基于卓越工程師培養計劃的《傳輸原理》課程改革

起華榮　曹建春

摘要：為了適應“卓越工程師計劃”的要求，加強對學生工程實踐能力和創新能力的培養，實現大學工程教育的理性回歸，本文以《傳輸原理》課程教學改革為例，提出理論教學+數值模擬的教改思路，使教學過程更加生動、直觀，同時增加學生動手參與機會，能夠提高教學效果和學生的工程實踐能力。

關鍵詞：卓越工程師計劃；傳輸原理；數值模擬；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）06-0087-02

《傳輸原理》是本科材料工程專業卓越工程師培養的新增專業基礎課，特點是概念多、公式雜、理論推導繁復。“卓越工程師教育培養計劃”[1]要求高等教育遵循“適度指導”[2]原則，不再是“滿堂灌”，要“實踐+引導”，讓學生在動手中學習、思考、掌握知識。老課程面臨新問題，如何改，往哪里改，這些探索對中國高校工程教育的理性回歸具有重要意義和深刻的影響。

一、傳輸原理課程現狀

昆明理工大學材料學院自2011年開始了材料科學與工程專業的卓越工程師教育改革[3]，在材料工程基礎、材料熱處理等課程中都進行了教學改革，大幅度減少了理論教學課時，增加了實驗教學內容。材料工程基礎理論教學由原來的128學時減少為108學時，增加了20個學時的課內實驗課程，將定向凝固、真空鍍膜、鎂合金熔煉等實驗引入課堂教學中，取得了良好的教學效果。但傳輸原理課程由于內容涵蓋面廣，公式、定理眾多，理論教學任務重，所以一直都只能以滿黑板的理論公式推導作為主要授課方式，由于實訓場地、費用限制等因素，很難為傳輸原理課程建立學以致用的專業實訓平臺。

二、教學改革的內容

（一）教學大綱的修訂

為了提高學生的工程能力和創新能力，學校對傳輸原理教學體系進行了改革，在保證正常教學課時的基礎上，壓縮理論教學，增加數值模擬實訓課時。首先對教學大綱和教學內容進行了修訂，傳輸課程理論講授課時由原來的48學時減少為32學時，增加16學時的數值模擬課程。課堂教學只負責把傳熱、傳質、流體運動的基本原理、基本公式、基本概念講清楚，而一些典型的傳輸過程則以工程實例的方式，采用ANSYS平臺下的Fluent模擬軟件來演示和講解，教會學生Fluent建模、前處理、參數賦值、結果分析等基本技巧，同時將型鋼熱軋加熱爐傳熱模型、真空負壓鑄造充型過程、旋風除塵器收塵原理、真空擴散焊界面區域組織演變等以教學實例的方式發給學生，讓學生自己運行計算機輔助模擬計算，自主改變相關參數，獲得不同結果，使學生具備綜合運用所學知識獨立進行傳熱、傳質、流動分析的技能，培養學生理論聯系實際地分析問題、解決問題的能力，同時根據具體要求，進行相應的設計計算。

（二）教學內容和教學方式的改變

為了適應教學課時減少的情況，學校在新的教學內容中增加了熱處理過程中三維非穩態傳熱模型及計算，圓管中的固液兩相流，熱交換器中的繞流及熱交換，銅、鉛金屬界面的熱擴散過程等內容的講授，減少了高維傳輸過程理論推導及講授。在原有的教學中，原理、定理、公式講得多，缺乏聯系材料科學與工程實際的工藝分析，特別是缺乏結合圖像、視頻、曲線、表格的具體過程分析展示，使得課程內容枯燥、晦澀難懂，為了解決這些問題，教師將成熟的數值模擬技術引入課程教學過程中，既解決了實踐教學方面實訓場地、經費、安全、組織聯系等方面的限制，又讓學生掌握了傳輸原理的三個典型過程：傳熱、傳質、流體運動的物理本質，并能夠通過自行改變模型參數，更加深刻地感受傳輸過程的奇妙及各參數對傳輸過程的作用效果，提高了學生的學習興趣。

（三）加強實踐和創新能力

“授人以魚，不如授人以漁”[4，5]，通過傳輸原理教給學生的應該是一個可以網到“魚”的“漁”，而不是網住自己的“漁”。所以課程改革決定打破原有封閉的教學體系，設計成一個兩頭開放的體系，向老師開放，讓老師可以不斷豐富教學內容。向學生開放，讓學生可以自主控制傳輸過程，加深對知識的理解，從而提高解決實踐問題的能力。結合數值模擬之后，傳輸原理給學生提供的不再是枯燥的原理、公式，而是活生生的流動、傳熱與傳質，這對加強學生的實踐能力有重要的意義。一個模型建好后，學生可以通過改變溫度邊界條件，改變材料形狀、材質、尺寸直觀地看到溫度場、速度場、流場的變化，這樣的變化按照以往的理論解法，需要漫長的求解和近似處理，而且極易出錯，結果抽象，而借助數值模擬技術，瞬間就可以獲得所需要的結果畫面，可以動態再現區域內各個節點的參數變化過程，這對學生自主開展科學研究提供了便利，為學生結合不同材料、不同工藝，進行各種創新性研究提供了條件。

（四）完善講義及課件建設

為了提高傳輸原理的教學質量，學校將傳輸原理的教案理論部分壓縮，在教學日歷上安排專門的軟件學習時間，修改教學大綱，將ANSYS平臺的Fluent軟件實習列為實驗學習同等的位置，編寫相應的上機操作講義內容、作業要求及評分標準。將傳輸原理的典型傳輸過程建立數值模型，將計算結果填充到講義中。以工程實例為基礎，建立型鋼熱軋加熱爐傳熱、真空負壓鑄造充型過程、旋風除塵器收塵原理、真空擴散焊界面區域組織演變等典型計算模型，讓學生通過調整相關參數，自主改變計算結果，并能夠對照課本知識對不同結果給出合理的解釋。

（五）加強工程師進課堂活動

教會小鷹飛翔的當然還得是老鷹。要培養卓越的工程師，離不開來自企業界的現任工程師們的幫助。為此，學校從昆鋼、云銅、云鋁等大型國有企業邀請來了熱能工程師、鑄造工程師、熱處理工程師，他們有著豐富的工作經歷和實踐經驗，既熟悉傳統的工藝和技術，又在實踐中應用了新技術和新設備，將企業實踐中遇到的典型問題與傳輸原理的基本理論相結合[6]進行講解，對提高學生的學習積極性，加強理論聯系實際的能力有著顯著的作用。

（六）考核方式的改革

目前采取的考核方式為“平時成績30%+卷面成績70%”的方式，缺少對實踐能力的考核，無法判斷學生學習本門課程之后具備的解決實際問題的能力及水平。將數值模擬作為實訓內容引入課堂教學之后，需加強卓越班的實踐能力考核。一方面，理論考試部分增加復雜工程問題的考核；另一方面，將平時成績分出20%，用于考核學生完成指定的數值模擬作業，并根據模擬結果創造性地提出自己的解決方案，根據模型建立情況、計算結果分析的合理性，給予綜合評分，制定實訓部分成績評定依據。

三、結語

傳輸原理課程教學改革的創新之處在于在教學內容上壓縮了煩瑣的公式推導、理論計算，引入了當前應用廣泛且成熟可靠的數值模擬技術，做到老師易上，學生易懂，切實加強了學生的實踐能力和創新能力的培養，取得了良好的效果，符合國家“卓越工程師培養計劃”的要求。

參考文獻：

[1]顧建平，徐振欽，夏細明，等.卓越工程師教育培養計劃背景下的才力學課程教學改革[J].中國冶金教育，2015，（1）：20-22.

[2]韓奕，李新華，許薇，等.依托行業背景的卓越工程師教育培養計劃實踐[J].教育教學論壇，2017，（25）：1674-9324.

[3]劉榮佩，張林洪.本科卓越材料工程師培養的探索與思考[J].中國校外教育，2013，（05）：42-62.

[4]包全合，斯松華，程廣平.基于卓越工程師計劃的材料熱處理課程改革[J].科技創新導報，2015，（28）：184-185.

[5]王宇，劉永軍，宋巖升.基于卓越工程師計劃的土木工程專業結構力學課程教學改革[J].教育現代化，2017，（5）：17-19.

[6]刑恩輝，馬國清，牟向東，等.卓越工程師計劃本科生實踐能力培養模式與途徑研究[J].高教學刊，2017，（12）：4-49.