靳長清 等

摘要：為了更好地加強學生的科學素養(yǎng)培養(yǎng)，提高學生生活-理論-實踐-理論的學習技能，本文基于《冶金傳輸原理》（簡稱《冶》的學科特點，結合傳統(tǒng)教學方法和學生反饋意見，提出了以《冶》課發(fā)展史和科學主義研究范式為主要載體的教學思路。建立了以學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)為目標，以理論聯(lián)系實際為基本教學方法，以解決實際問題為教學目的教學思想。這種教學理念的改變?yōu)樽吭焦こ處煹目茖W素養(yǎng)培養(yǎng)提供了新的思路和方法。

關鍵詞：冶金傳輸原理 科學素養(yǎng) 教學方法 科學主義研究

范式

0 引言

傳輸原理在世界范圍內屬于一個新興的學科，1960年以來各先進工業(yè)化國家才相繼將傳輸原理列入工科大學生的必修課程，我國直到1980年以來才陸續(xù)在相關的大學中將該課程列為必修課。傳輸原理在金屬材料成型中的應用，使成型過程中一些物理過程得到深入而準確的解析。學習傳輸原理，可以使學生深入了解復雜的液態(tài)金屬成型過程中各因素影響的機理，從而改進操作和工藝，提高控制和設計水平。同時為我們提供物理模型和數(shù)學模型，應用計算機求解許多課題。

在《冶》課程的教學中，筆者發(fā)現(xiàn)課程的教與學中出現(xiàn)了較多的問題。由于課程本身的特點， 《冶》課基礎理論知識抽象，數(shù)理應用多，加之計算工具學習的難度等，使得學生難學，老師難教。盡管大多版本的《冶》課（教材）所涉及的數(shù)理知識并未超出大學數(shù)學和物理的教學范圍，但工科專業(yè)體系總體對數(shù)理知識要求相對較少，且授課對象多為大學三年級學生，因而學生在進入專業(yè)課程學習時反而不太適應純數(shù)理邏輯學習，從而造成了一定的難度。其主要特征表現(xiàn)為學生數(shù)理基礎差，數(shù)學建模的能力不足，數(shù)理結果的實踐應用意識不強。筆者通過一年的教學經驗總結，對傳統(tǒng)的《冶》課的教學思路、方法和目的提出了自己的一些看法，特別是在加強學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)方面提出了自身的觀點和建議，僅供教學交流。

1 教學目標

近現(xiàn)代以來，許多科學研究人員和工程應用人員通過學科交叉、知識融匯逐漸從流體靜力學和動力學、各種熱傳輸理論以及質量傳輸理論三位一體的角度展開了對液態(tài)金屬成型過程的微觀機理分析研究，從而發(fā)展成為現(xiàn)代的“傳輸原理”?！皞鬏斣怼睂儆诮徊鎸W科，各學科理論知識層次分明，在實踐應用上又相互融匯；概念、公式繁多，數(shù)理推導復雜；數(shù)學模型多以微元積分/微分為主要方法，對讀者的數(shù)理知識要求較高；生產實踐聯(lián)系緊密，綜合性強。因此課程內容和學習方法的特點都給教師教和學生學帶來了相當?shù)碾y度。如果教師將注意力全部集中于抽象概念介紹和數(shù)學推演，學生對內容的背景、實際意義和應用場合缺乏必要理解，將導致學習興趣不足，嚴重影響教學效果；如果突出教學內容的實用性，重視短、平、快的教學效果，忽視科學方法的學習，往往導致學生科學思維的訓練不足，形成依葫蘆畫瓢的錯誤學習習慣和方法。因此，以什么角度，采用什么方法講述該課是教師面臨的重要課題。

美國威斯康辛大學的R.B.Bird（伯德）教授曾說：“當代的工科教育越來越傾向于著重基本物理原理的理解，而不是盲目地套用結論?！痹谖磥淼墓こ虒嵺`中，如何把所學知識和技能用于工程實踐，指導工程實踐；如何把實際工程問題抽象為科學問題，通過科學方法來解決工程問題，這是工科教育要解決的問題。西安工業(yè)大學眾多學科目前均建立了以培養(yǎng)“卓越工程師”為主要目標的教改班，從學生的理論知識學習和工程實踐能力方面都提出了更深更廣的要求，這也就明確了以科學素養(yǎng)和實踐能力為主要培養(yǎng)目標的教育教學方式。

對于未來的卓越工程師，不僅需要很強的實踐能力，而且必須具備相當?shù)目茖W素養(yǎng)。因此，教育教學的特色和針對性必須緊緊圍繞科學素養(yǎng)和工程實踐能力培養(yǎng)。在課堂教學中，應該突出加強科學素養(yǎng)的培養(yǎng)，積累豐富的科學知識、掌握科學的思想和方法，靈活運用科學的思維方式和培養(yǎng)科學精神，為未來工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎。

2 教學思想

2.1 以《冶》發(fā)展史為載體培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)

《冶》包含傳熱學、動量傳輸（流體力學）、傳質學三大部分（簡稱“三傳”）。本學科的發(fā)展和完善，凝聚了古今中外眾多科學家、數(shù)學家、物理學家的艱苦努力。它的許多成果不僅體現(xiàn)了科學家不畏艱險、一絲不茍求的科學精神，而且也展示了近代工科各領域相互學習、互相貫通，從而交叉發(fā)展的歷史。歷史給予我們不斷進取的養(yǎng)料，從每一位成功的科學家畢生的奮斗歷程上學生可以得到面對問題、理解問題、解決問題的啟示。

在教學過程中結合教學內容，以學科發(fā)展史料為主線，通過一個理論、公式形成的思路、建模、推演、結論來介紹偉大的科學成就，并伴隨科學家的研究歷程的授課方式，不僅能讓學生更理性的理解公式和概念，而且學習了重大科學成就中的嚴謹和精細，同時也擴充了學生的人文歷史知識，更有利于學生激發(fā)學習興趣和欲望，全面理解和掌握學科知識。

2.2 通過科學主義研究范式培養(yǎng)科學素養(yǎng)

17世紀，笛卡爾（Descartes，1596-1650）以“我思故我在”打破了以往神性的統(tǒng)治，確立了人類理性的重要地位，強調人的理性的尊嚴和能力，并提出了科學探究的方法論。由此，近代科學逐漸從哲學中分化出來。以培根的經驗論、伽利略的實驗加數(shù)學的科學方法及牛頓的經典力學解釋模型為基礎，形成了近代機械的自然觀。科學的任務不是尋求最終的目的論的解釋，而是對運動做出數(shù)學描述，解釋數(shù)量間的因果關系。與此相對應的是將復雜現(xiàn)象分解成簡單的量，通過數(shù)學演繹確立其數(shù)量關系，最后經實驗證實的科學實驗的研究方法。總之，現(xiàn)代的經典科學是建立在實驗和數(shù)學基礎之上的，經驗的確證和數(shù)理模型化的成功是科學生產者的范式。這種科學范式自培根和笛卡爾以來一直主導著人類的普遍理性，并指引著人們自身的實踐。

科學研究的范式符合人們認識事物的普遍心理過程。人們認識事物總是從簡單到繁瑣，從表象到本質的。從認識事物的心理過程角度講，科學研究范式的具體步驟為：感覺和知覺（人們的常識或者生產生活經驗）；抽象思維（通過歸納總結、分析和抽象）可以得出數(shù)理模型；經實驗驗證其正確性，得出理論，演繹推廣到可用的生產或者生活實踐。從解決問題的步驟上講，科學范式就是提出問題，分析問題，解決問題。從生產實踐的角度上講，科學范式就是從實踐中來到實踐中去的過程。

“三傳”作為一門學科，建立的過程是人們認識動量、能量、物質傳遞不斷深化的過程，也是科學范式的成功體現(xiàn)。在具體的科學知識的傳授中，要貫徹科學范式的規(guī)定，符合學生的心理認知規(guī)律，循循善誘學生對科學知識的掌握，體會科學思想和方法的巨大作用，培養(yǎng)科學精神。首先，提出問題。通過創(chuàng)設問題情境或者引導學生回到現(xiàn)實生活中，從生活或生產現(xiàn)象中明確提出問題?？茖W知識作為間接的經驗或者理性的抽象規(guī)定，往往很難引起學生的直接興趣，因此問題提出就成為抓住學生注意力和興趣，引起學生積極思考的手段。其次，建立模型。引導學生積極思考，運用科學的思維方式去粗存精、去偽存真建立數(shù)理模型。例如流體力學中連續(xù)介質模型的建立。從微觀上看，流體是分散的，不是連續(xù)介質。如果把流體作為分散介質，那么從數(shù)學上則無法解決流體的任何問題。因此，該課程講授的一個重點就是模型建立的原因和前提，這是“三傳”中最基本的數(shù)學思想基礎。再者，模型優(yōu)化。模型的建立蘊含著突出主要因素、忽略次要因素的重要科學方法。如果嚴格把每個因素考慮到，最終得到的模型往往無法給出數(shù)學描述或者在數(shù)學上無法解決，因此建模必須突出主要因素，忽略次重因素。而這種突出-忽略的把握是對學生能否抓住主要問題、忽略次要因素或者表面現(xiàn)象的科學素養(yǎng)的最好培養(yǎng)。再次，得出結論。對優(yōu)化后的模型經過嚴密的數(shù)理推導得出結論的過程，是本科生較為頭疼的環(huán)節(jié)。很多授課教師在此往往一筆帶過，直接給出結論。對于學生來講，這恰恰失去了一次縝密思維，嚴密推演的鍛煉。例如在奈維-斯托克斯方程的建立過程中，應當引導學生按照科學研究范式、追尋大師的思維軌跡建立模型后，一絲不茍地導出奈維-斯托克方程。這種做法不僅使學生進行了一次嚴密邏輯推演的訓練，而且可以感受收獲“方程”的喜悅，從而增強學習的信心、增加學習興趣。最后，回歸實踐。得出結論并用于解決現(xiàn)實問題可以增強學生運用科學方法解決實際問題的能力。又例如，流體靜力學中平板受力點的確定。運用靜力矩和慣性矩移軸定律進行較繁雜的數(shù)學推導后，可以得出受力點在平板形心下方某處的結論。那么受力點的物理意義是什么，實踐應用時的價值又何以體現(xiàn)？很多教材對這一結論在實踐中的價值沒有進一步說明，調查發(fā)現(xiàn)大多學生對這一結論也顯得不知所云。在本質上，對于大型鑄件側澆道通向型腔的位置應當是平板（近似平板）的受力點。在受力點上，流體受力集中，增大了澆道和型腔間的動量傳輸和質量傳輸，有利于鑄件的致密和雜質去除。盡管靜流體壓力相對于金屬凝固時體積收縮的應力非常小，體現(xiàn)的傳質結果也不明顯，但是其物理價值和含義不容忽略。

科學來源于實踐，高于實踐，最終指導實踐。《冶》對于自然界或者工程實踐中的物質、動量和能量傳遞過程，通過建立物理模型，然后依據物理原理運用高等數(shù)學知識，建立微分方程?？梢?，這門學問的形成就是建立在把工程問題抽象為科學問題基礎上的。同時這種上升到理論高度的科學，又可以指導普遍的實踐。這就要求在教學過程中，以提高學生的科學素養(yǎng)為教學目標和主線，教師的教授思想和方法要按照符合學生認知心理規(guī)律的科學主義研究范式的要求，通過從實踐中來到實踐中去的過程，培養(yǎng)學生從現(xiàn)實生活或者工程實踐中提出科學問題的能力；訓練學生抓住關鍵要素建立數(shù)學模型的科學思維方式和一絲不茍，嚴謹認真的邏輯推導能力；以及運用科學方法解決生活或者工程實踐問題的科學意識和科學精神。

3 結論

以《冶》課發(fā)展史和科學主義研究范式為主要載體的教學思路破除了傳統(tǒng)《冶》課的教學模式。以學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)為教育教學目標突破了教學大綱的局限。在具體的教學過程中，強化學生數(shù)理能力，引導學生深入理論，并回歸到實際問題的分析、解決能力的訓練上。這種教學理念不僅改變了授課的角度，而且增加了教學內容的趣味性和實用性，為卓越工程師的培養(yǎng)提供了一種新的思路和方法。

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基金項目：

感謝西安工業(yè)大學教學改革研究項目的資助（批準號：13JGY09）。

作者簡介：

靳長清（1982-），男，山東東平縣人，西安工業(yè)大學，博士，副教授，材料物理教研室副主任，研究方向：納米功能材料。