新工科背景下離心泵串并聯實驗“點火啟發式”教學方法探索

章大海, 周昌靜, 蔣文春, 王麗飛, 王勝軍

(中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580)

一系列國家戰略,如工程教育認證、創新驅動發展、“中國制造2025”等都對新世紀的工科人才培養提出了新的要求[1-2],為此,教育部高教司提出了高等工科教育“新工科”建設的人才培養思路[3]。“新工科”的建設主要包括2個方面,一是要設置和發展一批新興工科專業,以便適應當前產業變革的需要；另一方面就是要改革和創新現有的工科專業的課程教學體系和教學方法[4-5]。在新工科建設的大背景下,工科高校對學生的培養要更加注重工程實踐意識的培養,畢業生不僅要掌握堅實的理論基礎,而且還能勝任流體機械的相關工作,具備發現問題并解決問題的能力。實驗課程對于培養學生的動手能力、創新能力以及鞏固他們在課堂中所學的理論知識體系至關重要,因此,如何在流體機械課程的實驗教學中培養學生的創新能力和科學研究能力就成為在流體機械相關人才培養中的一個重要議題[6-7]。

1 “填鴨式”與“點火式”教學法

古希臘學者普羅塔戈曾說過:“頭腦不是一個要被填滿的容器,而是一束需要被點燃的火把”。這句話在教育中的反映就是教育是把火炬點燃,而不是把容器灌滿[8]。傳統的填鴨灌輸式教學是讓學生的大腦被動地接受知識,而點火啟發式教學是要在教學中充分激發學生大腦意識的主觀能動性,讓學生的大腦主動地反映客觀事實并對此用思維加工。

嚴格意義上,填鴨式教育這個說法在教育學中是并不存在的,但對于傳統的以教師為主導的教學法,都將其視作填鴨式教育。在這種教學法中,教師更多的是訓練學生的簡單記憶和技能,學生的注意力由教師借助課堂紀律來約束集中,學生被動學習,缺少學習的積極性和自律性,對學習缺少興趣。這種教學法必然會導致學生的思考和理解力被不斷地弱化,學習效率低,學生的質疑和創新精神也沒有得到很好的挖掘和激發,面對實際問題和挑戰時,大部分學生會感到無所適從；另一方面,由于每名學生的基礎和接受能力不同,會造成一堂課后學生的學習效果不同,有些學生感覺簡單,有些學生感覺聽不懂,如果教師不能很好地掌握每名學生的學習情況,會導致整體教學效果不盡如人意。

點火啟發式教學,是以啟發學生的思維為核心的一種教學方法,在教學過程中實施的是以學生為主體的教學模式。相對于傳統的填鴨式教學,點火啟發式教學更加注重理論聯系實際,在教學中融入更多的工程實際案例,且在整個的教學過程中要實現教師的主導作用與學生的主動性相結合,為此,必須要以學生為中心,教師要通過各種教學方法和模式,充分調動學生學習的主動性和積極性。在啟發式教學中,教師應從學生的實際出發,因材施教,因人而異,根據教學任務和學習的客觀規律,采用多種方式,調動起每一名學生的學習積極性。啟發式教學的實質在于能正確處理教與學的相互關系。由于人對事物的認識是一個過程,隨著認識的深入,人腦就不再是被動地接受,而是主動地反映客觀事實并對此用思維加工,因此啟發式教學能夠很好地反映教學的客觀規律,能夠實現學生智力的充分發展與系統知識的深入學習的完美結合。同時,啟發式教學還能激發學生內在的學習動力,激發其內在的責任感,調動學生學習的積極性和主動性[9]。

在目前的教學環境下,大部分教師仍然采用填鴨式的傳統單向講授方法。這種方法在完成教學任務和保證教學進度方面雖然有著明顯的優勢,但是在工程教育不斷發展的背景下,傳統授課方法所培養的呆板固化的思維模式使得學生已不能很好地滿足未來新工科的發展需求。新工科對未來的工程師提出了新的要求,除了要有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗外,還必須要有良好的創新能力、高尚的倫理道德以及終身學習的能力[10]。傳統的填鴨式教學方法培養出來的人才達不到工程教育預期的培養目標,對傳統的教學方式進行改革勢在必行。本文以離心泵串并聯實驗為案例,從工程教育和新工科的背景出發,通過分析課程的特點,提出一種適應和滿足工程教育和新工科要求的教學思路。

2 離心泵的串并聯實驗

在實際生產中,有時單臺泵無法滿足生產要求,需要幾臺泵組合運行。組合方式可以有串聯和并聯2種方式,因此,有必要讓學生掌握離心泵串并聯的相關知識。離心泵串并聯測定實驗是相應于流體機械類課程中關于離心泵串并聯工況知識點而進行的實驗。該知識點綜合了工程流體力學、離心泵的裝置特性和工程現場操作的知識與技能。學生通過此實驗,能夠掌握離心泵串并聯的原理和流程,也能夠認識和理解單泵和串并聯運行工況時流量、揚程之間的不同,并通過對比分析得出相應的結論。針對此環節,設置了“單泵實驗”與“雙泵的串、并聯實驗”2部分。

傳統的串并聯實驗僅能進行相同性能泵的串并聯特性實驗。課程中,首先進行離心泵的單泵實驗,通過實驗測定出單臺離心泵的流量—揚程曲線,而后分別進行離心泵的串聯和并聯實驗。在實驗中,2臺泵無論怎樣組合,都看作是一臺等效的泵,測量出實驗中相應等效泵的流量—揚程曲線,而后根據單臺泵的流量—揚程曲線,按照課本中串并聯曲線的繪制方法,得出理論上等效泵的流量—揚程曲線,從而比較實驗曲線和理論曲線的吻合程度。這僅是一種驗證性的實驗,學生通過此實驗僅能初步理解串并聯后的效果,實驗內容過于簡單且覆蓋面小,沒有包括不同性能泵的串并聯實驗；此實驗裝置雖然也可以通過調節管路中的閥門來進行離心泵裝置特性的工況調節,但調節方法單一,實驗設備落后,一套實驗設備只能對應一個實驗內容,無法迎合新工科背景下對流體機械技術提出的新要求,無法培養學生的創新能力。

傳統的實驗課程中,教師采用的是填鴨灌輸式的授課模式。教師首先向學生講解實驗原理、演示操作步驟和注意事項,學生按照教師的演示和規定的實驗方法和步驟,被動地完成實驗任務[11]；傳統的離心泵串并聯實驗是驗證性的實驗,這就決定了學生在整個實驗過程中,只需要按照實驗指導書給出的步驟機械地操作、單純地記錄數據,然后處理數據即可,即使數據不理想,由于結論是已知的,所以部分學生也會得出看似合理的結論。同時,傳統的填鴨式教學方式決定了學生動手的機會比較少,很多學生只是“看”實驗,而不是“做”實驗。即使學生真正動手做了,也只是按部就班地機械式地重復實驗過程,整個實驗過程中,很少需要學生去思考實驗設置的目的、原因,以及數據處理的方式和原因。這種教學方式使學生對實驗流程、裝置運行特點及實驗設備沒有深入的體會和理解。被動的填鴨灌輸式學習方式令學生感到枯燥乏味,很難激發起學生的興趣和創新欲望。實驗中沒有提供給學生自己思考并處理實際工程問題的機會,沒有可供學生進一步思考的實驗內容擴展,沒有達到加深學生對所學內容的理解,很多學生依舊不會設計實驗、不會分析問題,甚至沒有深入理解泵串并聯的原理,教學效果不好,不利于培養學生的創造性和綜合素質[12-13]。

3 點火啟發式教學的實施

為了提高人才培養質量,滿足工程教育認證和新工科對人才培養所提出的新標準、新要求,分別從硬件和軟件2方面對離心泵串并聯特性實驗進行了改進。

3.1 實驗平臺及功能的改進

化學工程學院機泵教學實驗組結合教學需求和發展趨勢,從多功能、多用途并兼顧經濟性的角度出發,以設置培養創新能力的綜合實驗教學平臺為目標,擴建了離心泵串并聯特性研究化教學和學習平臺,使其從單一的串并聯實驗平臺擴展到涵蓋離心泵串并聯實驗和工況調節實驗的綜合性實驗平臺,也使離心泵串并聯實驗由原先的驗證性實驗擴展到設計型加驗證性實驗。該平臺在原有的離心泵串并聯平臺上優化了管路系統布置,增設了電磁閥、渦街流量計、壓力變送器及數控系統,并對每臺離心泵均增設了變頻器控制系統。擴建后的實驗系統如圖1所示。

圖1 離心泵實驗系統布置圖

變頻器借助于集中控制系統能夠實現對2臺泵的不同電壓頻率的輸入,進而實現2臺泵的不同轉速工況,故可以將其視作不同性能的2臺泵,相比于傳統的實驗平臺,實驗內容得到了極大的擴展,由原先的相同性能泵的串并聯實驗擴展到不同性能泵的串并聯實驗。同時,對于每一臺泵,由于增設了變頻器,故可以實現離心泵運行的變速調節,這樣可以利用此實驗進行離心泵相似原理的驗證,也可以利用此實驗平臺進行離心泵的變頻調節及節能分析實驗。這樣的改進不僅豐富了實驗教學內容,也使學生更好地理解了相似原理的內容和應用,使原本書本上空洞的語言描述,變得更為形象、直觀和具體,加深了學生對理論知識的理解。另一方面,從圖1中可以看到,對于2臺泵的出口管路通過管路系統的優化,在每一臺泵的出口管路中都引出了一個分支接入到另一臺泵的入口,這樣一方面實現了2臺泵的串聯,同時,借助于管路中閥門的開閉,也可以實現對于2臺泵的旁路調節實驗。復雜的管路系統需要學生根據自己的實驗方案實現流體流動的路徑,鍛煉了學生的思維,提高了學生的工程實踐意識。

通過實驗平臺的重新規劃和擴建,平臺可以實現的教學實驗內容得到了極大的擴展,主要可以實現離心泵串并聯實驗和性能調節實驗2部分。在本實驗平臺上可以進行7個關于離心泵的教學實驗,分別是相同性能離心泵并聯實驗、不同性能離心泵并聯實驗、相同性能離心泵串聯實驗、不同性能離心泵串聯實驗、離心泵旁路調節實驗、離心泵變頻調速實驗、離心泵的節流調節實驗。豐富的實驗內容給了學生極大的自主選擇權,同時,學生通過自己規劃相應的實驗方案,提高了創新能力的培養。對于不同的實驗內容,學生也可以繼續通過相應的對比分析,定量地比較不同工況調節方式的優劣,實驗內容得到了極大的拓展,同時,也很好地鍛煉了學生的自主性、積極性和創新性。優良的實驗平臺為學生實驗方案的確定和實施提供了硬件基礎,平臺上選用了國內通用、先進、精度高的測量儀表,讓學生接觸到了國內外先進的測試技術,開闊了眼界；計算機的實時數據采集和測試結果的數據處理也培養了學生對于現代化工具的使用技能。

3.2 教學方式的改進

與傳統的填鴨灌輸式實驗教學模式不同,點火啟發式教學強調的是激發學生大腦意識的主觀能動性,故在這種模式中,從實驗的預習、設計到實驗過程的講解、操作,以及實驗數據的處理及作業匯報等方面均要盡可能地啟發學生的思維,調動學生學習的主動性和積極性。啟發式教學的關鍵在于設置問題情境[8],對于實驗課來說,教師應綜合運用各種啟發引導式的教學方法,在不同的教學環節設置不同的問題,循循善誘,啟發引導,通過學生自主、合作、探索的方式完成離心泵串并聯實驗的驗證性及設計型內容。

3.2.1 目標啟發式

這一方法是通過在教學過程中,在不同的教學環節設置不同的教學目標,通過對不同階段的目標的達成來完成整個教學過程的實施,要求教師在課程總體培養目標的范圍內,通過各種教學技巧啟發學生的思維。教師還要明確教學過程中的各個單元和細節,達到不僅要明其全,還要悉其微的程度。教師要將課程大目標和具體環節的小目標提前告訴給學生,或鼓勵學生自主設計實驗。基本做法是:提前給學生提出問題,讓學生分組并自主選擇實驗項目,確保本平臺的7個實驗項目都有學生選擇。課前,需要學生對本節課的實驗內容做出預設性思考,如實驗設備、實驗流程、實驗預期結果等,促進學生的思維,尤其是創造性思維的發展,且通過實驗的操作以達到自己設定的實驗目標。需要注意的是要給學生安排足夠的預習和思考時間,至少要提前3天。只有這樣,才能調動學生的積極性,實現良好的教學效果。

3.2.2 提問啟發式

學起于思,思源于疑,這一方法要求真正揭示事物的矛盾,形成問題情境,引導學生積極開動腦筋、主動思考學習,達到“舉一反三”的效果[11]。教師把所要傳授的內容,涉及到實驗的背景、原理知識、實驗裝置、操作流程及注意事項等,分階段、有目的和有技巧地細化成一個個問題向學生提出,啟發學生思考分析,引導學生得出結論。

在提問啟發式教學模式中,常用的提問方式可以歸結為以下4類:

(1) 引起學生興趣和求知欲的提問；

(2) 啟發引導學生提出問題的提問；

(3) 點明知識規律性的提問；

(4) 分析或概括性的提問。

對于這些問題,教師要采取不同的方式讓學生獲得答案。對于教師必須講授的問題,往往都是點明知識規律性的問題,所以教師可以采用自問自答的形式；對于啟發思維的提問,教師可以鼓勵學生大膽回答問題,調動學生的學習積極性；對于概括性的提問,教師可以鼓勵學生先進行總結,讓學生之間相互補充,然后肯定其正確之處,并指出錯誤所在,再由教師最后陳述總結。在這種模式中,師生之間的對話和交流是平等的[12]。

3.2.3 講練引導式

實驗課程是實踐練習類的課程,學生必須通過實際動手操作才能完成對知識的形象直觀學習。教師在實驗課程中,需要對相關原理性的部分和實驗流程以及注意事項進行講述和指導。實驗過程中,教師的“講”與學生的“練”要符合教學規律的整體思維導向,不能形成教師講述事無巨細、學生機械重復的教學模式。教師應循循善誘,步步啟發,學生積極思考,自行分析,最后,師生共同討論、消化并得出結論,它應貫穿整個教學過程。教師應密切關注學生的實驗流程,在關鍵處進行啟發引導,防止學生思路跑偏；在教師設定的范圍內,由學生自己完成整個實驗過程。在對實驗進行了充分的預習的前提下,也可以通過教師的引導,鼓勵學生把預習結果講述給大家,并由其他學生做補充,教師對實驗原理、目標及關鍵步驟輔以必要的指正。在實驗過程中,針對容易產生分歧的地方,鼓勵學生之間進行自由辯論,最后再由教師進行觀點陳述和總結。

脫離教學對象談教學方法是不妥當的。本實驗面向的對象是大三或大四的學生,他們已經具備了流體力學、控制工程基礎等相關知識,所以他們能夠很好地理解泵的管路流程和控制系統的特點。增加學生在實驗過程中的講述與練習、鼓勵不同觀點之間的自由碰撞,讓學生在課堂中擁有更多的發言權,對于培養學生的創新意識、增強其自信心都很有必要。

4 結語

施教之功,貴在引導。掌握并熟練運用各種啟發式教學形式進行施教,實驗教學必將出現一種不可抗拒的吸引力。建立以教師為引導、學生為主體、平等互動的實踐教學體系,有利于激發學生的學習興趣和創造欲望,促進學生創新能力和科研能力的培養。實際教學表明,點火啟發式教學能夠充分調動學生的積極性,能夠很好地促進學生思維的發展,給學生創設了思維空間,有益于學生應用能力的提高。點火啟發式教學方法的探索和實踐必將使專業課實驗教學在培養學生的創新能力和科學素養方面發揮重要作用。