基于卓越工程师培养计划的《传输原理》课程改革

起华荣　曹建春

摘要：为了适应“卓越工程师计划”的要求，加强对学生工程实践能力和创新能力的培养，实现大学工程教育的理性回归，本文以《传输原理》课程教学改革为例，提出理论教学+数值模拟的教改思路，使教学过程更加生动、直观，同时增加学生动手参与机会，能够提高教学效果和学生的工程实践能力。

关键词：卓越工程师计划；传输原理；数值模拟；课程改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）06-0087-02

《传输原理》是本科材料工程专业卓越工程师培养的新增专业基础课，特点是概念多、公式杂、理论推导繁复。“卓越工程师教育培养计划”[1]要求高等教育遵循“适度指导”[2]原则，不再是“满堂灌”，要“实践+引导”，让学生在动手中学习、思考、掌握知识。老课程面临新问题，如何改，往哪里改，这些探索对中国高校工程教育的理性回归具有重要意义和深刻的影响。

一、传输原理课程现状

昆明理工大学材料学院自2011年开始了材料科学与工程专业的卓越工程师教育改革[3]，在材料工程基础、材料热处理等课程中都进行了教学改革，大幅度减少了理论教学课时，增加了实验教学内容。材料工程基础理论教学由原来的128学时减少为108学时，增加了20个学时的课内实验课程，将定向凝固、真空镀膜、鎂合金熔炼等实验引入课堂教学中，取得了良好的教学效果。但传输原理课程由于内容涵盖面广，公式、定理众多，理论教学任务重，所以一直都只能以满黑板的理论公式推导作为主要授课方式，由于实训场地、费用限制等因素，很难为传输原理课程建立学以致用的专业实训平台。

二、教学改革的内容

（一）教学大纲的修订

为了提高学生的工程能力和创新能力，学校对传输原理教学体系进行了改革，在保证正常教学课时的基础上，压缩理论教学，增加数值模拟实训课时。首先对教学大纲和教学内容进行了修订，传输课程理论讲授课时由原来的48学时减少为32学时，增加16学时的数值模拟课程。课堂教学只负责把传热、传质、流体运动的基本原理、基本公式、基本概念讲清楚，而一些典型的传输过程则以工程实例的方式，采用ANSYS平台下的Fluent模拟软件来演示和讲解，教会学生Fluent建模、前处理、参数赋值、结果分析等基本技巧，同时将型钢热轧加热炉传热模型、真空负压铸造充型过程、旋风除尘器收尘原理、真空扩散焊界面区域组织演变等以教学实例的方式发给学生，让学生自己运行计算机辅助模拟计算，自主改变相关参数，获得不同结果，使学生具备综合运用所学知识独立进行传热、传质、流动分析的技能，培养学生理论联系实际地分析问题、解决问题的能力，同时根据具体要求，进行相应的设计计算。

（二）教学内容和教学方式的改变

为了适应教学课时减少的情况，学校在新的教学内容中增加了热处理过程中三维非稳态传热模型及计算，圆管中的固液两相流，热交换器中的绕流及热交换，铜、铅金属界面的热扩散过程等内容的讲授，减少了高维传输过程理论推导及讲授。在原有的教学中，原理、定理、公式讲得多，缺乏联系材料科学与工程实际的工艺分析，特别是缺乏结合图像、视频、曲线、表格的具体过程分析展示，使得课程内容枯燥、晦涩难懂，为了解决这些问题，教师将成熟的数值模拟技术引入课程教学过程中，既解决了实践教学方面实训场地、经费、安全、组织联系等方面的限制，又让学生掌握了传输原理的三个典型过程：传热、传质、流体运动的物理本质，并能够通过自行改变模型参数，更加深刻地感受传输过程的奇妙及各参数对传输过程的作用效果，提高了学生的学习兴趣。

（三）加强实践和创新能力

“授人以鱼，不如授人以渔”[4，5]，通过传输原理教给学生的应该是一个可以网到“鱼”的“渔”，而不是网住自己的“渔”。所以课程改革决定打破原有封闭的教学体系，设计成一个两头开放的体系，向老师开放，让老师可以不断丰富教学内容。向学生开放，让学生可以自主控制传输过程，加深对知识的理解，从而提高解决实践问题的能力。结合数值模拟之后，传输原理给学生提供的不再是枯燥的原理、公式，而是活生生的流动、传热与传质，这对加强学生的实践能力有重要的意义。一个模型建好后，学生可以通过改变温度边界条件，改变材料形状、材质、尺寸直观地看到温度场、速度场、流场的变化，这样的变化按照以往的理论解法，需要漫长的求解和近似处理，而且极易出错，结果抽象，而借助数值模拟技术，瞬间就可以获得所需要的结果画面，可以动态再现区域内各个节点的参数变化过程，这对学生自主开展科学研究提供了便利，为学生结合不同材料、不同工艺，进行各种创新性研究提供了条件。

（四）完善讲义及课件建设

为了提高传输原理的教学质量，学校将传输原理的教案理论部分压缩，在教学日历上安排专门的软件学习时间，修改教学大纲，将ANSYS平台的Fluent软件实习列为实验学习同等的位置，编写相应的上机操作讲义内容、作业要求及评分标准。将传输原理的典型传输过程建立数值模型，将计算结果填充到讲义中。以工程实例为基础，建立型钢热轧加热炉传热、真空负压铸造充型过程、旋风除尘器收尘原理、真空扩散焊界面区域组织演变等典型计算模型，让学生通过调整相关参数，自主改变计算结果，并能够对照课本知识对不同结果给出合理的解释。

（五）加强工程师进课堂活动

教会小鹰飞翔的当然还得是老鹰。要培养卓越的工程师，离不开来自企业界的现任工程师们的帮助。为此，学校从昆钢、云铜、云铝等大型国有企业邀请来了热能工程师、铸造工程师、热处理工程师，他们有着丰富的工作经历和实践经验，既熟悉传统的工艺和技术，又在实践中应用了新技术和新设备，将企业实践中遇到的典型问题与传输原理的基本理论相结合[6]进行讲解，对提高学生的学习积极性，加强理论联系实际的能力有着显著的作用。

（六）考核方式的改革

目前采取的考核方式为“平时成绩30%+卷面成绩70%”的方式，缺少对实践能力的考核，无法判断学生学习本门课程之后具备的解决实际问题的能力及水平。将数值模拟作为实训内容引入课堂教学之后，需加强卓越班的实践能力考核。一方面，理论考试部分增加复杂工程问题的考核；另一方面，将平时成绩分出20%，用于考核学生完成指定的数值模拟作业，并根据模拟结果创造性地提出自己的解决方案，根据模型建立情况、计算结果分析的合理性，给予综合评分，制定实训部分成绩评定依据。

三、结语

传输原理课程教学改革的创新之处在于在教学内容上压缩了烦琐的公式推导、理论计算，引入了当前应用广泛且成熟可靠的数值模拟技术，做到老师易上，学生易懂，切实加强了学生的实践能力和创新能力的培养，取得了良好的效果，符合国家“卓越工程师培养计划”的要求。

参考文献：

[1]顾建平，徐振钦，夏细明，等.卓越工程师教育培养计划背景下的才力学课程教学改革[J].中国冶金教育，2015，（1）：20-22.

[2]韩奕，李新华，许薇，等.依托行业背景的卓越工程师教育培养计划实践[J].教育教学论坛，2017，（25）：1674-9324.

[3]刘荣佩，张林洪.本科卓越材料工程师培养的探索与思考[J].中国校外教育，2013，（05）：42-62.

[4]包全合，斯松华，程广平.基于卓越工程师计划的材料热处理课程改革[J].科技创新导报，2015，（28）：184-185.

[5]王宇，刘永军，宋岩升.基于卓越工程师计划的土木工程专业结构力学课程教学改革[J].教育现代化，2017，（5）：17-19.

[6]刑恩辉，马国清，牟向东，等.卓越工程师计划本科生实踐能力培养模式与途径研究[J].高教学刊，2017，（12）：4-49.