以毕业要求为导向的“传输原理”课程教学改革与实践

杜诗文 宋建军

[摘 要] “传输原理”课程是材料成型及控制工程专业的专业基础课程，由于其涉及的数学、物理知识多，在教学过程中存在教师难教，学生难学的特点。围绕工程认证对材料成型及控制工程专业学生的毕业要求，在教学实践过程中，对教学方法、教学内容设计和教学管理等方面进行了探索。通过教学改革，提高学生学习兴趣，多渠道培养学生解决复杂工程问题的能力，提高人才培养质量，达成毕业要求。

[关键词] 传输原理;毕业要求;教学改革

[教改项目] 2019年度太原科技大学校级教改项目“基于逆解与正解相结合的大学生培养方式研究”（JG201924）

[作者简介] 杜诗文（1975—），女，山西晋中人，工学博士，太原科技大学材料科学与工程学院教授，硕士研究生导师，主要从事材料加工先进集成制造技术研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）29-0157-02    [收稿日期] 2019-09-25

一、引言

“传输原理”是我校材料成型及控制工程专业的一门专业基础课程。通过本课程的学习，使学生了解和掌握物质体系内描述其物理量从不平衡状态向平衡状态转移过程的基本规律，熟悉傳输过程的研究方法，使学生能够运用基本知识分析材料成型过程中各因素的影响机理。本课程为改进优化工艺操作和改进设备、提高控制和设计水平打下基础，为后续课程的学习奠定基础。工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度[1]。为适应工程教育新形势，推动我校材料成型及控制工程专业发展，该专业申请并通过了工程教育认证。工程教育认证要求，每一门课程都能够支撑毕业要求的指标点。为了适应工程教育专业认证及“新工科”的建设，“传输原理”课程大纲也不断调整，学时数从最初的64学时，缩减为48学时，最新的教学大纲缩减为32学时，学时数减少的同时，教学内容却并未减少很多[2]。目前大多数高校的“传输原理”课程都面临着学时少，内容多的困境，亟待改革教学方法，提高教学效率。

二、教学现状及问题分析

“传输原理”课程作为一门专业基础理论课，理论性强，内容多，不易理解，难于记忆。主要课程特点为：三多，即：概念多、公式多、知识点多;三难：理解难、记忆难、应用难。这门课总体感觉就是：教师教学费劲，学生学着吃力。目前教学中存在的主要问题如下。

1.教学方法有待改进。目前的教学方法主要采用PPT为主，板书相辅的方法，由于该课程内容抽象、知识点烦琐，单纯讲授，学生无法长时间集中注意力，无法调动学生学习兴趣，教学效果不好。

2.多学科交叉，理论性强。“传输原理”课程涉及的数理知识多，学习起来很枯燥。动量传输本质上是流体力学范畴;热量传输属于物理学中热学范畴;而质量传输和材料科学基础中的扩散部分密不可分。课程中所涉及的物理量都是时间和空间的函数，分析过程中都是针对微分体进行的，所得到的方程为偏微分方程，推导及求解过程都复杂。如果学生前期的高等数学及大学物理基础不好，极易产生理解困难，难以跟上教学进度。

3.知识的体验与应用能力缺乏。本课程以课堂讲授为主，学生没有主动实践的机会。由于课时减少，课程大纲中并未设置实验。另外在教学计划设置上，该课程作为专业基础课，开设时间在专业课之前，学生对专业知识掌握较少，导致学生对与本专业相关的知识应用能力差。

三、教学改革实践

1.对比分析法在课程中的应用。针对理论性强，大量的公式推导等问题，深入方程本质，深入理解其物理意义，采用对比方法强化学生理解和记忆。比如理想流体的动量传输方程欧拉方程和实际流体的动量传输方程纳维尔-斯托克斯方程。动量传输方程推导的依据是牛顿第二定律，所以从物理本质上讲，两个方程都是本质上都是力的平衡方程。方程的区别在于纳维尔-斯托克斯方程适用于实际流体，必须考虑由于黏性力作用带来的力学效应。每个公式推导的前提决定了其适用的范围。同样的对比可用于后续的伯努利方程（实际流体的能量方程与理想流体的能量方程）。课堂讲授的过程中，注重讲解公式推导的依据、思路、方法;关键放在对于公式中每一个物理量的理解，尽量简化公式的数学推导，把握公式的内涵和本质，综合应用量纲分析，化繁为简。

2.类比分析法在课程中的应用。针对公式多，难于记忆的特点，对于公式采用类比分析法。如采用欧拉法描述流场空间的物理量时，每一个物理量都是位置及时间的函数，那么，对空间物理量的求导，会比较复杂。在直角坐标系中，x、y、z都是量纲为L，坐标线为直线且相互正交的坐标量，他们相互之间具有对等性。由此对应的方程也必然具有对等性。由于坐标系中坐标轴的标注是可以互换的，那么在x方向的加速度方程已知的情况下，y方向的方程自然可以类比得到。只需将对应的物理量的坐标进行互换即可。导热中，关于一维稳态导热需要掌握单层平壁、多层平壁、圆筒壁和球壁的导热。与电学中的电阻概念相类比，引入热阻的概念，深入理解导热的驱动力与阻力，方便公式的记忆与理解。

3.实例分析法在课程中的应用。上课时，注重理论联系实际，结合现实生活中有趣的生活实例，激发学生的学习兴趣。还可采用多媒体课件，演示一些基础实验。动量传输中涉及了大量的流体力学基础实验，如雷诺实验、伯努利实验、文丘里流量计校核实验等。尽管无法实际操作，但在课上可以采用多媒体给学生演示一下实验原理和实验过程。对于平板二维稳态导热这种推导过程相当复杂的问题，采用模拟软件，演示其模拟过程，弱化学生对于烦琐公式的推导。

平时注意收集专业相关应用，将科研成果融入教学中，使科研与教学有机统一起来。如在讲授一维非稳态导热第一类边界条件（即表面温度是常数）的问题时，结合高强度板热冲压模具的设计，详细讲解问题的简化及理论求解。热冲压模具，其作用是使板料在模具中成形及冷却，达到对成形件强化处理的方法。在冲压完成之后，要通过埋在模具中的冷却水管进行及时的冷却。这类问题可处理为表面温度为常数的一维非稳态问题，冷却水管距离模具表面的位置即为规定时间内，工件热量刚刚传导到的平面。简化分析之后，可以求出水管位置的理论解。对于一维非稳态导热，第三类边界条件（已知周围介质温度和表面传热系数），以钢板在加热炉内加热为例，相同的问题，课本求解得到的理论解与模拟软件得到的解相对比，强化理解。科研与教学相长，即丰富了教学内容，加强了教学内容的前沿性;同时也真正做到了深入浅出，充分激发学生的学习兴趣，提高学生解决实际工程问题的能力。

4.思维导图在课程中的应用。思维导图是一种可视化的思维工具，具有层次感强、重点突出等特点。利用思维导图，建立强大的基础理论体系，梳理课程的知识点。每一章课程结束后，列出一个知识框架，把该章的知识点用树形图展开，方便学生梳理知识点，构建完善的知识体系。

5.课程考核方式改革。课程考核方式上，减少学生背、记的内容，更加注重对于基础理论及其物理本质的理解。对于涉及数学推导复杂的教学内容，以大作业的形式，强化学生的工程应用能力，弱化公式的理论推导过程。采用软件模拟，以小组为单元提交作业。最终成绩评定为：期末考试成绩+平时成绩+大作业成绩。平时作业围绕课后习题，检验学生对于基础理论及基础知识的掌握能力。期末考试卷以考查学生对于“三传”基本理论及应用基础理论解决工程问题的能力。

参考文献

[1]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017年11月修订）[S].2017：1.

[2]左海滨.《冶金传输原理》教学改革与创新[J].教育教学论坛，2016（50）：87-89.