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1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2008级、2009级、2010级和2011级的本科肿瘤学专业学生共120名。作为本次的研究对象,将学生分为两组,每组各60名,两组学生在年龄、性别、病程等一般资料对比上均无显著性差异(P>0.05),具有可比性。
1.2 方法
2008级、2009级60名学生采取传统的教学方法,2010级和2011级学生采取典型病例的教学方法,教师对肿瘤典型病例的临床症状进行分析和讲解,利用现代多媒体信息技术展示肿瘤病例有关的信息和图片、影响等,教师在肿瘤病例的诊断过程中,将涉及到的全部知识点做出详细地分析和讲解,以便学生可以形成对肿瘤病例的立体感认知。在课堂教学之前,教师可以给学生有关的肿瘤病例资料,同时结合有关知识点和资料,给学生设置有关的问题,自行查阅资料,解决问题。教师在选择典型病例时,要注意选择一些常见病和多发病,选取的案例必须和课堂的重点知识结合在一起,选取的病例必须要全面包括肿瘤的诊断、综合治疗方案和手术方法以及过程,以便学生可以更好地掌握不同肿瘤的发病现象和特点,观察两组学生的学习成绩。
1.3评价指标
对选取的学生进行典型病例肿瘤学考试,总分为100分,对比两组学生的成绩总分、平均成绩、总及格率。
1.4 统计学方法
取统计学软件SPSS13.0对数据进行分析和处理,计数资料采取率(%)表示,计量资料采取平均值±标准差(x±s)表示,组间率对比采取用T检验,对比以P
2 结果
两组学生的肿瘤学考试成绩综合比较
2010级和2011级学生的典型病例平均成绩和总分都比2008级和2009级学生明显高,对比两组学生的总及格率,具有明显差异,P
表1 两组学生传统考题和典型病例考题成绩综合比较分析[n(%)]
3 讨论
典型病例教学方法主要包括病例展示和分析,提出解决问题,组织学生独立思考,学生和教师之间互动,教师做出评价和总结几个部分[1],这种教学方法和传统的教师单纯传授知识的方法有很大区别,可以最大限度激发学生自主探索的热情和积极性,提高学生的课堂参与度,将传统的储备式教育转变成为启发式教学,培养学生自主创新的能力[2]。将典型病例方法具体应用在肿瘤学教学的过程时,需要全面结合高校临床肿瘤的教学大纲和教学目标,根据具体的教学内容和教学实际进行[3]。具体的教学方法如下:教师在下一节课堂之前就需要将典型的肿瘤病例资料发放给学生,要尽量选取近期学生熟知的肿瘤疾病类型,以便使学生有足够的时间查找有关资料[4]。然后在学生预读和熟知病例的基础上,分小组进行讨论,这个过程中,教师可以组织扮演医生和患者的角色,进而更加深刻地掌握对这种肿瘤疾病的诊断依据和方法。在教学的全过程中,对肿瘤病例的讨论和分析是重点,教师再结合课前提出的问题,组织学生做出回答,积极将学生引入问题情境之中,鼓励每一个学生都踊跃参与到讨论中去。讨论结束以后,教师对学生的回答和讨论情况进行点评和补充,做出进一步的归纳和总结,不断完善肿瘤病例的诊断方法和治疗过程,还要认真分析和总结典型病例教学过程中的出现的不足和注意的问题。
中图分类号:R730.5 文献标识码:A 文章编号:1004-4949(2013)03-0-01
目前恶性肿瘤的仍以手术,放疗,化疗,生物治疗四大治疗手段。但在临床上常常遇到患者无法耐受手术或手术失去时机,放化疗不敏感,治疗复发等情况,成为临床治疗中的棘手问题,电化学治疗简单,易掌握,安全性大,疗效高,尤以体表肿瘤效果最好。今将我科从2005年3月—2007年5月间共19例体表肿瘤患者行电化学治疗收到了较好的疗效阐述如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组19例,男12例,女7例,平均年龄56岁(20-68岁),其中皮肤癌5例,晚期颈部转移癌3例,血管瘤3例,肝癌2例,癌2例,环状痔1例,舌癌1例,胸壁转移癌1例,骶尾部转移癌1例。
1.2 治疗方法
1.3 疗效评价
2 结果
全组19例体表肿瘤治疗后CR11例,PR4例,总有效率78%,MR3例,PD1例。详见图表。
3 讨论
电化学治疗原理是通过直流电的电离作用改变肿瘤组织生存内环境,使肿瘤细胞内代谢发生紊乱,阳极内PH值极度降低,酸性刺激血管引起肿瘤缺血,脱水。阴性电极PH值极度升高,局部组织水肿压迫血管,使肿瘤血供减少,氧氢离子等电离作用直接损伤肿瘤细胞,促使蛋白质凝固、坏死,组织内微血检形成,使肿瘤细胞分解,破坏、死亡。[1]作为电化学治疗在肿瘤治疗横式的补充、物理治疗的一种手段,特别对体表肿瘤显示出相当的优势性,对于年老体弱,不能耐受手术,病期晚,失去手术时机,治疗复发转移,特殊部位手术创伤大,术后局部畸形、缺失,功能受损等患者体现了电化学治疗的高效、安全、微创的优势,使部分肿瘤明显缩小,症状减轻、缓解,提高患者的治疗信心,提高晚期癌症患者的生活质量,起到了关键作用。[2]甚至使部分肿瘤完全消失,起到了与手术同样的效果,而且结合中药、化疗、生物治疗,进一步提高恶性体表肿瘤的疗效,部分病人得到长期生存。总之,电化学治疗体表肿瘤操作简便,副作用小,安全、可靠、费用低,适用范围广,给予已失去手术时机,手术风险大,创伤大的体表肿瘤提供了一种新的、有效的治疗方法。[3]
参考文献
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)22-0123-02
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一门集成了流体力学、计算数学与计算机科学的交叉学科。计算流体力学的基本思想为[1]:通过计算机数值计算和图像显示,对包含流体流动和传热等相关物理现象做出系统的分析。随着计算机技术的发展,计算流体力学在各行各业得到了广泛的应用。
《计算流体力学》课程开设的主要目的在于使学生掌握流动及传热问题数值模拟的基本理论与建模思路、掌握常用商用CFD软件的使用方法,能够利用计算流体力学方法解决实际研究问题[2]。课程内容涉及了流体力学理论、数值计算理论、计算机程序设计以及计算软件的工程应用等。课程理论内容较多,学生学习起来较为吃力,常处于被动学习状态,因此需要改进教学策略,培养学生学习兴趣,改被动学习为主动学习[2]。同时该课程还与实际应用联系紧密,如何将理论与工程实际相结合,培养学生解决实际工程问题的能力,也是本课程教学中需要探讨的问题。经过多年在教学过程中的改革和摸索,下面浅谈一下我们在《计算流体力学》课程改革方面的一些探索。
一、计算流体力学课程内容
计算流体力学包含内容甚广,从总体上讲,可按照不同的应用领域分为两个主要方向:
1.将计算流体力学自身作为对象的课程体系。该体系的研究对象为计算流体力学本身,主要以流体力学数学物理模型模型构建、数值离散方法、高性能数值计算算法开发为主要内容,侧重点为计算流体力学理论及其实现方法。
2.以算流体力学应用为主的课程体系。此体系以如何更好地将计算流体力学方法应用于工程作为研究对象,主要以应用技能为课程目标,侧重点为现实物理问题的简化建模、利用计算机程序解决物理问题以及对计算结果的科学解释等。
对于应用型本科《计算流体力学》课程来讲,应当更多地关注计算流体力学在工程中的应用,将计算流体力学作为一项解决工程问题的工具,培养学生在利用该工具解决实际工程中的流体问题的能力[3]。
二、原有教学方法的弊端
西南石油大学机械工程专业较早开设了《计算流体力学》课程,培养了多届学生,积累了一些宝贵的教学经验。然而,该课程教学方式仍不够成熟,存在一些弊端,教学效果受到影响。这些弊端主要表现为:
1.教学内容偏于理论。在教学过程中,当前的教学内容还延续中传统的计算流体力学的基本内容,即:流体流动控制方程的推导、离散方法及线性方程的解法等,在课程讲解过程中,仍以有限差分法、有限体积法及这些数值算法的收敛性、稳定性、计算精度等方面作为主要的讲解对象,教授过程中涉及到大量的理论推导及数学理论的应用。在教学过程中,学生们普遍反映教学内容难懂难学,枯燥乏味。同时大量的理论教学还影响了上机教学时间。
2.工程实践能力转化不足。当前教学计划中虽然搭配了16个课时的上机教学,但仍显不足。经过多次的上机练习,部分学生能够掌握利用计算流体动力学方法解决工程问题的一般流程,但是大部分学生仍然不具备解决新问题的能力。在上机练习过程中,学生按照教师提供的上机指导书中的计算模型操作完成,而对于计算中非常重要的如计算区域创建、网格划分、数值计算模型选择、边界条件、初始条件及计算控制参数等缺乏自主的思考。针对上述问题,迫切需要对课程进行教学改革,提出新的教学理念,利用合理的教学方式,提高教学质量。
三、课程改革措施
中图分类号:G642 文献标识码:A
“工程流体力学”是动力类各专业及相近专业的一门重要技术基础课,它为该类专业主要专业课程的学习打下必要的理论基础。工程流体力学是流体力学的一个重要组成部分,它侧重于解决工程实际中出现的问题,而不去过分追求数学上的严密性。它在一定程度上借助于实验研究, 得出经验或半经验公式。其研究对象为流体,考察流体中大量分子的宏观平均运动规律。所以,“工程流体力学”是能源动力类专业的最主要的专业基础课程之一。
工程流体力学作为一门技术学科,研究方法也遵循“实践- 理论- 实践”的基本规律。但由于它的研究对象的特殊性,使得对它的学习也有一定的难度。在实际教学过程中, 我发现学生最大的问题在于――不会学这门课,不是学不会,而是根本不懂如何去学它,即没有找到适合这门课的学习方法。本文即针对这个问题谈谈自己的看法。
1工程流体力学和工程力学的研究对象的性态是不同的
工程力学的研究对象是静态的,而工程流体力学的研究对象是动态的。就其力学行为来讲, 流体可以承受很大的压力,但往往几乎不能承受拉力。学习过程中,学生不能用工程力学的“静态”思维来研究工程流体力学的“动态”对象,要用“动的”和“相对静止”这些概念去阐述它。
本文在回顾热能与动力工程专业基础建设的基础上,总结了三十多年来的人才培养工作。文章提出,今后要继续以“流体机械”省级重点实验室的建设为依托,结合实验室建设与实验教学改革,特别是以重点学科开放实验室建设为突破口,为热能与动力工程专业人才培养提供有力支撑,达到不断提高本科人才培养质量的目标。
2注意工程流体力学中的基本模型的含义及运用
从微观角度来看,流体和其它物体一样,是由大量分子组成的。这些分子总是不停地、杂乱无章地运动着,分子之间存在着间隙。因此,流体实际上并非是连续充满空间的物质。如果从分子运动入手来研究流体流动的规律,将十分困难,甚至难以进行。而流体力学是研究在外力( 如重力、压力、摩擦力等) 作用下流体平衡和运动的规律,所研究的是大量分子的平均行为,没有必要专注于每个分子。另外, 流体力学所研究的实际工程尺寸要比分子间距大得无法比拟。因此,必须建立适应流体自己的模型。《工程流体力学》中将实际的由分子组成的结构用一种假想的流体模型―“流体微元”来代替。“流体微元”由足够数量的分子组成,连续充满它所占据的空间,彼此间无任何间隙。这就是:连续介质模型。另外, 流体是连续的。因此“工程流体力学”中,连续性方程及其具体表现形式伯努利方程始终贯穿其中。
3抓住“工程流体力学”课程的主要内容去学习
热能动力类《工程流体力学》的教学大纲中规定, 学生学习本课程,必须达到:(1)全面了解流体的主要性质和基本模型;(2)熟练掌握平衡流体的压强分布规律, 善于计算流体与壁面间的作用力;(3)深刻理解流体连续性、能量、动量方程,并能熟练应用于求解工程实际问题;(4)懂得流体运动阻力和水头损失的计算方法等。针对这些要求,学习过程中应重点掌握连续介质假说、流体的物理性质及参数、牛顿内摩擦定律、液体的相对静止、静止流体的压强分布、欧拉平衡方程、静止液体作用在平面壁和曲面壁上的总压力、连续性方程、伯努利方程、流线与迹线方程、动量方程、描述流体运动的两种方法、总流的伯努利方程、圆管中的层流、圆管紊流的沿程损失系数K、局部水头损失、边界层的概念、粘性流体中的应力、量纲分析法、流动相似原理等知识点。学校为了适应国家经济建设的需要,适应水电开发宏伟事业的需要。针对这些知识点,多查阅资料、多做习题以求掌握它们,并将这些知识点延伸至工程实践,力求找到解决工程实际问题的方法或手段,把所学知识举一反三,灵活运用。
4注重实验过程,加深知识理解
热能动力类“工程流体力学”课程安排了自己的实验教学大纲,针对课程知识点的要求,框定了几个常见的实验项目。如伯努利方程验证、流量系数的测量、雷诺实验、沿程阻力系数的测定 。其中伯努利方程验证为必做项目,因为伯努利方程的运用贯穿课程始终,需加深对它的理解。总之,“工程流体力学”不同于其它力学,有其自身的规律性。要想学好它,必须搞清这门课自身的特点和针对它的研究规律, 并辅之以扎实的学习态度和不怕困难的精神。
参考文献
一、提炼课程核心思想、调整教学内容
近几年来,随着我国及上海市海洋战略布局和海洋经济的发展,上海海洋大学作为一所以海洋、水产和食品为特色的高校,在学科和专业建设方面取得了较大进步,《工程流体力学》作为一门专业基础理论课,其地位愈来愈显得重要。其中海洋学院、食品学院和工程学院几十年来在本科和研究生教育中,一直将《工程流体力学》和《高等流体力学》作为一门相当重要的专业基础课。特别是,工程学院的机制专业将《工程流体力学》作为该专业学生的一门必修课,随着学校的发展,这门课程必将渗透到生命学院的水产、水生物、设施渔业、水环境等专业和方向中。目前根据已定的教学计划,每学年有近650名学生学习这门课,由于各专业对其内容眼球的不同,需要结合各专业的特点,提炼课程核心思想、调整教学内容,通过不同的模块组合,确实提高学生的学习兴趣,促进教学质量的提高。
上海海洋大学《工程流体力学》任课教师根据多年的教学大纲及要求编写了“工程流体力学”教材,同时完成了配套教材的ppt电子教案,要求学生掌握流体力学的基本知识、原理和计算方法,主要包括:静平衡微分方程、流体对固壁的总压力、流体运动的描述、伯努利方程、动量(矩)方程、量纲分析、相似原理、绕流阻力等。在弄清概念,掌握理论的基础上,能够学会运用基本理论分析解决实际问题,并掌握基本的实验技能,为从事专业工作、科研和其他专业课的学习打下基础。为了便于学生的自主学习,又出版了配套教材的“工程流体力学习题解析”一书。同时根据实际工程需要,将《工程流体力学》的教学内容分为3个层次,即流体力学的基础理论、流体力学知识与进展、流体力学应用与实践, 克服了以往过分重视理论知识的介绍,轻视其应用的弊端。此外,还相继开出了流体力学独立实验课、计算流体力学等。
同时,根据不同专业的具体需求,在课程设置、教学内容上都作了许多相应的调整。例如在全校新开了“工程流体力学的应用”课程,受到了学生们的欢迎,选修这门课的学生相当多,容量达95%以上。并设计了不同的模块组合,对机械专业的学生,在已完成《工程流体力学》教材的二版修订中,在第8章中增加了明渠流动内容,增加了水波理论等内容;针对食品专业的需要,增加了气体及热力学类内容,并补充五套自测题供学生选用,确实提高了学生的学习兴趣,并促进了教学质量的提高。
二、改进教学手段,优化教学过程,加强教学互动
由流体力学团队编写的《工程流体力学》教材,于2006年由上海交通大学出版社出版,同时出版了与之配套的“工程流体力学习题解析”,为了便于教师教学,同时制作了与本教材配套的制作精美、图文并貌的CAI课件,生动地描述了流体力学的一些理论及现象,大大减轻了流体力学理论的学习难度,提高了学生学习的兴趣和效率。这些系列教材的出版,对该课程的建设和质量提升,起到了非常重要的作用。不但受到了本校学生的好评,同时还受到陕西理工大学、中国民航大学、浙江海洋学院及天津城市建设管理职业技术学院等许多学校的欢迎,这些学校对系列教材给予了充分肯定。图书发行突破2万本,出版方已无库存。
充分利用网络资源,将课堂理论教学教案、主讲教师课堂教学的部分录像进行网上共享,使用录像片、流体力学演示实验教学片、电子教材等多媒体教学手段,使学生感到难以接受的流动力学概念变得十分生动具体,加深对教材内容的理解,提高教学质量。使学生能够随时复习、预习相应的课堂教学内容。同时充分利用上海海洋大学的E-Class网络平台,进行网络实时习题、例题解答,以及课后答疑网络资源及软硬件的建设,形成师生交流的互动平台,真正提高网络教学的实用性。强调计算机在流体力学教学中的应用
在充分利用现代教学手段的同时,不能忽视传统教学方法的作用。本课程采用多媒体与板书相结合的教学模式,充分利用多媒体教学信息量大,图像清晰生动的特点, 结合传统板书讲解复杂理论推导的优点,不仅直观清晰,一目了然,而且对重点部分又能反复讲解,以达到学生基本理解并具有一定想象能力。例如在讲解研究流体运动的两种方法:质点法和空间点法时,多媒体上会出现公交车客流量观察方法的动画,使学生既易于分清这两种方法的不同,同时又强调一个相同的目的。又如在讲到流体的漩涡运动时,有龙卷风作强烈旋转运动的画面;讲到伯努利方程时,有踢任意球进球门的画面。理论教学上严谨,但是动画及多媒体生动、形象,使得学生在学习时既不感到枯燥,同时又能加强对基本理论的理解。由于学生数很多,教学上采用大班课的形式(基本上每个教学班有近100名学生),多媒体教学发挥了很大的作用。它使繁冗的公式推导成为一个简单的讲解过程,将复杂的流体运动生动形象地表现出来,同时对重点和难点反复在黑板上演示讲解。这两个方法相辅相承,取得了很好的教学效果。这种授课方式既有利于避免研究生因长时间精力高度集中而产生疲劳,又有利于他们理解并掌握复杂的流体力学基本理论。
2008年“工程流体力学”教材获上海海洋大学教学成果一等奖。作为普通高校重点教材建设项目之一,2009年被上海市教委评为优秀教材三等奖,2011年获得上海市教委重点课程建设项目(沪教委高〔2011〕48号),极大地提高了上海海洋大学来在流体力学行业的影响力。
三、完善实验教学条件,形成完整的教学实验体系
在注重理论教学的同时,加强实验教学环节,2011年3月由上海海洋大学主编的《力学基础实验指导-理论力学、材料力学、流体力学》,由同济大学出版社正式出版发行,其中的流体力学部分(第三大部分),从根本上解决了实验指导书与实验仪器不配套的问题,有效提高了流体力学实验教学质量。2009年下半年新添置了多功能流体力学实验装置、动量定理实验仪、流动图形显示仪、毕托管测速实验仪、虹吸管实验仪、势流叠加仪、空化实验仪等流体力学实验设备,新开设了大量的设计型和创新型流体力学实验,使学生、教师互动,用实验数据来验证理论,来观察抽象的流体运动;用理论知识解释一些流体现象,发现新的现象。这种教学手段提高了教学效果。同时在互动中,将有关科研上对于流体力学的一些热点问题以讨论的形式引入教学,充分地调动了学生的学习热情。通过实验验证加强感性认识:在许多重点和难点的地方,基本上有配套的实验,从实验中学习,既能培养学生从实践中发现问题并进行深入分析的思维习惯,激发他们的学习热情,同时也是加强印象、加深理解、克服难点的手段之一。
针对个别专业的特殊需要,开设了流体力学独立实验课。实际的流体运动非常复杂,因此通过流体力学实验是揭示流体运动规律的一种重要手段,为了帮助学生加深对所学理论的理解,更好的用所学理论解决生产实际中的问题,经过多方筹建,2009年我校海洋环境专业开设流体力学独立实验课,共16学时,实验内容主要包括:能量方程实验、雷诺实验、动量定律实验、沿程水头损失实验、局部水头损失实验、毕托管测速实验、管道测流量实验、流动显示实验、虹吸实验及势流叠加实验等;针对食品专业的需要,开设了气体及热力学类实验。
四、实现教学和科研的互动
在任课教师积极参加各类相关的学习与培训的同时,强化任课教师的科研观念,以科研带动教学,以教学促进科研,进行有效的纵、横向科研联合。任课教师积极参与各类教学改革和科研项目,如深水网箱水动力研究、渔船螺旋桨软件系统设计、人工鱼礁流场分析、海洋结构物的流固偶合分析、海洋波浪能的研究开发等。通过这些项目的研究,加深了对流体力学在海洋科学中实际应用和最新进展的了解。在毕业设计环节,每年选作以流体力学基础理论及其工程应用为毕业论文课题的本科学生20余人,研究生10人。取得多项教学改革和教学研究成果,并在生产实践中得到应用,如流体力学团队教师编制的“渔船螺旋桨系统设计软件”获得2007年上海海洋大学科技成果三等奖,该软件目前已被潍坊柴油机厂、玉林柴油机厂等国内主要柴油机生产厂家广泛应用。我校工程学院羊晓晟、侯淑荣、马利娜、沈小青同学的“一种新型海洋波浪能发电装置”项目,参加2011年由、中国科协、教育部、全国学联和地方政府共同主办的、在大连理工大学举行的第十二届“挑战杯”终审决赛,在全国1935所高校选送的16976件作品中突颍而出,获得“全国竞赛三等奖”。该项目由流体力学老师指导,并突破了波浪及流固耦合理论,极大地激发了学生对本课程的学习热情。今后,本课程将在大学生科技创新中发挥更大的作用。
五、教学效果的考核
《工程流体力学》课程具有理论性强、公式多、数理基础要求高的特点,为帮助学生的学习,仅仅通过教材讲解还远远不够,需要配套必要的习题。在现有基础上,更新试题内容,完善试题库建设,考虑到我校研究生教学的特点, 团队根据新编著教材的主要内容, 以章节为单位,精心筛选和编写了典型习题集,力图做到其中的习题一定要具有典型性。习题的数量不能多,更不能类似和重复,学生通过习题练习,能有效地掌握教材中的基本知识。提高试题质量,真正做到教考分离,促进教学质量的提高。该试题库具有以下功能:平台提供自动组卷、手动组卷、互动组卷,条件设定灵活全面;试卷自动转换成WORD文档,方便打印输出;自定义追加试题入库,采用WORD文档格式编辑批量入库。
在考核中,平时成绩、实验课成绩和期末成绩比例为15%、20%和65%。实践证明,该考核方法取得了很好的效果。
六、结语
总之,对于《工程流体力学》课程教学内容改革的初步探索分析,可以促进教学观念的改变,按此目标授课,对教师提出了更高的要求。同时,还可以促进教材建设、实验室建设及其仪器设备的更新,提高学生的动手能力及科研能力,从而实现“学有所用”,“教学相长”。
高等教育教学改革,特别是专业基础课程体系及教学内容的改革,是一个系统和长期艰巨的实践过程,专业教师任重而道远。只要不断努力和探索实践,就可以开拓出一条符合各个专业需求的、更加富有成效的新途径,取得更好的教改成果。
本文受“2011年度上海市教委重点课程建设项目(沪教委高〔2011〕48号)”资助
[参考文献]
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[3]Bruce R Munson, Donald F.Young and Theodore H.Okiish. Fundamentals of Fluid Mechanics,5th Edition, New Delhi:John Wiley &Sons,2002
[4]Robert W.Fox,Philip J.Pritchard and Alan T McDonald. Fluid Mechanics,7th Edition. Hoboken:John Wiley&Sons,2009
[5]Frank M.White.Fluid Mechanics,6th Edition.New York: McGraw-Hill,2008
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2017)03-0038-02
流体力学是环境工程专业的专业基础课,主要讲述工程流体力学的基本概念、基本原理和基本方法,主要内容包括流体静力学、流体动力学、流动能量损失及有压管流和明渠流等。由于该课程涉及高等数学、大学物理、工程力学等,基本概念多且抽象,对学生的综合分析和处理问题的能力要求高,因此学生普遍感觉学习较为困难。流体力学课程一般在第4学期开设,开设在高等数学、工程力学等课程之后。
随着教学改革的不断深入,如何针对流体力学抽象概念多、数学分量重、理论性较强的特点,有针对性地对环境工程专业的学生尤其是应用型本科院校的学生进行授课,本文从以下几个方面进行了探讨。
一、针对专业特色和课时量,优选教材
流体力学分为理论流体力学和工程流体力学。前者适用理科专业方向,偏重理论;后者适用工科专业方向,着重于工程应用。对于应用型本科院校来说,应选用偏重于工程应用的工程流体力学作为教学内容。目前,环境工程专业尤其是侧重于水处理的环境工程专业,其流体力学的知识主要用于解决污水处理厂设计中的流体力学问题,课时量被压缩到50个课时左右。因此,要选用适用于较短学时,并且侧重于水力学知识的教材。教材要能够与时俱进,精益求精,注重理论联系实际,注重内容的系统性与完整性,能够涵盖流体静力学、流体动力学、有压管流、明渠流等基本内容。教材要有一定的例题和课后思考、复习题,能够开拓学生的思维,激发学生的学习兴趣,最好能附有实验演示的光盘。
二、丰富教学内容,增加学生学习积极性
学生普遍反映流体力学很难,其中的主要原因在于W生的学习积极性不高,不肯花时间去钻研。确实,流体力学对于初学者来说,是有一定的难度,这就要求教师在讲授绪论课时,要让学生了解流体力学的任务以及在专业及后续课程中的作用,从而启发学生思维,激发学生学习兴趣。同时,教师要对学生学习流体力学提出明确要求,如哪些内容需要掌握,哪些内容需要了解,使学生对课程的学习做到心中有数,树立学好这门课程的自信心。[1]
三、改进教学方法和手段,突出重点
流体力学的重点和难点在于公式的推导和理论的理解,以及用理论和公式解决实际问题。例如,在流体静力学这一章中,关于流体平衡微分方程的推导,就涉及高等数学中的连续函数和泰勒展开式等,这是一个难点,对学生的高数基础要求比较高。而求解作用在平面上的静水总压力有两种计算方法,一种是解析法,一种是图解法。解析法要求学生有工程力学的静力矩和惯性矩的知识以及基本的几何知识,此法的压力中心在受压面的形心的下面,与形心不重合;而在图解法中,静水总压力的压力中心与压强分布图的形心重合。虽然课上教师反复强调两种方法的区别,但基础差和理解能力不强的学生仍然一头雾水,不能很好地解决实际问题。针对这一情况,教师在课堂讲解时应尽量利用多媒体课件进行讲解,最好还能结合模型进行讲解。例如可以借助一块平板,将其置于水下,标注其形心和压力中心的位置,再将平板与一棱柱体结合,分析压强分布图的形心位置。这种形象地讲解,有助于学生更好地理解教学内容。
在教学过程中,多媒体可充分利用图形、图像、声音、录像将教学内容充分表现出来,从而激发学生的学习兴趣,加快教学信息的传递速度,提高课堂教学效率,扩大学生知识面。[2]但多媒体也带来了一系列的问题,如学生在听课过程中,多媒体课件一晃而过,当时学生感觉很好, 但真正留在脑海里能掌握的内容却很少,这容易造成学生眼高手低。因此,流体力学的教学要多媒体和板书相结合,在进行公式的推导和例题的讲解时,最好使用板书,这样可以使学生印象深刻,增加记忆的时间;而在讲解流线和迹线等比较抽象的内容时,可以采用动画形式,这样能够加深学生的直观理解, 有助于提高教学效果。
流体力学的学习讲究系统性,各章之间又相对独立。在每次上课之前,教师应对上节课的内容进行回顾复习,并可以采用提问的形式,让学生了解自己对上节课重点内容的掌握情况。在每一章节开始时,教师应首先向学生介绍本章的主要内容、重点和难点以及与前后章节的联系,每学完一章后教师要进行归纳总结,以便让学生将所学知识融会贯通。对于重要的内容,教师在课上讲解的时候要明确指出,回顾的时候要对这部分内容进行提问,在一章讲完归纳总结的时候,要再次强调这部分内容,相信这样可以使学生印象比较深刻。
四、理论和实验相结合,充分利用有限的课时
流体力学往往有0.5个学分的实验课。实验的主要目的是通过实验加深学生对理论知识的理解,提高学生的实践操作能力,更好地运用所学理论解决生产中的实际问题。实验结束后,应让学生整理实验数据,总结物理量之间的相互关系,以便发现其中的规律,这非常重要。[3]很多教师的做法是理论课全部讲完了,再集中上实验课,这种做法有利有弊。优点是学生在上完理论课后,在实验课上教师再讲解一遍实验原理,可以加深其对知识的理解和记忆。弊端是上理论课时,教师不能形象地讲解,学生不能很好地掌握;上实验课时,教师再讲解一遍,费时费力。对于应用型本科院校来说,其培养的是应用型人才,实验教学是人才培养最基本的工作。尤其在总课时量被压缩的情况下,充分利用实验课的时间,将理论和实验相结合,就成为一种行之有效的手段。流体力学中的很多内容,例如雷诺实验,沿程水头损失和局部水头损失的计算都可以在实验室进行讲解,一边讲解,一边实验演示。还可以在流体力学实验室中增加多媒体设备或者其他可视化设备,课前让学生预习,课上讲解完理论,直接就让学生动手做实验,课后处理实验数据。这样既能充分利用有限的课时,又能使学生更好地掌握所学知识,还能锻炼学生的动手能力和归纳总结的能力,一举数得。
五、加作业环节,改革考核方式
学习的最终目的是让学生能够独立自主地解决实际工程问题。课后作业是检查学生对所学知识理解、掌握程度的一种手段,同时也是培养学生分析、解决问题能力的一种方法。[4]当然,布置作业不等于搞题海战术。例如,关于典型的三大方程,即连续性方程、能量方程、动量方程的应用,有三种类型的典型题目,即弯管内水流对管壁的作用力,水流对建筑物的作用力和射流对平面壁的冲击力,每种类型的题目可以布置1~2道作业题。而关于求解作用在平面上和曲面上静水总压力的计算,题目形式多样,压力体的形状灵活多变,可以适当多布置作业题,让学生尽可能多掌握各种类型的题目。同时教师可以在课堂上专门安排习题课。这样一方面可对学生所做作业进行点评,剖析典型例题,启发学生举一反三;另一方面,这也可给学生提供了课堂讨论的机会,引导学生掌握发现问题、解决问题的思路、方法和技巧,能对学生思维进行锻炼,让学生触类旁通。[5]除了典型的计算题以外,习题课上还可以设置选择题、填空题和判断题等,避免学生重计算,轻概念。
目前,在考核方式上,一般是平时成绩占20%,实验成绩占20%,期末成绩占60%。这种考核方式虽然兼顾了期末考试和平时表现,但也存在弊端。笔者在教学过程中发现,很多学生平时作业做得不错,但期末卷面成绩非常不理想。究其原因,可能是平常作业存在抄袭现象,上课虽然出勤率高,但课上听讲不认真。如何改变这一现状?一方面,可以适当减少平时成绩所占的比重,例如平时成绩占10%,期末成绩占70%,实验成绩占20%;另一方面,实验成绩单独计算,而在理论考试中,平时成绩占20%,期末成绩占80%。当然,更为重要的是教师要练就“火眼金睛”,要具有高度的责任心:一是对作业雷同的现象,一律给予当次作业不及格;二是要加强课堂纪律的管理,对于回答问题的情况、课上表现等都要作为平时成绩的重要方面进行考核。只有这样,才能真正体现出考核的公正性和合理性。
总之,针对应用型本科院校,流体力学的教学应与学校的办学特色、办学定位相结合。应在总课时量不增加的前提下,优选教材;激发学生的学习兴趣,注重学生分析问题、解决问题能力的培养;加强理论与实验相结合,增加综合性、设计性实验项目,鼓励学生自己动手研发、设计小型实验装置,培养学生的动手能力与创造能力,这样才能够提高学生各方面的能力,最终实现培养“厚基础、善实践、能创新、高素质”的应用型人才的目标。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张羽,张仙娥.环境工程专业《流体力学》的教学探讨[J]. 华北水利水电学院学报(社科版),2010(4):156-157.
[2] 宿程远,张建昆,陈孟林.师范学院环境工程专业流体力学课程改革初探[J].中国电力教育,2008(12):117-118.
当前,在“绿色发展理念”深入人心的时代背景下,农林类高校迎来了很好的历史发展机遇;同时社会和企业对农林类专业人才的需求更加重视质量,对人才的知识深度、广度和对专业基础课、专业特色课核心知识的实践运用能力,均提出了更高要求。提高机械设计制造及其自动化专业学生林业装备系统总体及其子系统技术的掌握程度,拓展学生在林业装备系统上运用专业基础课、专业特色课中核心知识的科研能力,是农林类高教工作者面临的共同课题[4]。
1课程教学剖析
1.1课程内容
“热工基础及流体力学”这门课程是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业基础课,是后续液压与气体传动、泵与风机、林业机械等专业及特色专业课的重要基础。课程目标包括:掌握工质的热力学性质、热力学第一定律、第二定律、热工转换的规律和理想气体的热力学过程,学会基本的理论分析与计算方法;通过对热量传递的三种基本方式、导热基本理论、对流换热基本规律、黑体辐射基本定律等内容的学习,使学生具备对基本的传热学问题进行分析和总结的能力;掌握流体的主要物理性质和流体静力学的基本理论知识,学会流体上的作用力分析,能够推导流体动力学方程的连续性方程和伯努利方程,针对黏性流体,能对管内流动状态进行判断;能够对“传热学”“工程流体力学”的实验结果进行分析和解释,通过实验数据综合分析工程中的现象及问题,并得到合理有效的结论。总体来看,本课程讲授内容包括工程热力学、传热学以及工程流体力学三大板块的内容,是在高等数学、大学物理、理论力学、材料力学的基础上进行深化学习,拓展到实际的工程问题,所以本课程不仅理论性强,而且工程应用性也很强;与机械设计制造及其自动化专业其他课程相比,该课程涵盖了本应三门独立开设的课程内容,知识难点聚集、微积分公式众多、三大知识板块思维跨度大、学生融会贯通掌握难。但是,学生对课程内容的掌握程度直接影响后续专业特色课程的学习情况。
1.2教学思路
目前,本课程总学时为48学时,理论授课42学时,实验授课6学时。三大板块的教学内容多,理论授课课时较少,矛盾突出:(1)学生由固体学科切换到流体学科的学习需要较长适应期;(2)课程中较多章节内容抽象,且涉及大量公式推导及专业的概念铺垫,加之为了跟上教学进度教学内容更新较快,学生普遍反映课程难度较大;(3)教学内容和后续专业及特色专业课内容衔接性不够紧密;(4)从内容的充实性和课程的结构上来看,“热工基础及流体力学”这门课程的教学内容已经满足要求,但是对接林业机械领域最新技术,强化学生创新思维方面,当前的课程建构仍无能为力;(5)由于本课程的学习不涉及具体的机械装备系统,使得同学们对本课程在专业中的地位认知不足,学习积极性欠佳,这些现状使得提升教学效果难度较大。针对上述课程特点及教学现状,结合农林类高校“机械设计制造及其自动化”专业的实际情况,制定了如下教学思路:(1)授课时,使学生从机电系统、固体力学等学科的思维中切换出来,将空间观测法跟同学们探讨透彻,基于空间观测法开展“热工基础及流体力学”的课程教学。(2)在教学大纲中删除过于抽象、应用面较窄的教学内容,深入讲解与后续“液压与气体传动”“泵与风机”“林业机械”等课程关联度较深的内容,为专业及特色专业课的学习做好扎实铺垫。(3)结合在林业机械领域与“热工基础及流体力学”紧密关联的科研经历,探索寓教学于科研、科研反哺教学的授课模式,强化同学们对“热工基础及流体力学”在“机械设计制造及其自动化”专业里占有重要地位的基础认知,显著提升同门们自愿学习、自主学习的热情。(4)注重思维方式、终身学习意识的培养。教学过程中注重切入问题角度的讲解,使得同学们在明白问题的同时更养成学习思考问题方法的习惯;从固体学科到流体学科是一个较大的跨越,在跨越的过程中,使同学们树立终身学习意识,为以后培养同学们提出、解决林业机械领域学科前沿性、热点性问题的能力打下坚实基础。
2课程构建探讨
在“碳达峰、碳中和”的硬性发展要求及“绿水青山就是金山银山”的发展理念加速推进的浪潮之下,农林高校“机械设计制造及其自动化”专业的毕业生在高等教育系统中的地位不断提升,所以基础专业课程构建更需获得与之地位匹配的重视。一方面,基础专业课课程构建要体现基础知识的深度和广度;另一方面,内容要很好衔接并服务于核心专业课、特色专业课,为学生后期毕业设计、研究生科研深造做好铺垫。
2.1课程内容深度衔接核心专业课
“林业机械”是南京林业大学“机械设计制造及其自动化”专业的核心专业课,内容涵盖林业动力、整地、清理、苗圃、造林、抚育、保护、防火、采伐、采摘、智能化等机械。其中,和“热工基础及流体力学”专业基础课相关的包括动力、清理、保护、采摘等板块。林业动力机械(包括泵、风机)涉及“工程热力学”中热能和机械能之间的转化问题,同时也涉及“工程流体力学中”可压缩混合气体压强、温度变化和装置的动力匹配问题;林业清理机械涉及“工程流体力学中”不可压液态水在管道内部的流动,在雾化器内的流态分布、出口后雾化粒径分布等复杂多相流问题,如图1所示;林业保护机械中喷雾射程、喷雾穿透涉及“工程流体力学中”可压缩流体空气的外部流动及耦合风场、雾滴的多相流动问题,如图2所示;林业采摘机械中,基于负压的采摘系统涉及可压缩流体空气的管内流动问题。从衔接核心专业课的角度来看,一方面,农林类高校“热工基础及流体力学”这门专业基础课程应该深耕“工程热力学”和“工程流体力学”,而“工程流体力学”应该是重点中的重点;另一方面,也好兼顾课程内容的完整性,“传热学”也要适度调整。
2.2匹配三大板块关系,优化课程结构
建议协调、平衡三大板块的课时占比,同时明晰课程内容的内在逻辑关系,在此基础上进一步优化课程结构。在“工程热力学”(热能的间接应用)板块中,我们将实现热力学能向机械能转化的媒介称之为“工质”,媒介一般是“单一气体”或者“混合气体”,热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质及理想气体的热力过程等课程内容和专业核心课程林业机械吻合度较好。“工程流体力学”中,对流体的终结性定义是“抓不起来的物体”,一般性的定义是“气体和液体”的总称,但课程内容中流体基本概念的铺垫、流体静力学、流体运动学、流体动力学及黏性流体等课程内容都是基于不可压的液体,同为流体,但气体和液体的性质及研究重点相差甚远,“气体”这种流体相关课程内容的缺失为后续专业核心课程的学习带来很大知识结构缺陷。“传热学”(热能的直接应用)中,对导热、对流传热(混合传热,主要是流体和固体之间)、辐射传热的基本原理、工程应用等课程内容做了比较详细的讲解,但是后续专业核心课程对传热学中的知识需求很少,仅仅在脉动燃烧技术这一研究领域有所涉及。总体来看,不管是“工程热力学”中的“工质”,还是“工程流体力学”中的“气体”,再或者“对流换热”中的“流体”,其中“气体”是课程的“最大公约数”,也是和林业机械这一专业核心课程相关的“最大公约数”。鉴于此,“工程热力学”教学内容总体上可以维持不变,部分章节可以简化,不重要的知识点减少不必要的推导,侧重理论、公式概念的理解和应用,这样可省出一部分课时。总课时不变的情况下可以合理缩减“传热学”的课时,对辐射传热只做一般性介绍;考虑到相似原理在流体力学的试验研究中也有重要应用,可以在这里对相似准则进行深入讲解,省出较多课时。将“工程流体力学”放在最突出的位置,省出来的课时分配给这一部分;增加可压缩流体“漩涡势流理论”“相似理论中的量纲分析法”、包括气体动力学中“扰动在外空间流场中的传播”及“管内气体的流动”等内容,以匹配林业机械核心专业课。
2.3树立自主学习、终身学习意识
目前,流体力学板块中关于可压缩流体的课程内容匮乏,教学中会鼓励同学们在MOOC上寻找优秀资源进行线上学习,使同学们树立自主学习意识。通过工程流体力学板块,我们在体力学的范畴内将研究运动的方法由拉格朗日法提升到欧拉法,这是一个显著的改变,也是重要的进步,通过这一步,有助于培养同学们的终身学习意识。
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)16-0249-02
一、引言
随着全球经济一体化的不断发展,对复合型人才的需求越来越大,高等教育的国际化也逐渐成为发展趋势。国内高校如何实现人才的国际化提高教育的国际竞争力,引起广泛的思考。双语教学被认为是高等教育国际化的重要内容。流体力学课程是能源动力类专业及机械类部分专业的专业基础课,具有较强的工程性、技术性和实践性,课程基础知识与生产生活实际密切相关,除流体力学的基本理论和方法讲解外,还需注重实验测试、工程应用等实践教学。双语教学可以使学生具备一定的专业英语技能,采用原版教材接触国外最新的专业知识,使在人才培养上与国际接轨成为可能。但是流体力学双语教学存在一些问题,实践教学部分如何体现双语授课及其意义与价值,还需进一步思考,流体力学双语教学模式仍处于探索阶段。
二、流体力学课程双语教学现状
1.教学目标不够清晰。流体力学课程本身概念多、专有名词多、流动原理复杂,用中文教学时部分学生尚且不能很好地完成该课程的学习,双语教学时通常引进原版的英语教材,学生英语水平参差不齐,对于英语水平不佳的学生来说,学习难度将进一步提高,流体力学双语教学往往变成了专业外语课,专业词汇及专业术语的解释占据了课堂大部分的时间,忽视专业知识的讲授,与双语教学实施的初衷大相径庭。
2.缺乏专职的双语教学师资。双语教师既要精通专业知识,又要有较高的外语水平,能流利地应用外语讲授课程。目前,担任双语教学的教师主要是外语水平相对好的专业课教师,没有受过系统的语言教学方面的训练,遇到突发事件时,很难用英语准确、充分地表达自己的想法。另外,承担双语课程的教师一般比较年轻,教学经验不足,教学手段、教学方法和教学能力还需进一步完善。
3.学生接受度不佳。双语授课时,通常是教师用英文向学生传授知识,学生始终是被动地听讲、被动地接受英语和专业知识,师生之间几乎没有互动,学生的英语听说能力、英语应用能力依然得不到锻炼。双语教学过程中必然会涉及大量生僻的专业词汇,学生很容易由于一些句子没听懂,产生畏难情绪,影响课程双语教学效果。
三、MOOC模式与SPOC模式
MOOC(Massive Open Online Course,大规模开放式在线课程)模式将多种形式的数字化资源放在网上,学习者反复观看教学视频,理解课程讲授的知识。将MOOC模式应用到流体力学双语教学中,可以有效解决学习者由于英语水平不高而引起的学习困难的问题。然而,MOOC模式下的教学活动主要是以知识为中心的理解类活动,个性化学习和学习体验缺失,虚拟实验无法替代真实实验。流体力学课程除了要求学习者掌握基本知识点外,还要求学习者学会知识点的应用。MOOC模式下单一的线上教学不足以激发学生的热情,课程完成率不高的缺点亦广为诟病。流体力学课程双语教学的目的在于在讲授流体力学知识的同时,培养学生具有较强的英语应用能力,学生若不能有效地完成课程学习,则新教学模式的探索就显得毫无意义。SPOC(Small Private Online Course)是小规模限制式在线课程,其受众可以限制为在校大学生,设计和利用优秀的MOOC资源,克服MOOC单一的线上学习的缺点,实施混合式教学,将MOOC之所长与面对面教学融为一体,增加师生互动,激发学生的学习热情,提高课程完成率和学习成绩。因此,SPOC模式将更加适合流体力学双语教学,帮助教师与学生突破英语水平不高的限制,高效地完成流体力学知识的讲解与学习,同时提高教师与学生的英语听说能力及英语应用能力,实现教学相长的良性循环。
四、流体力学SPOC双语教学资源
1.流体力学SPOC双语课程教学视频。众所周知,看电影学英语是提高英语水平的一个好方法,通过视频看情节,重复听取单词,更加容易了解单词的发音及其用法,当然还能学到更加地道的生活化语言。受这一方法的启发,引进国外优秀的流体力学MOOC资源,根据国内大学生思维方式、知识结构的特点进行优化,编写双语教材,精心制作流体力学SPOC双语课程教学视频,让学生听英语学流体力学知识。
2.流体力学SPOC双语实践教学视频。流体力学SPOC双语教学开展3~4周后,学生对流体力学课程及专有词汇有了一定了解,此时可以开展流体力学SPOC双语实践教学。双语实践教学视频仅提供流体力学专有词汇的中文意思,要求学生逐渐适应全英语教学。在视频页面显示实验名称,提供英文版实验目的、实验原理及实验步骤、实验数据处理方法说明、实验报告撰写要求及思考题回答要求,这部分文本依然提供鼠标取词功能,帮助学生理解实验要求。流体力学SPOC双语实践教学视频可以不局限在本校流体力学实验室能开设的实验,可以是国外的实验装置、先进测量方法等的解说,让学生了解学科的前沿知识。
五、教学过程
1.课堂教学。流体力学双语课开课前,教师将每次课的授课内容、相应的教材章节、相关的双语课程教学视频列表发放给学生,让学生明确SPOC双语教学模式下教与学双方所需要的改变与努力,以期获得良好的教学效果,同时师生共同提高英语应用能力。课堂教学采用翻转课堂的讲学模式,要求学生课前观看SPOC双语课程教学视频,理解视频中的主要内容,思考教师前一次课布置的讨论主题。在课堂上,教师讲评教学视频中的重难点,不再讲解课程的全部内容,课前备课的精力不再集中在背熟讲稿,而是更专注于主题的设置、问题的解答及流体力学知识的应用方法,预估学生可能的回答内容并准备合理有度的评论。组织学生学习小组,一个自然班通常为30名学生,分成6组,每组5人,设小组长1人。每次课教师针对重点与难点准备30个问题,基本从易到难设置,分成五轮问答。每轮小组抽签得到问题,各小组派一名学生回答,若用英语回答正确得25分,用中文回答正确得20分,回答不完全正确,由教师酌情给分。每组各成员得分之和即是该学习小组的得分,多次平均后作为平时成绩。
2.实践教学。基于流体力学SPOC双语实践教学视频,实践教学改变了传统实验教学模式。按照原有的教学方式,学生进入实验室,教师针对实验台讲解后,学生立刻开始做实验采集数据,没有时间深入思考实验相关流体力学知识,很难将理论与实践联系起来。在SPOC双语教学模式下,学生在实验前先观看相关视频,进入实验室后,实验指导教师拿出测试卡要求学生答题,全部正确后,学生才进入实验室采集数据。学生仍以课堂学习时的学习小组为单位进入实验室,采集并整理数据,形成全英文的实验报告。流体力学SPOC双语实践教学视频要求每位学生均观看,测试卡答题可由学习小组派代表完成测试,实验操作、实验数据处理以及实验报告撰写等任务由学习小组自行安排分工,小组成员协同合作,培养学生的团队合作精神。在SPOC双语教学模式下,要求学生观看双语实践教学视频8个,学生学习小组根据各自的兴趣爱好选择2个,完成实验数据采集,整理分析形成英文实验报告。教师根据实验数据及思考题准确程度给分,两项实验平均分为各学习小组的实验成绩。
六、课程考核
流体力学SPOC双语教学采用多样化的考核形式,最终成绩由课堂平时成绩(40%)、实验成绩(20%)、学习小组组长打分(10%),学生自评分(10%)及期末考试成绩(20%)组成。其中课堂平时成绩及实验成绩占60%,大幅降低了期末考试成绩的所占百分比,鼓励学生在平时认真准备双语课程的学习,真正做到学以致用。其次,课堂平时成绩、实验成绩均是以学习小组为单位给出的团体得分,要想获得好分数,各成员必须共同努力。学习小组组长对各成员打分,占最终成绩的10%。学生自评分是学生对自己的评价,在学期结束时总结自己的学习成效,占最终成绩的10%。期末考试试卷设置50%的英语题量,占最终成绩的20%。
七、结语
流体力学SPOC双语教学新模式的关键在于优质的SPOC视频教学资源和师生之间的互动配合,学习世界一流大学的教学视频优化SPOC教学资源,可以快速缩小与世界一流大学教育水平的差距,教师备课的重点由知识传授转变为知识的深入理解与应用,学生从被动地接受知识转变为主动学习知识并尝试应用。并且,教师与学生的英语听说能力、英语应用能力都能得到锻炼。在流体力学SPOC双语教学模式下,教师有更多的时间准备创新性的教学设计与教学内容,学生以团队形式组队学习,在课堂上与教师互动,培养学生灵活应用知识的能力与创新能力。基于流体力学SPOC双语教学模式,可以形成优质的双语教学师资队伍,培养学生具备创新精神、双语沟通能力和团队合作能力,满足教育国际化的需要。
0引言
《流体力学》是工科专业的一门基础课程,在各工程领域也有着非常广泛的应用[1-3]。通过对流体力学的学习掌握就可以为后续专业课的学习奠定坚实的基础,而在实地教学中却存在诸多问题。因为大部分本科生以前接触的力学都是简单的固体力学,研究的是看得见摸得着的事物。而流体力学着重研究流体的静止及运动状态的规律,研究流体的质量守恒、能量守恒及动量守恒三大定律及其应用,对数学学习要求较高,课程中的概念较抽象、公式较复杂[4],使很多学生难以理解其知识点,难以把握学习的要领,进而容易遗忘或者产生厌学情绪。因此,根据安全工程专业特点,对流体力学课程教学内容和教学方法等进行改革是非常必要的。
1课程教学特点及现状
《流体力学》是安全工程专业的一门学科基础必修课程,是一门多学科交叉融合的课程,涉及数学、物理学、力学等,理论性和工程实用性都较强。课程的研究对象为流体,区别于固体的主要特点是易流动,课程中的许多概念较为抽象,且方程的推导需要运用数学的方法,对学生运用数学知识分析问题的能力要求较高,总体来说,学生学习难度较大。目前,《流体力学》的课堂教学以理论知识讲解为主,习题练习为辅,要求学生数学基础、理解能力、逻辑思维能力较好,课上认真听讲,课后及时复习巩固。但是学生的学习主动性和积极性不高,课程作业的完成质量不高,只是单一的应付考试。
2课程改革探讨
为提高学生的学习效果,适应新形势下应用型人才的培养目标,培养学生严谨、认真的学习态度,培养学生分析及解决流体力学问题的能力,及运用流体力学方法进行科学研究的基本能力,并为后续专业课程的学习打下良好的基础。本文拟从教学内容、教学方法、考核形式三个方面对《流体力学》课程进行改革。
2.1教学内容
根据《流体力学》在安全工程专业中的课程定位,将流体力学的内容分为流体静力学、流体动力学基础、流动阻力及能力损失、管路流动、相似原理及因次分析等五大模块。课程内容围绕流体静止、运动两个状态及力学的三大方程展开,由浅入深。培养学生的工科思想及意识,能够对安全工程专业的流体力学问题进行分析。
2.2教学方法
整合传统和现代教学手段,采用不同的教学方式,如课堂教学与网络辅助教学相结合,将相关的习题解答方法及课堂练习同步至超星在线课堂,给学生课后复习巩固提供资料,并通过网络资源及时进行解答;多媒体教学与板书结合,将复杂的流体流动过程以多媒体动画的形式展现出来,让学生更直观的了解某种现象,增加对理论知识的理解和掌握;增加课堂习题练习及讲解,注重师生互动,注重理论练习实际,在课堂组织教学中通过师生互动调动学生学习积极性,并通过该环节了解学生课堂知识的掌握情况,及时调整讲授方法。
2.3考核方式
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)24-0218-02
工程流体力学课程在我校这一工科院校中,长期以来,本科生在未学习之前,已经从他人那里了解到,这门课很难,不好学,不好过关。学生认为流体力学难学的后果,直接反映在多年来很少有人、甚至无人报考我校工科流体力学方向的硕士和博士,致使我校工程流体力学方向后续人才短缺,学科建设出现重重困难。那么作者希望学生在学习这门课程的过程中,是轻松、主动而有兴趣地去学习。为了帮助学生克服畏难情绪,对工程流体力学课程学习产生兴趣,轻松学好这门课,作者在十几年的教学过程当中,积累了一些经验。开好头,为课程打好良好的第一印象非常关键,所以作者非常重视第一次课的讲授内容,以增强学生学习信心和培养学习兴趣为主要目的,为顺利完成该课程的学习奠定基础。
一、第一次课的教学内容
在第一次课,首先自我介绍,然后点名相互认识,留下联系方式,介绍教材和参考书,授课的章节和学时安排等常规内容外,讲授内容主要分为两大块:(1)上课要求;(2)绪论。
1.上课要求。上课要求主要包括课程学习目的和意义、出席和上课纪律要求、作业和实验报告要求、考核方法等内容。①学习目的和意义。学习目的和意义按照大纲要求,掌握流体力学的基本知识,及其解决问题的基本方法和基本实验技能。强调“基本”的含义,因为是首次接触本课程,系统介绍流体力学知识,对大家的要求是“基本”的,同时也强调仅这些即将学的基本知识也能够解决一些工程应用的问题,并简单举例。②出席和上课纪律要求。出席和上课纪律应该遵守学校规定,但是考虑到学生个体的不同。所以有必要让学生清楚什么样的行为是被接受的、允许的,不要出现行为困难的问题。③作业和实验报告要求。作业和实验报告会出现抄袭现象,回避是没有用的,所以上课时直接指出来,希望将抄袭现象弱化。指出要借鉴,而不是抄袭。这样大大降低了学生不经过理解地抄袭作业现象。④考核方法。将考核方式明确地告诉学生,是平时成绩和课程结束后的闭卷考试成绩各占一定比例,综合评出成绩。并计算出考核通过的最低考试成绩。同时强调不存在不通过比例。这样可以避免两种不良现象发生,一是学生会盲目认为很难学,不能过关而放弃学习,二是成绩差的学生会因为排名总在后面,而放弃学习。
2.绪论。绪论主要包括工程流体力学研究内容、课程特点、研究方法、解题步骤、学习方法和大学生认知阶段,等等方面。重点讲前三点涉及的内容。①流体力学研究内容。讲述工程流体力学研究内容首先展开讲解的是研究对象为流体,此时虽然没有讲流体的定义,但是还是提出请学生举例哪些物质是流体?让学生从最简单的问题开始流体力学知识的学习。学生说对了予以肯定。学生会将多相流和塑性物质列进来,也要说清楚与本课程所学流体的区别和联系,并将学生想不到的流体补充出来,还告诉学生目前最新研究方向在处理流固相互作用时有提出将固体处理为特殊流体,以简化流固交界面的处理;还有已有研究表明固体颗粒的高速运动遵循流体力学规律,以及当车流量和人流量很大时,被称为交通流,犹如流体流动一样,那么在后续课程讲解中可将高密度、大流量的人群流动现象用来形象化的阐述流体的运动规律,帮助学生理解抽象的流体运动规律,使问题直观。还需要指出,最常见的流体是空气和水,人类无时无刻不处于空气和水当中,提醒学生在学习的过程中,可以将所学知识放到自己熟悉的环境中去理解,比如池塘或小河中的水、教室里的空气,等等。将理论知识与生活结合起来,既能帮助理解所学知识,又能将知识应用起来,提高学习兴趣。②流体力学课程特点。流体力学课程的特点主要讲三点,一是一门技术(专业)基础性课程;二是用场的观点研究问题;三是概念多、公式多。它是一门专业基础课,从实践中抽象出来,再应用到实践中去;所以课程知识可用于解决工程实际问题。用场的观点研究问题。首先提问,说到“场”大家会想到什么?有的同学很高端大气上档次地回答重力场、电场、磁场,那我继续问还有呢?有的学生开玩笑说操场,好像在说操场不够档次、不够科学。而我肯定“操场”,因为是相同的“场”字嘛,而且还有工场、商场、广场等。然后引导学生思考,既然用相同的“场”字,其中必有共同点,它是什么?学生想出来了,是某某占据的空间。以此类推,流体占据的空间就是“流场”,概念很容易就被理解了。同时还让学生意识到科学不是高不可攀的,做科学时不要端起架子,它是很贴近生活的。流场的概念出来了,但是其空间的大小呢?这个问题也必须解释清楚。首先提出两个问题让学生思考:海洋是海水占据的空间,是一个流场吗?大气层是空气占据的空间,是一个流场吗?其实流场的大小与我们要研究的空间范围有关。比如,我们现在想知道教室内空气的温度分布,那么要分析的流场就是教室内空气占据的空间;如果要预报中国天气,那么中国上空的大气层或者更大范围就是要研究的流场;如果想了解南海海洋环流、潮汐流动等,南海海水占据的空间就是要求解的流场。将抽象概念与实际结合,在易于理解的同时,引起学习兴趣。在此基础上,进一步与物理量场联系起来,流场中的物理量,比如速度,是时间和空间函数,被称为速度场,还有压力场,等等。场是具有连续无穷维自由度的系统,那么流场的速度场、压力场,等等具有连续性,与第一章中连续介质假设内容一致,在这里提到,为后面学习埋下伏笔。概念多、公式多的原因是因为在以前的学习过程中鲜有接触与流体力学有关的知识,导致大量的专业术语集中出现。但是这些概念、公式并不是全新的。比如流体质点的概念与以前物理中所学的质点概念是很一致的;多的公式其实是质量守恒定律、牛顿定律、能量守恒定律、动量定理,等等在流体力学中的表达形式,比如连续性方程是质量守恒定律的表达形式,伯努利方程与能量守恒定律相吻合,欧拉方程、Navier-Stokes方程是牛顿运动定律的表现形式,动量方程是动量定理的表达,把要学到的主要方程名称在此叙述一遍,目的是让学生有个初步接触,为后续学习打下铺垫。③流体力学研究方法。流体力学研究方法主要有三种:解析方法、实验方法和数值计算方法。本课程主要介绍解析方法,有一章是专门介绍实验研究方法的,而数值计算方法本课程几乎不涉及,由计算流体力学讲解。并强调,求解的基本方程是连续性方程、欧拉方程或Navier-Stokes方程,那么为什么基本方程一样,可以求解出各种不同的流动?于是提出边界条件和初始条件的概念,使边界条件和初始条件的重要性一目了然;也为后续学习打下基础,并引起学生的兴趣和重视。
二、结论与展望
通过第一次课,使学生对整个课程的要求、特点、内容有一个整体了解,做到心中有数,克服不良情绪,从不同方面让学生做好学习的心理准备。第一次课,如果是一个良好开端,并为后续学习做了大量铺垫,使学生获得了自信,并激发了其学习的兴趣,学生后面的学习将会顺利很多。工程流体力学是大部分工程专业的重要基础课程,作者希望学生灵活掌握流体力学知识,并能够在工作中活学活用。
参考文献:
[1]许维德.流体力学[M].北京:国防工业出版社,1979.
中图分类号:G642.3 文献标志码:B 文章编号:1674-9324(2012)12-0035-03
工程流体力学是热能与动力工程专业的重要专业基础课,也是矿业工程、安全工程、矿物加工、环境工程等许多专业的重要专业基础课。具有基础知识涉及面广、基本概念多、内容抽象等特点,是一门理论性和实践性均较强的课程,不但理论抽象,而且直接面向工程实践。在工程流体力学的教学过程中,学生普遍认为“这门课难学”。其客观原因主要体现在三方面:一方面是工程流体力学涉及的知识比较多,如材料力学、大学物理、高等数学等;另一方面是工程流体力学课内容比较抽象,学生理解起来相当困难;最后还由于工程流体力学工程背景强,学生普遍缺乏实践知识。为提高工程流体力学课程的教学质量,我们从构建教学质量保障体系入手。根据全面质量管理的理论和课程教学质量保障体系的功能及影响因素的分析,高校课程教学质量保障体系应由五个系统构成[1]。教学质量保障系统,就是把对教学产生重要影响的教学管理活动有机地联结起来,形成一个能够保障和提高教学质量的系统化、结构化、持续化的整体,其实质是不断探索如何以更合理的方式管理学校的人才培养活动,以有效地满足社会对高等教育不断增长的各种要求[2]。
根据课程建设情况,制定了图1的课程教学质量保障体系。
一、课程教学质量控制系统
工程流体力学课程教学质量保障体系的核心是其教学质量控制系统,主要包括教师队伍建设、教材建设、教学大纲修订、理论教学、实验教学和考试方式改进等。
青年教师的培养是师资队伍建设的重点。青年教师学历层次高、基础扎实;其不足是讲课内容与生产实际及后续课程结合较少,讲课时还不能收放自如。为此,安排青年教师边上课、边助课。实践证明,助课是一种培养年轻教师上好课的必要环节。教材是教学内容的主要载体,我们根据专业特点编写了一套符合专业培养目标、具有特色的高质量教材和辅助教材。针对能源与动力类专业本科教学要求,并兼顾其他相关专业的教学需要,2002年出版了《工程流体力学》第一版。该教材在江苏省教育厅的资助下,进行整体优化、精简、补充,突出工程背景和工程应用,作为江苏省高校立项精品教材,于2010年出版了第二版。为使学生更好掌握工程流体力学的内容,2007年,出版了配套学习辅导教材《流体力学学习辅导与习题解答》。该教材作为工程流体力学课程的配套学习辅导教材,受到学生的欢迎,取得了良好效果。同时,为满足《工程流体力学》双语课程教学需要,在参考国外原版教材的基础上,结合我校的实际情况,于2010年出版了英文版《工程流体力学》教材,完善了我校《工程流体力学》教材体系。为提高教材质量,特邀美国肯塔基大学Jimmy Smart教授参与了教材的编写工作,并对整本教材进行审阅、修改。在理论教学过程中,充分利用教师因素和学生因素[3]。教师是教学过程的组织者,在教学过程中发挥主导作用。通过实例让学生理论联系实际;通过实例来吸引学生的学习兴趣,加深印象。实验教学是理论联系实际的主要环节,开放的实验模式在对学生的基本实验技能掌握,知识的综合应用,创新意识、创新精神和开拓能力的培养方面起着重要的作用[4]。我们的实验教学以能力培养为重点,包括动手能力、观察能力和分析问题能力。从1999年起,我校将实测实验、演示实验和计算机模拟实验融为一体,极大地改善了实验手段。工程流体力学课程配套了16学时的综合实验课,学生可根据个人情况,选择合适的时间进行实验。为学生创造了一流的、开放的实验室课外学习基地,有利于培养学生的创新意识和动手能力。热能与动力工程专业本科生多次在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获奖,与工程流体力学综合性、设计性实验的锻炼是分不开的。考试成绩是衡量教与学效果的一个主要指标,确保考试的严肃性和公平性,并使考试成绩能够如实反映教与学的效果。从学校的情况来看,还是以笔试为主,主要是考核学生对基础理论的掌握情况,是检验教学质量的主要手段,也是验证教学效果的主要途径[5]。考试的目的是为了了解学生对本课程知识体系的掌握情况,不能单靠死记硬背来检验学生对知识的掌握程度,考试内容要注重学生对基本理论的理解和运用上。使学生把学习的重点放在对基本理论和基本概念的应用和理解上,避免死记硬背式的学习方法。而计算题则突出对解题步骤的要求,按步骤给分,没有步骤就不给分。目前,我们正在积极开展工程流体力学习题库和试题库建设。在同时开课班级较多的情况下,采取统考的形式,使考、教分离,使考试能够更好地检查教与学的质量和效果。
二、课程教学质量信息收集与处理系统
课程教学质量信息收集与处理系统包括领导听课、教学检查、督导检查、学生信息员、学生评测等,目的是从不同侧面收集课程教学的相关情况,对课程教学质量进行监控。
领导听课主要是学院和系领导,通过听课了解工程流体力学课程的教学情况,解决教学问题。教学检查包括开学初、期中、期末教学检查,掌握教学信息,稳定教学秩序。教学督导员的工作以听课为主,督导员可随时对课堂教学、实验教学等进行听课检查、指导。为提高教学质量、加强教学管理、促进教学相长,我校2009组建了校、院两级学生教学信息员小组。学生教学信息员覆盖了全校所有的专业和班级,能全面地反映同学们在学习工程流体力学课程过程中发现的问题及建议,及时反映教学管理、教师教学中存在的问题。为更好地搞好工程流体力学课程建设,我们通过大范围调查问卷和小范围收集学生个人对工程流体力学课程的意见等方式,及时掌握学生对工程流体力学课程的意见和建议。调查问卷内容包括课程课时设置是否合适,教师教学方式安排,学生是否主动发言,学生对授课老师的要求,课程所使用的教材,课程作业量是否合适等。我们建立的这个教学质量信息收集系统,目的是多渠道、科学地收集有关工程流体力学课程教学质量的信息。本系统还有一个功能就是对这些信息进行科学的、合理的、公正的处理。信息收集和处理是为了诊断和评价,为了推进教学质量的逐步提高,为了帮助教师改进教学,促进学生、教师、管理人员三者之间围绕学校的办学目的、课程教学目标建立更为密切的关系,协调工作。
三、课程教学质量信息反馈系统
课程教学质量信息反馈系统包括教务处反馈、督导组反馈、教学秘书反馈、任课教师反馈和学生信息员反馈。我校常年承担工程流体力学课程教学的主讲教师6人,经常承担工程流体力学课程教学任务的教师6人。根据教务系统要求,每次课程结束后,每个学生均必须对本课程教学过程以及任课教师作出评价,并由教务处反馈给学院和教师。我校本科教学督导组分为学校和学院两级。督导组分别为学校、学院的教学改革工作提供咨询。通过听课、座谈、访问、征询、专题评估等各种方式对教学过程进行监督,并及时提供信息和反馈意见。在制定本科人才培养方案,教材建设,课程体系、教学内容改革,教学实践改革,教学管理以及教师教书育人,学风建设等方面提出意见和建议。教学秘书的工作涉及本院的全部教学工作,是连接各方面教学活动的桥梁和纽带,具有承上启下、协调左右、沟通信息和改善关系的作用。由于教学秘书非常熟悉教学管理、教学环节,又同时接触教师和学生。因此,通过教学秘书反馈的对于课程的意见和建议,对提高工程流体力学课程教学质量具有非常重要的作用。工程流体力学任课教师根据其教学过程的切身体会,对教与学两方面情况均比较熟悉。任课教师的反馈对于课程教学质量的提高具有直接的促进作用。教师还可通过教学例会及时反馈教学中的信息,解决教学中存在的问题。学生教学信息员小组是完善通畅的教学信息网络和健全教学检查、反馈、监督机制的重要手段,是学生和学校教学管理部门之间有效的信息沟通渠道。学院通过信息员反馈、学生测评、毕业生信息反馈等及时了解并解决教学问题。课程教学质量信息反馈系统通过以上多种渠道收集反馈意见,经过诊断和评价后,将结果反馈给教师,目的是帮助他们改进教学方法、提高教学质量。在我们的工程流体力学精品课程网站上,还有师生互动平台,学生可以将他们的意见和建议直接反馈给教师,教师也可以将其建议直接返回给学生。
工程流体力学是一门理论性和实践性均较强的课程,为切实提高其教学质量,构建了教学质量保障体系。该教学质量保障体系以课程教学质量控制系统为核心,通过教学过程信息收集、处理,并将意见和建议进行反馈,达到改进教学方法、提高教学质量的目的。
参考文献:
[1]张扬,尹红,李孟辉.高校课程教学质量保障体系的构建探析[J].高等农业教育,2010,1(1):46-48.
[2]张永玲,李风岐,王安东.以教学评估为基础建立质量保障体系[J].山东工业大学学报社会科学版,1999,4(51):78-80.
[3]邓艳梅.大学英语教学质量保障体系的分析研究[J].吉林省教育学院学报,2010,26(242):57-58.