“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”研究生課程教學(xué)體系的構(gòu)建

付在國(guó)，張莉

摘要：基于當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景，結(jié)合能源與動(dòng)力行業(yè)的發(fā)展需求，本文針對(duì)“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”研究生課程，從與教學(xué)體系緊密聯(lián)系的教學(xué)導(dǎo)向、課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)呈現(xiàn)方式三個(gè)方面展開(kāi)了教研嘗試，同時(shí)，提出了以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為核心的教學(xué)導(dǎo)向。此外，還設(shè)計(jì)出了適于“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)并采取了多樣化教學(xué)呈現(xiàn)方式，以期構(gòu)建適應(yīng)時(shí)代背景與行業(yè)發(fā)展需求的課程教學(xué)新體系。最后，本文的研究成果有助于開(kāi)發(fā)類(lèi)似課程，形成優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，改善教學(xué)效果，提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：能源動(dòng)力；“互聯(lián)網(wǎng)+”；教學(xué)體系；數(shù)值傳熱；計(jì)算流體

中圖分類(lèi)號(hào)：TK01；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）35-0188-03

互聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)的結(jié)合催生了“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的理念[1]，為適應(yīng)時(shí)代與教育的發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)出更多高效的課程資源，適應(yīng)課程教學(xué)對(duì)象的需求，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合就顯得非常有必要。當(dāng)前，為應(yīng)對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，眾多學(xué)者已經(jīng)率先從在線課程開(kāi)發(fā)[2]與互聯(lián)網(wǎng)背景下的課堂模式[3]等角度開(kāi)展了相關(guān)研究，但鮮有具體針對(duì)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的研究生課程就如何有效應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展課程教學(xué)的研究。

本文擬以作者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程為例，在善用互聯(lián)網(wǎng)、充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)作用，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的研究生課程教學(xué)的有機(jī)結(jié)合、不發(fā)生本末倒置，在著重培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力的前提下，提出構(gòu)建適應(yīng)時(shí)代背景與行業(yè)需求的課程教學(xué)體系的思路。本文擬從關(guān)鍵的教學(xué)導(dǎo)向以及受其指導(dǎo)的課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)呈現(xiàn)方式等三個(gè)方面展開(kāi)探索，以期可以積極運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)，開(kāi)發(fā)“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程的教學(xué)資源，加強(qiáng)實(shí)踐并改善教學(xué)效果，提高研究生人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

一、課程簡(jiǎn)介與行業(yè)發(fā)展需求

“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程是本校面向能源動(dòng)力類(lèi)動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，該課程偏重于實(shí)際工程應(yīng)用與行業(yè)需求，旨在培養(yǎng)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)值方法解決能動(dòng)領(lǐng)域中常見(jiàn)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的能力，為培養(yǎng)高層次專(zhuān)門(mén)人才而服務(wù)，與國(guó)內(nèi)外類(lèi)似專(zhuān)業(yè)如：機(jī)械工程、能源與動(dòng)力工程等為相關(guān)研究生開(kāi)設(shè)的數(shù)值傳熱學(xué)（NHT）、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）或計(jì)算傳熱學(xué)（CHT）等課程有著相近的課程內(nèi)容和目標(biāo)，主要課程內(nèi)容包括描述傳熱與流體流動(dòng)的控制方程及其通用形式、區(qū)域離散以及有限差分與有限容積法離散控制方程、離散方程的數(shù)學(xué)特性與求解、湍流對(duì)流換熱與湍流模型、實(shí)際工程中流動(dòng)與換熱問(wèn)題的分析與數(shù)值求解等。

課程所面向的能源與動(dòng)力行業(yè)覆蓋范圍較寬，既包括傳統(tǒng)化石能源的利用，又包括當(dāng)前提倡的可再生能源、清潔能源的開(kāi)發(fā)，涉及到的專(zhuān)業(yè)方向眾多。其中，動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)方向主要研究流體機(jī)械、湍流流動(dòng)控制、復(fù)雜流體流動(dòng)與換熱等相關(guān)問(wèn)題。近些年，隨著世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境與節(jié)能的重視，天然氣、太陽(yáng)能、核能、氫燃料電池等的開(kāi)發(fā)利用形成了熱門(mén)話題。同時(shí)，受我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的限制，煤炭的清潔與高效利用技術(shù)也在積極發(fā)展中。可見(jiàn)，我國(guó)能源與動(dòng)力行業(yè)的發(fā)展前景良好，技術(shù)革新快，挑戰(zhàn)也很多，需要大量的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。又因?yàn)槟茉磁c動(dòng)力行業(yè)內(nèi)學(xué)科交叉性強(qiáng)，研究問(wèn)題向超高、低溫或微納尺度等極端方向延伸，故對(duì)這些專(zhuān)門(mén)人才提出了研究基礎(chǔ)扎實(shí)、具有創(chuàng)新研發(fā)能力的新要求。

二、課程教學(xué)體系的構(gòu)建

1.教學(xué)導(dǎo)向的確立。課程教學(xué)中引入“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的創(chuàng)新理念后，其教學(xué)主體并沒(méi)有變化，還是應(yīng)以學(xué)生為中心[4]。同時(shí)，還應(yīng)該借助互聯(lián)網(wǎng)更高效、快捷地分享教學(xué)資源，提供多元化的學(xué)習(xí)與支持服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生活與工作中的普遍應(yīng)用已經(jīng)促使學(xué)生養(yǎng)成通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索資源與學(xué)習(xí)的習(xí)慣，這種無(wú)意識(shí)的影響同樣要求更多開(kāi)放的課程資源以及更多樣的學(xué)習(xí)支持方式與之相適應(yīng)。課程應(yīng)緊密?chē)@學(xué)生，方便其學(xué)習(xí)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生成長(zhǎng)。

在專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的研究生課程教學(xué)中強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用與操作，以促使學(xué)生在實(shí)踐中提高解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力。引入“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的理念后，要讓實(shí)踐融入到課程教學(xué)中，避免僅有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的形式。“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程的教學(xué)涉及能動(dòng)領(lǐng)域諸多實(shí)際問(wèn)題，工程背景深厚，實(shí)踐性強(qiáng)。面向?qū)I(yè)碩士研究生，區(qū)別于本科生與學(xué)術(shù)型碩士的培養(yǎng)，實(shí)踐重于理論，不再是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授。傳統(tǒng)教學(xué)中受時(shí)間與空間等限制，無(wú)法廣泛結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，而互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，方便了課程教學(xué)中的信息共享，如復(fù)雜工程案例的講解、數(shù)值計(jì)算程序的編制、商業(yè)軟件的使用等，均可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)方便地展開(kāi)實(shí)踐性教學(xué)。

2.課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。基于上述“以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為核心”的教學(xué)導(dǎo)向，針對(duì)以實(shí)踐訓(xùn)練為主導(dǎo)的課程特征，可采取模塊化課程教學(xué)內(nèi)容的方法，并借助于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出適合于互聯(lián)網(wǎng)與專(zhuān)業(yè)性?xún)蓚€(gè)背景的合理教學(xué)框架與內(nèi)容。

（1）模塊化內(nèi)容。研究生課程多具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，而且注重知識(shí)的綜合應(yīng)用。課程可選的教學(xué)內(nèi)容非常豐富，往往需要仔細(xì)甄別并按邏輯與層次來(lái)進(jìn)行安排。如“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程涉及的數(shù)學(xué)理論知識(shí)與推導(dǎo)較多，很容易在教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入純數(shù)學(xué)推導(dǎo)的誤區(qū)。采用模塊化的方法，在課程前期專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及流體流動(dòng)與傳熱基本理論的模塊后，可保證該課程關(guān)注流動(dòng)與傳熱規(guī)律的本質(zhì)。從邏輯上講，后續(xù)可安排數(shù)值求解與實(shí)例分析等模塊，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)研究案例中關(guān)鍵問(wèn)題及核心方法的理解。模塊化的內(nèi)容便于學(xué)生分頭處理，自主加強(qiáng)對(duì)弱勢(shì)模塊的學(xué)習(xí)，將涵蓋基本概念與原理、研究方法、實(shí)際問(wèn)題求解、物理特性與規(guī)律分析以及研究拓展的多模塊聯(lián)系起來(lái)，真正通過(guò)課程學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究生具有一定創(chuàng)新能力、國(guó)際交流能力以及較強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)要求。

（2）配置網(wǎng)絡(luò)資源。研究生課程除了講授性的理論知識(shí)外，主要為研討性的實(shí)踐內(nèi)容。受課時(shí)與教學(xué)條件的限制，它們往往不能被很好地開(kāi)發(fā)，學(xué)生也得不到相應(yīng)的鍛煉。利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以將工作量較大、需要學(xué)生花時(shí)間鉆研的實(shí)踐內(nèi)容配置成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源，供學(xué)生交互使用。如此，網(wǎng)絡(luò)資源與課堂教育優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，且可將線上與線下資源對(duì)接。此外，這種結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源的新模式還能擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的覆蓋面，促進(jìn)教育公平的實(shí)現(xiàn)。

在“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程教學(xué)中，需要用到較多的如換熱器等能動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算案例，還有針對(duì)經(jīng)典的頂蓋驅(qū)動(dòng)流等問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算程序編制以及對(duì)微尺度流動(dòng)與傳熱等前沿研究的評(píng)價(jià)與討論等內(nèi)容，這些在課堂上往往很難面面俱到，而通過(guò)將實(shí)踐內(nèi)容模塊化且配置成相應(yīng)的工程問(wèn)題解讀、程序編制指導(dǎo)與文獻(xiàn)研討等網(wǎng)絡(luò)資源即可實(shí)現(xiàn)學(xué)生課下的深入學(xué)習(xí)。此外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)還可設(shè)置交互通道，教師可對(duì)學(xué)生在實(shí)踐中遇到的疑問(wèn)與想法做出反饋，開(kāi)展有效地溝通、討論與互動(dòng)，以逐步提高學(xué)生從事科學(xué)研究的能力，這也符合能動(dòng)行業(yè)的發(fā)展需求，會(huì)促使更多研發(fā)型人才的涌現(xiàn)。

3.教學(xué)呈現(xiàn)方式的實(shí)施。已有研究表明，教學(xué)的呈現(xiàn)方式或者是表現(xiàn)形式可以顯著影響教學(xué)效果。為改善教學(xué)效果，研究生課程應(yīng)不再局限于課堂講授模式，可基于課堂與互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，采用多種教學(xué)呈現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)從課堂教學(xué)向網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)轉(zhuǎn)移。目前在教育界作為熱點(diǎn)討論的新方式有慕課（MOOC與SPOC）、微課（MLR）、翻轉(zhuǎn)課堂與對(duì)分課堂等。前面兩種課程形式需要直接利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)呈現(xiàn)課程資源，而后兩者課堂教學(xué)組織形式的開(kāi)展則間接與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，師生可借助于互聯(lián)網(wǎng)在課后開(kāi)展大量的信息整理與消化等工作。在此，不討論例如慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等模式的具體開(kāi)展，著重介紹筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程實(shí)際教學(xué)行動(dòng)中采取的包含這些方式在內(nèi)的多樣化教學(xué)方式。

已實(shí)施的“傳熱與流動(dòng)的數(shù)值分析”課程教學(xué)中，基于已經(jīng)搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，提供多種開(kāi)放資源，包括課程大綱與電子課件、專(zhuān)業(yè)數(shù)值程序、外文文獻(xiàn)注解、工程實(shí)例講解微視頻以及開(kāi)源軟件的使用方法介紹文檔等；結(jié)合課堂討論，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生、教師與教師之間的交互行為；對(duì)于需要?jiǎng)邮皱憻挼膶?shí)踐項(xiàng)目，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上開(kāi)辟公開(kāi)討論區(qū)。這種基于網(wǎng)絡(luò)的研討方式實(shí)現(xiàn)了課下不斷線的交互學(xué)習(xí)，極大地發(fā)揮出了所配置網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)。此外，課堂教學(xué)中學(xué)生可隨時(shí)使用移動(dòng)終端查閱平臺(tái)資源，對(duì)照講授內(nèi)容，理解能動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)一些關(guān)于流動(dòng)與傳熱的前言性科學(xué)問(wèn)題。

多樣化的教學(xué)呈現(xiàn)方式可靈活、有效地展現(xiàn)課程內(nèi)容，實(shí)施教學(xué)活動(dòng)。它在“以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為核心”的導(dǎo)向下，與模塊化內(nèi)容特點(diǎn)相適應(yīng)，充分發(fā)揮出課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，便于專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、信息量大的研究生課程的教學(xué)實(shí)施。

三、結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)迅速發(fā)展并普及的時(shí)代，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的理念必將成為課程教學(xué)創(chuàng)新的立足點(diǎn)。本文結(jié)合具有深厚能源與動(dòng)力行業(yè)背景且專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的研究生課程，初步探討了互聯(lián)網(wǎng)背景下課程教學(xué)體系的構(gòu)建思路。文中所討論的教學(xué)導(dǎo)向、內(nèi)容設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)方式三個(gè)要素的開(kāi)展思路可應(yīng)用于其他類(lèi)似課程的建設(shè)。新體系在后續(xù)教學(xué)管理、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面尚需進(jìn)一步研究，以期創(chuàng)建出更優(yōu)質(zhì)的課程資源，為高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才的培養(yǎng)而服務(wù)。

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