朱 兵

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

0 引言

能源的開發(fā)和利用與社會經(jīng)濟的發(fā)展、人類的生活密切相關。我國是能源消耗大國，但能源儲備并不富裕。為了實現(xiàn)國家碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標，進一步提高各種能源的高效清潔利用將具有重要意義。“能源與動力工程”專業(yè)則主要致力于將傳統(tǒng)能源和新能源進行高效、清潔的開發(fā)利用。動力工程則主要指實現(xiàn)這些能源利用或轉(zhuǎn)變的設備及相關運行、監(jiān)測和控制技術[1]。因此，“能源與動力工程”專業(yè)在整個工程學科領域具有舉足輕重的地位。

“能源與動力工程”專業(yè)涉及的學科領域非常寬廣。目前該學科一般將工程流體力學、熱力學、傳熱學和動力測控技術作為必修的專業(yè)基礎課。實驗測量、理論分析和數(shù)值模擬是該領域內(nèi)的主要研究方法。與實驗測量和理論分析相比，數(shù)值模擬具有快速高效、經(jīng)濟可靠和直觀形象等特點。隨著計算機和數(shù)值計算技術的快速發(fā)展，數(shù)值模擬目前已經(jīng)在學科領域得到了廣泛應用，并逐漸成為一種不可或缺的研究手段；另一方面，由于該專業(yè)領域內(nèi)涉及的研究對象絕大多數(shù)均與流體的流動和傳熱密切相關。因此，在能動專業(yè)開設“流動與傳熱的數(shù)值實驗和應用”課程是非常必要的。據(jù)筆者調(diào)研，目前該專業(yè)領域內(nèi)各科研院校均已開設了數(shù)值計算相關的課程。雖然目前該課程一般還主要作為一門專業(yè)選修課，但學生的選課積極性較高，對這門課程的學后反饋也是很好的。

但“流動與傳熱的數(shù)值實驗和應用”這門課程具有涉及知識面寬、概念抽象、數(shù)理知識要求高、計算機能力要求強等特點。在學生學習和教師講授過程中，一方面要求學生具備較好的前期課程基礎，熟練掌握流體力學、數(shù)理方程和計算機編程等知識；另一方面，要求教師具有寬廣的知識面和工程實踐經(jīng)驗，能通過具體實際案例的展示，充分激發(fā)和調(diào)動學生的學習興趣，使得學生在理解知識點的同時，熟練掌握數(shù)值實驗的一般流程和方法、復雜物理問題的分析和簡化方法，切實培養(yǎng)學生今后應用該研究手段的分析和解決問題的能力。因此，“流動與傳熱的數(shù)值實驗和應用”這門課程普遍被認為是一門“教師難教、學生難學”的課程[2]。

目前高校課堂教學基本上采用多媒體課件教學、傳統(tǒng)板書為輔的教學手段。這種方法的優(yōu)點是信息傳輸量大、避免即時繪制圖表和書寫冗長公式、能較好地控制授課進度，能配以圖片或動畫直觀展示數(shù)值計算在各領域的應用，較好地調(diào)動了學生的學習興趣，在一定的程度上提高了教學效果。目前教師的教學過程主要是[3]：復習—激發(fā)學習動機—講授新課—鞏固練習—檢查、評價—階段性復習。該教學模式具有一定的行為心理學理論基礎，著眼于充分挖掘人的記憶力、推理能力和間接經(jīng)驗在掌握知識方面的作用，強調(diào)控制學習者的行為達到預定的目標。

針對“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程，教師一般沿襲這種傳統(tǒng)的“傳遞—接受式”教學模式。雖然已經(jīng)嘗試采用了一些新的教學方法和技術手段，如輔以一些制作精美的多媒體課件，會使得學生能在較短時間內(nèi)接收大量的信息，也便于教師有效控制課堂教學秩序和保持知識點的完整性。但這種本質(zhì)上的“灌注”模式過分強調(diào)教師的主導和權威作用，認為知識是由教師向?qū)W生單向傳遞的，忽視了學生在學習中的主體能動作用。這不利于學生對知識點的正確深入理解，更不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。

根據(jù)深化高等教育的教學改革的基本要求，必須強化人才的基本素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，這對“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程的傳統(tǒng)教學模式提出了新的挑戰(zhàn)，迫切要求一批以“學”為主體的創(chuàng)新型教學模式在實際教學過程中應盡快加以綜合應用。

1 創(chuàng)新型教學體系的構建

為了適應新形勢下綜合性、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)目標，針對能動專業(yè)開設的“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”這門課程，筆者擬從教學理念和模式、教學內(nèi)容、方法和考核辦法方面提出一些想法，以便探索構建一種適合能動專業(yè)的創(chuàng)新型教學體系的可行性。

1.1 教學理念和模式創(chuàng)新

1.1.1 教學理念的轉(zhuǎn)變

在新形勢下，能動專業(yè)主要培養(yǎng)學生了解學科科學前沿及發(fā)展趨勢，熟練掌握能源轉(zhuǎn)換與利用、環(huán)境保護領域的基礎理論知識和獨立從事某項工作的專門技術，具有較強的創(chuàng)新意識、自學實踐能力和較全面的綜合素質(zhì)，滿足社會對能源動力領域各方面的人才需求。圍繞能動專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，專業(yè)課程的教學體系必須作出相應調(diào)整。筆者認為，一切的變革的核心在于思想和理念上的認同，進而才會自覺地轉(zhuǎn)化為具體的行動。因此，對于教師來講，教學理念的轉(zhuǎn)變是構建創(chuàng)新型教學模式的核心。鑒于此，結合筆者的一些教學體會，建議教師可從如下幾個方面加以思考和轉(zhuǎn)變：

（1）教師應從內(nèi)心深處真正熱愛教學，并具有一定的奉獻精神。高校教師除了日常教學，還需要承擔科研任務，因此很多教師沒有真正用心投入到教學中去，有些只是將教學作為完成基本任務或者必需的考核工作量。有學者曾指出“只教學不搞科研的教師，其教學是膚淺的；只搞科研不教學的教師，其科研是空洞的”[4]。因此，如何較好地平衡教學和科研之間的關系，真正回歸教師教學的本源，值得思考。

（2）教師需要走到學生中去，與學生充分融合。讓學生覺得自己是他們真正需要的親切伙伴，同時自己也能從與學生的交往中觸發(fā)一些新的靈感。

（3）教師應側(cè)重思考問題的思路、方式方法的傳授。當今社會，知識爆炸，信息萬變，而傳授給學生思考問題的思路和方法論，可以讓學生以不變應萬變，從而較好地與時俱進。

（4）教師應是課堂的“組織者、指揮家”，而非“播音員或放映員”。以往傳統(tǒng)的教學模式，過分強調(diào)教師單向傳授知識的主體作用，而不能激發(fā)學生的學習動機，喚起學生的求知欲望。因此，教師需要通過合理的課堂組織，讓學生參與到教學過程中來，構建以“學”為主體的教學模式。

（5）教師應引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題意識，用“問題”來點燃學生的智慧之火、創(chuàng)新機能。

1.1.2 教學模式創(chuàng)新

當教師在教學理念上能充分地認識到以“學”為主體的重要性，則原先習慣采用“傳遞—接受式”的灌輸教學模式就需要作出調(diào)整。筆者建議教師可在實際教學的過程中，嘗試靈活采用如下幾種新型的教學模式[5]：

（1）啟發(fā)引導式。學生是學習的主體，因此學生的興趣和態(tài)度決定了教師傳遞的知識能否被真正的接受、理解和反饋[6]。而啟發(fā)引導式教學模式能夠充分激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。

由于“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”這門課程本身物理概念較為抽象、理論邏輯性較強、數(shù)值公式冗長枯燥，教師必須采用多種手段（如多媒體、工程案例、學科前沿熱點等）激發(fā)學生的學習興趣。比如在講解課程緒論階段時，應先列舉出身邊多個與流動和傳熱數(shù)值計算相關的案例（如各種飛行器的外形設計、飛船再入大氣層表面的熱防護、船舶減租、汽車外形優(yōu)化、天氣預報等），并應用多媒體技術盡量多展示能動專業(yè)數(shù)值計算相關的成果案例，讓學生不但對這門課充滿好奇心和求知欲，同時也要讓學生知道學好本門課對今后從事專業(yè)相關工作的重要意義。

在講解具體知識點時，教師不應直接告訴學生結果或者結論，而是應該盡量設定好知識點有效的情境條件，然后充分調(diào)動學生的主動性，給予學生獨立思考的時間，讓他們通過自身的感知、經(jīng)驗和推理得出結論。如在講解不同類型的控制方程（橢圓型、拋物線型、雙曲線型）影響域和依賴域時，可通過引導學生回憶感知人在不同參照系下對雷、電在空氣中的傳播過程，進而推理獲得期望的結論。

（2）歸納與演繹式。歸納和演繹是人類認識事物和從事科學活動一種邏輯思維方法。人類的認識活動，總是先接觸到個別事物，爾后推及歸納出一般，又從一般演繹出個別，如此循環(huán)往復，使認識不斷深化。

在傳統(tǒng)以“教”為主導的教學模式中，教師自身總是在不經(jīng)意間使用了歸納和演繹法，但往往忽視了對學生這種思維方式的訓練。新形勢下，教師應該主動完成從單純的授之以“魚”到授之以“漁”的觀念轉(zhuǎn)變，應強調(diào)學生的主體作用，讓學生實際參與到歸納和演繹的過程中去。這樣不但使得學生積極參與了教學的過程，主動掌握了知識，而且鍛煉了學生的邏輯思維和創(chuàng)新能力。比如先對學生分組，讓每組的學生進行不同參數(shù)圓柱繞流數(shù)值實驗，再通過頭腦風暴的方式，總結歸檔卡門渦街的運動規(guī)律及影響因素。再比如在講解不同形式的流體控制方程時（微分、積分、守恒、非守恒），可針對一種形式的方程給出推導的思路和方法，講解每一項的物理意義，然后給出其他形式的方程建模思路和最終表達形式。具體的演繹過程可嘗試讓學生自己訓練完成，教師應引導學生思考不同形式方程相互轉(zhuǎn)化及每一項的物理意義。此外，還應訓練學生推演在什么條件下實現(xiàn)方程的簡化，掌握如何從一般到特殊的過程。

（3）應用導向式。理工院校的能動專業(yè)學生應注重應用能力的培養(yǎng)。因此，“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”的教學必須與工程實踐相結合，這樣一方面可以激發(fā)學生的學習興趣，另一方面促進學生能將學到的理論知識應用到實際工程問題中，真正做到學以致用。

教師在應用導向式思維的指導下，必須充分地準備與每個知識點相應的實際工程應用案例，通過案例的導入、激發(fā)學生的學習興趣，再訓練學生掌握一步步將復雜工程問題簡化建模的思路，最后再歸納總結與相應的理論知識之間的關聯(lián)。比如在分析燃煤鍋爐燃燒時，可先給出數(shù)值計算爐膛內(nèi)燃燒組分分布、溫度場分布的圖片，然后引導學生思考這個數(shù)值計算過程考慮了哪些因素，忽略了哪些因素？從而建立合理的數(shù)值計算簡化幾何模型和數(shù)學模型。

在應用導向式教學過程中，教師還應注重加強學生實際動手能力的訓練。因此一個好的改革目標是合理編排與課程相適應的案例內(nèi)容，讓學生同步進行計算機實驗訓練。這能讓學生將剛學到的知識馬上通過自己的實踐加以檢驗，增強了學生對問題認識的深度，同時也讓學生有了相當?shù)某删透校瑥亩M一步加強了學生學好該課程的自信心。

（4）探究式。探究式教學方法是指在教師的引導下，以學生為主體，讓學生自覺地、主動地探索，掌握認識和解決問題的方法和步驟，研究客觀事物的屬性，發(fā)現(xiàn)事物發(fā)展的起因和事物內(nèi)部的聯(lián)系，并從中找出規(guī)律[7]。顯然，這種方法更多地強調(diào)學生的主觀能動性，對學生本身的綜合素質(zhì)和自學能力要求較高，教師起到組織和適時引導幫助的作用。

在“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”的教學過程中，也可以針對特定的專題和特定的學生群體嘗試采用探究式教學方法，著力培育一批具有創(chuàng)新能力的研究型人才。比如老師可以在教學中間階段設定幾個經(jīng)典的或者學科領域前沿的專題，讓一部分學有余力的學生通過課程的學習、文獻的調(diào)研和閱讀、定期的交流和指導，對設定的專題有較為深入的理解和認識，掌握從事科研活動基本的方法，激發(fā)學生可能從事科研活動樂趣。比如，筆者針對霧霾、病毒等社會熱點問題，嘗試讓一部分感興趣的學生采用數(shù)值實驗的方法，模擬污染環(huán)境的空氣對人的呼吸道的影響。

1.2 教學內(nèi)容、方法和考核辦法創(chuàng)新

1.2.1 教學內(nèi)容調(diào)整

針對“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程，為了能適應能動專業(yè)學生的培養(yǎng)目標，著重培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合應用能力，筆者在實際教學過程中將教學內(nèi)容作了較大調(diào)整。經(jīng)過幾個學期的教學實踐，最后的教學效果有了很好的反饋。教學內(nèi)容調(diào)整主要包括如下幾個方面：

（1）理論部分總體保持知識點的完整性，側(cè)重思路、概念、物理意義和流程的講解。如緒論部分側(cè)重列舉數(shù)值計算的應用案例，特別是自己科研項目相關的案例，側(cè)重回答：什么是CFD？為什么要學習CFD？CFD能解決什么問題？主要的研究方法有哪些？控制方程形式及其性質(zhì)部分則著重回答建模的思路和物理意義，數(shù)值計算采用守恒形式的優(yōu)勢，不同形式方程的解的依賴和影響。方程的離散格式部分著重講解格式對解的穩(wěn)定性，精度，收斂區(qū)間。代數(shù)方程求解部分側(cè)重迭代求解，Simple求解器和耦合求解器。湍流模型部分側(cè)重講解為什么需要湍流模型？目前常用的湍流模型優(yōu)缺點等。

（2）案例應用環(huán)節(jié)以分專題的形式，著重建模思路、實踐應用技能的訓練。如以不可壓（泵、風機）、可壓縮（壓氣機、透平）為例，講解旋轉(zhuǎn)機械的數(shù)值實驗方法；以密閉加熱爐為例，講解（自然對流、強迫對流、輻射、共軛傳熱）；以攪拌器為例，講解（多相流動、自由面、化學反應、空化等）；以閥門開啟關閉過程為例，講解（動網(wǎng)格、流固耦合、參數(shù)優(yōu)化、二次開發(fā)）等。

（3）理論與實踐相結合，強化培養(yǎng)學生的工程意識。通過講解數(shù)值實驗在能動專業(yè)的實際應用案例，引導學生把握工程整體觀念，不斷強化理論與實踐的結合能力。

（4）設定學科前沿、社會熱點中的專題，引導訓練學生創(chuàng)新思維，獨立思考和解決問題的能力。如環(huán)境污染專題，生命健康和病毒傳播專題，燃料電池專題、直流驅(qū)動電機專題、新能源開發(fā)專題中的數(shù)值計算相關問題。

1.2.2 教學方法變革

教師在自身完成了教學理念、模式和內(nèi)容調(diào)整后，在教學方法上也需要作出相應的變革。

（1）以“啟發(fā)引導、歸納與演繹、應用導向、探究等”教學模式為指引，根據(jù)教學內(nèi)容的不同，靈活采用講解、提問、討論、自學、演示、練習等多種教學方法。

（2）主動運用現(xiàn)代化教學手段。教學過程中除常規(guī)教學手段外，積極采用多媒體技術，進行計算機輔助教學，如采用多媒體手寫板推導公式、3D虛擬視覺逼真看實際結構內(nèi)的流動與傳熱等。

（3）注重實踐案例教學。教師示例呈現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的全過程，通過補充延伸案例，再次強化學生實踐應用能力訓練。

1.2.3 考核辦法改變

“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程，曾采用過的考核辦法有開、閉卷考試、專題小論文、上機實踐等。這些方法均無法全面反映學生的綜合能力，也不易于學生創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)。筆者目前采用的考核辦法是針對每個學生今后可能從事或感興趣的方向，通過讓他們自己文獻調(diào)研，在前幾周內(nèi)確定專題。在學期結束時，在課堂上PPT完整講解題目的背景和意義，國內(nèi)外此專題的研究現(xiàn)狀，針對某個方面用學到的數(shù)值計算方法進行了嘗試，取得了什么結論。當然，中途每個學生可與我進行互動討論，但我要求的前提是自己需要先有調(diào)研和想法。最終，每個學生的具體成績由我與學生們評定的綜合加權獲得。經(jīng)幾屆學生的實踐，說明這種考核方法是適合該課程特點的一種較好的考試辦法。它可促進學生掌握數(shù)值實驗的基本內(nèi)容，增強學生實際分析問題和解決問題的能力。

2 幾點體會

通過幾年的教學實踐，在“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程教學改革方面有以下幾點體會：

2.1 盡快完成思路上的轉(zhuǎn)變

思想觀念決定行動。我們應從內(nèi)心深處熱愛我們的學生，就像愛護我們自己的孩子一樣，與學生們充分融合，應側(cè)重學生的創(chuàng)新思路和思維的訓練，傳授他們思考問題的方式和方法，激發(fā)學生的求知欲望和探索新事物的機能。

2.2 靈活運用多種創(chuàng)新型教學模式和方法

在以“學”為主體的框架指導下，教學模式應追求創(chuàng)新，教學手段應靈活多樣。教師應較好地組織學生和課堂教學進程，充分激發(fā)學生的學習興趣、參與感和成就感。

2.3 精心挑選和準備教學案例

案例教學環(huán)節(jié)對于學生實際能力的培養(yǎng)至關重要。教師應精心挑選適合的教學案例。實踐案例應與教學理論知識點緊密關聯(lián)，又具有典型的代表性，能貼近生活、工程實際，或者是學科前沿問題。案例演示環(huán)節(jié)教師應格外需要充分準備，側(cè)重過程和思路的演練、節(jié)奏的有效控制和突發(fā)情況的隨機應變。

3 結束語

為了適應新形勢下，能動專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型、綜合型人才的培養(yǎng)目標，切實提高課堂教學質(zhì)量，筆者以“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程教學為例，結合能動專業(yè)學生和課程的特點，嘗試從教學理念轉(zhuǎn)變、以“學”為主體的教學模式創(chuàng)新、教學內(nèi)容、方法和考核辦法調(diào)整等方面，提出了構建適合能動專業(yè)創(chuàng)新型教學體系的設想。最后，結合筆者對“流動與傳熱的數(shù)值實驗與應用”課程的教學體會，提出了幾點體會和需要注意的地方。