三維動(dòng)畫(huà)在“食品工程原理”理論教學(xué)中的應(yīng)用

張樂(lè)道，劉云宏，任廣躍，段 續(xù)，樊金玲，于慧春

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)是教學(xué)過(guò)程2個(gè)關(guān)鍵要素。學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程是教學(xué)的核心，可以使學(xué)生掌握知識(shí)、培養(yǎng)能力、開(kāi)發(fā)潛質(zhì)、體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣[1]。在教學(xué)過(guò)程中，要樹(shù)立“以學(xué)生為中心”的理念，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使他們成為主體，要為學(xué)生留出足夠的時(shí)間和空間，使得學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過(guò)程[2]。

“食品工程原理”是食品科學(xué)與工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，主要講授流體流動(dòng)、傳熱、蒸發(fā)、干燥等食品企業(yè)常用的單元操作機(jī)理及設(shè)備，是一門(mén)理論性和實(shí)踐性結(jié)合緊密的課程。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)需要具有良好的物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)并能綜合理解、運(yùn)用這些知識(shí)的能力[3-6]。該課程難度較大，學(xué)生接受重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容吃力、不透徹，導(dǎo)致讓學(xué)生運(yùn)用工程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。

三維模型顯示的物體可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的物體和人為設(shè)想的概念都可以用三維模型表示。將三維模型運(yùn)用到抽象概念多、難點(diǎn)多的“食品工程原理”課程當(dāng)中，正迎合了2012年3月教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[7]提出的推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合的要求。

如能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，則能有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，必將有利于提高學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐能力，有利于OBE（Outcome Based Education）[8]教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，并為提升課程建設(shè)和深化教育教學(xué)改革提供強(qiáng)有力的支持。筆者多年來(lái)從事食品工程原理課程教學(xué)工作，對(duì)如何能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行了制作三維模型的嘗試，旨在促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的提高。

1 抽象內(nèi)容適宜通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)展示

抽象內(nèi)容通過(guò)教師在課堂上的講解很難達(dá)到學(xué)生理解的效果。如連續(xù)介質(zhì)理論，它是流體流動(dòng)與輸送部分的基礎(chǔ)概念，需要讓學(xué)生理解大量的做無(wú)序隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的分子構(gòu)成了流體，分子之間有一定的間隙，如常壓常溫下的氣體，分子間的距離約為3.3×10-9m，是不連續(xù)的，物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)也不是連續(xù)分布的。此時(shí)引入一種處理方法，即引入流體微團(tuán)的概念，以其尺度遠(yuǎn)小于流體的宏觀尺度，而又遠(yuǎn)大于分子平均自由程的流體微團(tuán)作為考察對(duì)象，則可認(rèn)為流體是由大量的彼此間無(wú)間隙的流體質(zhì)點(diǎn)組成，流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)布滿整個(gè)流體空間，從而流體是由連續(xù)的流體微團(tuán)構(gòu)成，流體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)是連續(xù)分布的，這就是連續(xù)介質(zhì)假定。

在這里要讓學(xué)生理解常溫常壓下氣體的分子自由程與流動(dòng)尺度的比值，是較小的（小于10-3），連續(xù)介質(zhì)理論適用。若稀薄氣體（分子自由程大），或者流動(dòng)尺度很小的情況，分子自由程與流動(dòng)尺度比值較大（大于10-3），則連續(xù)介質(zhì)理論不再適用。推理出如下結(jié)論：連續(xù)介質(zhì)假定對(duì)絕大多數(shù)流體都適用，但是當(dāng)流動(dòng)體系的特征尺寸與分子自由程相當(dāng)時(shí)，如微孔中高真空稀薄氣體的流動(dòng)，連續(xù)介質(zhì)即受到限制而不能應(yīng)用。

由于學(xué)生上課之前沒(méi)有接觸過(guò)流動(dòng)尺度的概念，不清楚流動(dòng)尺度指的是什么，整個(gè)理論聽(tīng)下來(lái)難以理解，只記得結(jié)論。若將整個(gè)理論以三維動(dòng)畫(huà)的形式展示，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)說(shuō)明流體本來(lái)的不連續(xù)性，引入微團(tuán)結(jié)構(gòu)近似看作連續(xù)，把分子自由程和流動(dòng)尺度等概念形象的顯示，則學(xué)生必然會(huì)對(duì)這個(gè)抽象而重要的理論有深刻的認(rèn)識(shí)，能夠獨(dú)自推理適用或者不適用連續(xù)介質(zhì)理論的情況。

2 重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的工程應(yīng)用背景與三維動(dòng)畫(huà)相結(jié)合

若忽略對(duì)學(xué)生工程觀點(diǎn)的培養(yǎng)，必然導(dǎo)致學(xué)生工作之后工程意識(shí)淡薄、創(chuàng)新能力不足[3]。科學(xué)的發(fā)掘重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的工程應(yīng)用背景，將這些背景與三維動(dòng)畫(huà)相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)動(dòng)畫(huà)所述重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。發(fā)掘重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的工程應(yīng)用背景對(duì)教師的工程應(yīng)用能力要求非常高，不僅專業(yè)要精深，還要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)目前工程中存在的問(wèn)題，并由這些問(wèn)題引出了一些重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，工程師解決重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題的思路。與三維動(dòng)畫(huà)相結(jié)合，最終做到“授之以漁”的工程教學(xué)目標(biāo)。

3 重點(diǎn)內(nèi)容適宜通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)展示

“食品工程原理”的課程特點(diǎn)注定其中的重點(diǎn)內(nèi)容晦澀難懂，學(xué)生往往聽(tīng)得一頭霧水，需要依靠大量的習(xí)題才能深入理解重點(diǎn)內(nèi)容。如流體流動(dòng)的質(zhì)量衡算和能量衡算部分中的能量衡算，通過(guò)能量衡算推導(dǎo)出伯努利方程。其中，能量衡算晦澀難懂，伯努利方程的應(yīng)用注意事項(xiàng)有很多，使得學(xué)生很難在課堂上消化吸收。若將這個(gè)過(guò)程以三維動(dòng)畫(huà)的形式展現(xiàn)，以視覺(jué)沖擊的方式讓學(xué)生更直觀地看到進(jìn)入系統(tǒng)的能量、流出系統(tǒng)的能量，穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能量守恒，得出等式。學(xué)生必然對(duì)得出的等式記憶深刻、理解到位。等式當(dāng)中的項(xiàng)在什么情況下舍去，以三維動(dòng)畫(huà)的形式直觀表現(xiàn)出來(lái)，可以幫助學(xué)生深入理解方程式當(dāng)中的各項(xiàng)。

4 引導(dǎo)學(xué)生用批判性思維看待動(dòng)畫(huà)

批判性思維是一種人生態(tài)度，一種思維傾向。任何觀點(diǎn)或思想都可以而且應(yīng)該受到質(zhì)疑和批判；任何觀點(diǎn)或思想都應(yīng)該通過(guò)理性的論證來(lái)為自身辯護(hù)；在理性和邏輯面前，任何人或任何思想都沒(méi)有對(duì)于質(zhì)疑、批判的豁免權(quán)。“把一切送上理智的法庭”是批判性思維的基本主張和口號(hào)。

“食品工程原理”是一門(mén)與工程實(shí)踐緊密相關(guān)的課程，其中的很多知識(shí)點(diǎn)都是針對(duì)具體工程問(wèn)題而出現(xiàn)的。例如，對(duì)流傳熱中冷凝部分，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)大，而工程設(shè)計(jì)都是按膜狀冷凝進(jìn)行計(jì)算的原因，在總傳熱動(dòng)畫(huà)中沒(méi)有體現(xiàn)冷凝方式，提醒學(xué)生動(dòng)畫(huà)中沒(méi)有展現(xiàn)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，引導(dǎo)學(xué)生深入掌握知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生的工程能力。

5 結(jié)語(yǔ)

提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的關(guān)鍵。根據(jù)“食品工程原理”課程特點(diǎn)，結(jié)合作者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討了通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)提高“食品工程原理”理論教學(xué)過(guò)程中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法。目前，雖然應(yīng)用該方法取得了較好的教學(xué)效果，但在今后的教學(xué)中仍需繼續(xù)改進(jìn)、不斷完善，使教學(xué)質(zhì)量更上一層樓。