多物理场工程模拟技术项目教学模式改革探讨

丁林 孙悦 吴春梅

摘 要：通过分析传统教学过程中存在问题，基于多物理场工程模拟技术课程实践性和系统性强的特点，提出采用项目式与传统教学相结合的教学方法。以项目研究为载体，引入分层教学设计，使课程教学内容体系与工程实际联系更加密切。将该教学方法在课程中进行实践，鼓励学生广泛参与学习和研究，获得了更为理想的教学效果。证明了该方法能有效培养学生应用和创新能力，并提高团队合作能力。

关键词：项目教学; 多物理场; 分层教学; 模式改革

中图分类号：G64 文献标识码：A    文章编号：1006-3315（2021）4-099-002

一、前言

多物理场工程模拟技术是一门多学科交叉课程，目前为能源与动力工程专业的重要课程。课程主要讲述传热、传质、导电等物理过程的仿真，然后以燃料电池为例详细介绍多物理场间的耦合仿真，同时介绍并分析动力工程专业常涉及的热流耦合、流固耦合、热应力耦合、结构声耦合、流声耦合等多物理场耦合，使学生系统掌握使用仿真软件针对能源应用研究过程中遇到的各种工程问题进行数值建模和分析优化设计的技能。在传统的教师讲授、学生听课、上机练习的授课模式下，课程教学比较枯燥乏味，不利于学生创造性的发挥。同时，由于课程内容涉及面广，学生缺乏对各个知识模块和总体目标的整体理解，容易对重点内容把握不准。经过分析，“多物理场工程模拟技术”是一门理论与实践密切结合的课程，课程具有典型的实践性和系统性特点，与项目式教学模式的特点非常匹配。项目教学法是通过完成完整的工作项目，让学生获得相关知识与技能，并发展职业能力的教学方法[1-3]。工程技术领域里所有的生产过程几乎都可以作为项目[4，5]，因此，在教学实践中，如果能够通过项目将理论知识和实践技能有机结合起来，就能够达到培养学生实际动手能力和分析、解决问题的能力以及创造能力的目的。项目教学是行动导向教学的一种主要形式，项目教学最基本的特点可以归纳为三点[6-9]：一是以学生的兴趣为中心，项目要能激发学生的学习兴趣，具有一定的实用价值：二是解决实际问题，项目要与企业的实际生产过程或现实的商业经营活动有一定的直接关系;三是有确定的目标，项目是明确而具体的成果。

因此，针对多物理场工程模拟技术课程前期教学中存在的问题，采用项目式教学模式与传统教学方法相结合的教学方法进行教学模式改革，并在項目研究式教学中引入分层次研讨的教学环节，鼓励学生广泛参与学习和研究，以期获得更为理想的教学效果。

二、多物理场课程项目架构

项目式教学的核心是项目的选取与课程知识点的契合程度，开展项目式教学之前，教师根据课程知识点给出大量项目实例，引导学生进行自主项目设计。本节给出了“多物理场工程模拟技术”在项目式教学模式探索过程中进行的项目设计。按照点线面的方式分解课程知识点，并以此设计知识点项目、单一案例项目和综合性项目。

1.知识点项目：为了实现对知识点的牢固掌握，先建立与几何结构编辑、网格划分相关项目实例。以三维综合实例为例，给大家讲解几何结构的编辑。并以一个网格划分的综合实例为例，讲解网格的面转换、体转换。几何结构的编辑、网格的划分是多物理场工程模拟技术的基础，通过两个实例的讲解和练习，要求学生掌握三维几何结构的建立和网格划分。

2.单一案例项目：针对单物理场仿真问题，基于动力工程专业领域中所涉及的流动、传热、燃烧、导电等物理场，建立诸如二元混合物的物质扩散、三相混合气体的质量传输、固体氧化物燃料电池阳极中的气体扩散、热交换器中的热传导和热对流模拟、汽车刹车盘在刹车前后温度变化、水杯中的自然对流、复合材料导电率计算、圆柱体绕流等的项目实例。学生通过单一案例项目的上机实践，掌握单个物理场仿真方法，便于向多物理场进行拓展。

3.多物理场综合性项目：动力工程专业特别是能源行业常涉及热流耦合、流固耦合、热应力耦合、结构声耦合、流声耦合等多物理场耦合问题，以此为背景进行多物理场综合性项目的设计十分必要。项目的选择更贴近工程实际，比如管壳式换热器的仿真、散热器强制空气冷却的仿真、流体流动中的悬臂梁振动、变速箱中的振动和噪声、固体氧化燃料电池仿真等。

三、项目式教学与实践

为了进行项目式多物理场工程模拟技术教学，需要考虑的问题首先是选择合适的工程项目或设计主题，对多物理场工程模拟技术教学内容进行重组。在具体的教学实施中，采用借鉴-归纳-总结-设计-实践的组织过程。为了实现对知识点的牢固掌握，在教学的初期阶段主要采用借鉴学习和归纳总结的方式，结合典型项目系统地讨论学习，以零星方式学习相关仿真技术知识。通过归纳总结环节，加深对各个典型项目中关键仿真技术的理解和掌握。通过项目自主设计和仿真实践实现知识和技能的综合灵活运用。结合多物理场工程模拟技术课程特点，对课程的项目式教学方法进行分层设计。

项目式分层教学法在教学的整个过程中逐层深入、时而变化，广泛调动学生的参与热情，使学生成为学习、思考、设计和动手的主体。分阶段进行项目设计，可以归纳为以下几个方面：（1）背景引入阶段：教师在此阶段的重点任务是基于课程知识点选取合适的项目主题，为学生提出项目背景;学生通过教师讲解和资料查阅了解学习主题和项目应用领域。（2）知识铺垫阶段：学生此阶段的重点任务是进行资料查阅和知识梳理，加强师生沟通交流，学习与项目有关的理论知识，对零散学习知识的系统整合与归纳。（3）项目制定和设计阶段：教师根据课程知识点提出具体要求，学生基于项目背景制定项目方案、设计项目模型，明确项目参数和要求，综合利用所学知识进行具体项目设计。（4）项目实施阶段：学生进行项目仿真上机实践，教师负责指导并提供项目咨询，此阶段的重点是在提出项目的基础上，运用知识和技能进行具体实践运用。（5）评价总结阶段：学生进行项目成果展示，教师对学生开展的项目进行评价，并提出建议。（6）知识拓展阶段：教师为学生讲解项目实施过程中未涉及但相关的理论知识和方法，升华学生理论理解。

课程进行项目式教学后，课程考核方式也应进行适当改革。课程的考核方式与课程教学的实施效果密不可分，科学安排最终考核成绩的要素及比例分配，是充分调动学员参与积极性的基础，也是对学员综合学习效果和学习能力的科学评估，能让学员更了解自己的学习状况，指导进一步的学习。多物理场工程模拟技术拟采用理论知识、平时表现、项目成果三者相结合的考核模式，其中项目成果作为最终目标推动学生在实践中深化知识的学习，成果的质量越高，得分越高。在課程的学习和考核环节中，学生在每个方面的努力都有相应的度量机制，来确保最大限度地调动学生的参与热情。

另外，在教学各个环节，教师需要结合课程知识、学生兴趣与社会急需解决的问题;以学生的需求和兴趣为出发点，发展学生的自主学习素养，发挥学生的创造思维;让学生主动收集信息，筛选信息，提出问题，教他们如何研究，如何获得一些必要的解决问题的技能;教师一般不给学生结论性的东西，而是要求学生充分利用手中的资源自主学习;教会他们如何管理好自己的时间;在遇到问题时，鼓励学生努力寻找解决问题的办法，为自己的项目研究提出下一步的决策;鼓励和支持团队合作。

四、项目式教学效果分析

采用项目式教学方法，使整合后的多物理场工程模拟技术教学内容体系与实际系统联系更加密切，使学生学习目的更为明确，更有系统针对性;教学过程循序渐进，项目式分层教学根据教学过程的特点而变化，不断深入实际，提高学生的参与热情和积极性;以实践为导向、教师为主导、学生为主体，培养创新型人才，提升学生沟通能力、批判性思维、创新能力、团队合作能力。

项目式教学注重学生应用能力和创新能力的培养。在实际的课程教学过程中注意理论联系实际，注重工程应用。教材内容和工程实践有机联系。鼓励学生分享、讲解自己的项目解决思路和方法，其他同学评判和讨论;同时使学生考虑工程实际中如何应用多物理场仿真的知识解决实际问题，鼓励学生构思的创新性。通过各抒己见、对比分析，激发学生的学习兴趣，使学生充分掌握多物理场仿真的方法，加强学生理论联系实际、提高科学素质的能力。

学生围绕特定项目主体展开实践探究，在项目实施及分层次研讨过程中构建起新的知识体系，掌握一定的问题分析技能;项目实施过程中学生将使用各种认知工具和信息资源来支撑他们的学习，实践结束后将产生一系列或一个整体作品;项目式分层教学，强调学习的实践性，让学生在实践中体验并提高处理相关信息的能力;教学与学习过程中强调团队协作，组成一个学习共同体，为完成任务和项目而共同努力，成员之间将建立密切合作关系，提高学生团队合作能力。

五、结语

多物理场工程模拟技术是一门多学科交叉课程，具有典型的实践性和系统性特点。采用项目式分层教学模式进行教学改革，基于课程知识点和专业特点构建合理的课程项目实例，引导学生自主进行项目设计，在项目实践过程中学习和掌握多物理场耦合知识和仿真方法。项目式教学方法的实施，使课程教学内容体系与实际系统联系更加密切，有效培养学生应用和创新能力，提高团队合作能力。

基金项目：重庆市教育教学改革项目：No.yjg183009

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