流體力學與傳熱學基礎課程的實踐

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摘要：文章結合鄭州工業(yè)應用技術學院機械設計與制造專業(yè)的教學實際，從流體力學與傳熱學基礎課程的特點和學生的實際情況出發(fā)，對教學目標、教學內容、教學模式及考核形式等進行了系統的改革和創(chuàng)新。結果表明，課程改革可以充分激發(fā)學生對理論知識的好奇心及學習興趣，提高其積極性和主動性思考能力，加強學生的理論知識和實踐相結合的能力。

關鍵詞：機械設計；自動化專業(yè)；教學改革；流體力學

鄭州應用技術學院位河南省鄭州市，鄭州市作為我國重要的工業(yè)城市，位于農業(yè)大省——河南省，機械類、汽車、智能機器人等領域發(fā)展迅速，對相關領域的工程應用型專業(yè)人才的需求也有了更高的需求和要求。流體力學與傳熱學的基本規(guī)律等知識可以影響相關行業(yè)甚至國家經濟發(fā)展水平、科學技術進展速度。流體力學與傳熱學在電子、建筑、航空航天、機械制造、生物工程甚至醫(yī)療器械等領域得到了廣泛的應用[1]。無論是在新材料研制、冷熱加工制造領域，還是在先進化智能制造、超精密加工、電氣及其自動化制造等領域，能否正確處理流動運動規(guī)律及傳熱現象等生產中的實際問題，已經是解決技術問題的關鍵要素。流體力學與傳熱學基礎課程作為機械設計及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課程，對學生的發(fā)展起到重要作用，流體力學與傳熱學基礎課程是以工程實際應用為目標，學生需要學習流體的平衡、運動學規(guī)律，尤其是流體動力學、流體靜力學、雷諾現象等知識，以及熱能中的穩(wěn)態(tài)導熱、非穩(wěn)態(tài)導熱及能量守恒定律，機械能與熱能相互轉換的知識。流體力學與傳熱學基礎課程是機械設計及其自動化專業(yè)的學生畢業(yè)要求的重要課程之一，通過學習，學生在遇到復雜的專業(yè)問題和工程實際問題時，能夠正確地運用理論基礎解決問題[2]。

1流體力學與傳熱學基礎課程的特點與學習目標

1.1課程特點

流體力學與傳統學基礎課程是機械設計及其自動化專業(yè)的一門主要的技術基礎課程，它既是力學的一個分支，具有較強的理論體系，又密切聯系工程實際，具有一定的專業(yè)針對性，是學習專業(yè)課程和專業(yè)發(fā)展不可缺少的技術理論基礎[3]。流體力學與傳熱學基礎是研究流體受力及宏觀運動規(guī)律性的一門學科，是介于基礎科學與工程之間的專業(yè)理論基礎課，因包含大量公式推導計算、模型的建立和分析，課程內容苦澀難懂，偏重課堂教學[4]。該課程有知識面廣、理論性和實踐性強、學習內容很重要等特點，使得教師授課壓力大、學生學習積極性不高。流體力學與傳熱學涉及知識面廣，和許多課程都密切結合、相互聯系，需要學生對高數、物理、材料力學等基礎知識有一定的掌握，如果缺失了部分相關知識會導致難以完全理解這門課程。本課程中涉及的概念和公式較多，在有限的課時內要掌握所有公式的推導及原理難度較大。同時，課程中涉及大量的計算，有的會用到計算編程，計算過程煩瑣，計算量大。不同的換熱研究方法不是單一解，會涉及各種計算公式、經驗式等，增加了換算難度[5]。在實踐中，大部分同學反映流體力學與傳熱學課程學習難度大，原因有兩個方面：第一、學生對很多的術語、概念、定理和公式只是靠機械記憶，并沒有深刻理解，因此在腦海中很難構造出準確的生活模型，總覺得太抽象難懂，其興趣和積極性就大大降低。第二、實際應用能力弱，即使課堂上能夠通過對概念、定理和公式的記憶去應對相應的練習或考試，但因缺乏對知識的深刻理解，很難應用到生產、生活實踐中去。

1.2學習目標

通過流體力學與傳熱學基礎課程的學習，學生能夠將已學知識，如機械設計與制造、理論力學、機械設計原理等密切聯系起來，組成系統且嚴密的流體力學和傳熱學知識體系，使學生在流體平衡、運動規(guī)律及能量守恒與轉換規(guī)律等方面具備必要的基礎知識，能夠準確使用所學的流體動力學、流體靜力學等理論知識，能夠正確地解決在機械制造實際工作中遇到的有關流體流動與傳熱學難題，學會運用基本規(guī)律來處理和解決實際問題的方法和技能，培養(yǎng)其分析問題的能力和創(chuàng)新能力，為學生從事工程技術工作和進行科學研究打下扎實的基礎[6-7]。課程的總體目標是為學生提供流體平衡、運動規(guī)律、能量守恒與轉換規(guī)律方面的知識，通過熱傳遞過程及與之相關的熱流體流動過程的理論基礎學習，使學生在處理實際問題時能夠準確使用正確方法及運動規(guī)律，逐漸建立起邏輯性嚴謹科學的知識系統[8]。

2流體力學與傳熱學基礎課程的教學改革策略

2.1優(yōu)化教材選擇，提高學生理論水平

授課內容的安排對于學生的知識框架的構建和學習興趣的培養(yǎng)起到非常重要的作用，教材的選擇是其關鍵性，目前選擇的教材是由機械工業(yè)出版社出版、由吳學紅主編的《熱工與流體力學基礎》以及科學出版社出版、由次英主編的《流體力學與傳熱學基礎》。前者側重通用熱力學基礎知識（熱力學基本概念、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱循環(huán)、三種傳熱方式及熱交換器）的概述、分析、計算和應用等，且強調特定傳熱知識和流體力學的知識，強調學規(guī)律、掌握規(guī)律及運用規(guī)律。后者一方面分4個部分講述流體力學基礎知識（流體力學概述、流體靜力學基礎、流體動力學基礎、黏性流體運動及其阻力計算），另一方面分5個部分講述傳熱學基礎知識（傳熱導論、導熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導熱，非穩(wěn)態(tài)導熱、對流傳熱的理論基礎、輻射傳熱理論基礎及計算），涵蓋傳熱學和流體力學全部知識點且結合實際應用[9]。流體力學與傳熱學基礎課程是機械設計及其制造專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，“流體力學與傳熱學基礎”課程開設后，經專業(yè)的授課教師及教研室主任在教學過程中的不斷總結和探索，綜合學生和學院發(fā)展情況，采用由吳學紅主編的《熱工與流體力學基礎》作為主要教材，通過合理地結合教材中流體力學及傳熱學的理論知識，通過案例設計和生產、生產實踐應用等方式，培養(yǎng)學生的理論知識理解掌握和實踐應用創(chuàng)新等綜合能力。同時，參考聞建龍等人編著的《工程流體力學（第2版）》，促使學生對流體力學與傳熱學和實際生產生活中的應用加深認識，此教材中的內容涉及知識廣泛，理論闡述深入淺出，而且配有詳細的參考資料和課后作業(yè)，適合作為流體力學與傳熱學基礎課程的輔助參考教材使用。

2.2改革教學內容，強化學生知識儲備

高校學生的基礎專業(yè)課的教學內容以及學習結構的設計主要通過教研室授課教師共同商量研究決定。根據院校的機械設計及其制造專業(yè)的學生分析能力、理解能力和發(fā)展需求，流體力學與傳熱學基礎課程的教學內容主要包括以下內容。（1）流體力學基礎知識。包括流體力學概述、流體靜力學基礎、流體動力學基礎、黏性流體運動及其阻力計算，本部分內容主要針對學生基礎知識的提升，使學生在流體平衡、運動規(guī)律、能量守恒與轉換規(guī)律等方面具備必要的基礎知識，使學生在以后實際工程中能運用流體知識及計算能力，正確處理和解決在機械制造工程中所遇到的流體流動問題[10]。（2）熱力學基礎知。包括熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱循環(huán)、三種傳熱方式及熱交換器等，通過分析、計算和生活實際應用，使學生掌握熱力學的基本概念、基本規(guī)律和原理，學會必要的熱力學的分析和計算方法，掌握一些傳熱學實驗技能，為以后從事專業(yè)技術工作和科學研究打下必要的熱工學基礎[11]。學生通過流體力學與傳熱學基礎課程的學習能為接下來學習其他專業(yè)課打下良好知識儲備，進而提升專業(yè)知識能力。

2.3創(chuàng)新教學模式，調動學生學習主動性

課程的根本是教學內容，課程改革的精華是教學模式的創(chuàng)新，不斷提高教學質量并推動教學模式的創(chuàng)新改革與轉型很重要。傳統的教學模式以板書為主，教師采用滿堂灌的教學方式，早就不適用于現代的多元化大學課堂。教學模式的多元化、智能化改革已成大勢所趨，智能媒體與互聯網結合將取代板書。在教學改革實踐中，教師可以把閱讀碎片化，有針對性地選擇閱讀內容，和邏輯思維導圖學習方式相結合，找準啟發(fā)點來充分激起學生的學習興趣，進而改變課堂死氣沉沉的現象。閱讀碎片化是根據當前發(fā)展趨勢較好的多媒體及短視頻模式，把教學內容制成1min左右的短視頻并傳播播放的課堂教學模式，抓住學生的眼球，增加與學生的互動頻次[12]。授課教師可以把零碎的知識點通過思維導圖和視頻整合，改變學生的思維模式，為以后的課程實踐打下基礎。優(yōu)化“互聯網+網絡”教學模式的優(yōu)勢如下：（1）該模式能夠達到隨處學習的目的，能夠打破時間與空間的限制，當有不懂的地方學生可以充分利用課程回放功能反復觀看，針對性地反復學習難點及重點以加深印象。流體力學與傳熱學基礎這門課程學習難度大、公式推導煩瑣、計算過程中函數引用頻次多、換算過程較困難等，學生可利用互聯網結合的情景學習模式、反復觀看共享的知識點難點[13]。（2）在新工科指導理念下，教師采用該教學模式可以適應時代發(fā)展的需求，也可以滿足培養(yǎng)新一批高素質現代化教師隊伍的要求，不僅可以提升教師的綜合能力，且有利于提高教師信息技術的運用水平。學校可全方位地提供學習渠道，使教師采用線上、線下齊頭并進的雙軌教學，合理、靈活地使用互聯網，以確保網課高質量和教學進度正常化，方便教師及時高效地跟進教學管理工作[14]。

2.4改革考核形式，激發(fā)學生學習興趣

目前，流體力學與傳熱學基礎課程成績由30%的平時成績與70%的期末考試成績兩部分構成。為改變學生考前突擊，對知識點死記硬背，靠臨時記憶對付期末考試狀況，改變學生的學習效果和對理論知識理解不透、掌握差甚至失去學習興趣的現狀，教學改革從以下三點出發(fā)。（1）將平時成績所占的比重提高到50%；（2）平時成績由原來的作業(yè)成績與考勤成績改為以實驗報告、生產創(chuàng)新設計為主；（3）試題內容盡量豐富多樣，如增加簡答題、主觀題、判斷題、案例分析等。通過以上措施來避免學生抄襲和考前突擊，進而激發(fā)學生的上進心，刺激其主動性和創(chuàng)新性[15]。

3總結

在機械設計制造及其自動化專業(yè)的教學實踐中，流體力學與傳熱學基礎課程作為一門重要的專業(yè)基礎課，對培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)基礎知識的能力起關鍵性作用。身為授課教師，要革新教學內容，不斷提升教學質量，探索高效的教學模式，優(yōu)化教學手段，舉例恰當以及時反映行業(yè)前沿科學技術發(fā)展動態(tài)，提高學生的自信心。在流體力學與傳熱學基礎課程的長遠發(fā)展中，教師需要總結現有的問題與困難，通過教學改革，建立多元機制，使各個教學環(huán)節(jié)相互促進，因地、因人、因時、因課程而選擇合適的方式和方法，為培養(yǎng)創(chuàng)新應用型現代化人才作出貢獻。

作者：鄭煥青 單位：鄭州工業(yè)應用技術學院