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流体力学理论及应用范文

发布时间:2023-12-20 10:44:57

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流体力学理论及应用

篇1

[关键词] 以问题为基础的学习;脑血管病;理论教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] C [文章编号] 1673-7210(2013)11(b)-0147-04

Application of problem-based learning method in cerebrovascular disease theory teaching for foreign students

XUE Shouru HAN Xuefei CAI Xiuying DUAN Xiaoyu DONG Wanli

Department of Neurology, the First Affiliated Hospital of Soochow University, Jiangsu Province, Suzhou 215006, China

[Abstract] Objective To investigate the effect of problem-based learning (PBL) teaching method on cerebrovascular disease (CVD) theory teaching for foreign students. Methods In theory teaching of CVD for foreign students education, the method of problem-based learning (PBL) was introduced to evaluate the teaching quality. PBL teaching mode was designed to follow the case as a guide and the problem as a basement, with the full combination of theory and practice. The application effect of PBL teaching method was investigated. Results PBL teaching method could help to manipulate the primitive of foreign students (98.3%) and improve foreign students' comprehensive ability to analyze and solve problems related to CVD (95.0%, 94.2%). Foreign students could master CVD diagnosis and treatment by using PBL teaching method. Conclusion PBL teaching model has also improved the teaching quality of CVD course, and it is worthy of recommending.

[Key words] Problem-based learning (PBL); Cerebrovascular disease (CVD); Theory teaching

[基金项目] 苏州大学校级教改项目(编号2009-sz-027)。

[作者简介] 薛寿儒(1967.4-),男,医学博士,主任医师,博士生导师,苏州大学附属第一医院神经病学教研室副主任;研究方向:脑血管病和神经变性病的基础和临床。

国内脑血管病具有发病率高、致残率高和死亡率高的特点,给人类健康和生命造成极大威胁,同时给家庭和社会带来沉重的负担。因此,脑血管病教学内容极其重要,占据临床神经病学教学的核心地位。在传统教学中,遵循“灌输式”教育,即“教师为中心,课堂教学和教材为主”模式,该教育模式培养的学生存在思维不够活跃、动手创造能力不够强、探索未知领域意识薄弱等缺点,其特征是理论教学与实践教学脱钩。而以问题为基础的学习(PBL)教学法是一种全新的教学方法,是以病例为先导、以问题为基础、以学生为主体、教师为导向的小组讨论式的教学方法[1-3]。PBL教学方法有效地解决了传统教学的弊病。其特征是教学效果得到质的飞跃。由于脑血管病教学内容繁多,涉及的各种症状体征复杂,采用传统的灌输教学,留学生常常感到枯燥难懂,教学效率低,因此,十分有必要应用PBL教学方法改善脑血管病教学内容,提高教学效果。

1 对象与方法

1.1 对象

对接受该教学方法的132名留学生(共4个班)课后随机发放120份调查内容相同的问卷,并全部回收,回收率为100%。

1.2 PBL教学对象及实施方法

1.2.1 留学生课前预习 上课前2周告知留学生脑血管病课的学习目标,学习内容。通知学生课前认真学习脑血管病课的内容,主讲教师通过校内局域网发送脑血管病章节的学习目标和相关问题,让留学生(每班分5组)围绕学习内容查阅资料,并鼓励留学生上互联网查询脑血管病最新进展信息。由学生分组讨论(每5~6人一组)并制作多媒体课件。课件内容主要有:①如何问诊,即详细的病史询问应该主要包括哪方面内容?②如何体检,即针对病史体格检查主要包括哪方面内容?可能的体征是什么?为什么?③如何辅助检查,为了进一步明确诊断,按轻重缓急顺序,主要安排哪方面实验室与辅助检查?实验室与辅助检查的可能结果是什么?④如何诊断,脑血管病的的临床诊断标准为何?应该如何与其他疾病进行鉴别诊断?⑤如何治疗,脑血管病的临床治疗原则是什么?每一小组负责制作并讲解其中的一部分幻灯片。对小组讲者的要求:幻灯片张数适中,每张幻灯数不能超过5张,每张幻灯字数不能超过20个;要求其思维清晰,语言流利,讲解完需准确回答听者提出的问题。对听者的要求:积极配合提出问题,并可能回答讲者不能回答的问题。

1.2.2 教师教学素材的收集和教学课件制作 应用我院神经病学教研室多年来在脑血管病教学研究工作中收集的大量典型病例、脑CT、MRI、MRA、MRV、DSA、CTA、SPECT、PET等典型影像资料,结合既往典型病例的腰穿脑脊液资料作为素材。以PBL教学方式为先导,围绕脑血管病的两大要素:主要脑血管分布和脑功能区分布及构造设计学习目标的问题,并围绕脑血管病的两类主要问题,即缺血性脑血管病(包括脑血栓和脑栓塞)和出血性脑血管病(包括脑出血和蛛网膜下腔出血)等精心制作多媒体课件。

1.2.3 知识梳理安排 各组分别展示课件,讲述有关内容。鼓励学生提问,教师可针对一些关键知识点提出问题,以突出重点,加深印象。例如:有肢体瘫痪的患者一定就是脑血管病吗?回答问题以学生为主体,对于学生回答不出的问题,教师根据情况决定由自己回答或将问题布置为课下作业,由学生借助各种学习工具获得答案。教师对学生课件制作的质量、讲授水平、课堂提问与回答的踊跃程度等进行简要小结。

1.3 临床PBL课实践

病史询问:指导1名学生按时间顺序,沿逻辑思维进行问诊,其余同学倾听。教师需在病史询问过程中对学生的病史询问方法进行必要的引导,如病史询问所用词语不能过度专业化,询问顺序不能杂乱无章,不能偏题,不能有重大遗漏等。病史询问结束后可由其他学生补充。

体格检查:指定1名学生进行神经系统针对性的体格检查,注意神经系统体格检查的前后上下顺序、手法以及查体过程中爱伤观念的体现。查体结束后首先体检者汇报神经系统体格检查的阳性结果,然后由其他学生进行神经系统查体部分的补充与纠正。

实验室及辅助检查:由指定学生根据前述的病史询问及神经系统体格检查结果,提出为确立临床诊断进一步需要的实验室及辅助检查,由学生进行分析。其中,脑CT、MRI、MRA等典型影像资料与脑脊液结果的分析是重要基本功,教师要结合病例,对典型影像资料的临床意义、脑脊液结果的判断与临床价值、脑CT和MRI的阅读顺序及异常表现进行必要的讲解。

诊断的提出:指导学生用专业语言精简总结,并提出临床诊断及其依据。

鉴别诊断的分析:由指定学生提出主要的临床鉴别诊断及其依据。

治疗原则:由指定学生根据临床资料,制订下一步的治疗方案,包括用药原则和一般治疗,要求注意观察判断病情进展的指标及必要的处理方法。例如:1例脑血管病患者,如考虑缺血性脑血管病,首选的治疗措施是什么?如果用药3 d以后效果不佳,应考虑有哪些恶化的原因?应给予患者哪些检查?如何调整用药?对于学生回答不了的问题,教师可布置为课下作业,并推荐主要的参考文献或网络资源供学生查阅参考,待下次课由学生做出回答。

讨论总结:讨论围绕临床脑血管病病例引导出来的学习目标进行,留学生和教师一起分析病例的临床特点,最后提出诊疗意见。如出血性脑血管病主要临床表现是头痛、呕吐和肢体瘫痪,相应提出如下问题:出血性脑血管病发病原因、瘫痪血管分布特点及如何处理等。留学生围绕问题运用新学知识综合分析、判断,经过讨论做出正确的处理。讨论过程中注重充分运用教学课件演示脑血管构造及分布。对课堂上尚未解决的学术问题通过局域网进行交流探讨,以弥补课堂教学在时间上的不足。

教师对学生表现的评定:对学生的良好表现予以充分肯定和鼓励,同时对存在的问题做出小结,并指导学生解决问题的方法。

2 结果

PBL教学法在脑血管病理论教学中效果问卷调查结果表明,留学生对PBL教学形式与效果普遍评价较高,大多数留学生认为PBL结合多媒体教学法能很好地调动学习积极性,有助于知识的理解和记忆,提高综合分析解决问题能力和理论实践相结合能力。见表1。

3 讨论

3.1 我校留学生的教学特点

我校自2006年起开始招收临床医学类留学生,我校留学生主要来源于巴基斯坦、印度、尼泊尔、马来西亚、文莱、印度尼西亚等亚洲国家和极少数欧美国家的应届高中生,目前在校生400余人。我校留学生的基本情况是:①具备一定的科学文化知识,留学生之间科学文化知识水平差异较大,但其医学知识相对匮乏;②来自亚洲国家的留学生主要受英联邦国家语言环境的熏陶,他们的英语水平尤其是英文阅读和写作水平普遍较好,虽然大多数留学生入学时能用英语交流,但由于留学生受当地方言的影响,带有浓重的地域口音,而英语毕竟不是他们的母语,表达相对不够规范,这在一定程度上影响着师生之间的互动式交流;③这些学生大多信仰印度教或伊斯兰教,他们的生活、学习和思维深受该文化背景影响;④他们思维活跃,自学能力强,课堂气氛热烈,随时可能会打断教师授课而提出问题,但组织纪律性较差,上课迟到、早退时有发生;⑤大多数学生毕业后将回国参加本土医师执业资格或执照考试。尽快熟悉这些情况,使教师在教学中做到心中有数,尤其是在授课前应该熟悉和尊重来华留学生所在国的国体、政体、民族、文化、宗教、历史等特点,并将这些融入日常教学活动,减少师生间的陌生感,建立师生友谊,为对外医学专业教学的顺利开展营造一个亲切和谐的师生氛围,这是取得留学生信任和认可教师教学权威性的重要途径,同时也有助于利用有限的高校资源改善留学生的教学效果。因此,对留学生用英语授课,要求任课教师同时具备丰富的专业理论知识和良好的英语沟通能力[4]。目前神经内科留学生的授课教师主要由具有博士研究生学历和出国留学经历的中青年教师担任,这些教师在语言、多媒体课件制作等方面具有较大优势,较易与留学生沟通,且愿意尝试新的教学模式。而脑血管病理论教学时间达4课时,占整个神经病学理论教学的1/8。因此,选择脑血管病内容进行教学模式的探索,其目的是以病案为基础、问题为核心,培养留学生运用理论和实践知识的综合分析能力,达到熟练掌握脑血管病诊断和治疗的目的。

3.2 PBL教学法在留学生脑血管病理论教学中的意义

PBL最早始于1969年,1993年在爱丁堡世界医学教育高峰会议得到推荐,此后在国内各医学院校开始尝试,并得到较快发展。与传统教学方法相比,PBL是以重视能力培养代替重视知识传授、以综合课代替以学科为基础的课程,以学生为中心代替以教师为中心的一种教学方法,PBL教学有利于培养学生独立思考问题、理论联系实际、灵活运用知识方面的能力,有助于培养适应生物-心理-社会医学模式的医学人才。PBL教学需要教师与学生之间以及学生与学生之间的配合互动,因此密切了他们之间的关系,提高了人际交往和互助共事的交流能力;同时,PBL教学还可以提高组织调查能力、交流合作能力和创造开拓能力等。在脑血管病教学中应用PBL教学,并结合多媒体教学手段,可以充分调动留学生的学习兴趣和积极性,提高自主学习能力,使留学生对脑血管病内容产生深刻准确的记忆,加深对脑血管病知识的理解。

3.3 PBL教学法体会

PBL教学的特点是在教师指导下,以学生为主体,小组讨论为主要形式,以某一医学专题或具体病案等问题为核心进行的研究性学习,旨在培养学生的探索意识、创新和实践能力。它弥补了传统教学重知识轻能力的弊端,是医学教育改革的一个重大进步。它推动高等医学教育理念的变革,成为近年来高等医学教育教学改革的趋势和热点[1,4-5]。留学生由于思维较为自信活跃,敢于发言提出问题等特点,采用PBL教学非常适合留学生的学习特点,有利于激发留学生学习的主动性和积极性。但是神经病学理论教学内容枯燥难懂,尤其脑血管病理论教学更加如此,PBL教学结合多媒体教学汇集了图片、录像、动画等音频及视频材料,使抽象、枯燥难懂的脑血管病内容变成生动形象、直观易懂,有利于学生对脑血管病各类抽象症状体征的理解。

PBL教学强调“学生主动学习”,学生在主动学习中发现问题并且自己解决问题。每个学生都要积极主动、勇于参与、善于表达、乐于自觉完成学习任务,并分享学习体会。因此,PBL教学能够提高学生的学习兴趣和学习激情,充分调动其交流积极性。研究中有98.3%的学生认为PBL教学能够提高其自身主动积极学习的能力和学习兴趣,可见其调动了其学习的主观能动性,变被动为主动,充分激活学生的科学思维精神,活跃课堂学生的学习气氛。在PBL教学中,学生针对提出的问题进行自学,查阅资料并加以归纳整理、分析总结,加深了对所学知识的理解认识和记忆,强化专业知识的吸收,进一步提高了学习效果。研究中,有91.7%的学生认为PBL教学有助于知识的创新和理解记忆。在临床实践工作中,对临床表现不典型的病例,需要全面详细的病史询问和完整的体格检查,合适的实验室和辅助检查结果,才能做出正确的临床诊断。采用PBL教学后,学生需要自己发现临床疾病的不典型性,并加以鉴别诊断,最后才能形成准确的临床诊断。95.0%的学生认为PBL教学有助于增强创造性思维和综合分析能力。虽然在基础学习阶段,学生习惯了课堂上被动听教师上课的学习方式,但对于充满激情活力的PBL教学,绝大多数学生还是愿意接受的。研究结果中,有95.8%的学生觉得能够适应PBL教学。可见,PBL教学在临床神经病教学中是值得推广和实践的。

传统教学中,整个教学活动的主导是教师,教师是知识的传授者,学生是知识的被动接受者。而在PBL教学中,教师和学生的作用发生了角色互换,教师的角色转变成了组织协调和指导帮助学生的主动学习,课堂教学中充分发挥学生学习的积极主动性和开拓创造性,达到使学生有效掌握当前所学知识的目的。纵观整个教学过程,教师的作用主要体现在PBL教学法的组织设计和有效管理以及对学生积极参与的帮助和激励促进。因此,PBL教学法对教师的综合素质提出了更高要求,要求教师不断学习新理论和新技术,不断提高理论水平和实践教学能力。

目前PBL教学虽然在国际上发展较为成熟普遍,但在我国高等医学教育尚属起步阶段,而且各个医学院校实施的方法也不同,目前在我国高等医学教育中普及该方法还有诸多急需解决的问题[5-7],包括:①全才型的优秀教师严重缺乏,全才型师资力量薄弱。②缺乏系统有效的PBL教学教材和配套培训资料。③典型病例难易程度的控制。病例过于简单,不能激发学生的学习兴趣,病例过于复杂,使学生产生畏难情绪。④有些学生对PBL教学法不适应。⑤传统教学观念根深蒂固、PBL教学经验不足等问题。长期以来,学生已经习惯了传统的灌输法教学,突然转变教学方法,有些学生感到学习负担加重,不能有效适应。

总之,PBL结合多媒体教学应用于脑血管病教学,有利于调动留学生学习积极性,这对解决当前医疗环境下教学资源短缺具有十分重要的意义[8-10]。该教学模式的有效应用依赖于教师素质的提高、PBL教材及配套培训资料的开发和典型病例难易程度的控制[5,11-13]。该教学模式弥补了目前医学教育存在的动手能力较差和创造性思维不强的问题,值得在临床教学中推广。

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篇2

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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篇3

中图分类号:G424 文献标识码:A

To Investigate the Effect of Improving the

Teaching of Engineering Fluid Mechanics

GUO Liping

(School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318)

Abstract The characteristics and teaching practical engineering fluid mechanics courses, combining the current teaching problems arise on how to improve teaching effectiveness programs were studied. Can take advantage of advanced research tools aided teaching to enhance students 'interest in learning, using a combination of multimedia and traditional teaching methods to improve classroom teaching through innovative practices to improve students' ability to apply knowledge and innovation.

Key words engineering fluid mechanics; teaching effects; teaching approach

1 工程流体力学教学现状

1.1 课程难于学习

工程流体力学以高等数学、线性代数、大学物理、工程力学、工程热力学等多门课程为基础,通过本课程的学习培养学生具有初步对工程问题的简化能力,具备一定的分析与计算能力,是学习有关后继课程和从事专业技术工作的基础。由于该课程中的理论推导部分应用了较多微积分、微分方程等数学知识,再加上大多数学生没有实际的工程概念,在实际教学过程中,大部分学生反映:该课程的理论知识抽象、难于理解,概念和方程占的比例较多,对高等数学、线性代数知识要求较高,理论知识与工程实践结合难度较大。①总而言之,在传统的注入式教学模式下,对大部分学生来说,“工程流体力学”是一门非常不好学的课程。

1.2 理论知识与实际应用脱节

在大部分工科院校的工程流体力学课程教学中,课题主要教给学生讲授本课程的基本概念、基本理论及公式推导,这些在教学实际过程及考核时基本都可以完成。这种指导思想下完成的教学效果是,学生可能只会对考核中出现的知识点做机械的符号记忆,如果在后续专业课的学习时或工程生产实际中,涉及到工程流体力学的相关知识,学生们会无从下手,找不到合适的解决问题的方法。

1.3 传统教学方式的缺陷

传统的板书教学模式已有悠久历史,教学理论非常成熟,已经积累了大量的教学经验。在传统教学过程中,一般是通过教师的生动、形象的讲述,学生相对易于接受,老师与学生之间也可以面对面地探讨一些疑难问题。而对于工程流体力学这门课程而言,教学内容不可避免地会涉及到一些类似数学公式的推导,传统的板书教学方式能够留给学生更多的思考时间,同时,也能够加深学生对公式推导过程的理解,加强记忆。由于传统的教学模式主要是依靠粉笔与黑板的教学条件,教师是教学模式的主体,教师表达能力的好坏、知识的丰富程度严重影响教学效果,与此同时,教学效率也非常低下,在有限的学时,很难使教学内容丰富,由此也扼杀了学生创意的产生和个性的发挥。②

1.4 多媒体应用的弊端

多媒体是一种把文本、图像、视频、动画和声音等信息的媒体集成在一起,并通过计算机综合处理和控制的一种信息技术。多媒体教学具有教学形象、生动、具体、信息量大、易于理解的优点。在各高等院校专业课的教学过程中得到了广泛应用,给教学工作带来了极大的方便。一方面,借助于多媒体教学不仅可以在一定程度上吸引学生的注意力,减轻教师板书的劳动量,另一方面是可以将一些复杂的、难于形象描述的流体流动现象和工程实际的图像资料清晰地展现给学生,使教学内容直观明了。同时,课堂气氛动静结合、增强互动性。与此同时也存在一些弊端:③由于大学课程教学内容进程快,信息容量大,一环紧扣一环,即使是传统的教学模式下,在中、小学课堂上出现的活泼、互动的启发式教学场面,在大学课堂教学时很难出现。

2 如何提高工程流体力学课程教学效果

2.1 充分利用先进的科研手段辅助教学

工程流体力学这一课程中涉及到的流场描述等知识点理论抽象、方程较多,仅借助于多媒体演示等手段教学,效果并不很好。如果将先进的科研手段辅助教学,例如将先进的激光粒子测速技术(PIV)应用到“工程流体力学”的教学过程中,④比如可应用拉格朗日描述流体流动和欧拉描述流体流动、紊流和层流流动的特点、圆管中流体紊流和层流轴向速度分布特征等相关章节中,借助于先进流体流动测试技术,能够使学生对抽象的理论进行深刻的理解,同时可激发学生对课程内容进行深入探索、从事科学研究的兴趣。

2.2 传统教学方式与多媒体教学手段相结合

多媒体教学技术的发展并不意味着必须摒弃一切传统的教学手段和方法,如果将传统教学方式与多媒体教学手段相结合,扬长避短,发挥各自的优势,提高课堂教学效果。对于工程流体力学这门工科专业基础课程,在进行复杂的理论公式推导教学时,经验证明:如果教师使用板书的教学方式,在黑板上一步一步推导,而不是使用多媒体,打出一系列的数学符号,这样既可以给学生更多的思考时间,又能够使学生理解公式推导过程,使学生的记忆加强。而对于一些基本概念和特定的流体流动现象,可以借助于多媒体教学手段,加深学生对基本概念和流体流动现象的理解与认识。

2.3 构建学生创新实践操作平台

工程流体力学是一门建立在实验研究基础上的学科,也是一门实验科学。很多流体力学理论都是通过实验研究建立起来的,一些理论分析得出的结论也需要实验来证实,而实验又必须在理论分析所得出结论的指导下进行。因此实验是工程流体力学课程的必不可少部分,是非常重要的教学环节。它不但可以验证理论研究结果,同时,在帮助学生学好工程流体力学这门课程的基础上,培养学生进行科学探索、创新能力和独立工作重要环节。虽然目前大多数高校都把实验教学列为工程流体力学课程教学的一部分,贯穿于课程始终。但大多以验证性实验为主,实验教学方法单调,又有师资力量、实验课时和实验设备等多种因素的制约,学生实际可选择的范围很小,在很大程度上限制了学生独立思考、分析问题、解决问题的能力,不能很好实现工程流体力学实验教学的目的。因此,建立学生创新实践操作平台,在完成课程基础理论验证实验的基础上,结合不同专业学生知识体系和将要从事的领域,开设创新实验,以此来激发学生的学习兴趣,培养创新能力。

3 结束语

为提高工程流体力学课程的教学效果,可以通过利用先进的科研手段辅助教学来提高学生学习兴趣,采用传统教学与多媒体教学相结合方式进行“教”,通过学生创新实践来提高学生对知识的应用能力和创新能力。

注释

① 黄芬霞.石油工程专业流体力学课程的教学改革探讨与实践[J].考索・探微,2013.12(1):231-232.

篇4

流体机械强度计算是针对能源与动力工程专业(流体机械及其自动控制方向)的专业课程,是后续毕业设计的有效辅助工具,在课程体系中占有重要地位。该课程以水力计算等提供的载荷为初始条件,研究流体机械零件的强度、刚度和稳定性,以期合理确定零件的结构、尺寸及相互联接方式等。流体机械强度计算课程理论性较强,要求具备一定的数学、流体力学与流体机械、固体力学以及机械设计基础;又具有较强的工程应用背景,可用于指导最初的结构设计,满足不同类型泵的可靠性设计要求。因此,教学中需要同时兼顾知识的继承性与先进性,尤其如何在卓越计划背景下构建与工程教育相衔接的教学内容、教学形式等已成为课程改革的首要任务。

1 流体机械强度计算工程实践能力培养的认识

流体机械强度计算课程的强大生命力在于它的实践性,其研究的出发点和归宿点都是为流体机械结构设计服务。流体机械强度计算课程力求使学生具备以下3个方面的技能和经验:(1)坚实的理论基础,包括流体力学理论和有限元理论;(2)程序使用经验,对常用的商业有限元分析程序能够应用;(3)工程实践经验,对不同的工程问题能够评判和确定方案。流体机械强度计算的基本流程为:初步分析详细分析有限元分析结果分析问题解决。在实际计算中,需要根据工程经验进行问题初判,并非所有问题都需进一步分析,有限元分析不一定是解决问题的最佳手段。要做出正确的初判,需要对常见问题的理论有清晰的解决思路,需要对有限元方法的能力和局限有清楚的认识,同时对可能进行的有限元分析所需的时间和人力有准确的判断。在决定进行有限元分析后,运用理论和经验上的判断,决定计算的模型、规模和类型。能够用尽可能简单的模型、尽可能短的时间获得解决问题所需的分析结果。运用商业有限元软件进行分析,需要清楚每个输入参数的意义和作用,仅仅熟悉软件界面不够。获得分析结果后,问题并没有解决,需要从纷繁复杂的数据中寻找问题的解决方案,总结出简单有效的结论和方案。

2 融合工程实际,编写教材

对于卓越工程师培养而言,面向工程需要的教材建设成为课程建设的一项重要工作[4]。目前该专业应用的课程教材为《水力机械强度计算》,该教材采用传统经典的强度计算方法,以解析的手段初步设计或后续校核泵轴、叶轮、泵体等强度问题。经试用,存在不适于该专业卓越工程师能力培养的两个方面:(1)教材内容与前期学习内容重复率较高。如将近30%篇幅涉及的弹性力学基础以及轴、法兰的应力计算等,学生已在大二系统学习过相关内容。(2)教材内容与强度理论和有限元软件的发展不符。有限元法概念浅显、适用性强,通过将实际物理模型离散化,广泛应用于理论分析无法解决的复杂工程问题,而传统教材较少涉及。任课教师较多在原教材基础上编写讲义,穿插讲解一些现代有限元理论及应用。

为适应流体机械专业卓越工程师的培养目标,应当编写适用于卓越工程师的专门教材。该校教师尤其是青年教师应到产学研合作的企业锻炼,熟悉企业工程项目生产、运作和管理的诸多环节,初步具备和企业技术人员合作进行产品研发、联合攻关的能力。在此基础上,联合一些有经验的企业技术人员,有目的地把工程应用的思想引入课程体系,增加实际工程中的一些概念、案例等内容。既依托高校和企业对于工程人才培养的理解与经验,又结合双方各自具备的硬件条件,企业在实际产品结构设计过程中遇到的问题和积累的经验也将反映到教材中,为该专业工程技术人才培养提供了帮助。

3 着眼工程实际,案例教学

提倡以分析解决实际问题为主导的案例教学。课程组精心设计专题讨论课,利用工程案例学习、讨论,加强学生分析、归纳、总结的能力。在案例选取上,为克服有限元分析可能脱离工程实际的问题,所采用案例均为具有明确解析解和实际测试结果的算例,使得讲解更具指导意义。例如:对多级泵(8级)轴静强度进行校核,以及确定蜗壳泵壳体壁厚,这些实例都有较准确的解析结果或经验公式。又如,叶轮连接轴的转子部件的模态分析,以及包括泵体、端盖、悬架及支脚在内整个壳体结构的自由模态分析,这两个典型算例都有试验测试结果。

此外,学生需要提交一份报告。要求采用ProE、UG、Solidworks等对三维结构建模;利用ANSYS软件对结构划分网格,施加合适的载荷和边界条件,对轴、叶轮和蜗壳进行有限元静强度校核。通过这样的训练,增强了学生的三维造型能力以及对流体机械各部件所受载荷和应力的理解。在有限元分析结果的评价方面,尝试应用量化方法进行更进一步训练。如对转子部件计算与实验的模态振型置信度进行比较,使有限元分析更接近实际。

4 凝练工程实际,指导教学实践

从工程实践出发,指导学生自主建模和分析。在横向科研活动中积累了一些具有代表性的结构有限元分析实例,如在叶轮强度计算分析时,分析单纯离心力、流体力及两者合力作用下叶轮的等效应力及变形情况,确定叶轮结构的危险点及危险点应力。这些工程实例多数都有现场实验,通过有限元计算研究,可以使本科生得到直接的训练,对结构有限元分析有更为真实的经验。

篇5

【基金项目】本文系2013年哈尔滨工程大学教学改革项目“基于创新型人才培养的《燃料与燃烧》教学模式改革研究与实践”(JG2013YB09)的研究成果。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2015)18-0057-02

现代社会能源主要来源于化石燃料的燃烧,能源短缺已成为世界各国面临的迫切问题,寻求新型燃料以及研发高效低污染燃烧装置已成为各国面临的重大任务。 “燃料与燃烧”是一门研究化石燃料及其燃烧规律的传统学科,同时又是一门反映最新燃料及燃烧技术,并与之保持同步的新学科。

作为高等院校热能与动力专业方向的重要专业基础课,“燃料与燃烧”以“高等数学”、“大学物理”、“大学化学”、“工程热力学”、“传热学”和“流体力学”等传统基础课程的知识为基础,由于涉及学科多,应用知识繁复,与其他基础课程相比,具有课程理论难度大、跨度大、知识点多且零散和对数学要求高等特点[1,2]。为此,针对我校热能与动力工程专业人才培养特点和要求,结合多年教学实践经验,对“燃料与燃烧”课程教学内容的制订及教学手段的选择提出自己的建议。

一、课程内容及特点

1.课程内容

“燃料与燃烧”包括燃料、化学热力学、化学动力学、燃料的着火理论、火焰的传播与稳定理论、预混燃烧理论和扩散燃烧理论等基础理论,液体燃料、固体燃料的燃烧过程及其经典的模型等教学模块;课程主要包含:(1)燃料、(2)燃烧过程的物质平衡与热平衡、(3)化学反应动力学、(4)燃烧系统守恒方程、(5)着火和燃烧界限、(6)预混气的燃烧、(7)层流预混火焰、(8)层流扩散燃烧、(9)气体湍流燃烧、(10)液体燃料的扩散燃烧、(11)固体燃料的燃烧、(12)燃烧污染与防治、(13)船舶动力装置的燃烧等教学内容。

2.课程特点

实际燃烧过程涉及质量、动量和能量的交换和变换,涉及燃料和氧化剂之间的化学反应,具体过程十分复杂。“燃料与燃烧”课程知识点多、理论性强、学科交叉性强。因此,一方面,该课程的学习要求学生很好地掌握前期“大学物理”、“大学化学”、“工程热力学”、“传热学”和“流体力学”等专业基础课程的内容;另一方面,该课程的学习又可以促进了学生对上述课程知识点的理解。

“燃料与燃烧”课程理论性强、知识涉及面广,是一门典型的理论和实验相结合的学科。由于燃烧过程的复杂性,截至目前,燃烧科学的研究仍然以实验研究为主。先进诊断技术的不断出现使得燃烧实验获取的数据更加可靠、准确[3]。20世纪以来,着火模型、火焰传播理论、反应流体力学和计算流体力学等的建立使燃烧理论有了长足的发展。并且,随着大型计算机的出现,使得采用数值模拟方法研究燃烧过程已经成为发展趋势[4],这些都有力地促进了燃烧技术的发展。但这些理论模型对于本科生而言很难理解。这就要求授课老师探索适合本科生知识结构及认知水平的教学内容和教学手段。

二、教学方法

1.教材的选择

“燃料与燃烧”这门课程知识点多、理论性强、概念抽象,如何上好这门课,选择适合的教材是非常重要的环节。好的教材有利于制订合理的教学内容和教学计划,可以有效促进教师的教学和学生的学习。目前市面上发行的教材主要有国外教材的国内翻译版和国内教材两类,比如Kuo. Kenneth K.的《Principles of Combustion》和Turns. S. R.的《An Introduction to Combustion》以及国内顾恒祥编著的《燃料与燃烧》教材和严传俊的《燃烧学》等,这两类教材各有特点。合适的教材应该能够与学生的知识结构及认知能力相适应,与该课程的教学目标相适应[5]。

针对本课程的特点,教材的内容要全要新,应能够较好地反映当前燃烧理论发展水平及技术发展现状。教材内容应当包括燃料、化学热力学、化学动力学、燃烧物理基础、预混燃烧及扩散燃烧、液体及固体燃料的燃烧等。由于是面向本科生的教材,应当内容简单易懂、表述深入浅出、实例丰富直观、结构逻辑清晰,能有效衔接理论分析与工程实例,这样才能提高学生学习兴趣。目前国内出版的《燃料与燃烧》教材要么理论性太强,要么涵盖内容不全面,要么内容深度不够,总之都存在这样或那样的问题。为此,根据我校本科热能与动力工程专业方向学生培养的目标和特点,我校“燃料与燃烧”课程组的老师编写了适合我校学生使用的《燃料与燃烧》教材,该教材系统地阐述了燃烧的基本原理和理论;详细讲述了燃料动力学燃烧的计算方法,详细论述了燃烧热力学和燃烧化学反应动力学,着重介绍了船舶动力装置涉及的预混燃烧和油滴蒸发控制的扩散燃烧;最后,为及时反映燃烧技术的最新研究进展,增添了新型船舶动力装置所采用的燃烧技术[6]。在教材的编撰过程中,大量引用了我校教师及研究生们的研究成果。教材针对性强、内容新颖,强调了“燃料与燃烧”课程的理论性和工程应用性,培养了学生学以致用、理论联系实际的能力和素养。

2.教学内容设计

“燃料与燃烧”课程教学内容应该具有目标性、实效性、科学性、启发性,为此在其教学内容的设计过程中,应该注意以下几点:

①内容要重点突出。“燃料与燃烧”课程内容包括化学热力学、反应动力学基础、着火理论、火焰传播与稳定理论、液体燃料及固体燃料的燃烧等部分,但在各部分内容的讲解上要有重点。课程中化学热力学和化学动力学基础是整个课程的理论基础,讲解内容包括化学平衡、热化学、化学反应速率、质量作用定律、反应级数、活化分子碰撞理论及链锁反应理论等。其中,化学反应速率、质量作用定律、阿累尼乌斯公式和链锁反应理论可作重点讲解。关于着火理论,授课重点放在闭口系统着火理论模型的建立和结果分析上,并分析燃烧放热量和散热量随温度的变化曲线,确定着火温度与初始温度、物理化学因素和散热强度的关系。对于火焰传播与稳定理论,授课的重点在火焰传播概念、气体的动力燃烧与扩散燃烧及火焰稳定的基本原理与方法的讲解。对于预混燃烧,授课的重点在瑞利公式、郎肯-雨果尼奥公式的推导,以及爆震波、缓燃波的性质,并分析层流火焰的传播速度。对于扩散燃烧和液体燃料的燃烧,重点在伯克-舒曼理论、燃料射流的唯象分析、液体燃料的雾化、蒸发模型及液滴的质量燃烧速率。对于固体燃料的燃烧,碳的燃烧化学反应及碳粒的燃烧速度可作为授课重点。

②理论与实践相结合。“燃料与燃烧”是一门理论性及实践性都很强的学科。课程涉及的相关理论模型比较抽象,不易掌握。因此,该课程的教学内容必须与工程或生活实践紧密结合。在课程教学内容设计过程中必须将理论与具体工程案例或燃烧相关生活案例相结合,以具体案例作为切入点,将复杂抽象的理论概念穿插到生动、具体的案例中进行讲解。对于热能与动力专业的本科生,笔者结合船舶柴油机,利用燃烧学理论讲解燃烧室结构设计、燃油燃烧过程、过量空气系数、着火等这些具体设计方案背后的理论依据,从而强化对燃烧理论的理解;结合汽油机和柴油机,讲解点燃和压燃,讲解不同燃烧方式对汽油机和柴油机的影响,讲解烃类燃料着火点和自燃点的区别;结合家用燃气灶台,讲解燃料的扩散燃烧。通过以上措施,使学生课本理论与实践统一。

3.教学方法设计

①采用启发式教育。在“燃料与燃烧”课程教学过程中从学生的知识结构及认知能力出发,结合具体的教学内容和教学目标,采用提问、讨论和案例分析等多种方式,让学生参与教学过程,激发学生的学习热情,使他们在活跃、开放的教学氛围中理解掌握燃料与燃烧相关的知识点,并逐步掌握应用相关知识点分析解决实际问题的能力和提升团队合作能力。

②多媒体与板书的有机结合。随着计算机技术的发展,多媒体技术已成为课堂教学的重要手段。多媒体教学课件图文并茂、内容丰富、信息量大。就“燃料与燃烧”而言,燃烧过程细节可以被生动地显示出来,危险实验也可被充分地展示出来,使学生能够更加深刻、有效地理解相关燃烧理论和燃烧过程。但是,使用多媒体技术授课,老师讲课速度加快,课程信息量增加,学生课堂紧张度增加,易造成学生的思维跟不上授课速度,影响教学效果。板书比较灵活,便于控制授课节奏,适合于讲解复杂理论模型,教师在授课过程中,可以通过板书引领学生的思维,进行详细的讲解和推导,学生易于理解和融会知识。但是,板书速度慢、效率低。因此,在“燃料与燃烧”课程教学过程中,将多媒体教学与传统板书有机结合,扬长避短,充分发挥各自优势,以达到最佳的教学效果。

③多种考核手段的结合。在教学过程中,采用多样化的考核手段,了解学生对课程知识点的掌握情况,督促学生的学习。平时成绩、课堂提问、课后作业、案例分析、阶段考试和小论文等都可以作为考核手段。但无论采用何种形式的考核手段都应当从激发学生的学习热情、提高学生的学习效果和增加学生对本课程本专业的认识出发。

三、结论

综上所述,“燃料与燃烧”融合了“大学物理”、“工程热力学”、“传热学”、“流体力学”、“气体动力学”和“高等数学”等课程的知识。在教学过程中应点面集合,重点突出,理论联系实际,加强对学生实践能力、团队合作能力和创新能力的培养,不断更新教学内容。同时,作为老师,需要不断学习,及时掌握该课程新的知识点,及时更新教学内容。

参考文献:

[1]邓文义,苏亚欣. “燃烧学”课程建设与探讨[J]. 中国电力教育, 2012(27):70-71.

[2]苏磊. 燃烧学-教学有感[J]. 中国科教创新导刊,2009(34):134.

[3]Kuo, Kenneth K. Principles of Combustion

[4]严传俊, 范玮. 燃烧学[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2008.

[5]王保文, 王为术, 高传昌. 电厂热能动力工程专业“燃烧学”教学内容设计[J]. 中国电力教育, 2010, (30):100-102.

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