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關鍵詞:計算流體力學;課程改革;應用型本科;項目驅動
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)22-0123-02
計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一門集成了流體力學、計算數學與計算機科學的交叉學科。計算流體力學的基本思想為[1]:通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含流體流動和傳熱等相關物理現象做出系統的分析。隨著計算機技術的發展,計算流體力學在各行各業得到了廣泛的應用。
《計算流體力學》課程開設的主要目的在于使學生掌握流動及傳熱問題數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方法解決實際研究問題[2]。課程內容涉及了流體力學理論、數值計算理論、計算機程序設計以及計算軟件的工程應用等。課程理論內容較多,學生學習起來較為吃力,常處于被動學習狀態,因此需要改進教學策略,培養學生學習興趣,改被動學習為主動學習[2]。同時該課程還與實際應用聯系緊密,如何將理論與工程實際相結合,培養學生解決實際工程問題的能力,也是本課程教學中需要探討的問題。經過多年在教學過程中的改革和摸索,下面淺談一下我們在《計算流體力學》課程改革方面的一些探索。
一、計算流體力學課程內容
計算流體力學包含內容甚廣,從總體上講,可按照不同的應用領域分為兩個主要方向:
1.將計算流體力學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本身,主要以流體力學數學物理模型模型構建、數值離散方法、高性能數值計算算法開發為主要內容,側重點為計算流體力學理論及其實現方法。
2.以算流體力學應用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計算流體力學方法應用于工程作為研究對象,主要以應用技能為課程目標,側重點為現實物理問題的簡化建模、利用計算機程序解決物理問題以及對計算結果的科學解釋等。
對于應用型本科《計算流體力學》課程來講,應當更多地關注計算流體力學在工程中的應用,將計算流體力學作為一項解決工程問題的工具,培養學生在利用該工具解決實際工程中的流體問題的能力[3]。
二、原有教學方法的弊端
西南石油大學機械工程專業較早開設了《計算流體力學》課程,培養了多屆學生,積累了一些寶貴的教學經驗。然而,該課程教學方式仍不夠成熟,存在一些弊端,教學效果受到影響。這些弊端主要表現為:
1.教學內容偏于理論。在教學過程中,當前的教學內容還延續中傳統的計算流體力學的基本內容,即:流體流動控制方程的推導、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值算法的收斂性、穩定性、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及數學理論的應用。在教學過程中,學生們普遍反映教學內容難懂難學,枯燥乏味。同時大量的理論教學還影響了上機教學時間。
2.工程實踐能力轉化不足。當前教學計劃中雖然搭配了16個課時的上機教學,但仍顯不足。經過多次的上機練習,部分學生能夠掌握利用計算流體動力學方法解決工程問題的一般流程,但是大部分學生仍然不具備解決新問題的能力。在上機練習過程中,學生按照教師提供的上機指導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域創建、網格劃分、數值計算模型選擇、邊界條件、初始條件及計算控制參數等缺乏自主的思考。針對上述問題,迫切需要對課程進行教學改革,提出新的教學理念,利用合理的教學方式,提高教學質量。
三、課程改革措施
計算流體力學課程改革主要從三方面進行。
關鍵詞:流體力學;教學方法;應用型本科院校
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1002-4107(2013)12-0033-02
流體力學是宿遷學院土木工程專業的一門重要的專業基礎課。流體力學具有基本概念多、公式復雜、內容抽象等特點,是一門既有較強理論性又有較強工程實際意義的課程,因此,該課程既可以培養學生良好的邏輯思維能力和分析推理能力,又可以培養學生分析問題和解決問題的能力。然而學生的實際情況是由于在大學前兩年接觸最多的是固體力學,已形成一定的思維定式,而且由于精簡學時的原因很多流體力學課程中需要的高等數學知識沒有講解,到了大三一旦遇上流體力學這個新鮮事物,可能接受起來會碰到許多困難[1]。學生普遍感覺該課程枯燥乏味、難學,存在畏難、厭學情緒,期末考試不及格率較高。在學校提倡培養應用型人才的大背景下,有必要根據課程性質從提高教師教學水平和提高學生學習效果進行探討。
一、引導學生重視,激發學生的學習興趣
(一)強調課程的地位和重要性
教師除了說明流體力學在整個專業教學中的地位和作用外,還可補充說明它是注冊結構工程師基礎考試中公共基礎考試科目。此外,還可說明往年期末考試通過率的情況,以給學生適當加壓。當然,更重要的是還要說明該課程的學習方法,以幫助學生樹立信心。
(二)通過人物、工程實例及專業應用調動學生的學習興趣
“興趣是最好的教師,而教師則是點燃學生學習興趣的火炬”。如何調動學生的學習興趣是教師考慮的首要問題。在教學過程中可以穿插舉出古今中外的科學家、工程師生平事跡和工程實例以調動學生的學習興趣。如大禹采取疏壅導滯的方法治水三過家門而不入;理想流體力學奠基人歐拉16歲就獲得碩士學位,雙目失明后仍然從事科學研究直至去世當天還在進行科學研究等[2]。如兩千多年前李冰利用“深淘灘,低作堰”建造的都江堰;大約在同時期,古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等。除此之外,還可以介紹流體力學在土木專業及其他專業的應用,如美國華盛頓州塔科馬大橋被大風摧毀、汽車“風阻”和飛機“音障”等事例。
(三)將CFD技術引入課堂調動學生興趣
計算流體動力學(簡稱CFD)技術日趨成熟,已經成為研究流體力學的一種重要方法。在流體力學教學過程中引入CFD技術,不但可以將理論性較強的內容形象化,加深學生對基礎理論的理解,而且可以開闊學生的眼界,激發學生的學習興趣和探索精神。如對歐拉法中流線的模擬、圓管中層流和湍流流速的分布、局部阻力損失的流場分析[3]。
二、教學內容的取舍和教學環節設計
(一)教學內容的取舍
流體力學知識面廣,內容繁多,在學時限制的條件下要結合專業教學要求合理取舍。對土木工程專業而言需要掌握的內容有:(1)流體物理性質;(2)流體靜力學;(3)流體運動學和流體動力學;(4)阻力損失;(5)管道流、明渠流及滲流。
1.重要問題的處理。首先,要從力學角度分析流體的流動性。流體與固體的主要區別在于流體的流動性,其根本原因是流體和固體對承受剪切力的表現。為了形象說明,可以引用“抽刀斷水水更流”的詩句[4]。當然,還需說明無論流體靜止還是運動均不能承受拉力。
其次,要理解連續介質假設的概念。微觀上,流體是由大量分子構成的,是離散的,不連續的,這給我們研究流體力學問題帶來了困難。連續介質假設認為流體是由內部無間隙的連續流體質點構成。這里要理解流體質點微觀上“充分大”、宏觀上“充分小”的含義。如此流體在空間上就變為連續的,可以借助高等數學的方法來研究。
2.公式推導的處理。流體力學學習過程中會遇到大量復雜的公式,特別是實際流體伯努力方程的推導讓人很難掌握。筆者在處理公式推導問題時強調公式推導的目的是讓學生學習一種思想,學習一種處理問題的方法,將精力集中在公式建立的基本原理和適用條件上,從思路上進行分析整理,淡化煩瑣的數學推導過程。這樣學生有了獨立思考的空間,教師也有了更多的時間來講解基本概念和基本方法。需要強調的是,流體力學中很多公式都是在一定條件下推導出的,因此其應用也是具有一定范圍的,公式的應用往往也有一定的技巧,如伯努力方程的“三選一列”。
(二)教學環節的設計
1.調整習題或考題構成,重視習題課。這里有兩個問題需要注意。一方面,流體力學習題歷來存在重計算、輕概念的現象,特別是考題如果全是計算題,就會形成無形的指揮棒。這就不利于學生從整體上掌握該課程的重點,習題或考題的題型應豐富,除了計算題之外,還應有填空、選擇、判斷、作圖、名詞解釋等考查基本概念的題目。另一方面,在精選題目時,要注意將理論教學和實際應用結合起來,如查找資料的技能培養。在流體力學的牛頓內摩擦定律、能量損失計算和管道流等部分很多數據都是要查有關工程手冊和圖表的[5]。
習題課是流體力學教學的重要環節,為了能夠在學時緊張的前提下開展習題課,教師必須重視習題選擇和習題評講兩個方面。一方面,教師應選擇具有代表性的題目,另一方面,習題講評應使學生從解題過程中獲得解決問題的思路、方法和技巧,達到觸類旁通的效果。
2.重視實驗教學,強化實踐環節。實驗教學是流體力學教學中的重要組成部分,通過實驗,不但可以加深學生對流體力學基本原理的理解,而且有助于培養學生的動手能力、獨立工作能力和創新能力。如通過水靜壓強試驗,學生明確了測壓管水頭的含義;通過雷諾實驗,學生加深了層流、湍流及臨界雷諾數的理解。當然,由于實驗室條件的限制,目前的實驗主要以驗證性居多,在條件許可的情況下應進行設計性實驗。
此外,每學期筆者都會布置一個任務,讓學生留意身邊感興趣的流體力學現象,然后根據課堂所學知識和個人理解撰寫論文,以此增強學生的實踐應用能力和培養其創新能力。
三、教學方法和手段的改進
(一)注重討論法與案例教學法的運用
1.討論式教學方法。教學活動應該是雙向的師生互動過程,不應是教師的一言堂。教師應創造和諧、輕松的課堂氣氛,鼓勵學生積極發言,表達自己的疑問、見解,激發學生的學習積極性和創造性。如在課堂上通過提問的方式回顧上次課的主要內容,通過“自學―提問―討論―總結”的方法學習新內容,在考慮學生接受能力的前提下,甚至可以讓學生來講一次課。如通過反證法證明流體靜壓強的方向,通過隔離體分析法證明流體靜壓強的大小。通過討論式的教學方法不但可以調動學生的學習積極性,樹立信心,而且還可以培養學生勤于思考、善于發現問題、分析問題、解決問題的能力。
2.案例式教學方法。通過將生活和工程案例引入課堂,不但可以增強學生的學習興趣,而且可以加深學生對理論知識的理解,提高學生運用所學理論知識解決實際問題的能力。生活案例有馬利奧特容器原理應用于點滴吊瓶和家用飲水機[6]、洗衣機為什么老翻衣服兜[7]、撈面條的學問等。工程案例如1993年青海省溝后水庫在低于設計水位0.75m的情況下突然垮壩的事故;三峽工程如何在最大流量10×104m3/s、水頭高達100m、最高流速高達45m/s的情況下不會產生巨大的破壞力等[8]。
(二)綜合運用各種教學手段
流體力學概念抽象、繁多,僅靠傳統的一塊黑板、一支粉筆不能激發學生的學習興趣。借助于多媒體技術,利用其形象、生動、直觀、易于理解并可加強記憶的優點,通過動畫、視頻資料、數值模擬等手段將復雜的流動現象展示給學生,可取得事半功倍的效果。但是,考慮到多媒體技術授課和傳統的授課方法各自的優缺點,結合流體力學課程特點,采用取其長而避其短、兩者兼顧而又兩者不棄的原則。
“教學有法,但無定法,貴在得法”。我們要不斷更新教學理念,努力提升自身的綜合素質,及時總結教學過程中出現的問題并加以改進,注重教學過程中的每一個環節,多管齊下,才能保證學生取得良好的教學效果。
參考文獻:
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關鍵詞:雙語教學;SPOC;教學模式;流體力學
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)16-0249-02
一、引言
隨著全球經濟一體化的不斷發展,對復合型人才的需求越來越大,高等教育的國際化也逐漸成為發展趨勢。國內高校如何實現人才的國際化提高教育的國際競爭力,引起廣泛的思考。雙語教學被認為是高等教育國際化的重要內容。流體力學課程是能源動力類專業及機械類部分專業的專業基礎課,具有較強的工程性、技術性和實踐性,課程基礎知識與生產生活實際密切相關,除流體力學的基本理論和方法講解外,還需注重實驗測試、工程應用等實踐教學。雙語教學可以使學生具備一定的專業英語技能,采用原版教材接觸國外最新的專業知識,使在人才培養上與國際接軌成為可能。但是流體力學雙語教學存在一些問題,實踐教學部分如何體現雙語授課及其意義與價值,還需進一步思考,流體力學雙語教學模式仍處于探索階段。
二、流體力學課程雙語教學現狀
1.教學目標不夠清晰。流體力學課程本身概念多、專有名詞多、流動原理復雜,用中文教學時部分學生尚且不能很好地完成該課程的學習,雙語教學時通常引進原版的英語教材,學生英語水平參差不齊,對于英語水平不佳的學生來說,學習難度將進一步提高,流體力學雙語教學往往變成了專業外語課,專業詞匯及專業術語的解釋占據了課堂大部分的時間,忽視專業知識的講授,與雙語教學實施的初衷大相徑庭。
2.缺乏專職的雙語教學師資。雙語教師既要精通專業知識,又要有較高的外語水平,能流利地應用外語講授課程。目前,擔任雙語教學的教師主要是外語水平相對好的專業課教師,沒有受過系統的語言教學方面的訓練,遇到突發事件時,很難用英語準確、充分地表達自己的想法。另外,承擔雙語課程的教師一般比較年輕,教學經驗不足,教學手段、教學方法和教學能力還需進一步完善。
3.學生接受度不佳。雙語授課時,通常是教師用英文向學生傳授知識,學生始終是被動地聽講、被動地接受英語和專業知識,師生之間幾乎沒有互動,學生的英語聽說能力、英語應用能力依然得不到鍛煉。雙語教學過程中必然會涉及大量生僻的專業詞匯,學生很容易由于一些句子沒聽懂,產生畏難情緒,影響課程雙語教學效果。
三、MOOC模式與SPOC模式
MOOC(Massive Open Online Course,大規模開放式在線課程)模式將多種形式的數字化資源放在網上,學習者反復觀看教學視頻,理解課程講授的知識。將MOOC模式應用到流體力學雙語教學中,可以有效解決學習者由于英語水平不高而引起的學習困難的問題。然而,MOOC模式下的教學活動主要是以知識為中心的理解類活動,個性化學習和學習體驗缺失,虛擬實驗無法替代真實實驗。流體力學課程除了要求學習者掌握基本知識點外,還要求學習者學會知識點的應用。MOOC模式下單一的線上教學不足以激發學生的熱情,課程完成率不高的缺點亦廣為詬病。流體力學課程雙語教學的目的在于在講授流體力學知識的同時,培養學生具有較強的英語應用能力,學生若不能有效地完成課程學習,則新教學模式的探索就顯得毫無意義。SPOC(Small Private Online Course)是小規模限制式在線課程,其受眾可以限制為在校大學生,設計和利用優秀的MOOC資源,克服MOOC單一的線上學習的缺點,實施混合式教學,將MOOC之所長與面對面教學融為一體,增加師生互動,激發學生的學習熱情,提高課程完成率和學習成績。因此,SPOC模式將更加適合流體力學雙語教學,幫助教師與學生突破英語水平不高的限制,高效地完成流體力學知識的講解與學習,同時提高教師與學生的英語聽說能力及英語應用能力,實現教學相長的良性循環。
四、流體力學SPOC雙語教學資源
1.流體力學SPOC雙語課程教學視頻。眾所周知,看電影學英語是提高英語水平的一個好方法,通過視頻看情節,重復聽取單詞,更加容易了解單詞的發音及其用法,當然還能學到更加地道的生活化語言。受這一方法的啟發,引進國外優秀的流體力學MOOC資源,根據國內大學生思維方式、知識結構的特點進行優化,編寫雙語教材,精心制作流體力學SPOC雙語課程教學視頻,讓學生聽英語學流體力學知識。
2.流體力學SPOC雙語實踐教學視頻。流體力學SPOC雙語教學開展3~4周后,學生對流體力學課程及專有詞匯有了一定了解,此時可以開展流體力學SPOC雙語實踐教學。雙語實踐教學視頻僅提供流體力學專有詞匯的中文意思,要求學生逐漸適應全英語教學。在視頻頁面顯示實驗名稱,提供英文版實驗目的、實驗原理及實驗步驟、實驗數據處理方法說明、實驗報告撰寫要求及思考題回答要求,這部分文本依然提供鼠標取詞功能,幫助學生理解實驗要求。流體力學SPOC雙語實踐教學視頻可以不局限在本校流體力學實驗室能開設的實驗,可以是國外的實驗裝置、先進測量方法等的解說,讓學生了解學科的前沿知識。
五、教學過程
1.課堂教學。流體力學雙語課開課前,教師將每次課的授課內容、相應的教材章節、相關的雙語課程教學視頻列表發放給學生,讓學生明確SPOC雙語教學模式下教與學雙方所需要的改變與努力,以期獲得良好的教學效果,同時師生共同提高英語應用能力。課堂教學采用翻轉課堂的講學模式,要求學生課前觀看SPOC雙語課程教學視頻,理解視頻中的主要內容,思考教師前一次課布置的討論主題。在課堂上,教師講評教學視頻中的重難點,不再講解課程的全部內容,課前備課的精力不再集中在背熟講稿,而是更專注于主題的設置、問題的解答及流體力學知識的應用方法,預估學生可能的回答內容并準備合理有度的評論。組織學生學習小組,一個自然班通常為30名學生,分成6組,每組5人,設小組長1人。每次課教師針對重點與難點準備30個問題,基本從易到難設置,分成五輪問答。每輪小組抽簽得到問題,各小組派一名學生回答,若用英語回答正確得25分,用中文回答正確得20分,回答不完全正確,由教師酌情給分。每組各成員得分之和即是該學習小組的得分,多次平均后作為平時成績。
2.實踐教學。基于流體力學SPOC雙語實踐教學視頻,實踐教學改變了傳統實驗教學模式。按照原有的教學方式,學生進入實驗室,教師針對實驗臺講解后,學生立刻開始做實驗采集數據,沒有時間深入思考實驗相關流體力學知識,很難將理論與實踐聯系起來。在SPOC雙語教學模式下,學生在實驗前先觀看相關視頻,進入實驗室后,實驗指導教師拿出測試卡要求學生答題,全部正確后,學生才進入實驗室采集數據。學生仍以課堂學習時的學習小組為單位進入實驗室,采集并整理數據,形成全英文的實驗報告。流體力學SPOC雙語實踐教學視頻要求每位學生均觀看,測試卡答題可由學習小組派代表完成測試,實驗操作、實驗數據處理以及實驗報告撰寫等任務由學習小組自行安排分工,小組成員協同合作,培養學生的團隊合作精神。在SPOC雙語教學模式下,要求學生觀看雙語實踐教學視頻8個,學生學習小組根據各自的興趣愛好選擇2個,完成實驗數據采集,整理分析形成英文實驗報告。教師根據實驗數據及思考題準確程度給分,兩項實驗平均分為各學習小組的實驗成績。
六、課程考核
流體力學SPOC雙語教學采用多樣化的考核形式,最終成績由課堂平時成績(40%)、實驗成績(20%)、學習小組組長打分(10%),學生自評分(10%)及期末考試成績(20%)組成。其中課堂平時成績及實驗成績占60%,大幅降低了期末考試成績的所占百分比,鼓勵學生在平時認真準備雙語課程的學習,真正做到學以致用。其次,課堂平時成績、實驗成績均是以學習小組為單位給出的團體得分,要想獲得好分數,各成員必須共同努力。學習小組組長對各成員打分,占最終成績的10%。學生自評分是學生對自己的評價,在學期結束時總結自己的學習成效,占最終成績的10%。期末考試試卷設置50%的英語題量,占最終成績的20%。
七、結語
流體力學SPOC雙語教學新模式的關鍵在于優質的SPOC視頻教學資源和師生之間的互動配合,學習世界一流大學的教學視頻優化SPOC教學資源,可以快速縮小與世界一流大學教育水平的差距,教師備課的重點由知識傳授轉變為知識的深入理解與應用,學生從被動地接受知識轉變為主動學習知識并嘗試應用。并且,教師與學生的英語聽說能力、英語應用能力都能得到鍛煉。在流體力學SPOC雙語教學模式下,教師有更多的時間準備創新性的教學設計與教學內容,學生以團隊形式組隊學習,在課堂上與教師互動,培養學生靈活應用知識的能力與創新能力。基于流體力學SPOC雙語教學模式,可以形成優質的雙語教學師資隊伍,培養學生具備創新精神、雙語溝通能力和團隊合作能力,滿足教育國際化的需要。
參考文獻:
關鍵詞:項目化教學法;流體力學泵與風機;可行性分析
1 前言
最近幾年,國內很多高職高T盒?設了與熱能與動力工程(火力發電方向)相近的專業。我校也于2009年開設了電廠熱能動力裝置專業,而流體力學泵與風機作為其專業基礎課在課程體系建設中占有及其重要的地位并分的大量學時。項目化教學法則是近年來高職院校教學中一直推廣的教學方法,主要是為使學生學習時化被動為主動。此方法對于我校學生來說,在其他專業已經得到了很好的驗證,的確能夠提高學生的學習積極性和主動性。本文將對項目教學法運用于流體力學泵與風機課程教學的可行性進行分析探討。
2 項目教學法的基本理論
(一)項目化教學法的起源及定義
在18世紀的歐洲產生了勞動教育思想思潮下,產生了項目化教學法的初步思想,最終到了19世紀美國與合作教育融合產生了項目化教學法,經過了一百余年的發展,到1955年后逐漸趨于完美,并最終成為了一種新的教學理論。
(二)項目化教學法的基本要求
要求一是,學生成為項目化課程的主體,教師以一種配角的形式出現在課堂教學上,這樣學生就多了更多的獨立思考,更多的動手機會,這樣有利于培養創新能力;要求二是,執行項目化教學法的主張。其主張強調學生自主學習,自己查閱,分析的能力,先練后講,邊學邊教。
3 項目化教學法在流體力學泵與風機教學中的特點
(一)目的性
項目化教學法的目的性很明確,就是通過一個個圍繞知識點設置的項目來鍛煉學生的領導能力,并培養分析解決實際問題和團隊合作的能力,以此掌握課程所要求的知識內容和崗位能力;而對于教師來說,項目化教學的目的就是改變現行的教學模式,使自身從課堂教學的主體,轉變成一個在學生實際完成項目時的促進者,并掌握其中的相關知識和技巧。
(二)授課周期短,效果明顯
項目化教學的另一個特點就是效率高,經歷過項目化課程的學生都可以迅速完成到職工之間的轉變。結合流體力學泵與風機教學內容設置的項目,可以迅速的使學生對實際操作上手。
(三)注重理論與實踐相合
在項目設計之初要依據理論原理設計項目,那么在要完成一個項目時,必然涉及如何才能完成這樣的問題。這就需要理論與實踐相結合。
項目化教學法與其他任何教學手段一樣,都會隨著時間而組建消沉,其如果想用力不敗之地就必須不斷隨著社會而發生變化。而變化的依據是根據不同的課程或內容而有所不同。通過流體力學泵與風機課程各項目的實施,使學生掌握連續性方程,伯努利方程的應用及具備泵與風機的檢修和運行的基本知識和專業知識。
4 項目教學法在流體力學泵與風機教學中的應用(以流體力學泵與風機一次課為例)
(一)項目計劃階段
我校電廠熱能動力裝置專業的流體力學泵與風機課程項目化課程整體方案與單元設計部分結合學校實際條件和課程的教學目的進行設計。在教材方面我校正在編寫該課程的項目化教材,這樣,首先是能夠對所需要學習的內容章節總結和具體化的作用;另一方面,結合實際操作條件的教材,可以起到理論聯系實際的作用,培養學生的應用能力。
(二)實施階段
第一次課是預備課,教師對課文中的新單詞和詞組進行講解,將每個單元的課文劃分成幾個部分,并設計學習環境。同時完成班內的分組活動,可以依照學號,也可以按照寢室,更可以通過課堂出的設計游戲觀察的結果分組。本課程每六人一組,每組內不能有超過1名女生,6人一組。每個小組負責一個部分內容的講解。然后進行分組的實際操作
(三)評估階段
后幾次課是具體的項目實施階段,讓各小組展示其成果,項目的呈現形式可以是圖片、ppt、實物,設計圖等。檢查評估是本課程的主要不僅可以讓老師在實踐中檢驗學生掌握語言的情況,也可以讓學生通過小組活動來提高語言的交際能力。這不僅鍛煉了學生的語言表達能力,也鍛煉了學生專業知識的掌握。學生在講解中充分發揮特長,學習他人的優點,彌補自身不足。
(四)成績評價階段
每個小組都設置一份評分表(此處以項目1-1為例),評分的權利不僅僅在老師,同樣將打分權利很大一部分交給各個小組的組長,取其平均分,有利于公平公正和公開。但在評分時要注意,學生之間因為關系親疏而帶來的分數評價的偏差,并在發現問題存在時,及時糾正問題,并及時改正。教師的評分表是另外一張,本文不附上了,但宗旨是考察學生的評分而不是項目結果。
(五)注意事項
1、項目不能憑空亂設。要根據學校的實際情況設計項目,例如學校電腦齊備,再購買軟件就可以有充分的空間可以安裝,這就是充分利用學校資源;而學校沒有實物泵,如果設計實物泵相關是項目,能實現的可能性就大大降低了。
2、上課時一定要記住學生才是這個課堂的主人,老師不要過多干涉,喧賓奪主,這樣都是不好的。即時是需要理論上的指導,也要適可而止,指明方向讓學生自學或是適當點撥都是不錯的選擇。
3、項目教學法對教師的課堂組織管理和知識儲備提出了更高的要求。每次的項目成績可以匯總成平時成績,便于老師在期末總評時一目了然。
(六)結束語
流體力學泵與風機作為專業基礎課程,在專業課的授課過程中起著承上啟下的作用,基礎課程的扎實學習會為日后的專業課學習起到事半功倍的作用。能夠讓學生自主學習,創新培養模式起到了主導的作用,電廠熱能動力裝置專業教學改革和探索還在邊實踐邊總結,教學改革模式也會日漸完善。
參考文獻
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【關鍵詞】啟發式教學思想 教學方法 流體力學 實踐
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2013)10-0021-02
一 啟發式教學的含義
“學而不思則罔,思而不學則殆”,針對這一現象,孔子認為“不憤不啟,不悱不發,舉一隅不以三隅及,則不復也”。這句話的意思是:“不到他努力想弄明白而不得的程度不要去開導他;不到他心里明白卻不能完善表達出來的程度不要去啟發他。如果他不能舉一反三,就不要再反復地給他舉例了。”從孔子對啟發式教學的認識,可以看出啟發式教學首先要學生處于“憤”或“悱”的狀態,之后才是教師的“啟”和“發”。也就是說,學生要先經過努力思考,卻仍不能解除心中疑惑,這時教師才應該對學生進行點撥,教給學生解題思路與技巧。所以說,啟發式教學的第一步是學生應對所學的內容進行自學,而且經過了深思熟慮而不得。啟發式教學的第二步才是教師的指導或引導,無論是對語言的精準表達,還是解題的思路或技巧指導。啟發式教學的第三步,是對學生剛剛解除的疑惑進行考查,以驗證學生是否真正理解,是否熟練掌握,以期學生能在學會的基礎上,能夠舉一反三,融會貫通。
“啟發式”教學的思想與“填鴨式”、“滿堂灌”的做法相對立。教師在任何情況下都不可以自己的灌輸代替學生思考。啟發式教學的根本思想是以學生為教學活動的主體,教師只起指導、引導作用。啟發式教學不僅是一種教學方法,更重要的是一種教學思想。
二 啟發式教學在流體力學教學中的實踐
從啟發式教學的思想看,教師要想啟發學生,其前提是學生必須要有疑惑,并且是在思考后不能解答的前提下,才進行啟發。因此,老師的職責是如何使學生去積極思考,在學生迷茫而無所得的情況下對學生進行正確的引導。
1.以啟發式教學思想為指導,精心營造啟發的教學情境
教師在所有的教學環節,都應以啟發式思想為指導。重視后用啟發式教學。每一位教師應從教學規律出發,精心設計教學活動,精心營造啟發式教學情境。
2.啟發式教學方法在流體力學課堂中的運用
第一,總結式啟發和回顧式啟發。流體力學是以流體為研究對象,探討其受力及靜止、運動規律。前后知識邏輯性強。每部分知識結束時,應及時總結,進而拋出新問題,引發學生課后思考。甚至可布置思考題,讓學生自己找出解決問題的思路。下一節課開始時,教師先回顧上節課的主要內容,從沒解決的問題入手,和學生探討解決問題的方法。如講完“流體靜壓強的兩點特性”后,可及時讓學生思考,如果流體是運動的,那么其動壓強是否還具有這兩點特性,從而引發學生的疑問,這樣不但使學生主動去探究靜壓強大小與作用面方位無關的原因,還會使其帶著興趣去學習流體動力學的內容。
第二,現象啟發式。流體力學課程概念多,前后內容邏輯性很強。教學內容的安排應符合人類從感性到理性、從現象到本質、從淺顯到深入的認識過程。因此,教學時應經常與日常生活及工業生產中的現象相聯系。例如,講“流體黏滯性概念”的時候,讓大家思考手接觸不同流體,如空氣、水和油時的感覺,從感覺上區分不同的流體具有不同的黏滯性,并認識到它們與手的黏附力不同。接著讓學生分析原因,從而水到渠成地得出黏滯性的本質是內摩擦力的結論。
用現象或實例可以引發學生的思考,進而吸引學生的興趣,而且會讓學生明白,流體力學中的概念是從現象中抽象出來,與現象緊密聯系的。對這些本質的理解及知識的獲得反過來可以解決、解釋很多實際問題。這樣,學生會饒有興趣地學習知識,并能從本課程中得到更大的收獲。
第三,對比式啟發。在流體力學教學中,可以采用以下三種對比方式:一是將相近或相反的概念、規律進行對比。例如,在講氣體能量方程時,與前面的液體能量方程對比,說明氣體能量方程形式上的不同。再如,氣體靜壓強的分布規律與液體相對比,甚至把流體的壓強分布與粉體或固體的壓力進行對比。這樣,可以使知識的區別清楚地呈現出來,使學生印象深刻,便于記憶。二是將新舊知識進行對比,使學生在原有知識的基礎上學習新知識,從而加速對新知識的掌握,做到“溫故而知新”。例如,將理想元流伯努利方程、理想總流伯努利方程和實際流體的伯努利方程的成立條件及方程形式進行分析對比,可貫通舊知識和新知識,使學生加速對后者的掌握。學生的學習是一個在原有知識結構的基礎上不斷更新、不斷加深的過程。無論從知識的深度還是廣度上,都是不斷提升和深入的過程。這就要求教師善于從學生原有的知識基礎出發,引出新的問題,引發學生的思考,并分析得出新知識,解決新問題。三是將課堂理論知識與生產實踐、日常生活中的實例相對比,使抽象的內容具體化,加深學生的感性認識。教師應重視教學實踐活動,并充分利用實踐教學,把理論知識與實踐聯系起來,培養學生用書本知識解釋、解決生產、生活中所遇到的問題的能力。
第四,練習式、作業式啟發。流體力學課程理論性較強、概念抽象、方程較多,因此,進行習題訓練成為學生理解和鞏固知識的重要手段。在課堂上應重視對基本概念、基本原理思考題的練習與討論。在課下作業題目的布置上,教師應選擇一些具有較強典型性、綜合性和實踐性的習題供學生練習。對于一些難點,教師在啟發和提示的基礎上,讓學生互相討論,逐步深入,在爭論中得出答案。
關鍵詞:工程流體力學;精品課建設;師資建設
作者簡介:陳國晶(1971-),女,黑龍江訥河人,黑龍江科技學院機械工程學院,講師;趙存友(1969-),男,黑龍江安達人,黑龍江科技學院機械工程學院,副教授。(黑龍江 哈爾濱 150027)
基金項目:本文系黑龍江省高等教育學會高等教育科學研究“十一五”規劃重點課題(課題編號:115C-174)、黑龍江科技學院教研課題“《工程流體力學》課程任務式教學內容的改革與實踐”的研究成果。
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)13-0105-02
“工程流體力學”為黑龍江科技學院(以下簡稱“我校”)機械、采礦、環境、安全、土建等專業重要的專業技術基礎課程。由于面向的專業范圍廣、學生層次多,因此要將該課建設成省級精品課程,對師資隊伍和教學條件等要求高,需要改革的環節多,課程建設的難度大。我們在深入解讀省級精品課程指標內涵的基礎上,圍繞課程建設的目標和任務,結合課程自身特點,根據各專業具體培養方向和要求,從課程教學的關鍵環節和基礎工作入手,立足學生知識和能力的全面培養,狠抓師資隊伍建設、教學內容、教學方法、教學手段以及學生成績的考核改革,強化實驗室、教材、多媒體課件、網絡資源等教學條件的建設,構建多元化的教學體系,在2007年實現了課程建設目標。
一、加強師資隊伍建設
我們將精品課程評審指標體系中所有二級指標的主要觀測點概括為“德”、“才”、“勤”、“能”四個方面,并從這四個方面打造一流的師資隊伍。通過對課程組教師進行優化組合,充分發揮每個人的特長,并進行重點培養,使課程組每個參與建設的教師都能從事最能發揮其才能的工作,各盡所能,使每個人都能有成就感,成為某個方面的行家里手。尤其對青年教師,使其能力在課程具體建設過程中得到充分的發揮和鍛煉,業務能力和教、科研水平顯著提高。
根據實際情況,我們將拓寬知識領域、提高知識層次(重點是專業理論知識、實踐能力、教學能力、教研能力以及學歷、職稱的提高)作為“工程流體力學”師資隊伍建設的內容及目標,并采取如下具體措施:
(1)導師制培養,實行“一帶一”、“多幫一”工程,由老教師對青年教師進行一對一、多對一的指導,尤其是課程負責人在教學的各個環節、論文的撰寫及教科研立項等方面對青年教師進行全方位的指導。
(2)制定助課、互相聽課及集體備課制度,課程負責人聽課程組成員的課每學期至少一次,年輕教師聽老教師的課每學期至少一次,利用教研室活動時間經常進行集體備課及教學研討。
(3)送出去培養與在職提高相結合,通過讀碩、讀博,努力提高課程組教師的學歷水平。
(4)鼓勵課程組教師積極參加學院及學校舉辦的教師教學技能大賽,參與實驗室建設,指導“工程流體力學”創新設計大賽和指導大學生科技活動。
(5)鼓勵青年教師在各項工作中勇挑重擔,為青年教師創造展示才能的機會。
二、完善教學條件
1.教材及資料庫建設
“適用”的教材才是一流的教材。遵循功能和諧原則、整體和諧原則、環境和諧原則、市場和諧原則和經濟和諧原則,為不同專業選用了不同版本的教材。同時注重紙質及電子資料的收集和整理,注重教學研究成果的總結和提煉,創建了“工程流體力學”紙質及電子資料庫。
2.實驗室建設
將實驗室建設納入課程建設規劃。與課程需要相適應的實驗室建設才是科學、合理、有序、有度的建設,避免與課程建設相脫節的實驗室建設,杜絕重復性建設。根據專業需求補充購置相應的實驗教學儀器,用于開展常規實驗、綜合性實驗和設計性試驗。根據現場教學的需要,補充測壓儀表、保留管路實驗系統。為開展“流體力學創新設計大賽”和指導“大學生科技立項”等第二課堂活動創建虛擬實驗室和創新設計實踐基地。
3.輔助教學資源建設
基于“精”、“新”、“奇”的指導思想,應用多媒體技術制作高質量多媒體課件及教學網站。[1]我們根據不同專業具體要求的不同,制作了分別與自編教材及與不同專業選用教材配套的多套多媒體課件及電子輔導資料,利用第二課堂活動,指導學生制作了大量的演示基本概念、流動現象、基本原理的Flas和典型實驗的Flash模擬軟件。在網站上提供必要的圖片、實物照片,鏈接媒體素材、實驗錄像、演示流動現象及進行虛擬實驗的Flas,插入重大流體事件、背景知識及相關學科前沿知識。教學網站上提供豐富的相關教學內容、鏈接國內外著名流體力學網站,為學生及時了解反映流體力學發展前沿和最新動態的科技文獻資料提供便利,同時為考研的學生提供學習指導。教學網站板塊全,內容豐富,實用性、可操作性強,而且嵌套有在線測試及網上考試系統,所有教學及輔導資料全部掛在網站上,成為學生課外自學和復習的良好平臺。2007年利用學校webCT網絡教學資源又開展了網絡教學,進一步拓展了教學空間。
三、深化教學內容
任何課程的教學內容都不是一成不變的。教師所講授的內容應是經過提煉和加工過的本門課程的精華部分。我們注重與專業的對接,根據各專業側重點的不同,合理確定教學內容;根據生源質量的區別,以學生為本,實行分層次教學。根據我校應用型人才培養目標,明確課程為專業服務的目的和地位,以適合該門課程的思維方式來組織教學內容,并進行模塊式整合,為不同專業設置相應的可選模塊。在教學過程中注重有效知識和長效知識,壓縮經典內容,充實應用實例,并將教改、教研成果及學科最新的前沿成果滲透到課程的教學當中,做到內容精煉,難易適中,主線突出,理論聯系實際,融知識傳授、能力培養、素質教育于一體。
四、改革教學方法、手段和考核方式
教學有法,教無定法,只有科學的方法和適用的手段相結合才是最優的組合,也只有方法的“靈活化”和手段的“多樣化”才能體現出個性化教學。
教學方法上:在理論教學中,“精講寬練、注重實踐,教學互動、多元考核”。根據課程內容和學生特點,采用適當的教學方法靈活組織課堂教學,注重工程背景及實踐應用,注重有效知識和長效知識,不盲目模仿和刻意追求。在實驗教學中,根據實驗性質的不同,由“問題”導入實驗,著重強調實驗目的、原理應用,注重實驗技能和方法、數據分析和處理,啟發學生獨立思考,培養學生獨立分析問題、解決問題的能力和創新精神。
教學方式和教學手段上:采用多媒體課件與板書相結合的授課方式。同時,鼓勵學生充分利用虛擬實驗室、課程網站等輔助教學資源進行預習、復習和自我測驗。目前我們每學年面向全校5個教學單位的8個專業方向、30多個班級講授“工程流體力學”,應用多媒體課件與板書結合進行授課的比例達100%。
在學生成績考核上:采用“知識與能力并重”的“多元化”考核方式,平時成績占總成績的30%,其中課堂表現(包括出勤、聽課情況和平時測驗、回答提問等)滿分10分,作業成績滿分10分,實驗成績滿分10分。課堂表現及作業成績由任課教師給出,而實驗成績由實驗教師給出,如果學生實驗成績不合格,則不允許其參加期末考試。
五、構建多元化的教學體系
結合課程自身特點以及專業需求的不同,對實踐教學過程進行科學規劃,拓展外延、豐富內容,充實內涵,設置了“實驗教學+現場教學+第二課堂活動”的多元化的實踐教學環節。
結合學校開展的大學生科研立項等素質教育活動,積極對學生進行創新意識和綜合能力的培養,鼓勵學生在各實踐環節中,綜合運用各種知識和手段創造性地分析問題、解決問題。自2002年起,課程組在全校范圍內成功舉辦了五屆“流體力學創新設計大賽”。流體力學虛擬實驗室擁有專用微機及相關軟件;創新設計實踐基地現有工作臺、臺鉗、鉆床、手電鉆等簡易設備及錘、銼、鋸、螺絲刀等常用工具,為學生創新及科技制作提供常用耗材,基本能夠滿足Flas制作、演示、文字處理、實物加工制作的最基本要求。2007年,課程組開始指導大學生科技立項并有多項成果結題驗收。
課程建設的目的是提高教學質量,歸根結底是提高培養的學生的質量,而學生質量的衡量標準則是其綜合素質及創新能力。運用“小課程大工程”的教學理念,從課堂教學、實驗教學、網絡教學、課外實踐活動和學術講座五個方面,將學生綜合素質及創新能力的培養貫穿到課程教學的全過程。[2,3]總結出精品課程建設的“多元化”學生綜合素質和能力的培養模式,即:
(1)正確處理經典與現代的關系,在課堂教學中,利用多媒體課件,融經驗教學及現代教學為一體,開闊學生的視野,培養學生綜合素質和能力。
(2)改革實驗教學內容,增加實驗項目,豐富實驗教學方式,增強學生的實踐動手能力。
(3)拓展課堂教學空間,利用網絡資源,開闊學生的視野,豐富學生的學科知識。
(4)以創新設計大賽和大學生科技活動為載體,引導學生參加第二課堂活動,激發學生創造熱情,培養學生科學素質和創新精神,提高學生獲取知識、運用知識的能力和創新能力。
(5)通過科技講座,豐富學生的專業和學科知識,培養學生的科研意識和科學精神。
六、結束語
精品課程建設是時代的要求,具有豐富的內容,并隨著時代的發展而不斷更新。精品課程建設是一個復雜過程,是一項系統工程,其中涉及大量的管理問題。精品課程建設作為中國教育發展史上的新生事物,需要廣大教師投入大量的時間、精力,不斷探索,不斷創新,是一項永無止境的工作。如何針對不同地區、不同高校、不同教師學生,分層次、多樣化地建立精品課程評價指標體系,如何更好地發展和完善現有的精品課程,如何更好地發揮各級各類現有精品課程的作用,將是未來精品課建設研究的發展方向,因此精品課程建設的研究與實踐也是一項沒有終結的研究課題。
參考文獻:
[1]徐文娟,侯清泉,劉訓濤.多媒體技術在《工程流體力學》教學中的應用[J].理工高教研究,2008,(2):94-95.
對于理工科院校來說,大學物理實驗是一門必修課,同時這門課程具有的實踐性也是相當強的,作為大學生接受大學教育關于系統試驗方法和實驗技能訓練的開端,但是,從當前教學工作的開展來看,大學物理實驗教學存在不少問題,常見的就有普遍存在“填鴨式”這種單一的教學模式,在教學理念上也沒有太大的突破,“驗證理論”模式仍然是主導,教學內容上多存在繁多和陳舊的問題,經典性試驗所占的比重比較大,而設計性試驗的比重較少,課時不足,影響了學生學習的積極性,未能取得理想的教學效果。這一系列問題導致大學物理實驗教學質量難以實現質量上的躍進,可見,對實驗課程內容和實驗體系的改革是勢在必行的。筆者以流體力學實驗為例,談談當前大學物理實驗的創新研究。
2.傳統流體力學實驗普遍存在的問題
2.1實驗內容不夠豐富,實驗課時不足
結合流體力學實驗教學來看,主要集中在流體壓強測量到流體力學三大基本方程的驗證等內容上,這就是大部分屬于驗證性實驗,設計性實驗安排不到位,缺乏了綜合性實驗,阻礙了學生關于創新能力方面的培養和發展,還有一點值得注意的是,當前大學教育仍然沒有擺脫重理論、輕實踐的弊端,所以實驗課程安排的課時是不夠的。
2.2教學方法和教學模式未有新破圖
受到了我國傳統教學觀念的影響,在實驗教學的過程中,老師通常采用的教學步驟都是講授-演示-指導-批改實驗報告等,而學生就一味地跟著同一個指示來進行實驗,缺乏了自己的思考,一旦發現問題,也是請教老師來直接幫忙助理,那么實驗課程就會無形中形成了一門應付式的課程。
2.3實驗室開放工作開展程度不夠
當前高校基本上都開設了關于流體實驗操作的相關設備和平臺,而高校也普遍存在著這樣的一個問題:實驗室僅僅對參加競賽的同學或者一部分教師開放,這樣不僅導致設備沒有得到有效的利用,還影響了學生對實驗設備的認識,所以即使實驗設計方案多么理想,也會導致學生因為不能使用設備的問題,而無法進行開放性實驗,從而也就不利于學生自主創新能力的培養。
3.完善當前流體力學實驗的對策
3.1改進實驗內容和教學方法
適當修改目前使用的實驗指導書,目的就是將原理方面的內容盡量做到簡明扼要;實驗操作的步驟不宜過于細致;第一,可以考慮通過增加思考題和小設計來激發學生的學習興趣,在流體流動方面可以增加壓強、液位、流量和流速等方面的測量,讓學生能夠在宏觀的層面上對流體有一定的感知,通知在大腦中也能形成關于流體的基本表征的感知,加強學生對理論知識的學習;第二,增設演示性實驗的內容,讓學生可以提前對儀器有所認識,從而實現了學生課堂上對抽象概念的感性認識,也有利于區分不同實驗的側重點指出;針對驗證性實驗來說,研究的重點應當在實驗原理、操作技能、數據分析和整理結果上,要求學生能夠結合實驗基本原理,運用所學到的知識,將實驗過程和步驟詳細地寫出來,設計出數據處理的方法,能夠對實驗結果進行分析和整理。
3.2改進實驗教學的模式
重視學生啟發式教學的意義,結合實驗目的和內容,通過舉一反三的提問方式,為學生提供獨立思考的空間,要求學生注意對實驗現象的觀察,增加對實驗規律的分析和總結,而老師也應當在這個層面上進行總結,可以對學生提出更加深一層次的問題來讓學生再次思考。
3.3轉變實驗方式
用設計實驗或者綜合性實驗取代部分實驗,讓學生能夠在實驗中將所學的知識充分利用起來,以雷諾實驗為例,測量圓管內流過的水體積是利用接水盤的,而水流的時間是通過秒表來測量的,從而再對圓管內水流的速度進行計算。同時,我們可以讓學生設計出幾個方案,采用不同的方法來對圓管內水流的流速進行測量,例如,通過畢托管和孔板來對流量進行測量等。學生在進行設計方案的過程中一般都會對畢托管、孔板等相關流量計的測量原理和構造產生了解,這在一定程度上又可以鞏固自己所學到的理論知識。這樣的教學模式對于老師來說,促進了老師對實驗的專研素養,業務能力有所提高,對于學生來說,其學習的思維的活躍程度也有所上升,激發了學生的學習興趣,提高了學生對于新知識的理解能力,讓學生可以在獨立的空間內進行思考,實現實驗的創新。
4.結束語
一、心得體會
通過這五天的實習,讓我學到了很多課堂上根本學不到得東西,仿佛自己一下子成熟了,不僅懂得了怎樣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認真得思考,不能太過急躁,要對自己所做的事情負責,同時也理解了很多事情,為以后工作積累了一些經驗。
我知道工作是一項熱情得事業,并且要有持之以恒的品質精神和吃苦耐勞的品質。這次難得的認識實習經歷,是我打開了視野,增長了見識,為我們今后進一步走向社會打下了基礎。
二、成果總結
力學在機械工程中的應用
在視頻力學在機械工程中的應用中,我們明白了一些力學研究中的問題,如:結構部件為什么在某種條件下失效?如何定量精確預報事故發生?等。機械是機構與機器的合成,我們重點了解構件承載能力的分析,機械振動的計算,機構運動的設計。承載力學是力學應用的重要方面,在對強度的計算中會運用到計算力學,機構的承載能力與剛度,穩定性,強度。在對機械振動的計算中我們還運用了機震力,在對機構運動設計中應用了理論力學與機械原理。
化學工業中的流體力學
在視頻化學工業中的流體力學中,我們知道了板式塔中塔板的種類,有無溢流塔板,泡罩塔板,f型塔板,t型塔板等。填料塔中填料的種類,還有萃取塔,流化床與氣液兩相流等概念。
力學在土木工程中得應用
在觀看力學在土木工程中的應用中我們知道了在土木建筑中會運用到結構力學、彈性力學、材料力學等力學知識。
力學與現代生活
在視頻中我們了解到一些力學問題造成的重大影響,如86年挑戰者號的爆炸知識因為沒有考慮到溫度對一個小小橡皮圈的影響,還有塔庫馬懸橋的倒塌,只是因為流動的空氣形成了卡門渦街。我們運用伯努里定律設計飛機的機翼,再根據機翼上下面風速差產生壓力使飛機飛起來。航天工程,生命領域,能源領域均是以力學為基礎的,我們可以運用流體力學原理解決股市問題,連亞洲金融風暴也可以用連通器原理解釋。
鉆井設備與工藝,采油設備,壓裂酸化,修井作業與設備,井下工具
在視頻中我們了解到鉆機的組成是由起升系統,旋轉系統,循環系統,動力設備,傳動系統,控制系統,井架和底座,輔助設備組成。鉆機的工作過程是由正常鉆進,接單根,下鉆,起鉆組成。采油的設備有抽油機抽油與電泵采油,井下工具有封隔器,噴砂器,配水器。
力學在水利工程中的應用
在視頻力學在水利工程中的應用中我們了解到灌溉中的渡槽是由槽深和下部支撐構成的,它會承受水載荷,風載荷,自重的影響。解決這些問題會運用到理論力學,材料力學,結構力學進行受力分析。大壩分為重力壩和拱壩,重力壩的特點是體積大,在分析其受力時我們會運用到材料力學,彈性力學,塑性力學,有限單元法。而拱壩則是由梁和拱共同作用。在計算地震對壩體影響時會用到振動理論,在研究放水時對壩體影響時會運用到固體力學,流體力學,交叉學科。
力學在船舶及海洋工程中的應用
在視頻力學在船舶及海洋工程中的應用中我們了解到在輪船的行駛中,輪船的平穩行駛是水輪機與船閘作用的結果,船閘的主題是閘手。浮力是指被物體排開水的重量,船舶的前進是靠反作用力做推力而推進的,輪船行駛中受到的阻力又與器速度有關。船梁是一種超靜定的構件。
對于工程力學的認識
工程力學專業的特色和優勢就是與任何學科都又聯系,分類廣泛。專業的培養目標是掌握理論分析能力,能將復雜的問題簡單化處理然后再復雜的分析。要掌握計算工具,如ansys,fluent等。掌握實踐能力,力學是與實踐能力相掛鉤的學科。
化學的學科發展,可以提到許多方面,如飛秒化學。化學向生物學和醫學、材料設計、能源、大氣和環境化學、國家安全與個人安全等領域的拓展等。在本文中,要著重說的是:化學與化學工程的重新融合。
20世紀初,化學工程從應用化學中脫胎而出,經歷了單元操作和三傳一反,形成了化學工程學,從以經驗為主過渡到有一定預測功能的較完整的理論,從而導致化學與化學工程的分離。這種情況在20世紀90年生了變化,基礎化學研究與化學工程之間發生了空前的交疊和滲透。化學家越來越多地介入復雜系統的構造、分析和使用中,這些自然而然與工程學中的系統方法有關。化學工程師正日益進入越來越多的化學基礎領域,在一些情況下甚至處于領導地位。在2003年美國出版的《超越分子前沿――化學與化學工程面臨的挑戰》一書中,開始使用化學科學來代表所有化學家和化學工程師的工作范圍。
化學是一個多尺度的科學。微觀尺度是從電子和原子核到分子,例如分子設計。宏觀尺度,例如實驗室合成、生產裝置、化學和物理操作、產品包裝和運輸。現在大家更關注介觀尺度。從化學方面來說,人們關注超越分子的層次,進入超分子、分子集團、大分子、活性中心、器件的作用域,可以說從微觀跨越到介觀以至宏觀層次。從化學工程來說。人們也不再滿足于宏觀的三傳一反,而是逐步深入到顆粒、液滴、氣泡、微孔、界面等介觀行為,并對微觀的機理也表現了濃厚的興趣。化學由底向上,化學工程由頂向下,在介觀層次相遇,互相借鑒,對于化學科學及其理論的發展,形成了巨大的推動。
二、介觀尺度的研究
通常化學以量子力學或量子化學為理論基礎,用以研究物質的微觀結構、化學鍵和對稱等,現在正逐步重視隨時間發展的動態演變。在唯象地說明宏觀現象時,則應用熱力學。進入介觀層次后,要采用平衡態和非平衡態的統計力學,后者需要綜合應用流體力學的原理。
化學工程通常以流體力學和熱力學為理論基礎,特別重視湍流理論、多相流和不可逆過程的熱力學。計算流體力學有很大的發展。在研究湍流的強相關機理以及涉及介觀層次時,統計力學原理起著重要的作用。而在為特征參數找出規律時,則需要量子力學的幫助。
化學科學理論的發展,進入到綜合運用量子力學、統計力學、熱力學和流體力學的時代,目標是解決多尺度時空結構與宏觀平衡和速率的關系。
進行多尺度時空結構研究,有兩個重要方面:一是由下向上的預測。從分子結構逐級預測介觀層次的各種結構及其隨時間的演變,并進而預測宏觀層次的結構、反應和分離的特性,以至在反應器和分離裝置中的行為,目標是形成無縫的從微觀到宏觀的鏈接。要做到這一點,先要搞清楚各個相鄰層次的時空結構是如何相互關聯的。研究這種關聯,首先要有實驗的觀察,總結經驗的規律,然后是理論的建立和推導,作為過渡步驟,也常常是采用模型的半經驗方法。二是由上向下的控制。用宏觀的手段,逐級控制各級時空結構的形成。這兩個方面有著緊密的聯系,有相輔相成的關系。
三、對化學教學的啟示
為了適應不斷變化的新形勢,化學教學要做好以下幾點:
第一要打好基礎。最重要的是,對于本學科的框架結構,通過教學,應使學生有一個系統的完整的初步認識。新的現象、規律和方法不斷出現,要善于在學科的框架結構中找到它的位置。
對于物理化學,我們認識到的學科框架包括:
兩大類研究對象:平衡和速率。
三個層次:宏觀層次,由微觀到宏觀的過渡層次,微觀層次。
兩個方面:普遍規律和物質特性。兩者結合,可以解決實際問題。
三種方法:研究物質特性,有實驗方法、半經驗方法和理論方法。從理論上研究物質特性,將進入下一個更深的層次。
例如生物膜中的促進傳遞和耦合傳遞。屬于宏觀層次的速率過程,具體來說是界面中的速率過程。對于普遍規律,要學教材中“傳遞過程”的內容(當然還有些特殊的地方)。為得到某一個生物膜的傳遞特性,要采用實驗測定,或半經驗方法。而要從理論上得到這種特性,必須應用統計力學。
又如耗散顆粒動態學DPD,它是一種介觀層次的模擬,實質上它就是分子動態學模擬MD,屬于從微觀到宏觀的過渡層次的普遍規律范疇。特殊之處是應用了粗粒化,引入更低的介觀層次,相應還采用了耗散力和隨機力。
第二要強調開放。框架是開放的,可以不斷更新和充實。內容是開放的,可以經常介紹新的進展。
對于如此豐富的介觀層次,上述框架的精神依舊。微觀和宏觀之間,可以加入各種由低到高的介觀層次之間的過渡層次。研究某一介觀層次的特性,仍然有實驗、半經驗、理論這三種方法。理論方法主要采用平衡態和非平衡態的統計力學,相應進入了下一個層次,即從更低的介觀層次到該介觀層次的過渡層次。
第三要善用類比。類比永遠不會完美,卻幾乎常常有用。物理學是一個由于類比而興旺的領域,例如,基于借自超導的概念,我們可以至少部分理解超流的氦。物理化學中類比于由理想氣體到實際氣體,在研究混合物時,我們由理想混合物到實際混合物。
上面提到的耦合傳遞,可以和耦合反應進行類比。又如密度泛函理論DFT,則是以密度分布p(r)代替傳統的位能函數ε(r)為基本變量構筑泛函。變分原理則等價于最概然分布原理或熵最大原理。
當前的薄弱環節是:從微觀到宏觀的過渡層次;傳遞速率;進展。
要加強教學資源建設,包括教材、系列參考書、電子教材、網站建設等。
四、教學方法