流體力學(xué)理論及應(yīng)用范文

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流體力學(xué)理論及應(yīng)用

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關(guān)鍵詞:計算流體力學(xué);課程改革;應(yīng)用型本科;項目驅(qū)動

中圖分類號:G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)22-0123-02

計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一門集成了流體力學(xué)、計算數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科。計算流體力學(xué)的基本思想為[1]:通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示,對包含流體流動和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象做出系統(tǒng)的分析。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計算流體力學(xué)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

《計算流體力學(xué)》課程開設(shè)的主要目的在于使學(xué)生掌握流動及傳熱問題數(shù)值模擬的基本理論與建模思路、掌握常用商用CFD軟件的使用方法,能夠利用計算流體力學(xué)方法解決實際研究問題[2]。課程內(nèi)容涉及了流體力學(xué)理論、數(shù)值計算理論、計算機(jī)程序設(shè)計以及計算軟件的工程應(yīng)用等。課程理論內(nèi)容較多,學(xué)生學(xué)習(xí)起來較為吃力,常處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài),因此需要改進(jìn)教學(xué)策略,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,改被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)[2]。同時該課程還與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密,如何將理論與工程實際相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力,也是本課程教學(xué)中需要探討的問題。經(jīng)過多年在教學(xué)過程中的改革和摸索,下面淺談一下我們在《計算流體力學(xué)》課程改革方面的一些探索。

一、計算流體力學(xué)課程內(nèi)容

計算流體力學(xué)包含內(nèi)容甚廣,從總體上講,可按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩個主要方向:

1.將計算流體力學(xué)自身作為對象的課程體系。該體系的研究對象為計算流體力學(xué)本身,主要以流體力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型模型構(gòu)建、數(shù)值離散方法、高性能數(shù)值計算算法開發(fā)為主要內(nèi)容,側(cè)重點為計算流體力學(xué)理論及其實現(xiàn)方法。

2.以算流體力學(xué)應(yīng)用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計算流體力學(xué)方法應(yīng)用于工程作為研究對象,主要以應(yīng)用技能為課程目標(biāo),側(cè)重點為現(xiàn)實物理問題的簡化建模、利用計算機(jī)程序解決物理問題以及對計算結(jié)果的科學(xué)解釋等。

對于應(yīng)用型本科《計算流體力學(xué)》課程來講,應(yīng)當(dāng)更多地關(guān)注計算流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,將計算流體力學(xué)作為一項解決工程問題的工具,培養(yǎng)學(xué)生在利用該工具解決實際工程中的流體問題的能力[3]。

二、原有教學(xué)方法的弊端

西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)較早開設(shè)了《計算流體力學(xué)》課程,培養(yǎng)了多屆學(xué)生,積累了一些寶貴的教學(xué)經(jīng)驗。然而,該課程教學(xué)方式仍不夠成熟,存在一些弊端,教學(xué)效果受到影響。這些弊端主要表現(xiàn)為:

1.教學(xué)內(nèi)容偏于理論。在教學(xué)過程中,當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容還延續(xù)中傳統(tǒng)的計算流體力學(xué)的基本內(nèi)容,即:流體流動控制方程的推導(dǎo)、離散方法及線性方程的解法等,在課程講解過程中,仍以有限差分法、有限體積法及這些數(shù)值算法的收斂性、穩(wěn)定性、計算精度等方面作為主要的講解對象,教授過程中涉及到大量的理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用。在教學(xué)過程中,學(xué)生們普遍反映教學(xué)內(nèi)容難懂難學(xué),枯燥乏味。同時大量的理論教學(xué)還影響了上機(jī)教學(xué)時間。

2.工程實踐能力轉(zhuǎn)化不足。當(dāng)前教學(xué)計劃中雖然搭配了16個課時的上機(jī)教學(xué),但仍顯不足。經(jīng)過多次的上機(jī)練習(xí),部分學(xué)生能夠掌握利用計算流體動力學(xué)方法解決工程問題的一般流程,但是大部分學(xué)生仍然不具備解決新問題的能力。在上機(jī)練習(xí)過程中,學(xué)生按照教師提供的上機(jī)指導(dǎo)書中的計算模型操作完成,而對于計算中非常重要的如計算區(qū)域創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計算模型選擇、邊界條件、初始條件及計算控制參數(shù)等缺乏自主的思考。針對上述問題,迫切需要對課程進(jìn)行教學(xué)改革,提出新的教學(xué)理念,利用合理的教學(xué)方式,提高教學(xué)質(zhì)量。

三、課程改革措施

計算流體力學(xué)課程改革主要從三方面進(jìn)行。

篇2

關(guān)鍵詞:宏觀,微觀,介觀,Boltzmann方程,流體力學(xué)方程

 

流體力學(xué)時研究流體運(yùn)動規(guī)律的一門學(xué)科,經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)取得了豐碩的成果,但由于流體運(yùn)動的復(fù)雜性,還有很多實際的問題沒有得到解決,在數(shù)學(xué)上,其復(fù)雜性反應(yīng)在描述其運(yùn)動的上,除了一些簡單的情況,一般是很難得到這些方程的精確解的,因此,方程的求解問題也被美國CLAY數(shù)學(xué)促進(jìn)會設(shè)立的7個100萬美元獎金的千年難題之一。

現(xiàn)在,對流體力學(xué)的研究一般從宏觀,微觀,介觀三個層次。。首先我們來介紹下這3個方面。

流體力學(xué)方程是從宏觀層次上得到的,流體被假設(shè)為連續(xù)介質(zhì),流體運(yùn)動滿足質(zhì)量守恒,動量守恒,能量守恒,并由Euler方程組Navier-Stokes方程組來描述,在數(shù)值計算中【1】,以非線性的微分方程為出發(fā)點,有有限差分法,有限容積法,有限元法,有限分析法,譜方法等,這類方法本質(zhì)上是一種自頂向下的方法,對微分方程進(jìn)行離散,得到代數(shù)方程組或者常微分方程系統(tǒng),再利用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值方法求解。

在微觀上,流體不再被假設(shè)為連續(xù)介質(zhì),流體由大量的離散分子組成,分子受到相互間作用力和外加作用力的影響。任何系統(tǒng)的宏觀特征和運(yùn)動規(guī)律,再微觀上都表現(xiàn)為分子的無規(guī)則的熱運(yùn)動。因而,一種最直接的想法就是通過模擬每一個分子的運(yùn)動。再進(jìn)行統(tǒng)計平均,已獲得流體運(yùn)動的規(guī)律。這種方法稱為分子動力學(xué)模擬。由于這種方法主要是在計算機(jī)上實現(xiàn)的,所以在早期,受到計算機(jī)的限制,模擬的空間尺度和時間尺度都很有限。。但隨著近年計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,分子動力學(xué)模擬方法也得到了迅速的發(fā)展,已經(jīng)成為研究流體運(yùn)動的一種重要的方法。。

在介觀上,流體被離散成一系列的流體粒子,通俗的說,這些粒子比分子的級別要打,但從宏觀上來說又無限小,其質(zhì)量比起有限容積法中的控制容積質(zhì)量要小得多,此時用數(shù)學(xué)的觀點來描述此流體就應(yīng)該Boltzmann 方程。

從以上的綜述可以看出,對于同一流體,從宏觀和介觀可以由不同的方程來描述,因此,從數(shù)學(xué)的觀點將其統(tǒng)一起來,就是非常必要的,下面,我們就從理論的角度,來證明,從介觀的Boltzmann 方程可以恢復(fù)到到宏觀的Navier-Stokes方程組。

首先我們簡單的介紹下Boltzmann 方程。。這個方程是由統(tǒng)計力學(xué)的創(chuàng)始人之一Boltzmann所建立的,用以描述非平衡態(tài)分布函數(shù)演化規(guī)律的方程,其具體形式如下,

(1)

其中,稱為碰撞算子,它的形式由下式給出:

在中的B稱為碰撞核,它僅依賴于粒子間的碰撞,從物理背景出發(fā),我們總假設(shè)僅依賴于和,這里我們不過多的牽涉到它的具體形式。

下面,我們就嚴(yán)格的推導(dǎo),如何從Boltzmann 方程到大家所熟悉的Navier-Stokes方程組,首先引入下面一個引理:

引理【2】:對于,,始終有成立。

注:該引理的證明科參考文獻(xiàn)[2],這里我們不給出嚴(yán)格的證明,我們將以上的稱為守恒量。

下面我們給出本文主要結(jié)論,即從形式上出發(fā),可以由Boltzmann 方程到Navier-Stokes方程【3】。

證明:首先在方程兩邊同時乘以,并積分,利用引理,就可以得到下面的積分方程

(2)

如果我們定義,,就可以得到,這就是大家所熟知的質(zhì)量守恒方程。

類似地,如果在方程(1)兩邊同時乘以和,并積分,再利用引理,

如果我們再定義,,,

,就可以得到動量守恒方程和能量守恒方程。

,(3)

(4)

以上的方程(2),(3),(4)j就是流體力學(xué)方程組。

注:雖然我們根據(jù)這個定理從形式上得到了流體力學(xué)方程組。。但要真正發(fā)揮作用,還需要求得,,使其成為一個封閉的方程組,而嚴(yán)格求解Boltzmann 方程是很困難的,所以還有很多的問題沒有解決。。

對于宏觀和微觀的問題,近來成為大家研究的熱點,相信隨著研究的深入,很多問題都會被解決,也會給工程中帶來更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

【1】何雅玲,王勇,李慶,格子方法的理論及應(yīng)用,科學(xué)出版社。

【2】2008李大潛,秦鐵虎,物理學(xué)與偏微分方程,高等教育出版社,2005

【3】C.Cercignani,R.Illner,M.Pulvvirenti,稀薄氣體的數(shù)學(xué)理論,高等教育出版社,2009

篇3

關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)物料學(xué) 理論教學(xué) 實驗教學(xué) 一體化

農(nóng)業(yè)物料學(xué)是應(yīng)用近現(xiàn)代物理學(xué)理論、方法和技術(shù)來研究農(nóng)業(yè)物料的物理特性,以及各個物理因子和生物特性相互作用的一門邊緣性學(xué)科[1]。作為農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的基礎(chǔ),農(nóng)業(yè)物料學(xué)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)高校農(nóng)機(jī)化專業(yè)一門理論性和實踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課程,主要培養(yǎng)學(xué)生掌握利用相關(guān)技術(shù)測試常見固體和液體農(nóng)業(yè)物料物理特性的實驗方法和原理。農(nóng)業(yè)物料學(xué)涉及農(nóng)學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多門學(xué)科的理論和技術(shù),知識領(lǐng)域廣,學(xué)科交叉,給該門課程的教學(xué)帶來很大的挑戰(zhàn)。為了更好地加強(qiáng)知識的理解、提高學(xué)習(xí)效率、進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)物料學(xué)的教學(xué)質(zhì)量,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo),對該課程進(jìn)行理論與實驗一體化教學(xué)模式的探索。

1.課程知識結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1農(nóng)業(yè)物料學(xué)研究對象及特征

農(nóng)業(yè)物料學(xué)的研究對象是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)產(chǎn)品加工和處理所面對的植物物料和動物物料及其半成品和成品,如谷物種子、果蔬類、油類、肉、蛋、奶等,按存在狀態(tài)可分為固體物料和液體物料。農(nóng)業(yè)固體物料的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出多樣性,它們以塊狀、散粒體、粉狀等規(guī)則或不規(guī)則的形式存在,它們的內(nèi)在品質(zhì)也具有很大的差異性,因材質(zhì)的不同表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性、電學(xué)特性和光學(xué)特性;農(nóng)業(yè)液體物料作為連續(xù)介質(zhì),因其黏性不同而具有復(fù)雜的流動特性和流體動力學(xué)特性。

1.2理論模塊設(shè)計

農(nóng)業(yè)物料學(xué)所研究的內(nèi)容是基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、存儲、運(yùn)輸、檢測的機(jī)械裝備和系統(tǒng)的設(shè)計需求,利用合適的技術(shù)和手段來研究各類農(nóng)業(yè)物料基本物理參數(shù)、力學(xué)、光學(xué)及電學(xué)特性[2]。遵循主次分明、突出重點的原則,具體理論教學(xué)內(nèi)容包括物料的基本物理參數(shù)(如形狀、尺寸、體積、密度、孔隙度、表面積、比表面積、含水率等)的表達(dá)形式和測試方法、黏彈性物料的流變模型及應(yīng)力松弛和蠕變理論、液體物料的黏度及液體物料流體阻力特性、散粒物料的內(nèi)外摩擦力學(xué)特性及空氣動力學(xué)特性、農(nóng)業(yè)物料的換熱理論及干燥理論、農(nóng)業(yè)物料的介電特性和導(dǎo)電特性、農(nóng)業(yè)物料的光學(xué)反射和透射理論等。

1.3實驗?zāi)K設(shè)計

實驗內(nèi)容的設(shè)計在該教學(xué)模式中的作用尤為關(guān)鍵,通過實驗課的實施,不僅使學(xué)生能夠掌握典型農(nóng)業(yè)物料物理特性的測試方法,同時是輔助學(xué)生理解和學(xué)習(xí)本課程理論知識的重要手段。為了達(dá)到此目的,實驗內(nèi)容須覆蓋和融合本課程的理論要點。根據(jù)教學(xué)目標(biāo),結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容,實驗項目設(shè)置為谷物尺寸與硬度的測試,果蔬形狀、體積和密度的測試,農(nóng)業(yè)物料拉壓流變實驗,液體物料比重與黏度的測試,谷物種子空氣動力學(xué)特性實驗,散粒體物料休止角與內(nèi)摩擦角的測定實驗,谷物種子含水率測定實驗,農(nóng)業(yè)物料導(dǎo)熱系數(shù)的測定,典型農(nóng)業(yè)物料LCR電學(xué)參數(shù)測定,谷物考種實驗、谷物營養(yǎng)成分光譜分析實驗等。

2.理論實驗一體化教學(xué)模式的實現(xiàn)

2.1理論實驗一體化教學(xué)思想

傳統(tǒng)的教學(xué)是將理論教學(xué)與實驗教學(xué)分階段進(jìn)行,一般先在課堂講授理論,后集中進(jìn)行實驗。這種教學(xué)模式容易導(dǎo)致理論和實驗結(jié)合不緊密,實驗對理論的反饋作用發(fā)揮不及時、不充分。尤其對于農(nóng)業(yè)物料學(xué)理論知識體系繁多、學(xué)科跨度大,僅課堂講解理解難度大。由于理論教學(xué)與實踐性教學(xué)是一種相互加強(qiáng)與相互補(bǔ)充的關(guān)系[3,4],通過構(gòu)建理論實驗一體化教學(xué)模式,將理論教學(xué)與實踐教學(xué)融為一體,兩者同步開展。按照“講、聽、做、學(xué)”的流程,教師首先提出本次課的教學(xué)任務(wù)和知識目標(biāo),對相關(guān)知識點進(jìn)行講授,講授內(nèi)容分為兩部分,一部分為知識點的概念、原理等基礎(chǔ)理論知識,另一部分是講解基于這些理論知識的實驗方法和步驟。學(xué)生在明確教學(xué)任務(wù)和知識目標(biāo)后,有目的性地對所講授的內(nèi)容進(jìn)行聽記,接著按照實驗方法有步驟地進(jìn)行實驗。實驗過程中,教師要有計劃、有目的地對實驗關(guān)鍵環(huán)節(jié)涉及的理論原理、支撐技術(shù)進(jìn)行提示和講解;實驗結(jié)束后,結(jié)合實驗,以問題解答、討論互動等形式對相關(guān)理論知識進(jìn)行歸納、總結(jié)、再學(xué)習(xí),進(jìn)而加深理解,真正掌握和鞏固知識點。

2.2理論與實驗的融合性

為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物料學(xué)課程一體化教學(xué)過程中理論知識與實驗的有效融合,實驗內(nèi)容的設(shè)置及教學(xué)過程設(shè)計非常關(guān)鍵。在本課程實驗內(nèi)容的設(shè)置中,谷物尺寸與硬度的測試實驗和果蔬形狀、體積和密度的測試實驗對應(yīng)農(nóng)業(yè)物料基本物理參數(shù)的表達(dá)及測量理論;農(nóng)業(yè)物料拉壓流變實驗、液體物料比重與黏度的測試實驗對應(yīng)黏彈性物料的流變模型及應(yīng)力松弛和蠕變理論及液體物料的黏度及液體物料流體阻力特性知識;谷物種子空氣動力學(xué)特性實驗、散粒體物料休止角與內(nèi)摩擦角的測定對應(yīng)散粒物料的內(nèi)、外摩擦力學(xué)特性及空氣動力學(xué)特性理論;谷物種子水分測試實驗(直接法)、農(nóng)業(yè)物料導(dǎo)熱系數(shù)的測定實驗對應(yīng)農(nóng)業(yè)物料的換熱理論及干燥理論;典型農(nóng)業(yè)物料LCR電學(xué)參數(shù)測定、谷物種子水分測試實驗(間接法)對應(yīng)物料的介電特性和導(dǎo)電特性理論;谷物考種實驗、谷物營養(yǎng)成分光譜分析實驗則涵蓋物料的光學(xué)反射和投射理論。

例如對于谷物種子含水率及其測定方法知識模塊的學(xué)習(xí),該模塊的教學(xué)目的是要求學(xué)生掌握谷物種子含水率的基本概念、含水率的實驗測定方法及其測定原理。谷物種子含水率的測定方法有兩種:直接烘干法和間接測定法。針對兩種方法,分別安排兩個含水率測定實驗:一個是紅外加熱烘干實驗,另一個是基于介電常數(shù)的電子水分速測實驗。第一個實驗測定原理包含了紅外線熱效應(yīng)理論、谷物干燥理論等知識;第二個實驗測定原理包含了種子電特性理論中的含水率與介電常數(shù)知識。因此,該模塊的教學(xué)中,按照“講、聽、做、學(xué)”的流程,在實驗中滲入理論學(xué)習(xí),在理論學(xué)習(xí)中見證其應(yīng)用,兩者相輔相成,既掌握了實驗測定應(yīng)用方法,又加深了對理論知識的理解滲透。

3.結(jié)語

針對農(nóng)業(yè)物料學(xué)課程學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的特點,引入理論實驗一體化教學(xué)模式可將理論性、實踐性、開放性有機(jī)融合,打破常規(guī)理論課與實驗課的界限,理論與實驗形成互補(bǔ)、相互促進(jìn),實現(xiàn)教、學(xué)、做三位一體,有效啟發(fā)、活躍學(xué)生的思維,促進(jìn)師生互動溝通,一方面,有效提高了本門課程的教學(xué)質(zhì)量,另一方面,培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)知識的興趣和積極主動的學(xué)習(xí)態(tài)度。

參考文獻(xiàn):

[1]周祖鍔.農(nóng)業(yè)物料學(xué)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1994.

[2]姜瑞涉,王俊.農(nóng)業(yè)物料物理特性及其應(yīng)用[J].糧油加工與食品機(jī)械,2002(1):35.

篇4

關(guān)鍵詞:熱能動力;熱能轉(zhuǎn)換與利用;教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號:G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)03-0139-02

在能源的利用中,絕大部分是通過熱能這一形態(tài)加以利用的,或由熱能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中,絕大部分也是以余熱的形式存在的。對各種余熱的回收與利用,也離不開熱能轉(zhuǎn)換與利用的知識[1]。自熱力學(xué)理論確立后,人們雖然從理論上認(rèn)識到,熱力學(xué)過程中能量的交換及其利用,應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律對能量的數(shù)量和品質(zhì)兩方面進(jìn)行分析研究。但是,在實際熱能工程技術(shù)的設(shè)計、管理和改進(jìn)上,主要還是依據(jù)熱力學(xué)第一定律,即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。也就是說,只是單一地從能量的數(shù)量角度出發(fā),以焓為基礎(chǔ)的熱平衡計算分析方法。然而,由于此法未考慮熱力學(xué)第二定律所表明的能量品質(zhì),因為人們生活在地球表面的一定客觀環(huán)境中,供給人們所需的能量有可以利用的部分(稱有用能或“火用”)和受環(huán)境限制無法利用的部分(稱無用能或“火無”),即相同數(shù)量的不同形式的能量所含的“火用”和“火無”的數(shù)量是不一定相同的,或者說能量還具有另一方面的問題――品質(zhì)。因此,在認(rèn)識所謂能量損失上就產(chǎn)生一定程度的混淆,由此在確定能量損失的分布及采取提高能量利用效率的技術(shù)措施時,就難免在熱力學(xué)上得出錯誤的結(jié)論,達(dá)不到預(yù)期的效果。為此,近幾十年來,國內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者在熱力學(xué)的理論領(lǐng)域內(nèi)和工程技術(shù)的管理上大力提倡把熱力學(xué)第一定律和第二定律綜合起來考慮,并以第二定律為主,即從熱力過程不可逆性引起可用能損失變成無用能的角度出發(fā),以用火用為基準(zhǔn)的火用分析方法來評價能量利用的科學(xué)性和合理性。由于此“火用分析法”中的“火用效率”更能準(zhǔn)確地反映各熱力設(shè)備或整個裝置系統(tǒng)技術(shù)上或熱力學(xué)的完善程度,可以從中明確提高能源利用效率的正確目標(biāo),并采取相應(yīng)的措施。所以最近幾十年來,前蘇聯(lián)、德、日、法、美等國家已將“火用分析法”廣泛應(yīng)用于能源利用及動力、低溫、制冷、熱泵、化工、冶金等方面。最近二三十年來,我國也在火用分析的基礎(chǔ)理論及其實際應(yīng)用方面做了大量的研究,并已引起了科技界和高等工科院校的廣泛重視。許多院校的熱動專業(yè)都增設(shè)了“火用分析”的相關(guān)課程[2]。

一、“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程定位

首先,從學(xué)科角度講,認(rèn)識到“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的銜接和過渡作用。本課程向上承接“工程熱力學(xué)”等前期專業(yè)基礎(chǔ)課程,是對上述基礎(chǔ)課程內(nèi)容的擴(kuò)展和深化;向下則與后續(xù)的“熱力發(fā)電廠”、“燃?xì)猕D蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電”、“制冷與低溫技術(shù)”、“能源與節(jié)能技術(shù)”等專業(yè)課程緊密相連,為學(xué)生理解掌握相關(guān)專業(yè)知識奠定基礎(chǔ)[3]。熱能動力工程專業(yè)的學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),可掌握熱能轉(zhuǎn)換的基本原理,并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力,為今后在實際工作中,管好、用好能源,降低企業(yè)的能源消耗,提高能源利用率打下基礎(chǔ)。熱能轉(zhuǎn)換與利用內(nèi)容豐富、發(fā)展迅速、學(xué)科交叉性強(qiáng),涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等諸多專業(yè)課程,是熱能動力工程專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。因此開設(shè)“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程非常必要,對于學(xué)生回顧深化所學(xué)過的“熱力學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程,深入學(xué)習(xí)掌握后續(xù)專業(yè)課程,培養(yǎng)鍛煉學(xué)生利用所學(xué)理論知識分析、解決實際問題的能力,都有著非常重要的作用[4]。

二、熱能動力工程專業(yè)“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程設(shè)計

本課程要介紹有關(guān)熱能轉(zhuǎn)換與利用的基本原理、分析方法,以及實際轉(zhuǎn)換設(shè)備與系統(tǒng)地特點和設(shè)計計算方法。給學(xué)生在“工程熱力學(xué)”的基礎(chǔ)上提供“火用分析法”的基本理論、基本知識和基本方法,培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題的能力,為將來合理地利用能源及從事節(jié)能工作打下必要的基礎(chǔ)。“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程是熱能動力工程專業(yè)的專業(yè)必修課,共48學(xué)時。先后介紹了能源概論、能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)、熱力系統(tǒng)分析、工業(yè)企業(yè)中的熱能利用、熱回收用換熱設(shè)備。

第1章能量概論,在介紹有關(guān)能源的一些基本概念的基礎(chǔ)上,認(rèn)識熱能的重要性,了解熱能利用現(xiàn)狀。熱能是人類使用最為廣泛的一種能量形式,在一次能源中,熱能資源也占了絕大部分。在能源的利用中,絕大部分是通過熱能這一形態(tài)加以利用的,或由熱能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中,絕大部分也是以余熱的形式存在的。

第2章能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)理論,重點介紹能量的質(zhì)量分析―火用分析的方法。為了有效地利用熱能,正確地指導(dǎo)節(jié)能工作的開展,找到能量損失所在,需要結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律,從量和質(zhì)兩個方面全面地進(jìn)行分析。本章就是要運(yùn)用工程熱力學(xué)理論,介紹分析能量轉(zhuǎn)換過程的方法,著重介紹火用分析的方法,詳細(xì)敘述了不同條件下的火用、火用損失的計算方法及其影響因素,并介紹實際熱工設(shè)備的火用平衡、火用效率的分析方法。

第3章熱力系統(tǒng)分析,是用火用分析方法具體分析熱力循環(huán)和熱力系統(tǒng),弄清影響熱力系統(tǒng)效率的因素和提高效率的途徑。重點分析動力循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng),分析各個轉(zhuǎn)換過程及系統(tǒng)的火用損失大小,找到減少火用損失的主攻方向,提出改進(jìn)整個熱力系統(tǒng),提高火用效率的主要途徑。

第4章工業(yè)企業(yè)中的熱能利用,介紹企業(yè)中的余熱資源及其利用方法,分析企業(yè)的能源平衡、能耗指標(biāo)以及余熱資源情況。介紹各種不同的余熱資源的回收方法、回收系統(tǒng)對節(jié)能效果的影響。提高企業(yè)的能源利用效率,挖掘節(jié)能潛力,對企業(yè)能源系統(tǒng)進(jìn)行分析,通過能量平衡確定其有效利用部分和各項損失的大小,尋求減少損失及有效回收利用余能的途徑。

第5章熱回收用換熱設(shè)備,介紹余熱回收用的各種換熱器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計計算方法、使用場合等內(nèi)容,為今后進(jìn)行余熱回收時,能正確選擇和設(shè)計計算換熱器,并為研究開發(fā)高效新型換熱器打下一定的基礎(chǔ)。同時介紹熱管換熱器、流化床換熱器等新型換熱器和換熱器的發(fā)展趨勢及優(yōu)化設(shè)計。

課程內(nèi)容分為理論與實踐兩部分,第一章、第二章運(yùn)用熱力學(xué)基本理論闡述“火用”及“火用分析法”的基本概念、火用和火用損失的計算及火用分析的基本方法,即為火用和火用分析的基礎(chǔ)理論部分。第三~五章以工程實例說明火用分析法的具體應(yīng)用,分別對蒸汽動力裝置、氣體動力裝置及制冷、熱泵裝置進(jìn)行具體火用分析。并結(jié)合工業(yè)企業(yè)中的熱能利用介紹了余熱回收方法與換熱設(shè)備。對于本校的“熱能與動力工程專業(yè)”來說,本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)動力工程及工程熱物理的基礎(chǔ)理論,學(xué)習(xí)各種能量轉(zhuǎn)換及有效利用的理論和技術(shù),訓(xùn)練進(jìn)行動力機(jī)械與熱工設(shè)備設(shè)計、運(yùn)行、實驗研究的基本能力。專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)置了電廠熱能與動力工程、工業(yè)爐窯工程、制冷及低溫工程、供熱工程等方向的專業(yè)課程。從專業(yè)培養(yǎng)方案的設(shè)置可以看出“熱能轉(zhuǎn)換與利用”是熱動專業(yè)的基礎(chǔ)課程,熱能轉(zhuǎn)換與利用的熱力學(xué)基礎(chǔ)理論是熱動專業(yè)的理論基礎(chǔ),熱能轉(zhuǎn)換與利用的熱力系統(tǒng)分析則是熱動專業(yè)的核心內(nèi)容,包括蒸汽動力循環(huán)的系統(tǒng)分析、燃?xì)猕D蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分析、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析、中低溫余熱動力回收的熱力系統(tǒng)分析、熱泵系統(tǒng)分析等,是熱動專業(yè)的主要專業(yè)課程及核心課程。熱能轉(zhuǎn)換與利用課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)的專業(yè)課程奠定了堅實的基礎(chǔ),也為熱動專業(yè)的學(xué)習(xí)奠定了深厚的基礎(chǔ)。因此,我們提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學(xué)的主要側(cè)重內(nèi)容,熱能動力工程專業(yè)的學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),可掌握熱能轉(zhuǎn)換的基本原理,并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力,為今后在實際工作中,管好、用好能源,降低企業(yè)的能源消耗,提高能源利用率打下基礎(chǔ)。

三、結(jié)論

“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程在熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中,起著承上啟下的銜接作用,課程內(nèi)容非常重要。由于熱能轉(zhuǎn)換與利用發(fā)展迅速,內(nèi)容豐富,本文以我校開設(shè)“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的實踐為例,從“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的定位、“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程教學(xué)內(nèi)容的編排兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學(xué)的主要側(cè)重內(nèi)容,以培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題的能力,為將來合理地利用能源及從事節(jié)能工作打下必要的基礎(chǔ)。我校“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的內(nèi)容和教學(xué)體系設(shè)計總體上思路清晰、內(nèi)容充實、層次分明,很好地完成了“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的既定目標(biāo)和要求。

參考文獻(xiàn):

[1]湯學(xué)忠,熱能轉(zhuǎn)換與利用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[2]吳存真,張詩針,孫志堅.熱力過程火用分析基礎(chǔ)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2000.

篇5

[關(guān)鍵詞]工程素質(zhì)力學(xué)教學(xué)體系

力學(xué)課程是學(xué)生在大學(xué)階段接觸到的第一門與工程實際相結(jié)合的課程,其工程實踐性強(qiáng),是工科機(jī)械類學(xué)生進(jìn)行后續(xù)課學(xué)習(xí)及從事設(shè)計工作所需知識的必備課程。力學(xué)經(jīng)過100多年的積累與沉淀形成了比較經(jīng)典的理論體系,但工程實際中的仍有一些問題無法得到精確解和完備的理論解釋。隨著近代計算力學(xué)的發(fā)展、計算機(jī)技術(shù)與數(shù)學(xué)的發(fā)展,在工程設(shè)計中,一些新的設(shè)計方法日趨完善與經(jīng)典力學(xué)相互應(yīng)證,在現(xiàn)代復(fù)雜工程設(shè)計中充當(dāng)了重要的角色。材料科學(xué)日新月異的飛速發(fā)展,使新興材料的力學(xué)性能與傳統(tǒng)材料產(chǎn)生了很大的差別。這些相關(guān)學(xué)科的發(fā)展都極大的推進(jìn)了力學(xué)的發(fā)展,如何在非力學(xué)專業(yè)的機(jī)械類學(xué)生中進(jìn)行力學(xué)課程的教學(xué),在發(fā)展的時代面前面臨新的問題。

我校是以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo),注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng),課程組就基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)與工程應(yīng)用及工科大學(xué)生素質(zhì)能力培養(yǎng)體系展開研究,圍繞學(xué)校辦學(xué)特色,結(jié)合機(jī)械工程、車輛工程、材料工程專業(yè)特點,在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中提出“課程體系貫通化、求解問題工程化、工程構(gòu)件模型化、教學(xué)手段多樣化、經(jīng)典力學(xué)柔性化、反映學(xué)科現(xiàn)代化”的建設(shè)目標(biāo),并實施了改革實踐,突出培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力、抽象簡化能力、初步的科學(xué)研究能力和綜合的工程素質(zhì)。

一、課程體系貫通化

(一)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,實現(xiàn)力學(xué)課程體系與其它課程貫通

我校機(jī)械類工科專業(yè)在力學(xué)課后會開出機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計等專業(yè)課,這些課程用到大量的力學(xué)知識,而以學(xué)科劃分的課程不能反映出學(xué)科間的相互聯(lián)系與變化,造成課程體系僵化、課程內(nèi)容重復(fù)、課程信息陳舊等問題。通過調(diào)研基礎(chǔ)力學(xué)先修課和后續(xù)課的教學(xué)內(nèi)容,適當(dāng)打破原課程體系的嚴(yán)格界限,建立貫通化課程體系,對基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)組合和優(yōu)化。對于同一類教學(xué)內(nèi)容或采用合并或在力學(xué)教學(xué)中只簡單復(fù)習(xí)不再深入討論。重點與后續(xù)專業(yè)課的某些知識點建立聯(lián)系,將后續(xù)課程的研究對象引入力學(xué)課堂,這樣,學(xué)生在后期的學(xué)習(xí)中其所用的理論分析體系已經(jīng)熟悉,專業(yè)課的再次提及既可強(qiáng)化簡力學(xué)應(yīng)用,又可減少理論分析時間,為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課夯實力學(xué)基礎(chǔ)。

(二)確立“三年力學(xué)學(xué)習(xí)不斷線”滲透式的教學(xué)體系

大學(xué)二年級通過兩門基礎(chǔ)力學(xué)課程學(xué)習(xí)力學(xué)基本理論和方法,融入力學(xué)競賽與力學(xué)小課題。大學(xué)三年級在有限元法基礎(chǔ)與應(yīng)用課程中進(jìn)一步深入力學(xué)模型的概念,結(jié)合工程實例介紹力學(xué)模型構(gòu)建的思路,并通過典型的力學(xué)模型的理論解與仿真結(jié)果對比,提高學(xué)生的仿真和力學(xué)應(yīng)用分析能力。同時成立CAE課外興趣小組,對學(xué)生實行個性化培養(yǎng)。大學(xué)四年級將力學(xué)課題滲透到課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計課題中,進(jìn)一步強(qiáng)化力學(xué)在工程實際中的應(yīng)用。

二、求解問題工程化

力學(xué)問題來源于實踐,回歸于實踐。將力學(xué)理論緊密結(jié)合實際問題是其立足之本。

(一)深入實際進(jìn)行調(diào)研

通過往屆畢業(yè)生的“基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)與工科大學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)研究”調(diào)研表,了解畢業(yè)生從事的工作中運(yùn)用力學(xué)知識的重要程度、應(yīng)用的重點內(nèi)容、應(yīng)用中理論的充足性以及畢業(yè)生對基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的建議,收集他們在工作中應(yīng)用力學(xué)知識解決實際問題的實例。通過分析總結(jié)課程組進(jìn)一步增強(qiáng)了基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革及培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的信心。同時對奇瑞汽車公司、東風(fēng)有限商用車技術(shù)中心CAE室等單位進(jìn)行了調(diào)研,了解汽車生產(chǎn)中較為集中的力學(xué)設(shè)計計算內(nèi)容及設(shè)計部門對基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)的建議,了解CAE室最新發(fā)展?fàn)顩r,收集生產(chǎn)部門的具體力學(xué)實例,掌握力學(xué)在生產(chǎn)實際與前沿研究中的應(yīng)用,積累了大量的工程素材。

(二)建立工程實例素材的共享庫

通過教師的教學(xué)實踐和科研成果的資料收集,整理出上百個與機(jī)械和汽車相關(guān)的工程實際問題及其力學(xué)模型,包含生活領(lǐng)域及自然界中與力學(xué)問題有關(guān)的趣味例子,形成較為豐富的課程資源庫。這些資源可直接用于教學(xué),為每一章新內(nèi)容的引入與理論應(yīng)用提供了良好的工程平臺,由于學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確,易于接受,使較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)課堂教學(xué)吸引力有了極大提升。同時,該工程實例庫面對全體課程組教師實現(xiàn)教學(xué)資源共享,不同的經(jīng)驗可以相互借鑒,為教師整體教學(xué)水平的提高和團(tuán)隊以老帶新打下良好基礎(chǔ)。

(三)根據(jù)自身特點,編寫出版教材

為突出課程培養(yǎng)特色,課程組在配套十一五優(yōu)秀教材的基礎(chǔ)上,編寫工程針對性強(qiáng)的習(xí)題冊。一些習(xí)題來源于工程實際設(shè)計課題,涉及車輛部件、機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)械手、加工工裝及工藝等。習(xí)題冊內(nèi)同時增加一部分有一定深度題目,也涉及實驗測設(shè)方法與理論分析相結(jié)合的實驗方案確定問題,強(qiáng)化實際應(yīng)用,拓展學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。

三、工程構(gòu)件模型化

力學(xué)建模是聯(lián)結(jié)力學(xué)與工程應(yīng)用最為重要的紐帶,其重要性毋庸置疑?;谶@點共識,工科高校也紛紛開設(shè)力學(xué)建模的講座或課程。因此,課程組在課程中為力學(xué)建模設(shè)置單獨(dú)教學(xué)單元,就模型簡化的載荷處理、約束處理、等效替換等問題通過實例進(jìn)行分析。同時,本課程組提出“力學(xué)建模貫穿式”教學(xué),該模式符合“三年力學(xué)學(xué)習(xí)不斷線”的教學(xué)體系。即在基礎(chǔ)力學(xué)學(xué)習(xí)中,采用概念實例力學(xué)模型的教學(xué)模式展開,力學(xué)模型描述的內(nèi)容含有構(gòu)件的幾何、材料、受力和約束模型。而工程結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的參數(shù)估計和模型的檢驗在后續(xù)有限元法課程中將涉獵。

四、教學(xué)手段多樣化

針對教學(xué)手段以“處方式”為主、學(xué)生“按方取藥”,建立了“課內(nèi)與課外相結(jié)合、多媒體與板書相結(jié)合、理論與實驗相結(jié)合”的教學(xué)模式。

(一)課內(nèi)與課外相結(jié)合

課內(nèi)教學(xué)堅持以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)的原則,在教學(xué)手段方面形成了基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)特色,即基于基礎(chǔ)原理傳授式教學(xué)、基于工程背景啟發(fā)式教學(xué)、基于力學(xué)專題研究型教學(xué)、基于思考題討論式教學(xué)。在夯實第一課堂的基礎(chǔ)上,大力拓展第二課堂,鼓勵學(xué)生不滿足書本上的知識,積極進(jìn)行課外研究。1)建成基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。開發(fā)了一套具有不同教師個性化的、能反映教學(xué)過程管理和監(jiān)控的網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)平臺包括隸屬于每位教師的教學(xué)資料、教學(xué)管理信息,以及課程公共的資料信息,能夠構(gòu)建基礎(chǔ)力學(xué)課程的課后學(xué)習(xí)及教師日常教學(xué)管理等環(huán)境??紤]到力學(xué)系列課程的建設(shè),網(wǎng)站除了開辟了理論力學(xué),材料力學(xué)課程外,還增設(shè)了流體力學(xué)和有限元法基礎(chǔ)等課程。課程網(wǎng)站建設(shè)的除包括基本的課程簡介、教學(xué)大綱、授課教案、網(wǎng)絡(luò)課件、教學(xué)錄像、力學(xué)實驗外,還包含力學(xué)論文、力學(xué)自測題、趣味力學(xué)、力學(xué)小課題和力學(xué)名人新穎的內(nèi)容。為學(xué)生課外復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容,學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識提供了便利的條件。2) 開展力學(xué)競賽。為提高工科學(xué)生力學(xué)知識水平及應(yīng)用能力,鞏固所學(xué)的基礎(chǔ)知識、活躍思維和激發(fā)鉆研力學(xué)問題的熱情,課題組每年舉辦力學(xué)競賽。競賽增進(jìn)了學(xué)生對力學(xué)學(xué)習(xí)和研究的興趣,促進(jìn)了基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)改革。3)考研單獨(dú)輔導(dǎo)。基礎(chǔ)力學(xué)兩門課程是工科類學(xué)生考研的專業(yè)課,分值高達(dá)150分。課題組教師收集了各個學(xué)校的考研試題,分析總結(jié)了試題的知識點、分值分布和解題方法,對需要的學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)。4)開展力學(xué)小課題的活動。充分考慮學(xué)生個體化差異,實現(xiàn)常規(guī)教學(xué)與個性培養(yǎng)相結(jié)合、課內(nèi)和課外相結(jié)合的教學(xué)模式,著力培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。力學(xué)小課題融新穎、靈活、趣味于一體,理論聯(lián)系實際、包括討論題、設(shè)計題、利用計算機(jī)求解的問題等。

(二)多媒體與板書相結(jié)合

課程教學(xué)中,采用傳統(tǒng)的黑板教學(xué)和現(xiàn)代多媒體技術(shù)相結(jié)合,利用現(xiàn)代計算機(jī)數(shù)值模擬仿真動畫技術(shù),直觀揭示構(gòu)件各種變形下的應(yīng)力分布規(guī)律、變形特點等;通過啟發(fā)式教學(xué),揭示知識發(fā)生過程。例如,在講解應(yīng)力集中問題時,由于缺乏相應(yīng)的配套實驗,學(xué)生往往很難理解。利用通用有限元分析軟件能夠模擬出帶小圓孔方板的應(yīng)力分布圖,同時還可以引導(dǎo)學(xué)生分析孔的大小、形狀及位置與應(yīng)力集中的關(guān)系,如圖1。對于某些強(qiáng)調(diào)學(xué)生思考的問題,可以在黑板上逐步進(jìn)行引導(dǎo),讓學(xué)生給出求解思路和方法,這樣的方式互動性強(qiáng),促進(jìn)學(xué)生主動思考。

(三)理論與實驗相結(jié)合

除開出教學(xué)基本要求的實驗外,實驗室實行分期全天開放,為學(xué)生提供可選做的實驗項目,學(xué)生可也利用實驗設(shè)備,自行驗證理論、設(shè)計實驗。實驗教師開發(fā)出新的設(shè)計性實驗項目,實驗內(nèi)容注重工程背景、追求真刀真槍、突出學(xué)科交叉。如:閉口方鋼的性能測試及數(shù)值模擬分析,槽鋼的性能測試及數(shù)值模擬分析等,通過理論計算、電測試驗和仿真模擬,研究結(jié)構(gòu)在變形時的力學(xué)性能和特點。在理論層次、實驗方法設(shè)計層次方面對學(xué)生的實踐應(yīng)用和研究能力都有一個大的提升。

五、經(jīng)典力學(xué)柔性化

專業(yè)基礎(chǔ)課要“厚”,不僅體現(xiàn)在課程本身的教學(xué)內(nèi)容上,還涉及科研精神的培養(yǎng)與教學(xué)中體現(xiàn)的人文精神。

(一)實現(xiàn)基礎(chǔ)力學(xué)課程的模塊化教學(xué),由1+1變?yōu)?+2。嘗試多學(xué)時力學(xué)課程分模塊化教學(xué)

使學(xué)生分階段重點掌握知識內(nèi)容,易于學(xué)習(xí)消化,易于監(jiān)督檢查,在一定程度上防止了學(xué)生前期懶散最終一次性復(fù)習(xí)的不良習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生持之以恒進(jìn)行科學(xué)研究的工程素質(zhì)。經(jīng)過三輪教學(xué)實踐,考試成績分析及試卷分析報告說明:實施模塊化教學(xué)能更加全面的考察學(xué)生對課程的掌握情況,學(xué)生前期內(nèi)容明顯掌握扎實,避免了大學(xué)分課程一次性考試剛度過大的問題,同時幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成腳踏實地、堅持不懈的優(yōu)良學(xué)習(xí)習(xí)慣,逐步建立做人做事上不要投機(jī)取巧的思維模式。

(二)在經(jīng)典力學(xué)教學(xué)體系中引入人文教育

力學(xué)課程內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)、推到繁雜,學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的難度。在授課中適當(dāng)介紹本學(xué)科相關(guān)歷史和發(fā)展進(jìn)程及關(guān)鍵人物。如,講胡克定律時介紹中國古代鄭玄的貢獻(xiàn);講梁的合理截面時介紹中國古代對矩形截面梁高寬比的認(rèn)識;講梁彎曲時介紹圣維南的貢獻(xiàn)等。學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)知識的同時,對其發(fā)展過程有初步的了解,認(rèn)識前人在學(xué)科發(fā)展中探索研究的艱苦歷程和學(xué)科發(fā)展史與人類文明史之間的關(guān)系,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索鉆研精神。

六、反映學(xué)科現(xiàn)代化

筆者認(rèn)為將課程的前沿內(nèi)容引入到教學(xué)中是對教師能力的一個極大挑戰(zhàn)?,F(xiàn)代科學(xué)發(fā)展迅猛,一些傳統(tǒng)的設(shè)計方法在碰到復(fù)雜大型設(shè)計問題上會顯得繁雜而無力,在力學(xué)學(xué)科中新的技術(shù)、理論及應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn),其理論新、涉及面廣、實用性強(qiáng)。將這些先進(jìn)的方法融入教學(xué)對開拓學(xué)生視野無疑具有積極的作用。課程組教師結(jié)合自身科研對一些現(xiàn)代先進(jìn)的科技成果和學(xué)科的發(fā)展動態(tài)適當(dāng)?shù)脑黾?,如:?dāng)代力學(xué)計算手段有什么,可以應(yīng)用到什么方面的設(shè)計,引入優(yōu)化、非線性、有限元分析技術(shù)介紹等。在專項內(nèi)容方面,講授上除經(jīng)典理論外,將最新研究成果進(jìn)行介紹,使學(xué)生在這一方面有初步的、較為全面的知識把握。如講授疲勞內(nèi)容時,將疲勞的新、舊理論進(jìn)行介紹,闡明單軸與多軸疲勞應(yīng)力分析之間的區(qū)別與聯(lián)系,對其應(yīng)用背景進(jìn)行闡述。在材料力學(xué)性能講授時,對新興各向異性復(fù)合材料的性能與各向同性經(jīng)典材料進(jìn)行對比等。

通過“六化”建設(shè)目標(biāo)的提出和實施,課程組力爭全方位構(gòu)建培養(yǎng)高素質(zhì)人才的工科力學(xué)教學(xué)體系。該體系集基礎(chǔ)性、層次性、系統(tǒng)性為一體,具有“立足培養(yǎng)目標(biāo)、突出工程背景、張顯與時俱進(jìn)、強(qiáng)化綜合交叉、體現(xiàn)學(xué)科成果”五個特點,為理論與實踐相結(jié)合的工程素質(zhì)教育培養(yǎng)探索出一條有益的道路。

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篇6

一、大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

(一)學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊

高校生源來自全國各地,不同地域的學(xué)生對基礎(chǔ)物理知識掌握的平均水平也各異,造成了同一個教學(xué)班級中學(xué)生聽課的效果相差較大的狀況,教師在授課的過程中難以很好的把握講課的深度與廣度。如何提高學(xué)生,特別是基礎(chǔ)相對較差的學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣,讓他們端正學(xué)習(xí)態(tài)度,爭取做到對每一位學(xué)生“不拋棄,不放棄”,是每一位任課教師應(yīng)該認(rèn)真思考的問題。

(二)教學(xué)手段和方式單一

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展,課件在課堂教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛,已由傳統(tǒng)的“板書式”授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤癙PT式”授課模式。不可否認(rèn),與傳統(tǒng)的授課模式相比較,多媒體技術(shù)以其文字、圖片及可鏈接動畫視頻等特點,使課堂教學(xué)變得生動、直觀,可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是在用多媒體進(jìn)行大學(xué)物理教學(xué)過程中,有些教師往往由于過度的依賴,讓自己的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變,由課堂的主導(dǎo)者變成了幻燈放映員和講解員,一堂課下來,板書寥寥無幾。學(xué)生機(jī)械的聽,盲目的記,加之多媒體翻頁速度快、重難點不夠突出、邏輯思路跨度大,造成留給學(xué)生思考、討論、總結(jié)的時間很少,更難存在科學(xué)想象的空間,教學(xué)效果難以保證。

(三)課程內(nèi)容廣而不深

現(xiàn)用的教科書中物理教學(xué)所涉及知識點涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、相對論及量子論等廣泛的內(nèi)容,而且過于抽象化,沒有把經(jīng)典理論與當(dāng)今科技相融合。大學(xué)物理作為一門基礎(chǔ)課,授課對象是不同專業(yè)的學(xué)生,這就要求我們要打破原有的課程設(shè)置體系,設(shè)置多層次,多類型的大學(xué)物理課程。應(yīng)該針對不同專業(yè)的學(xué)生,制訂分層次、多元化的教學(xué)大綱。在制訂教學(xué)大綱的過程中,應(yīng)針對不同專業(yè)的授課對象,特別是要根據(jù)應(yīng)用型本科院校不同專業(yè)的特點合理確定教學(xué)課時及教學(xué)內(nèi)容的深度,比如對涉海專業(yè)的學(xué)生應(yīng)把重點放在流體力學(xué)上,同時增加這部分內(nèi)容在期末考試中的比重,真正的為接下來專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。通過調(diào)研,在充分了解學(xué)生所學(xué)專業(yè)特點的基礎(chǔ)上,分析判斷哪些物理學(xué)知識是其必要的基礎(chǔ),在有限的課時下精選教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重點講解。在教學(xué)過程同時,還要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造與探索精神,結(jié)合所學(xué)內(nèi)容,適當(dāng)拓展當(dāng)今世界該領(lǐng)域的科技發(fā)展前沿,增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣和愛好,要做到層次分明,重難點突出;并結(jié)合相關(guān)的物理實驗和實際問題進(jìn)行講解,做到學(xué)以致用,使授課內(nèi)容源于課本,又要高于課本。

二、課程改革方案的探究

通過幾年來結(jié)合個人的教學(xué)與學(xué)生的反饋情況,可以考慮從以下幾個方面著手,對應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)行探索與改進(jìn)。

(一)推動教學(xué)創(chuàng)新發(fā)揮學(xué)生潛能

創(chuàng)新本身就是一項自主性的活動。創(chuàng)新教學(xué)方式的目的就是在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性,創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的問題情境。這就要求逐漸改變長期以來課堂教學(xué)就是教師講、學(xué)生聽的“一言堂”或“滿堂灌”模式,這樣往往造成“胃口大的會餓壞,胃口小的會撐壞,胃口不對的會倒胃”的結(jié)果。應(yīng)該努力推行“互動式”、“體驗式”、“參與式”等教學(xué)方式。這樣不但能夠創(chuàng)造條件充分調(diào)動學(xué)生的自覺性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角,成為知識的主動探索者,也有利于營造民主、和諧的課堂氛圍,讓正能量充滿課堂。要想達(dá)到以上效果,就必須要求在教學(xué)目標(biāo)上實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)變:以教為主(老師滿堂灌)向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變,以課堂為主(過分重課堂)向課內(nèi)外結(jié)合轉(zhuǎn)變,以結(jié)果評價為主(過分重分?jǐn)?shù))向結(jié)果過程評價結(jié)合轉(zhuǎn)變。相對課堂教與學(xué)的固定時間、地點、模式而言,網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)走進(jìn)人們生活的各個方面,利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)也是大學(xué)物理教學(xué)改革的另一種形式,由傳統(tǒng)的同時同地的面授模式轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)模式與MOOC(大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程)、SPOC(小規(guī)模限制性在線課程)等現(xiàn)代信息化教學(xué)模式相結(jié)合,最大限度的發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造潛能。

(二)提高教師素質(zhì)增強(qiáng)育人觀念

現(xiàn)代教學(xué)理論認(rèn)為:“教師真正的本領(lǐng),主要不是在于講授知識,而是在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī),喚起學(xué)生的求知欲望,讓他們興趣盎然的參與到教學(xué)全過程中來,經(jīng)過自己的思維活動和動手操作獲得知識”。要培養(yǎng)適合時展的“新教師”,那就首先要求教師必須適時更新自己的觀念,了解學(xué)科最新發(fā)展前沿,樹立嶄新的課程觀。課程的學(xué)習(xí)活動方式以理解、體驗、反思、探究和創(chuàng)造為根本。教師和學(xué)生不是課程的簡單執(zhí)行者,而是課程的創(chuàng)生者,課程也要由此變成一種動態(tài)的、生長性的“生態(tài)系統(tǒng)”和完整文化。這樣,未來的教師也就既是科學(xué)家又是教育家、心理學(xué)家;既能指導(dǎo)學(xué)生掌握自學(xué)的方法,教給學(xué)生使用工具書、資料、數(shù)據(jù)和圖表的本領(lǐng),培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度,提高課堂效率,又能善于與學(xué)生建立友誼,以情育人。當(dāng)今科技的發(fā)展一方面促進(jìn)了人們生活水平的提高,但另一方面又出現(xiàn)了人情淡化,導(dǎo)致了高技術(shù)與高情感的不平衡,而以情育人在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時,也培養(yǎng)了學(xué)生健全的精神品質(zhì)。

(三)啟發(fā)學(xué)生思維提升教學(xué)實效

正如愛因斯坦所說:“提出一個問題往往比解決一個問題重要,因為解決問題也許僅是一個數(shù)學(xué)上或試驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能,從新的角度去看舊的問題,都需要有創(chuàng)造性的想象力,而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步?!苯處煹娜蝿?wù)不僅僅是把有問題的學(xué)生教得沒有問題,也要把沒有問題的學(xué)生教得有問題,以產(chǎn)生新的問題作為“會學(xué)”的開始,實現(xiàn)由“考生”向“學(xué)生”的轉(zhuǎn)變。教師要根據(jù)授課的內(nèi)容,先提出問題,然后借題發(fā)揮,啟發(fā)學(xué)生思考,逐步引導(dǎo)出所講內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生帶著疑問積極的參與到教學(xué)過程當(dāng)中的時候,能激勵他們的發(fā)散思維,讓學(xué)生通過自己的討論、思考、分析和總結(jié),從大量的發(fā)散結(jié)果中經(jīng)過慎重思考選擇出正確答案。即使在講授定理以及規(guī)律時,教師也應(yīng)盡量的減少和盤托出,可以先提出問題,并指出之前的知識在解決此問題時遇到的困難,進(jìn)而鼓勵學(xué)生自己尋找解決問題的辦法。教師在講解內(nèi)容的過程當(dāng)中,要注意將經(jīng)典理論與時代科技相互聯(lián)系,如由恒定電場一章中的“霍爾效應(yīng)”的講解聯(lián)系到當(dāng)今世界該領(lǐng)域的研究前沿“反?;魻栃?yīng)”。大學(xué)物理教師在教學(xué)中應(yīng)先讓學(xué)生了解科研,懂得科研是怎么回事,引導(dǎo)學(xué)生理性地?zé)釔劭蒲?,掌握一定的研究方法,然后部分地、有選擇性地參與科研。教師要及時了解學(xué)生中存在的個體差異,平等的對待每一位學(xué)生,積極評價學(xué)生的創(chuàng)新思維,最后進(jìn)行總結(jié),得出結(jié)論。

(四)優(yōu)化課程載體區(qū)分層次維度

課程是教學(xué)過程的基本環(huán)節(jié),是組成教學(xué)計劃的細(xì)胞。所謂優(yōu)化課程體系,就是“從培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)調(diào)整各方面的內(nèi)容及其比例關(guān)系,并以最后是否達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)要求作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)”。隨著時代的發(fā)展,培養(yǎng)人才的目標(biāo)定位也不斷發(fā)生變化,如:學(xué)校教育由單純知識型人才的培養(yǎng)向綜合能力型和全面素質(zhì)型人才的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變,這無疑是當(dāng)前和未來社會發(fā)展對人才素質(zhì)的要求在教育與課程上的反映,它對今后本科類院校教育模式、教師要求及課程的發(fā)展走向必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為了適應(yīng)學(xué)校減少基礎(chǔ)課學(xué)時的客觀情況,教師必須優(yōu)化大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容,這就要求大學(xué)本科課程的設(shè)置必須具有靈活性、針對性和多樣性,傳統(tǒng)教材對經(jīng)典物理中的力、熱、電、光有著詳細(xì)的介紹,而對于反映出當(dāng)代物理發(fā)展豐碩成果的近代物理特別是量子理論只是簡簡單單的一提而過,社會的發(fā)展已由信息時代進(jìn)入量子時代,必須增加量子理論的教學(xué)內(nèi)容和所占比重,以更好的適應(yīng)社會的發(fā)展。正如甘子釗院士所言:“整個當(dāng)代物理教學(xué)的關(guān)鍵就在于量子力學(xué)的教學(xué),這不僅僅是對物理系的教學(xué),而且對化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等系科的教學(xué),也是同樣的……”此外,還要設(shè)置好必修課和選修課之間的比例,設(shè)置多類型、多層次的課程結(jié)構(gòu),給學(xué)生提供更多自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容的機(jī)會。同時,在調(diào)整課程的同時必須考慮到課程設(shè)置體系的平衡性,培養(yǎng)“專才”和“通才”相結(jié)合的人,以適應(yīng)社會建設(shè)過程中不同層次、不同類型的人才需求。

三、總結(jié)

綜上所述,本科院校的人才培養(yǎng)規(guī)格、層次和類型很大程度上取決于教學(xué)方式和目標(biāo),教學(xué)方式和目標(biāo)則決定著人才培養(yǎng)的類型??梢酝ㄟ^調(diào)研歐美國家高水平大學(xué)和國內(nèi)同類高水平大學(xué)在教育教學(xué)、人才培養(yǎng)方面的經(jīng)驗,尋找差距,明確自身存在的問題和發(fā)展方向,從而結(jié)合自身實際努力構(gòu)建適合本科院校人才培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)、課程設(shè)置及評價模式,進(jìn)一步完善教學(xué)評估體系建設(shè),培養(yǎng)合格的學(xué)生,以適應(yīng)應(yīng)用型隊伍的人才需求。大學(xué)物理作為一門基礎(chǔ)學(xué)科,教師還要努力倡導(dǎo)教學(xué)自覺,沉淀教學(xué)文化,營造重教氛圍;以服務(wù)社會為目標(biāo),加強(qiáng)制度建設(shè),改進(jìn)育人模式;推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新,協(xié)調(diào)好教學(xué)、科研和務(wù)實的互動,讓大學(xué)物理教學(xué)更好的服務(wù)于應(yīng)用型高層次人才的培養(yǎng)。

作者:張玉強(qiáng) 崔燁 單位:公安海警學(xué)院基礎(chǔ)部

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