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关键词:计算流体力学;课程改革;应用型本科;项目驱动
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
计算流体力学课程改革主要从三方面进行。
关键词:流体力学;教学方法;应用型本科院校
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1002-4107(2013)12-0033-02
流体力学是宿迁学院土木工程专业的一门重要的专业基础课。流体力学具有基本概念多、公式复杂、内容抽象等特点,是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程,因此,该课程既可以培养学生良好的逻辑思维能力和分析推理能力,又可以培养学生分析问题和解决问题的能力。然而学生的实际情况是由于在大学前两年接触最多的是固体力学,已形成一定的思维定式,而且由于精简学时的原因很多流体力学课程中需要的高等数学知识没有讲解,到了大三一旦遇上流体力学这个新鲜事物,可能接受起来会碰到许多困难[1]。学生普遍感觉该课程枯燥乏味、难学,存在畏难、厌学情绪,期末考试不及格率较高。在学校提倡培养应用型人才的大背景下,有必要根据课程性质从提高教师教学水平和提高学生学习效果进行探讨。
一、引导学生重视,激发学生的学习兴趣
(一)强调课程的地位和重要性
教师除了说明流体力学在整个专业教学中的地位和作用外,还可补充说明它是注册结构工程师基础考试中公共基础考试科目。此外,还可说明往年期末考试通过率的情况,以给学生适当加压。当然,更重要的是还要说明该课程的学习方法,以帮助学生树立信心。
(二)通过人物、工程实例及专业应用调动学生的学习兴趣
“兴趣是最好的教师,而教师则是点燃学生学习兴趣的火炬”。如何调动学生的学习兴趣是教师考虑的首要问题。在教学过程中可以穿插举出古今中外的科学家、工程师生平事迹和工程实例以调动学生的学习兴趣。如大禹采取疏壅导滞的方法治水三过家门而不入;理想流体力学奠基人欧拉16岁就获得硕士学位,双目失明后仍然从事科学研究直至去世当天还在进行科学研究等[2]。如两千多年前李冰利用“深淘滩,低作堰”建造的都江堰;大约在同时期,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等。除此之外,还可以介绍流体力学在土木专业及其他专业的应用,如美国华盛顿州塔科马大桥被大风摧毁、汽车“风阻”和飞机“音障”等事例。
(三)将CFD技术引入课堂调动学生兴趣
计算流体动力学(简称CFD)技术日趋成熟,已经成为研究流体力学的一种重要方法。在流体力学教学过程中引入CFD技术,不但可以将理论性较强的内容形象化,加深学生对基础理论的理解,而且可以开阔学生的眼界,激发学生的学习兴趣和探索精神。如对欧拉法中流线的模拟、圆管中层流和湍流流速的分布、局部阻力损失的流场分析[3]。
二、教学内容的取舍和教学环节设计
(一)教学内容的取舍
流体力学知识面广,内容繁多,在学时限制的条件下要结合专业教学要求合理取舍。对土木工程专业而言需要掌握的内容有:(1)流体物理性质;(2)流体静力学;(3)流体运动学和流体动力学;(4)阻力损失;(5)管道流、明渠流及渗流。
1.重要问题的处理。首先,要从力学角度分析流体的流动性。流体与固体的主要区别在于流体的流动性,其根本原因是流体和固体对承受剪切力的表现。为了形象说明,可以引用“抽刀断水水更流”的诗句[4]。当然,还需说明无论流体静止还是运动均不能承受拉力。
其次,要理解连续介质假设的概念。微观上,流体是由大量分子构成的,是离散的,不连续的,这给我们研究流体力学问题带来了困难。连续介质假设认为流体是由内部无间隙的连续流体质点构成。这里要理解流体质点微观上“充分大”、宏观上“充分小”的含义。如此流体在空间上就变为连续的,可以借助高等数学的方法来研究。
2.公式推导的处理。流体力学学习过程中会遇到大量复杂的公式,特别是实际流体伯努力方程的推导让人很难掌握。笔者在处理公式推导问题时强调公式推导的目的是让学生学习一种思想,学习一种处理问题的方法,将精力集中在公式建立的基本原理和适用条件上,从思路上进行分析整理,淡化烦琐的数学推导过程。这样学生有了独立思考的空间,教师也有了更多的时间来讲解基本概念和基本方法。需要强调的是,流体力学中很多公式都是在一定条件下推导出的,因此其应用也是具有一定范围的,公式的应用往往也有一定的技巧,如伯努力方程的“三选一列”。
(二)教学环节的设计
1.调整习题或考题构成,重视习题课。这里有两个问题需要注意。一方面,流体力学习题历来存在重计算、轻概念的现象,特别是考题如果全是计算题,就会形成无形的指挥棒。这就不利于学生从整体上掌握该课程的重点,习题或考题的题型应丰富,除了计算题之外,还应有填空、选择、判断、作图、名词解释等考查基本概念的题目。另一方面,在精选题目时,要注意将理论教学和实际应用结合起来,如查找资料的技能培养。在流体力学的牛顿内摩擦定律、能量损失计算和管道流等部分很多数据都是要查有关工程手册和图表的[5]。
习题课是流体力学教学的重要环节,为了能够在学时紧张的前提下开展习题课,教师必须重视习题选择和习题评讲两个方面。一方面,教师应选择具有代表性的题目,另一方面,习题讲评应使学生从解题过程中获得解决问题的思路、方法和技巧,达到触类旁通的效果。
2.重视实验教学,强化实践环节。实验教学是流体力学教学中的重要组成部分,通过实验,不但可以加深学生对流体力学基本原理的理解,而且有助于培养学生的动手能力、独立工作能力和创新能力。如通过水静压强试验,学生明确了测压管水头的含义;通过雷诺实验,学生加深了层流、湍流及临界雷诺数的理解。当然,由于实验室条件的限制,目前的实验主要以验证性居多,在条件许可的情况下应进行设计性实验。
此外,每学期笔者都会布置一个任务,让学生留意身边感兴趣的流体力学现象,然后根据课堂所学知识和个人理解撰写论文,以此增强学生的实践应用能力和培养其创新能力。
三、教学方法和手段的改进
(一)注重讨论法与案例教学法的运用
1.讨论式教学方法。教学活动应该是双向的师生互动过程,不应是教师的一言堂。教师应创造和谐、轻松的课堂气氛,鼓励学生积极发言,表达自己的疑问、见解,激发学生的学习积极性和创造性。如在课堂上通过提问的方式回顾上次课的主要内容,通过“自学―提问―讨论―总结”的方法学习新内容,在考虑学生接受能力的前提下,甚至可以让学生来讲一次课。如通过反证法证明流体静压强的方向,通过隔离体分析法证明流体静压强的大小。通过讨论式的教学方法不但可以调动学生的学习积极性,树立信心,而且还可以培养学生勤于思考、善于发现问题、分析问题、解决问题的能力。
2.案例式教学方法。通过将生活和工程案例引入课堂,不但可以增强学生的学习兴趣,而且可以加深学生对理论知识的理解,提高学生运用所学理论知识解决实际问题的能力。生活案例有马利奥特容器原理应用于点滴吊瓶和家用饮水机[6]、洗衣机为什么老翻衣服兜[7]、捞面条的学问等。工程案例如1993年青海省沟后水库在低于设计水位0.75m的情况下突然垮坝的事故;三峡工程如何在最大流量10×104m3/s、水头高达100m、最高流速高达45m/s的情况下不会产生巨大的破坏力等[8]。
(二)综合运用各种教学手段
流体力学概念抽象、繁多,仅靠传统的一块黑板、一支粉笔不能激发学生的学习兴趣。借助于多媒体技术,利用其形象、生动、直观、易于理解并可加强记忆的优点,通过动画、视频资料、数值模拟等手段将复杂的流动现象展示给学生,可取得事半功倍的效果。但是,考虑到多媒体技术授课和传统的授课方法各自的优缺点,结合流体力学课程特点,采用取其长而避其短、两者兼顾而又两者不弃的原则。
“教学有法,但无定法,贵在得法”。我们要不断更新教学理念,努力提升自身的综合素质,及时总结教学过程中出现的问题并加以改进,注重教学过程中的每一个环节,多管齐下,才能保证学生取得良好的教学效果。
参考文献:
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[7]武际可.拉家常・说力学[M].北京:高等教育出版社,
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关键词:双语教学;SPOC;教学模式;流体力学
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。
参考文献:
关键词:项目化教学法;流体力学泵与风机;可行性分析
1 前言
最近几年,国内很多高职高T盒?设了与热能与动力工程(火力发电方向)相近的专业。我校也于2009年开设了电厂热能动力装置专业,而流体力学泵与风机作为其专业基础课在课程体系建设中占有及其重要的地位并分的大量学时。项目化教学法则是近年来高职院校教学中一直推广的教学方法,主要是为使学生学习时化被动为主动。此方法对于我校学生来说,在其他专业已经得到了很好的验证,的确能够提高学生的学习积极性和主动性。本文将对项目教学法运用于流体力学泵与风机课程教学的可行性进行分析探讨。
2 项目教学法的基本理论
(一)项目化教学法的起源及定义
在18世纪的欧洲产生了劳动教育思想思潮下,产生了项目化教学法的初步思想,最终到了19世纪美国与合作教育融合产生了项目化教学法,经过了一百余年的发展,到1955年后逐渐趋于完美,并最终成为了一种新的教学理论。
(二)项目化教学法的基本要求
要求一是,学生成为项目化课程的主体,教师以一种配角的形式出现在课堂教学上,这样学生就多了更多的独立思考,更多的动手机会,这样有利于培养创新能力;要求二是,执行项目化教学法的主张。其主张强调学生自主学习,自己查阅,分析的能力,先练后讲,边学边教。
3 项目化教学法在流体力学泵与风机教学中的特点
(一)目的性
项目化教学法的目的性很明确,就是通过一个个围绕知识点设置的项目来锻炼学生的领导能力,并培养分析解决实际问题和团队合作的能力,以此掌握课程所要求的知识内容和岗位能力;而对于教师来说,项目化教学的目的就是改变现行的教学模式,使自身从课堂教学的主体,转变成一个在学生实际完成项目时的促进者,并掌握其中的相关知识和技巧。
(二)授课周期短,效果明显
项目化教学的另一个特点就是效率高,经历过项目化课程的学生都可以迅速完成到职工之间的转变。结合流体力学泵与风机教学内容设置的项目,可以迅速的使学生对实际操作上手。
(三)注重理论与实践相合
在项目设计之初要依据理论原理设计项目,那么在要完成一个项目时,必然涉及如何才能完成这样的问题。这就需要理论与实践相结合。
项目化教学法与其他任何教学手段一样,都会随着时间而组建消沉,其如果想用力不败之地就必须不断随着社会而发生变化。而变化的依据是根据不同的课程或内容而有所不同。通过流体力学泵与风机课程各项目的实施,使学生掌握连续性方程,伯努利方程的应用及具备泵与风机的检修和运行的基本知识和专业知识。
4 项目教学法在流体力学泵与风机教学中的应用(以流体力学泵与风机一次课为例)
(一)项目计划阶段
我校电厂热能动力装置专业的流体力学泵与风机课程项目化课程整体方案与单元设计部分结合学校实际条件和课程的教学目的进行设计。在教材方面我校正在编写该课程的项目化教材,这样,首先是能够对所需要学习的内容章节总结和具体化的作用;另一方面,结合实际操作条件的教材,可以起到理论联系实际的作用,培养学生的应用能力。
(二)实施阶段
第一次课是预备课,教师对课文中的新单词和词组进行讲解,将每个单元的课文划分成几个部分,并设计学习环境。同时完成班内的分组活动,可以依照学号,也可以按照寝室,更可以通过课堂出的设计游戏观察的结果分组。本课程每六人一组,每组内不能有超过1名女生,6人一组。每个小组负责一个部分内容的讲解。然后进行分组的实际操作
(三)评估阶段
后几次课是具体的项目实施阶段,让各小组展示其成果,项目的呈现形式可以是图片、ppt、实物,设计图等。检查评估是本课程的主要不仅可以让老师在实践中检验学生掌握语言的情况,也可以让学生通过小组活动来提高语言的交际能力。这不仅锻炼了学生的语言表达能力,也锻炼了学生专业知识的掌握。学生在讲解中充分发挥特长,学习他人的优点,弥补自身不足。
(四)成绩评价阶段
每个小组都设置一份评分表(此处以项目1-1为例),评分的权利不仅仅在老师,同样将打分权利很大一部分交给各个小组的组长,取其平均分,有利于公平公正和公开。但在评分时要注意,学生之间因为关系亲疏而带来的分数评价的偏差,并在发现问题存在时,及时纠正问题,并及时改正。教师的评分表是另外一张,本文不附上了,但宗旨是考察学生的评分而不是项目结果。
(五)注意事项
1、项目不能凭空乱设。要根据学校的实际情况设计项目,例如学校电脑齐备,再购买软件就可以有充分的空间可以安装,这就是充分利用学校资源;而学校没有实物泵,如果设计实物泵相关是项目,能实现的可能性就大大降低了。
2、上课时一定要记住学生才是这个课堂的主人,老师不要过多干涉,喧宾夺主,这样都是不好的。即时是需要理论上的指导,也要适可而止,指明方向让学生自学或是适当点拨都是不错的选择。
3、项目教学法对教师的课堂组织管理和知识储备提出了更高的要求。每次的项目成绩可以汇总成平时成绩,便于老师在期末总评时一目了然。
(六)结束语
流体力学泵与风机作为专业基础课程,在专业课的授课过程中起着承上启下的作用,基础课程的扎实学习会为日后的专业课学习起到事半功倍的作用。能够让学生自主学习,创新培养模式起到了主导的作用,电厂热能动力装置专业教学改革和探索还在边实践边总结,教学改革模式也会日渐完善。
参考文献
[1]黄蔚雯,朱飚.建设流体力学泵与风机精品课程的实践与认识[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2006,7(21):200-202.
【关键词】启发式教学思想 教学方法 流体力学 实践
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2013)10-0021-02
一 启发式教学的含义
“学而不思则罔,思而不学则殆”,针对这一现象,孔子认为“不愤不启,不悱不发,举一隅不以三隅及,则不复也”。这句话的意思是:“不到他努力想弄明白而不得的程度不要去开导他;不到他心里明白却不能完善表达出来的程度不要去启发他。如果他不能举一反三,就不要再反复地给他举例了。”从孔子对启发式教学的认识,可以看出启发式教学首先要学生处于“愤”或“悱”的状态,之后才是教师的“启”和“发”。也就是说,学生要先经过努力思考,却仍不能解除心中疑惑,这时教师才应该对学生进行点拨,教给学生解题思路与技巧。所以说,启发式教学的第一步是学生应对所学的内容进行自学,而且经过了深思熟虑而不得。启发式教学的第二步才是教师的指导或引导,无论是对语言的精准表达,还是解题的思路或技巧指导。启发式教学的第三步,是对学生刚刚解除的疑惑进行考查,以验证学生是否真正理解,是否熟练掌握,以期学生能在学会的基础上,能够举一反三,融会贯通。
“启发式”教学的思想与“填鸭式”、“满堂灌”的做法相对立。教师在任何情况下都不可以自己的灌输代替学生思考。启发式教学的根本思想是以学生为教学活动的主体,教师只起指导、引导作用。启发式教学不仅是一种教学方法,更重要的是一种教学思想。
二 启发式教学在流体力学教学中的实践
从启发式教学的思想看,教师要想启发学生,其前提是学生必须要有疑惑,并且是在思考后不能解答的前提下,才进行启发。因此,老师的职责是如何使学生去积极思考,在学生迷茫而无所得的情况下对学生进行正确的引导。
1.以启发式教学思想为指导,精心营造启发的教学情境
教师在所有的教学环节,都应以启发式思想为指导。重视后用启发式教学。每一位教师应从教学规律出发,精心设计教学活动,精心营造启发式教学情境。
2.启发式教学方法在流体力学课堂中的运用
第一,总结式启发和回顾式启发。流体力学是以流体为研究对象,探讨其受力及静止、运动规律。前后知识逻辑性强。每部分知识结束时,应及时总结,进而抛出新问题,引发学生课后思考。甚至可布置思考题,让学生自己找出解决问题的思路。下一节课开始时,教师先回顾上节课的主要内容,从没解决的问题入手,和学生探讨解决问题的方法。如讲完“流体静压强的两点特性”后,可及时让学生思考,如果流体是运动的,那么其动压强是否还具有这两点特性,从而引发学生的疑问,这样不但使学生主动去探究静压强大小与作用面方位无关的原因,还会使其带着兴趣去学习流体动力学的内容。
第二,现象启发式。流体力学课程概念多,前后内容逻辑性很强。教学内容的安排应符合人类从感性到理性、从现象到本质、从浅显到深入的认识过程。因此,教学时应经常与日常生活及工业生产中的现象相联系。例如,讲“流体黏滞性概念”的时候,让大家思考手接触不同流体,如空气、水和油时的感觉,从感觉上区分不同的流体具有不同的黏滞性,并认识到它们与手的黏附力不同。接着让学生分析原因,从而水到渠成地得出黏滞性的本质是内摩擦力的结论。
用现象或实例可以引发学生的思考,进而吸引学生的兴趣,而且会让学生明白,流体力学中的概念是从现象中抽象出来,与现象紧密联系的。对这些本质的理解及知识的获得反过来可以解决、解释很多实际问题。这样,学生会饶有兴趣地学习知识,并能从本课程中得到更大的收获。
第三,对比式启发。在流体力学教学中,可以采用以下三种对比方式:一是将相近或相反的概念、规律进行对比。例如,在讲气体能量方程时,与前面的液体能量方程对比,说明气体能量方程形式上的不同。再如,气体静压强的分布规律与液体相对比,甚至把流体的压强分布与粉体或固体的压力进行对比。这样,可以使知识的区别清楚地呈现出来,使学生印象深刻,便于记忆。二是将新旧知识进行对比,使学生在原有知识的基础上学习新知识,从而加速对新知识的掌握,做到“温故而知新”。例如,将理想元流伯努利方程、理想总流伯努利方程和实际流体的伯努利方程的成立条件及方程形式进行分析对比,可贯通旧知识和新知识,使学生加速对后者的掌握。学生的学习是一个在原有知识结构的基础上不断更新、不断加深的过程。无论从知识的深度还是广度上,都是不断提升和深入的过程。这就要求教师善于从学生原有的知识基础出发,引出新的问题,引发学生的思考,并分析得出新知识,解决新问题。三是将课堂理论知识与生产实践、日常生活中的实例相对比,使抽象的内容具体化,加深学生的感性认识。教师应重视教学实践活动,并充分利用实践教学,把理论知识与实践联系起来,培养学生用书本知识解释、解决生产、生活中所遇到的问题的能力。
第四,练习式、作业式启发。流体力学课程理论性较强、概念抽象、方程较多,因此,进行习题训练成为学生理解和巩固知识的重要手段。在课堂上应重视对基本概念、基本原理思考题的练习与讨论。在课下作业题目的布置上,教师应选择一些具有较强典型性、综合性和实践性的习题供学生练习。对于一些难点,教师在启发和提示的基础上,让学生互相讨论,逐步深入,在争论中得出答案。
关键词:工程流体力学;精品课建设;师资建设
作者简介:陈国晶(1971-),女,黑龙江讷河人,黑龙江科技学院机械工程学院,讲师;赵存友(1969-),男,黑龙江安达人,黑龙江科技学院机械工程学院,副教授。(黑龙江 哈尔滨 150027)
基金项目:本文系黑龙江省高等教育学会高等教育科学研究“十一五”规划重点课题(课题编号:115C-174)、黑龙江科技学院教研课题“《工程流体力学》课程任务式教学内容的改革与实践”的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)13-0105-02
“工程流体力学”为黑龙江科技学院(以下简称“我校”)机械、采矿、环境、安全、土建等专业重要的专业技术基础课程。由于面向的专业范围广、学生层次多,因此要将该课建设成省级精品课程,对师资队伍和教学条件等要求高,需要改革的环节多,课程建设的难度大。我们在深入解读省级精品课程指标内涵的基础上,围绕课程建设的目标和任务,结合课程自身特点,根据各专业具体培养方向和要求,从课程教学的关键环节和基础工作入手,立足学生知识和能力的全面培养,狠抓师资队伍建设、教学内容、教学方法、教学手段以及学生成绩的考核改革,强化实验室、教材、多媒体课件、网络资源等教学条件的建设,构建多元化的教学体系,在2007年实现了课程建设目标。
一、加强师资队伍建设
我们将精品课程评审指标体系中所有二级指标的主要观测点概括为“德”、“才”、“勤”、“能”四个方面,并从这四个方面打造一流的师资队伍。通过对课程组教师进行优化组合,充分发挥每个人的特长,并进行重点培养,使课程组每个参与建设的教师都能从事最能发挥其才能的工作,各尽所能,使每个人都能有成就感,成为某个方面的行家里手。尤其对青年教师,使其能力在课程具体建设过程中得到充分的发挥和锻炼,业务能力和教、科研水平显著提高。
根据实际情况,我们将拓宽知识领域、提高知识层次(重点是专业理论知识、实践能力、教学能力、教研能力以及学历、职称的提高)作为“工程流体力学”师资队伍建设的内容及目标,并采取如下具体措施:
(1)导师制培养,实行“一带一”、“多帮一”工程,由老教师对青年教师进行一对一、多对一的指导,尤其是课程负责人在教学的各个环节、论文的撰写及教科研立项等方面对青年教师进行全方位的指导。
(2)制定助课、互相听课及集体备课制度,课程负责人听课程组成员的课每学期至少一次,年轻教师听老教师的课每学期至少一次,利用教研室活动时间经常进行集体备课及教学研讨。
(3)送出去培养与在职提高相结合,通过读硕、读博,努力提高课程组教师的学历水平。
(4)鼓励课程组教师积极参加学院及学校举办的教师教学技能大赛,参与实验室建设,指导“工程流体力学”创新设计大赛和指导大学生科技活动。
(5)鼓励青年教师在各项工作中勇挑重担,为青年教师创造展示才能的机会。
二、完善教学条件
1.教材及资料库建设
“适用”的教材才是一流的教材。遵循功能和谐原则、整体和谐原则、环境和谐原则、市场和谐原则和经济和谐原则,为不同专业选用了不同版本的教材。同时注重纸质及电子资料的收集和整理,注重教学研究成果的总结和提炼,创建了“工程流体力学”纸质及电子资料库。
2.实验室建设
将实验室建设纳入课程建设规划。与课程需要相适应的实验室建设才是科学、合理、有序、有度的建设,避免与课程建设相脱节的实验室建设,杜绝重复性建设。根据专业需求补充购置相应的实验教学仪器,用于开展常规实验、综合性实验和设计性试验。根据现场教学的需要,补充测压仪表、保留管路实验系统。为开展“流体力学创新设计大赛”和指导“大学生科技立项”等第二课堂活动创建虚拟实验室和创新设计实践基地。
3.辅助教学资源建设
基于“精”、“新”、“奇”的指导思想,应用多媒体技术制作高质量多媒体课件及教学网站。[1]我们根据不同专业具体要求的不同,制作了分别与自编教材及与不同专业选用教材配套的多套多媒体课件及电子辅导资料,利用第二课堂活动,指导学生制作了大量的演示基本概念、流动现象、基本原理的Flas和典型实验的Flash模拟软件。在网站上提供必要的图片、实物照片,链接媒体素材、实验录像、演示流动现象及进行虚拟实验的Flas,插入重大流体事件、背景知识及相关学科前沿知识。教学网站上提供丰富的相关教学内容、链接国内外著名流体力学网站,为学生及时了解反映流体力学发展前沿和最新动态的科技文献资料提供便利,同时为考研的学生提供学习指导。教学网站板块全,内容丰富,实用性、可操作性强,而且嵌套有在线测试及网上考试系统,所有教学及辅导资料全部挂在网站上,成为学生课外自学和复习的良好平台。2007年利用学校webCT网络教学资源又开展了网络教学,进一步拓展了教学空间。
三、深化教学内容
任何课程的教学内容都不是一成不变的。教师所讲授的内容应是经过提炼和加工过的本门课程的精华部分。我们注重与专业的对接,根据各专业侧重点的不同,合理确定教学内容;根据生源质量的区别,以学生为本,实行分层次教学。根据我校应用型人才培养目标,明确课程为专业服务的目的和地位,以适合该门课程的思维方式来组织教学内容,并进行模块式整合,为不同专业设置相应的可选模块。在教学过程中注重有效知识和长效知识,压缩经典内容,充实应用实例,并将教改、教研成果及学科最新的前沿成果渗透到课程的教学当中,做到内容精炼,难易适中,主线突出,理论联系实际,融知识传授、能力培养、素质教育于一体。
四、改革教学方法、手段和考核方式
教学有法,教无定法,只有科学的方法和适用的手段相结合才是最优的组合,也只有方法的“灵活化”和手段的“多样化”才能体现出个性化教学。
教学方法上:在理论教学中,“精讲宽练、注重实践,教学互动、多元考核”。根据课程内容和学生特点,采用适当的教学方法灵活组织课堂教学,注重工程背景及实践应用,注重有效知识和长效知识,不盲目模仿和刻意追求。在实验教学中,根据实验性质的不同,由“问题”导入实验,着重强调实验目的、原理应用,注重实验技能和方法、数据分析和处理,启发学生独立思考,培养学生独立分析问题、解决问题的能力和创新精神。
教学方式和教学手段上:采用多媒体课件与板书相结合的授课方式。同时,鼓励学生充分利用虚拟实验室、课程网站等辅助教学资源进行预习、复习和自我测验。目前我们每学年面向全校5个教学单位的8个专业方向、30多个班级讲授“工程流体力学”,应用多媒体课件与板书结合进行授课的比例达100%。
在学生成绩考核上:采用“知识与能力并重”的“多元化”考核方式,平时成绩占总成绩的30%,其中课堂表现(包括出勤、听课情况和平时测验、回答提问等)满分10分,作业成绩满分10分,实验成绩满分10分。课堂表现及作业成绩由任课教师给出,而实验成绩由实验教师给出,如果学生实验成绩不合格,则不允许其参加期末考试。
五、构建多元化的教学体系
结合课程自身特点以及专业需求的不同,对实践教学过程进行科学规划,拓展外延、丰富内容,充实内涵,设置了“实验教学+现场教学+第二课堂活动”的多元化的实践教学环节。
结合学校开展的大学生科研立项等素质教育活动,积极对学生进行创新意识和综合能力的培养,鼓励学生在各实践环节中,综合运用各种知识和手段创造性地分析问题、解决问题。自2002年起,课程组在全校范围内成功举办了五届“流体力学创新设计大赛”。流体力学虚拟实验室拥有专用微机及相关软件;创新设计实践基地现有工作台、台钳、钻床、手电钻等简易设备及锤、锉、锯、螺丝刀等常用工具,为学生创新及科技制作提供常用耗材,基本能够满足Flas制作、演示、文字处理、实物加工制作的最基本要求。2007年,课程组开始指导大学生科技立项并有多项成果结题验收。
课程建设的目的是提高教学质量,归根结底是提高培养的学生的质量,而学生质量的衡量标准则是其综合素质及创新能力。运用“小课程大工程”的教学理念,从课堂教学、实验教学、网络教学、课外实践活动和学术讲座五个方面,将学生综合素质及创新能力的培养贯穿到课程教学的全过程。[2,3]总结出精品课程建设的“多元化”学生综合素质和能力的培养模式,即:
(1)正确处理经典与现代的关系,在课堂教学中,利用多媒体课件,融经验教学及现代教学为一体,开阔学生的视野,培养学生综合素质和能力。
(2)改革实验教学内容,增加实验项目,丰富实验教学方式,增强学生的实践动手能力。
(3)拓展课堂教学空间,利用网络资源,开阔学生的视野,丰富学生的学科知识。
(4)以创新设计大赛和大学生科技活动为载体,引导学生参加第二课堂活动,激发学生创造热情,培养学生科学素质和创新精神,提高学生获取知识、运用知识的能力和创新能力。
(5)通过科技讲座,丰富学生的专业和学科知识,培养学生的科研意识和科学精神。
六、结束语
精品课程建设是时代的要求,具有丰富的内容,并随着时代的发展而不断更新。精品课程建设是一个复杂过程,是一项系统工程,其中涉及大量的管理问题。精品课程建设作为中国教育发展史上的新生事物,需要广大教师投入大量的时间、精力,不断探索,不断创新,是一项永无止境的工作。如何针对不同地区、不同高校、不同教师学生,分层次、多样化地建立精品课程评价指标体系,如何更好地发展和完善现有的精品课程,如何更好地发挥各级各类现有精品课程的作用,将是未来精品课建设研究的发展方向,因此精品课程建设的研究与实践也是一项没有终结的研究课题。
参考文献:
[1]徐文娟,侯清泉,刘训涛.多媒体技术在《工程流体力学》教学中的应用[J].理工高教研究,2008,(2):94-95.
对于理工科院校来说,大学物理实验是一门必修课,同时这门课程具有的实践性也是相当强的,作为大学生接受大学教育关于系统试验方法和实验技能训练的开端,但是,从当前教学工作的开展来看,大学物理实验教学存在不少问题,常见的就有普遍存在“填鸭式”这种单一的教学模式,在教学理念上也没有太大的突破,“验证理论”模式仍然是主导,教学内容上多存在繁多和陈旧的问题,经典性试验所占的比重比较大,而设计性试验的比重较少,课时不足,影响了学生学习的积极性,未能取得理想的教学效果。这一系列问题导致大学物理实验教学质量难以实现质量上的跃进,可见,对实验课程内容和实验体系的改革是势在必行的。笔者以流体力学实验为例,谈谈当前大学物理实验的创新研究。
2.传统流体力学实验普遍存在的问题
2.1实验内容不够丰富,实验课时不足
结合流体力学实验教学来看,主要集中在流体压强测量到流体力学三大基本方程的验证等内容上,这就是大部分属于验证性实验,设计性实验安排不到位,缺乏了综合性实验,阻碍了学生关于创新能力方面的培养和发展,还有一点值得注意的是,当前大学教育仍然没有摆脱重理论、轻实践的弊端,所以实验课程安排的课时是不够的。
2.2教学方法和教学模式未有新破图
受到了我国传统教学观念的影响,在实验教学的过程中,老师通常采用的教学步骤都是讲授-演示-指导-批改实验报告等,而学生就一味地跟着同一个指示来进行实验,缺乏了自己的思考,一旦发现问题,也是请教老师来直接帮忙助理,那么实验课程就会无形中形成了一门应付式的课程。
2.3实验室开放工作开展程度不够
当前高校基本上都开设了关于流体实验操作的相关设备和平台,而高校也普遍存在着这样的一个问题:实验室仅仅对参加竞赛的同学或者一部分教师开放,这样不仅导致设备没有得到有效的利用,还影响了学生对实验设备的认识,所以即使实验设计方案多么理想,也会导致学生因为不能使用设备的问题,而无法进行开放性实验,从而也就不利于学生自主创新能力的培养。
3.完善当前流体力学实验的对策
3.1改进实验内容和教学方法
适当修改目前使用的实验指导书,目的就是将原理方面的内容尽量做到简明扼要;实验操作的步骤不宜过于细致;第一,可以考虑通过增加思考题和小设计来激发学生的学习兴趣,在流体流动方面可以增加压强、液位、流量和流速等方面的测量,让学生能够在宏观的层面上对流体有一定的感知,通知在大脑中也能形成关于流体的基本表征的感知,加强学生对理论知识的学习;第二,增设演示性实验的内容,让学生可以提前对仪器有所认识,从而实现了学生课堂上对抽象概念的感性认识,也有利于区分不同实验的侧重点指出;针对验证性实验来说,研究的重点应当在实验原理、操作技能、数据分析和整理结果上,要求学生能够结合实验基本原理,运用所学到的知识,将实验过程和步骤详细地写出来,设计出数据处理的方法,能够对实验结果进行分析和整理。
3.2改进实验教学的模式
重视学生启发式教学的意义,结合实验目的和内容,通过举一反三的提问方式,为学生提供独立思考的空间,要求学生注意对实验现象的观察,增加对实验规律的分析和总结,而老师也应当在这个层面上进行总结,可以对学生提出更加深一层次的问题来让学生再次思考。
3.3转变实验方式
用设计实验或者综合性实验取代部分实验,让学生能够在实验中将所学的知识充分利用起来,以雷诺实验为例,测量圆管内流过的水体积是利用接水盘的,而水流的时间是通过秒表来测量的,从而再对圆管内水流的速度进行计算。同时,我们可以让学生设计出几个方案,采用不同的方法来对圆管内水流的流速进行测量,例如,通过毕托管和孔板来对流量进行测量等。学生在进行设计方案的过程中一般都会对毕托管、孔板等相关流量计的测量原理和构造产生了解,这在一定程度上又可以巩固自己所学到的理论知识。这样的教学模式对于老师来说,促进了老师对实验的专研素养,业务能力有所提高,对于学生来说,其学习的思维的活跃程度也有所上升,激发了学生的学习兴趣,提高了学生对于新知识的理解能力,让学生可以在独立的空间内进行思考,实现实验的创新。
4.结束语
一、心得体会
通过这五天的实习,让我学到了很多课堂上根本学不到得东西,仿佛自己一下子成熟了,不仅懂得了怎样做事而且懂得了很多做人得道理。我也明白了肩上得重任,看清了人生和今后努力的方向,不管遇到什么事情都要认真得思考,不能太过急躁,要对自己所做的事情负责,同时也理解了很多事情,为以后工作积累了一些经验。
我知道工作是一项热情得事业,并且要有持之以恒的品质精神和吃苦耐劳的品质。这次难得的认识实习经历,是我打开了视野,增长了见识,为我们今后进一步走向社会打下了基础。
二、成果总结
力学在机械工程中的应用
在视频力学在机械工程中的应用中,我们明白了一些力学研究中的问题,如:结构部件为什么在某种条件下失效?如何定量精确预报事故发生?等。机械是机构与机器的合成,我们重点了解构件承载能力的分析,机械振动的计算,机构运动的设计。承载力学是力学应用的重要方面,在对强度的计算中会运用到计算力学,机构的承载能力与刚度,稳定性,强度。在对机械振动的计算中我们还运用了机震力,在对机构运动设计中应用了理论力学与机械原理。
化学工业中的流体力学
在视频化学工业中的流体力学中,我们知道了板式塔中塔板的种类,有无溢流塔板,泡罩塔板,f型塔板,t型塔板等。填料塔中填料的种类,还有萃取塔,流化床与气液两相流等概念。
力学在土木工程中得应用
在观看力学在土木工程中的应用中我们知道了在土木建筑中会运用到结构力学、弹性力学、材料力学等力学知识。
力学与现代生活
在视频中我们了解到一些力学问题造成的重大影响,如86年挑战者号的爆炸知识因为没有考虑到温度对一个小小橡皮圈的影响,还有塔库马悬桥的倒塌,只是因为流动的空气形成了卡门涡街。我们运用伯努里定律设计飞机的机翼,再根据机翼上下面风速差产生压力使飞机飞起来。航天工程,生命领域,能源领域均是以力学为基础的,我们可以运用流体力学原理解决股市问题,连亚洲金融风暴也可以用连通器原理解释。
钻井设备与工艺,采油设备,压裂酸化,修井作业与设备,井下工具
在视频中我们了解到钻机的组成是由起升系统,旋转系统,循环系统,动力设备,传动系统,控制系统,井架和底座,辅助设备组成。钻机的工作过程是由正常钻进,接单根,下钻,起钻组成。采油的设备有抽油机抽油与电泵采油,井下工具有封隔器,喷砂器,配水器。
力学在水利工程中的应用
在视频力学在水利工程中的应用中我们了解到灌溉中的渡槽是由槽深和下部支撑构成的,它会承受水载荷,风载荷,自重的影响。解决这些问题会运用到理论力学,材料力学,结构力学进行受力分析。大坝分为重力坝和拱坝,重力坝的特点是体积大,在分析其受力时我们会运用到材料力学,弹性力学,塑性力学,有限单元法。而拱坝则是由梁和拱共同作用。在计算地震对坝体影响时会用到振动理论,在研究放水时对坝体影响时会运用到固体力学,流体力学,交叉学科。
力学在船舶及海洋工程中的应用
在视频力学在船舶及海洋工程中的应用中我们了解到在轮船的行驶中,轮船的平稳行驶是水轮机与船闸作用的结果,船闸的主题是闸手。浮力是指被物体排开水的重量,船舶的前进是靠反作用力做推力而推进的,轮船行驶中受到的阻力又与器速度有关。船梁是一种超静定的构件。
对于工程力学的认识
工程力学专业的特色和优势就是与任何学科都又联系,分类广泛。专业的培养目标是掌握理论分析能力,能将复杂的问题简单化处理然后再复杂的分析。要掌握计算工具,如ansys,fluent等。掌握实践能力,力学是与实践能力相挂钩的学科。
化学的学科发展,可以提到许多方面,如飞秒化学。化学向生物学和医学、材料设计、能源、大气和环境化学、国家安全与个人安全等领域的拓展等。在本文中,要着重说的是:化学与化学工程的重新融合。
20世纪初,化学工程从应用化学中脱胎而出,经历了单元操作和三传一反,形成了化学工程学,从以经验为主过渡到有一定预测功能的较完整的理论,从而导致化学与化学工程的分离。这种情况在20世纪90年生了变化,基础化学研究与化学工程之间发生了空前的交叠和渗透。化学家越来越多地介入复杂系统的构造、分析和使用中,这些自然而然与工程学中的系统方法有关。化学工程师正日益进入越来越多的化学基础领域,在一些情况下甚至处于领导地位。在2003年美国出版的《超越分子前沿――化学与化学工程面临的挑战》一书中,开始使用化学科学来代表所有化学家和化学工程师的工作范围。
化学是一个多尺度的科学。微观尺度是从电子和原子核到分子,例如分子设计。宏观尺度,例如实验室合成、生产装置、化学和物理操作、产品包装和运输。现在大家更关注介观尺度。从化学方面来说,人们关注超越分子的层次,进入超分子、分子集团、大分子、活性中心、器件的作用域,可以说从微观跨越到介观以至宏观层次。从化学工程来说。人们也不再满足于宏观的三传一反,而是逐步深入到颗粒、液滴、气泡、微孔、界面等介观行为,并对微观的机理也表现了浓厚的兴趣。化学由底向上,化学工程由顶向下,在介观层次相遇,互相借鉴,对于化学科学及其理论的发展,形成了巨大的推动。
二、介观尺度的研究
通常化学以量子力学或量子化学为理论基础,用以研究物质的微观结构、化学键和对称等,现在正逐步重视随时间发展的动态演变。在唯象地说明宏观现象时,则应用热力学。进入介观层次后,要采用平衡态和非平衡态的统计力学,后者需要综合应用流体力学的原理。
化学工程通常以流体力学和热力学为理论基础,特别重视湍流理论、多相流和不可逆过程的热力学。计算流体力学有很大的发展。在研究湍流的强相关机理以及涉及介观层次时,统计力学原理起着重要的作用。而在为特征参数找出规律时,则需要量子力学的帮助。
化学科学理论的发展,进入到综合运用量子力学、统计力学、热力学和流体力学的时代,目标是解决多尺度时空结构与宏观平衡和速率的关系。
进行多尺度时空结构研究,有两个重要方面:一是由下向上的预测。从分子结构逐级预测介观层次的各种结构及其随时间的演变,并进而预测宏观层次的结构、反应和分离的特性,以至在反应器和分离装置中的行为,目标是形成无缝的从微观到宏观的链接。要做到这一点,先要搞清楚各个相邻层次的时空结构是如何相互关联的。研究这种关联,首先要有实验的观察,总结经验的规律,然后是理论的建立和推导,作为过渡步骤,也常常是采用模型的半经验方法。二是由上向下的控制。用宏观的手段,逐级控制各级时空结构的形成。这两个方面有着紧密的联系,有相辅相成的关系。
三、对化学教学的启示
为了适应不断变化的新形势,化学教学要做好以下几点:
第一要打好基础。最重要的是,对于本学科的框架结构,通过教学,应使学生有一个系统的完整的初步认识。新的现象、规律和方法不断出现,要善于在学科的框架结构中找到它的位置。
对于物理化学,我们认识到的学科框架包括:
两大类研究对象:平衡和速率。
三个层次:宏观层次,由微观到宏观的过渡层次,微观层次。
两个方面:普遍规律和物质特性。两者结合,可以解决实际问题。
三种方法:研究物质特性,有实验方法、半经验方法和理论方法。从理论上研究物质特性,将进入下一个更深的层次。
例如生物膜中的促进传递和耦合传递。属于宏观层次的速率过程,具体来说是界面中的速率过程。对于普遍规律,要学教材中“传递过程”的内容(当然还有些特殊的地方)。为得到某一个生物膜的传递特性,要采用实验测定,或半经验方法。而要从理论上得到这种特性,必须应用统计力学。
又如耗散颗粒动态学DPD,它是一种介观层次的模拟,实质上它就是分子动态学模拟MD,属于从微观到宏观的过渡层次的普遍规律范畴。特殊之处是应用了粗粒化,引入更低的介观层次,相应还采用了耗散力和随机力。
第二要强调开放。框架是开放的,可以不断更新和充实。内容是开放的,可以经常介绍新的进展。
对于如此丰富的介观层次,上述框架的精神依旧。微观和宏观之间,可以加入各种由低到高的介观层次之间的过渡层次。研究某一介观层次的特性,仍然有实验、半经验、理论这三种方法。理论方法主要采用平衡态和非平衡态的统计力学,相应进入了下一个层次,即从更低的介观层次到该介观层次的过渡层次。
第三要善用类比。类比永远不会完美,却几乎常常有用。物理学是一个由于类比而兴旺的领域,例如,基于借自超导的概念,我们可以至少部分理解超流的氦。物理化学中类比于由理想气体到实际气体,在研究混合物时,我们由理想混合物到实际混合物。
上面提到的耦合传递,可以和耦合反应进行类比。又如密度泛函理论DFT,则是以密度分布p(r)代替传统的位能函数ε(r)为基本变量构筑泛函。变分原理则等价于最概然分布原理或熵最大原理。
当前的薄弱环节是:从微观到宏观的过渡层次;传递速率;进展。
要加强教学资源建设,包括教材、系列参考书、电子教材、网站建设等。
四、教学方法