體力學中的原理在實際生活中應用的例子,并制作ppt課件對實例加以解釋,培養(yǎng)學生的綜合應用能力。課后作業(yè)做到少而精,并增加與生活中密切相關的問題,提高學生完成作業(yè)的積極性。作業(yè)的內容既包括上節(jié)課重點又能引出下節(jié)課的難點,起到“承上啟下”的作用。遇到不懂的地方,鼓勵學生們自己查資料解決,培養(yǎng)學生獨立思考和解決問題的能力。
2.3 考核方式的改革
提高平時成績的比例,豐富試題內容,綜合考查學生能力。課程的結課成績由平時成績和期末卷面考試成績綜合決定,平時成績所占份額由原來的10%增大到30%以上,期末試卷成績比例由原來的90%降到70%以下。平時成績的考核內容除包含出勤率外,還包括課堂聽講情況、回答問題情況、作業(yè)完成情況、實踐討論課參與情況等。這種綜合考核方式可以減少考前突擊現(xiàn)象和考試抄襲現(xiàn)象,對于學生的學習起到督促和幫助的作用。同時,調整期末考試試題內容,對于選擇、填空等客觀題量減少,主觀發(fā)揮題量增加,并且主觀題不局限于教材后習題,而是選擇更貼近日常生活的各種常見問題。
以“卓越計劃”的目標為前提,我校進行了上述方面的改革,達到了較滿意的教學效果。選擇合適的教學方法,激發(fā)學生學習的主動性和積極性,培養(yǎng)學生獨自分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識,提高學生的綜合素質是教學工作者的最終目的?!敖虒W有法,教無定法,貴在得法?!辈煌慕虒W方法適用于不同的范圍和條件,尋找一種適合“卓業(yè)計劃”的教學方式仍是工程流體力學教學改革的一項艱巨的任務。
參考文獻:
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作者簡介:劉瑩,天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院,天津 300387
篇9
【關鍵詞】流體力學;教學研究;多媒體;啟發(fā)式教學;教學實驗
一、現(xiàn)狀及問題
流體力學課程具有非常強的科學性和系統(tǒng)性,有極強的理論性與實踐性,作為專業(yè)基礎課,為后續(xù)專業(yè)課學習提供理論基礎,這決定了這門課的教學目的既要使學生掌握基本理論知識, 又要使學生學會應用這些知識解決實際問題。
目前流體力學課程教學存在兩個極端:一是偏重于數學推導,忽視理論的物理意義闡述和工程實例的引入,教學內容枯燥無味,理論與實際脫鉤,學生只為學而學,沒有學習欲望; 二是偏重強調課程為專業(yè)服務,過多泛泛地講述案例,不深究理論基礎,沒有達到培養(yǎng)人才的教學目的。在教學課時一再壓縮情況下,
如何將流體力學課程內涵貫穿于理論學習、實踐訓練、創(chuàng)新精神、實際動手能力的培養(yǎng)整個學習過程,本文提出幾點看法。
二、教學研究
在教與學的關系上,最終目標是能真正調動學生、老師的積極性,保證教學的有效實施。
大學的流體力學課程進程快、信息量大,一環(huán)緊扣一環(huán),有的知識點偏重基礎理論,有的偏重生活常識,還有的偏重工程應用。如何將枯燥的理論內容和實驗過程轉變?yōu)樯鷦用枋?,使學生便于記憶、掌握,作者認為基于教師對教學內容深刻理解和深厚語言技巧,對于不同類型的知識點可采用相應方法進行教學。
1.用形象的教學方法,加深基礎理論的理解
流體力學是一門基礎課程,是后續(xù)許多專業(yè)課程的基礎,所以教學中要重視奠定扎實基礎,重視學生對物理現(xiàn)象的認識、物理概念的建立及規(guī)律分析,借助先進的教學手段,對加深基本理論的理解和掌握意義重大。
多媒體教學因其形象、生動、具體、直觀,越來越得到廣泛的使用,在流體力學課程中引入多媒體教學,可以將很難用語言描述的物理現(xiàn)象,如渦量和紊流等搬上屏幕,幫助學生建立清晰的物理概念,縮短認識過程,激發(fā)學生學習欲望,為教學質量提高提供了保障。如湍流這個流體力學中100多年來公認的難題,授課老師可以利用高速攝像儀拍攝的各種流體流動圖像和利用熱線風速儀采集的湍流脈動信號,向學生展示湍流的基本概念和理論。
2.用啟發(fā)式教學形式,加深與生活常識密切相關的知識點的理解
高等教育中采用直觀有趣的事例參與教學過程,較為少見,因為對于像流體力學這樣的基礎理論課,要列舉出與日常生活密切相關,且有一定深度的有趣事例,并不是一件容易的事。這就要求授課老師有深厚的理論基礎和責任心,采用啟發(fā)教學形式,依據學習過程的客觀規(guī)律,引導學生主動、積極、自覺地掌握知識,通過具體事例,使學生能充分意識到本課程對今后工作和學習的重要意義,激發(fā)其學習欲望。如講述某一理論時,可由日常生活中的有趣事例或歷史上的重大事件慢慢引入到理論機理。
另一方面,為了提高大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力,授課老師可根據課程進度,開展各種級別的趣味課題。這些課題分為兩種類型:一種是修完流體力學課程的學生根據興趣,通過查閱相關資料后自擬研究課題,寫讀書筆記,采用頭腦風暴式課堂討論,并不斷解答分析問題,最終形成研究結論;另一類課題是授課老師自擬題目,供學生選擇,其討論過程與上面相同。學生通過參加這些趣味課題,鞏固了書本知識,實踐能力和創(chuàng)新能力得到了較大提高。
3.加強教學過程中的實驗環(huán)節(jié)
實驗是理論的搖籃,作為工科學校的大學生,其實驗能力的培養(yǎng)為其成為創(chuàng)新人才起著舉足輕重的作用。
在實驗過程中實現(xiàn)基本理論與工程應用有機結合,豐富了教學內容, 提高了學生學習積極性,增強了學生的感性認識,大大提高學生對本門課程的興趣。實驗課要注重培養(yǎng)學生的動手能力,培養(yǎng)學生獨立操作能力。
另一方面,改革實驗課考核的方法,考核過程中增加師生間互動,由原來只看實驗結果,變成由授課老師和實驗教師共同對學生的操作能力、理解能力、創(chuàng)新能力進行全面考核。
流體力學作為一門給排水專業(yè)、環(huán)境專業(yè)、水利水電工程專業(yè)、港口及航道工程專業(yè)的一門重要的技術基礎課,其日常教學工作任重道遠,為適應流體力學的學科發(fā)展需要,提高教學效果,教師只要多花時間,多動腦筋,因材施教,教學與實驗、管理各部門緊密配合,一定能取得好的教育效果,教育的最終目的才能實現(xiàn)。
篇10
【關鍵詞】 水力學;土建類;現(xiàn)狀;改革
《水力學》(或《工程流體力學》)課程是土建類專業(yè)培養(yǎng)方案和大綱中規(guī)定必須開設的一門專業(yè)基礎課程,相比該專業(yè)的其他力學基礎課程而言,該門課程學時數少,對結構課程的支撐性較弱,課程教學多是為了滿足培養(yǎng)方案的要求,教學效果不甚理想。作為一名長期從事土建類專業(yè)水力學學課程教學的老師,有必要對水力學教學的現(xiàn)狀進行反思,提出合理的解決辦法。
1 土建類專業(yè)水力學教學現(xiàn)狀
1.1 課程地位不高。本校的土建類專業(yè)以工業(yè)民用建筑為主要方向,在課程設置中固體力學占據著非常重要的基礎地位,流體力學與水力學課程基本上處于可學可不學,學好學壞一個樣的地位。在專業(yè)培養(yǎng)中也較少重視流體力學或水力學的應用,學生學習以應付考試為主。授課和學習的積極性都不高,課程整體上來說不受重視,據了解很多學校建筑類專業(yè)的水力學課程基本上都面臨著這樣的窘迫地位。
1.2 教師隊伍建設不足。大多學校土建類專業(yè)不一定同時具有水利類專業(yè),水力學教學主要是為了滿足專業(yè)培養(yǎng)目標中單獨一門課程的需要,一般該課程的師資力量一般不強,數量較少,教學科研和實驗教學環(huán)境較差,大多數流體力學或水力學專業(yè)的碩士研究生或者博士研究生基本不原意來校做教師,因此該類專業(yè)的流體力學老師一般專業(yè)出身的少,很多學校的流體力學老師是建筑專業(yè)或其他專業(yè)通過培訓后任教該門課程的。在土建專業(yè)中,流體力學課程的老師隊伍建設嚴重不足且整體素質和同專業(yè)的其他教師相比不同步。
1.3 學生學習積極性不高。土建類專業(yè)學生畢業(yè)主要從事工業(yè)與民用建筑的設計和施工等方面的工作,老是認為水力學課程與這些工作聯(lián)系不大,應用不廣,認為一般應用沒有必要單獨學習水力學,只需要按照規(guī)范來做就可以了,相比其他幾門力學課程而言,學生學習積極性不高,水力學學習基本上是在臨近考試的時候才進行。學生的積極性不高,教學效果肯定大打折扣。
1.4 課時較少,內容較多。土建類專業(yè)開設的水力學課程在一般院校中課時不高,一般在40-60 之間,由于教學改革的要求,課程門數增加,重點課程的學時比例增大,水力學課程的學時數有降低的趨勢。在比較少的課時中,水力學教授內容包括水靜力學,動力學,流動阻力和能量損失,孔口管嘴出流和管路流動,明渠流動,堰流和滲流等內容,有些專業(yè)還需要學習氣體射流等內容。分理論和工程應用兩大部分,內容較多,涉及的基礎知識較廣,有些數學知識還需要在課程中進行補充,學時顯得緊迫。
1.5 教材建設沒有特點。如上所述目前水力學教學內容主要包括理論部分與工程應用部分,目前各個學校所使用的教材內容基本上按照上面列舉的內容來布局,采用的教學順序也是先理論(靜力學,動力學,能量損失)后應用(孔口管嘴出流和管路流動,明渠流動,堰流和滲流等)的順序。這個順序和內容的布置是所有的非流體力學專業(yè)的水力學課程采用的一般方式。沒有針對土建專業(yè)課程進行專門的布局,在理論部分的習題中基本上仍舊以水力工程的例子為主,在應用部分,沒有結合土建類專業(yè),比如給排水,通風,防滲,供暖改革課程內容。采用的基本上的水利類專業(yè)的課程體系和教材體系。
1.6 課程理論抽象,實驗教學困難,教學方式比較單一。 水力學基本理論建立在復雜的物理分析和數學推導的基礎之上,講解起來比較抽象,數學基礎比較差的同學較難接受,加上通過理論推導的結論和規(guī)律與現(xiàn)實的實際例子有一定的差異,對于同學們接受起來非常抽象,因此水力學課程往往成為土建類專業(yè)同學不以為然而又敬畏的課程之一。多數結論需要通過實驗過程來進行驗證,而水的運動過程受實際的條件約束較多,不同的工程條件會形成不同的結果,常規(guī)水力學實驗主要用來驗證流體力學基本理論以及一些典型的工程例子(如基本方程,能量損失,堰流等),驗證一個規(guī)律需要較大的實驗投入和準備工作,加上土建類專業(yè)實驗中水力學的地位問題,實驗教師的配置問題,水力學實驗課程一般很難開全。實驗過程中由于學生人數眾多,實驗分組一般都是5人-10 人一組,實驗過程中動手能力以及實驗效果均較差。
水力學教學過程一般采用理論教學和實驗教學相結合的方式進行,理論教學一般采用介紹概念,提出問題,分析推導得出結論的步驟進行,這個步驟過程中采用傳統(tǒng)的板書推導的方式是常用的教學方法,近年來許多學校的課堂教學過程也在嘗試使用多媒體教學過程,但從效果來看不甚理想。
2 教學改革與探索
上述水力學教學過程中存在的問題說明,土建類專業(yè)的水力學教學目前已經處于一個比較困難和尷尬的地步。在教學過程中必須采用多方面的手段,改變教學思路,改進教學手段,更新教學內容,改善教學條件,提高教學質量。
2.1 課程內容改革和教材建設探討。目前的水力學( 工程流體力學)課程基本以水利類專業(yè)為背景,介紹和研究的主要對象為水這種液體,對于土建類專業(yè)而言,筆者以為,水只是其專業(yè)背景下的一種流動工質,和建筑相關的流體種類還有很多,比如空氣,燃氣等,這些流體的流動過程本身與水運動的基本規(guī)律差別不大,應該能夠在水力學課程中加以輔助介紹,在實際的教學過程中,我們在介紹水動力學基礎中加入了氣體運動規(guī)律(如可壓縮流動的連續(xù)性方程,氣體流動的能量方程以及壓強線的概念等);在介紹流動阻力和能量損失的時候補充了通風管道的阻力和能量損失的計算方法,在介紹孔口的時候聯(lián)系到窗戶等通風口的淹沒出流問題,介紹管道流動計算的時候與建筑給水排水系統(tǒng)聯(lián)系,在介紹滲流的時候結合建筑井和基坑的排水問題。并且在例題和作業(yè)中有意識的和建筑物中的流動問題相結合,通過這種調整使學生在學習的時候,不再覺得水力學是一門與建筑行業(yè)無關的課程,同時了解了建筑中的流動過程,而這些內容是他們可能在其他課程中無法了解的,認識了流體力學與建筑以及人類的生產生活過程息息相關之后,逐漸培養(yǎng)出學習流體力學(水力學)課程的積極性。
關于教材建設的問題,筆者長期以來使用兩種教材,一種是以建筑設備工程專業(yè)使用的流體力學與流體機械類(多種流體,以空氣主);另一種是以水力工程,土木工程為代表專業(yè)使用的水力學或工程流體力學教材,這類教材一般以不可壓縮水流為研究對象,水力工程應用比較豐富。通過長期的使用來看,應該以水力學(工程流體力學)為基本教材內容,適當的加入前者中關于氣流運動,建筑工程中流動問題,并在二者結合的基礎之上增加適當的工程問題作為例題和習題。建設土建類專業(yè)普遍實用的一本教材。目前的教學中內容已經進行了改變,但教材的編寫和建設比較滯后。
2.2 教學手段的改革。關于多媒體教學在邏輯性強的含有較多的數學公式的推導內容的課程教學中的應用與效果問題,歷來在高校中頗有爭議,但不管怎樣,為了適應學生的厭倦傳統(tǒng)教學方式的要求,為了適應課堂教學時間縮短而內容增加的形勢,傳統(tǒng)的黑板教學方式必將被新型的教學手段所代替,這好象不值得討論了,事實上并不是幻燈片方式不適用于公式推導的教學過程,問題在于我們的多媒體手段是不是能夠解決和克服這樣的問題。也就是說就是如何利用多媒體技術,以及應用怎樣的多媒體技術。
水力學和流體力學研究的對象是流動的物質,研究的是流體的流動規(guī)律和狀態(tài),動畫和錄象是在教學中必不可少的元素,使用動畫軟件可以形象的描述出流體在壓力變化的時候的體積變化,流動的跡線和流線,層流和紊流的特征和現(xiàn)象。使用PPT自帶的動畫功能也可以將每一步推導過程按照順序播放和演示出來,這種變化的動態(tài)效果和流動的特征在本性上是相容的,從這個意義上講流體力學是最適合使用多媒體技術講授的。
對流體力學的抽象認識甚至可能因為多媒體的應用而改變,在沒有多媒體技術之前,抽象的理論要被消化,往往是需要在實驗過程中才有可能變的具體一些,而有了圖象動畫之后,在課堂上也可以一目了然,提高了教學效率,同時也吸引了大部分同學的積極性。在有了盡可能多的感性認識之后,對于數學推導以及原理的應用也比較容易接受了。
網絡和信息技術的發(fā)展,為流體力學的教學提供了一個新的平臺,筆者通過使多年的水力學教學過程中同時發(fā)現(xiàn)了不是課程本身的問題,許多同學不會主動的和老師溝通關于學習的問題,近年來我主動公布了自己的電子郵箱地址,QQ號碼,個人博客和網站。意外的發(fā)現(xiàn)和同學的聯(lián)系不斷的增加,課程教學的問題也更多的通過網絡來解決和消化了,當然更好的利用網絡是建立網絡課程,但筆者現(xiàn)在仍舊堅持采用這些一對一的網絡方式。
多媒體技術與網絡教學是流體力學教學手段進步的一種標志,除此之外借助于流體力學自身發(fā)展的技術來促進課程教學也不可忽略,計算流體力學的飛速發(fā)展和應用,使得在計算機上模擬流動的過程和結果變的非常容易,盡管在本科教學中,不必講解計算流體力學,但使用它可以直接顯示出一個具體流動的特征和規(guī)律。在多媒體的制作過程中這也是一個不可忽略的途徑。
2.3 實驗實踐環(huán)節(jié)改革。水力學實驗,所需場地面積大,設備投資高,單個實驗時間長,土建類專業(yè)水力學課程實驗環(huán)節(jié)一般比較少,實驗個數少,實驗參與度低,一般一臺實驗設備進行實驗時往往有5、6人之多。很多同學實驗過程中基本上是看其他同學做,實驗效果較差,在實驗條件受限的條件下,筆者認為可以采取以下的一些手段改善實驗效果。
增加實驗組數,我校的實驗室有10臺綜合實驗臺,如果50個人一起做實驗,5人一組,分成兩組,就2-3人一個小組了,有了實驗條件參與度自然提高,有些實驗儀器只有2臺套,這就要合理的組合了,將幾種實驗放在同一個時間段里進行,不同的小組進行不同的實驗,然后依次進行輪換,這樣的過程既防止了多人做一個實驗,又避免了實驗過程變成演示實驗,提高了設備的利用率 。當然這樣的結果帶來的后果就是增加了實驗老師的工作量,同時要求學生在課前的準備要足夠的充分。
采用多媒體實驗教學,有些實驗儀器實驗室中沒有,我們就借鑒其他學校的實驗錄象或者自己使用動畫制作了一些實驗過程,在課堂上演示并講解。達到實驗目的明了,原理清楚,熟悉過程,知道結論的目的。
采用計算流體力學計算,根據工程的流動現(xiàn)象,自己設計流動過程的邊界,條件,流體種類。通過計算機計算和數圖顯示,掌握流動規(guī)律,獲得流動結論,由于計算機模擬是實質上的計算機實驗,這一過程可以很好的代替實際的實驗,可以模擬任意復雜的實驗環(huán)境。同時也便于同學們自己設計實驗,達到開拓視野,提高創(chuàng)新能力的目的。
2.4 考核方式和效果評價。傳統(tǒng)的水力學教學方式基本上都是采用閉卷考試來評定學生成績以及衡量學生是否結業(yè),現(xiàn)行的水力學教材上基本上只有問答和計算兩種形式,考試中一般多采用這兩種題型。筆者在教學中結合本課程在專業(yè)中的地位問題,做如下的嘗試:
考核不僅僅由考試來決定,在每章甚至在有些比較重要的小節(jié)或一個知識點介紹完之后,不定時的給學生布置小論文任務。要求學生就該內容去找日常生活或工程中有關的例子并進行說明,作為平時最重要的成績。
考試的題型不限于計算和問答,采用更多的方式要求學生掌握基本規(guī)律,計算題在結業(yè)考試中的比重低于30%。但一定要是需要綜合能力才可做的。前面的一些諸如選擇,判斷,作圖,分析的體型考察基本規(guī)律和概念,既考查基本知識又考察應用能力。
考試的內容不全由教師決定,在每章作業(yè)之后布置一個特殊的任務,自己出一些本章內容有關的考題并上交,考試的時候一部分內容就是學生自己出的考題。這個過程由于學生比較重視,也很認真,同時也刺激了進一步學習的興趣。
總評成績的評定根據學校的規(guī)定,考試、實驗和平時成績各居一定比例。綜合平定效果,這個問題我想大多數教師都是采用相同的方法來進行的。其實撇開教育的規(guī)范性來看,筆者認為,學習成績的評定中應淡化考試成績,而注重平時的學習和應用能力。
3 結語
水力學(流體力學)課程作為土建類專業(yè)的一門基礎課程,在結構專業(yè)中的地位較弱,同時課程在教師隊伍,教材建設,教學內容,教學方法,以及同工程實際相聯(lián)系的過程中,也還存在諸多問題。作為該門課程的一名普通教師,筆者認為,當前應該改革課程內容,土建工程實踐緊密結合,加快教材建設改革;改進教學方法,提高多媒體教學效果,使用網絡教學平臺;利用計算流體力學的成果促進課堂教學和實驗教學;改變成績評定和考核方式,使考核過程更加科學與合理。
參考文獻
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