多物理場工程模擬技術(shù)項目教學(xué)模式改革探討

丁林 孫悅 吳春梅

摘 要：通過分析傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在問題，基于多物理場工程模擬技術(shù)課程實踐性和系統(tǒng)性強的特點，提出采用項目式與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法。以項目研究為載體，引入分層教學(xué)設(shè)計，使課程教學(xué)內(nèi)容體系與工程實際聯(lián)系更加密切。將該教學(xué)方法在課程中進行實踐，鼓勵學(xué)生廣泛參與學(xué)習(xí)和研究，獲得了更為理想的教學(xué)效果。證明了該方法能有效培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用和創(chuàng)新能力，并提高團隊合作能力。

關(guān)鍵詞：項目教學(xué); 多物理場; 分層教學(xué); 模式改革

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1006-3315（2021）4-099-002

一、前言

多物理場工程模擬技術(shù)是一門多學(xué)科交叉課程，目前為能源與動力工程專業(yè)的重要課程。課程主要講述傳熱、傳質(zhì)、導(dǎo)電等物理過程的仿真，然后以燃料電池為例詳細(xì)介紹多物理場間的耦合仿真，同時介紹并分析動力工程專業(yè)常涉及的熱流耦合、流固耦合、熱應(yīng)力耦合、結(jié)構(gòu)聲耦合、流聲耦合等多物理場耦合，使學(xué)生系統(tǒng)掌握使用仿真軟件針對能源應(yīng)用研究過程中遇到的各種工程問題進行數(shù)值建模和分析優(yōu)化設(shè)計的技能。在傳統(tǒng)的教師講授、學(xué)生聽課、上機練習(xí)的授課模式下，課程教學(xué)比較枯燥乏味，不利于學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮。同時，由于課程內(nèi)容涉及面廣，學(xué)生缺乏對各個知識模塊和總體目標(biāo)的整體理解，容易對重點內(nèi)容把握不準(zhǔn)。經(jīng)過分析，“多物理場工程模擬技術(shù)”是一門理論與實踐密切結(jié)合的課程，課程具有典型的實踐性和系統(tǒng)性特點，與項目式教學(xué)模式的特點非常匹配。項目教學(xué)法是通過完成完整的工作項目，讓學(xué)生獲得相關(guān)知識與技能，并發(fā)展職業(yè)能力的教學(xué)方法[1-3]。工程技術(shù)領(lǐng)域里所有的生產(chǎn)過程幾乎都可以作為項目[4，5]，因此，在教學(xué)實踐中，如果能夠通過項目將理論知識和實踐技能有機結(jié)合起來，就能夠達到培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和分析、解決問題的能力以及創(chuàng)造能力的目的。項目教學(xué)是行動導(dǎo)向教學(xué)的一種主要形式，項目教學(xué)最基本的特點可以歸納為三點[6-9]：一是以學(xué)生的興趣為中心，項目要能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具有一定的實用價值：二是解決實際問題，項目要與企業(yè)的實際生產(chǎn)過程或現(xiàn)實的商業(yè)經(jīng)營活動有一定的直接關(guān)系;三是有確定的目標(biāo)，項目是明確而具體的成果。

因此，針對多物理場工程模擬技術(shù)課程前期教學(xué)中存在的問題，采用項目式教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)方法進行教學(xué)模式改革，并在項目研究式教學(xué)中引入分層次研討的教學(xué)環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生廣泛參與學(xué)習(xí)和研究，以期獲得更為理想的教學(xué)效果。

二、多物理場課程項目架構(gòu)

項目式教學(xué)的核心是項目的選取與課程知識點的契合程度，開展項目式教學(xué)之前，教師根據(jù)課程知識點給出大量項目實例，引導(dǎo)學(xué)生進行自主項目設(shè)計。本節(jié)給出了“多物理場工程模擬技術(shù)”在項目式教學(xué)模式探索過程中進行的項目設(shè)計。按照點線面的方式分解課程知識點，并以此設(shè)計知識點項目、單一案例項目和綜合性項目。

1.知識點項目：為了實現(xiàn)對知識點的牢固掌握，先建立與幾何結(jié)構(gòu)編輯、網(wǎng)格劃分相關(guān)項目實例。以三維綜合實例為例，給大家講解幾何結(jié)構(gòu)的編輯。并以一個網(wǎng)格劃分的綜合實例為例，講解網(wǎng)格的面轉(zhuǎn)換、體轉(zhuǎn)換。幾何結(jié)構(gòu)的編輯、網(wǎng)格的劃分是多物理場工程模擬技術(shù)的基礎(chǔ)，通過兩個實例的講解和練習(xí)，要求學(xué)生掌握三維幾何結(jié)構(gòu)的建立和網(wǎng)格劃分。

2.單一案例項目：針對單物理場仿真問題，基于動力工程專業(yè)領(lǐng)域中所涉及的流動、傳熱、燃燒、導(dǎo)電等物理場，建立諸如二元混合物的物質(zhì)擴散、三相混合氣體的質(zhì)量傳輸、固體氧化物燃料電池陽極中的氣體擴散、熱交換器中的熱傳導(dǎo)和熱對流模擬、汽車剎車盤在剎車前后溫度變化、水杯中的自然對流、復(fù)合材料導(dǎo)電率計算、圓柱體繞流等的項目實例。學(xué)生通過單一案例項目的上機實踐，掌握單個物理場仿真方法，便于向多物理場進行拓展。

3.多物理場綜合性項目：動力工程專業(yè)特別是能源行業(yè)常涉及熱流耦合、流固耦合、熱應(yīng)力耦合、結(jié)構(gòu)聲耦合、流聲耦合等多物理場耦合問題，以此為背景進行多物理場綜合性項目的設(shè)計十分必要。項目的選擇更貼近工程實際，比如管殼式換熱器的仿真、散熱器強制空氣冷卻的仿真、流體流動中的懸臂梁振動、變速箱中的振動和噪聲、固體氧化燃料電池仿真等。

三、項目式教學(xué)與實踐

為了進行項目式多物理場工程模擬技術(shù)教學(xué)，需要考慮的問題首先是選擇合適的工程項目或設(shè)計主題，對多物理場工程模擬技術(shù)教學(xué)內(nèi)容進行重組。在具體的教學(xué)實施中，采用借鑒-歸納-總結(jié)-設(shè)計-實踐的組織過程。為了實現(xiàn)對知識點的牢固掌握，在教學(xué)的初期階段主要采用借鑒學(xué)習(xí)和歸納總結(jié)的方式，結(jié)合典型項目系統(tǒng)地討論學(xué)習(xí)，以零星方式學(xué)習(xí)相關(guān)仿真技術(shù)知識。通過歸納總結(jié)環(huán)節(jié)，加深對各個典型項目中關(guān)鍵仿真技術(shù)的理解和掌握。通過項目自主設(shè)計和仿真實踐實現(xiàn)知識和技能的綜合靈活運用。結(jié)合多物理場工程模擬技術(shù)課程特點，對課程的項目式教學(xué)方法進行分層設(shè)計。

項目式分層教學(xué)法在教學(xué)的整個過程中逐層深入、時而變化，廣泛調(diào)動學(xué)生的參與熱情，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)、思考、設(shè)計和動手的主體。分階段進行項目設(shè)計，可以歸納為以下幾個方面：（1）背景引入階段：教師在此階段的重點任務(wù)是基于課程知識點選取合適的項目主題，為學(xué)生提出項目背景;學(xué)生通過教師講解和資料查閱了解學(xué)習(xí)主題和項目應(yīng)用領(lǐng)域。（2）知識鋪墊階段：學(xué)生此階段的重點任務(wù)是進行資料查閱和知識梳理，加強師生溝通交流，學(xué)習(xí)與項目有關(guān)的理論知識，對零散學(xué)習(xí)知識的系統(tǒng)整合與歸納。（3）項目制定和設(shè)計階段：教師根據(jù)課程知識點提出具體要求，學(xué)生基于項目背景制定項目方案、設(shè)計項目模型，明確項目參數(shù)和要求，綜合利用所學(xué)知識進行具體項目設(shè)計。（4）項目實施階段：學(xué)生進行項目仿真上機實踐，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)并提供項目咨詢，此階段的重點是在提出項目的基礎(chǔ)上，運用知識和技能進行具體實踐運用。（5）評價總結(jié)階段：學(xué)生進行項目成果展示，教師對學(xué)生開展的項目進行評價，并提出建議。（6）知識拓展階段：教師為學(xué)生講解項目實施過程中未涉及但相關(guān)的理論知識和方法，升華學(xué)生理論理解。

課程進行項目式教學(xué)后，課程考核方式也應(yīng)進行適當(dāng)改革。課程的考核方式與課程教學(xué)的實施效果密不可分，科學(xué)安排最終考核成績的要素及比例分配，是充分調(diào)動學(xué)員參與積極性的基礎(chǔ)，也是對學(xué)員綜合學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)能力的科學(xué)評估，能讓學(xué)員更了解自己的學(xué)習(xí)狀況，指導(dǎo)進一步的學(xué)習(xí)。多物理場工程模擬技術(shù)擬采用理論知識、平時表現(xiàn)、項目成果三者相結(jié)合的考核模式，其中項目成果作為最終目標(biāo)推動學(xué)生在實踐中深化知識的學(xué)習(xí)，成果的質(zhì)量越高，得分越高。在課程的學(xué)習(xí)和考核環(huán)節(jié)中，學(xué)生在每個方面的努力都有相應(yīng)的度量機制，來確保最大限度地調(diào)動學(xué)生的參與熱情。

另外，在教學(xué)各個環(huán)節(jié)，教師需要結(jié)合課程知識、學(xué)生興趣與社會急需解決的問題;以學(xué)生的需求和興趣為出發(fā)點，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)素養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造思維;讓學(xué)生主動收集信息，篩選信息，提出問題，教他們?nèi)绾窝芯浚绾潍@得一些必要的解決問題的技能;教師一般不給學(xué)生結(jié)論性的東西，而是要求學(xué)生充分利用手中的資源自主學(xué)習(xí);教會他們?nèi)绾喂芾砗米约旱臅r間;在遇到問題時，鼓勵學(xué)生努力尋找解決問題的辦法，為自己的項目研究提出下一步的決策;鼓勵和支持團隊合作。

四、項目式教學(xué)效果分析

采用項目式教學(xué)方法，使整合后的多物理場工程模擬技術(shù)教學(xué)內(nèi)容體系與實際系統(tǒng)聯(lián)系更加密切，使學(xué)生學(xué)習(xí)目的更為明確，更有系統(tǒng)針對性;教學(xué)過程循序漸進，項目式分層教學(xué)根據(jù)教學(xué)過程的特點而變化，不斷深入實際，提高學(xué)生的參與熱情和積極性;以實踐為導(dǎo)向、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提升學(xué)生溝通能力、批判性思維、創(chuàng)新能力、團隊合作能力。

項目式教學(xué)注重學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在實際的課程教學(xué)過程中注意理論聯(lián)系實際，注重工程應(yīng)用。教材內(nèi)容和工程實踐有機聯(lián)系。鼓勵學(xué)生分享、講解自己的項目解決思路和方法，其他同學(xué)評判和討論;同時使學(xué)生考慮工程實際中如何應(yīng)用多物理場仿真的知識解決實際問題，鼓勵學(xué)生構(gòu)思的創(chuàng)新性。通過各抒己見、對比分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生充分掌握多物理場仿真的方法，加強學(xué)生理論聯(lián)系實際、提高科學(xué)素質(zhì)的能力。

學(xué)生圍繞特定項目主體展開實踐探究，在項目實施及分層次研討過程中構(gòu)建起新的知識體系，掌握一定的問題分析技能;項目實施過程中學(xué)生將使用各種認(rèn)知工具和信息資源來支撐他們的學(xué)習(xí)，實踐結(jié)束后將產(chǎn)生一系列或一個整體作品;項目式分層教學(xué)，強調(diào)學(xué)習(xí)的實踐性，讓學(xué)生在實踐中體驗并提高處理相關(guān)信息的能力;教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中強調(diào)團隊協(xié)作，組成一個學(xué)習(xí)共同體，為完成任務(wù)和項目而共同努力，成員之間將建立密切合作關(guān)系，提高學(xué)生團隊合作能力。

五、結(jié)語

多物理場工程模擬技術(shù)是一門多學(xué)科交叉課程，具有典型的實踐性和系統(tǒng)性特點。采用項目式分層教學(xué)模式進行教學(xué)改革，基于課程知識點和專業(yè)特點構(gòu)建合理的課程項目實例，引導(dǎo)學(xué)生自主進行項目設(shè)計，在項目實踐過程中學(xué)習(xí)和掌握多物理場耦合知識和仿真方法。項目式教學(xué)方法的實施，使課程教學(xué)內(nèi)容體系與實際系統(tǒng)聯(lián)系更加密切，有效培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用和創(chuàng)新能力，提高團隊合作能力。

基金項目：重慶市教育教學(xué)改革項目：No.yjg183009

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