多物理場工程模擬技術項目教學模式改革探討

丁林 孫悅 吳春梅

摘 要：通過分析傳統教學過程中存在問題，基于多物理場工程模擬技術課程實踐性和系統性強的特點，提出采用項目式與傳統教學相結合的教學方法。以項目研究為載體，引入分層教學設計，使課程教學內容體系與工程實際聯系更加密切。將該教學方法在課程中進行實踐，鼓勵學生廣泛參與學習和研究，獲得了更為理想的教學效果。證明了該方法能有效培養學生應用和創新能力，并提高團隊合作能力。

關鍵詞：項目教學; 多物理場; 分層教學; 模式改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-3315（2021）4-099-002

一、前言

多物理場工程模擬技術是一門多學科交叉課程，目前為能源與動力工程專業的重要課程。課程主要講述傳熱、傳質、導電等物理過程的仿真，然后以燃料電池為例詳細介紹多物理場間的耦合仿真，同時介紹并分析動力工程專業常涉及的熱流耦合、流固耦合、熱應力耦合、結構聲耦合、流聲耦合等多物理場耦合，使學生系統掌握使用仿真軟件針對能源應用研究過程中遇到的各種工程問題進行數值建模和分析優化設計的技能。在傳統的教師講授、學生聽課、上機練習的授課模式下，課程教學比較枯燥乏味，不利于學生創造性的發揮。同時，由于課程內容涉及面廣，學生缺乏對各個知識模塊和總體目標的整體理解，容易對重點內容把握不準。經過分析，“多物理場工程模擬技術”是一門理論與實踐密切結合的課程，課程具有典型的實踐性和系統性特點，與項目式教學模式的特點非常匹配。項目教學法是通過完成完整的工作項目，讓學生獲得相關知識與技能，并發展職業能力的教學方法[1-3]。工程技術領域里所有的生產過程幾乎都可以作為項目[4，5]，因此，在教學實踐中，如果能夠通過項目將理論知識和實踐技能有機結合起來，就能夠達到培養學生實際動手能力和分析、解決問題的能力以及創造能力的目的。項目教學是行動導向教學的一種主要形式，項目教學最基本的特點可以歸納為三點[6-9]：一是以學生的興趣為中心，項目要能激發學生的學習興趣，具有一定的實用價值：二是解決實際問題，項目要與企業的實際生產過程或現實的商業經營活動有一定的直接關系;三是有確定的目標，項目是明確而具體的成果。

因此，針對多物理場工程模擬技術課程前期教學中存在的問題，采用項目式教學模式與傳統教學方法相結合的教學方法進行教學模式改革，并在項目研究式教學中引入分層次研討的教學環節，鼓勵學生廣泛參與學習和研究，以期獲得更為理想的教學效果。

二、多物理場課程項目架構

項目式教學的核心是項目的選取與課程知識點的契合程度，開展項目式教學之前，教師根據課程知識點給出大量項目實例，引導學生進行自主項目設計。本節給出了“多物理場工程模擬技術”在項目式教學模式探索過程中進行的項目設計。按照點線面的方式分解課程知識點，并以此設計知識點項目、單一案例項目和綜合性項目。

1.知識點項目：為了實現對知識點的牢固掌握，先建立與幾何結構編輯、網格劃分相關項目實例。以三維綜合實例為例，給大家講解幾何結構的編輯。并以一個網格劃分的綜合實例為例，講解網格的面轉換、體轉換。幾何結構的編輯、網格的劃分是多物理場工程模擬技術的基礎，通過兩個實例的講解和練習，要求學生掌握三維幾何結構的建立和網格劃分。

2.單一案例項目：針對單物理場仿真問題，基于動力工程專業領域中所涉及的流動、傳熱、燃燒、導電等物理場，建立諸如二元混合物的物質擴散、三相混合氣體的質量傳輸、固體氧化物燃料電池陽極中的氣體擴散、熱交換器中的熱傳導和熱對流模擬、汽車剎車盤在剎車前后溫度變化、水杯中的自然對流、復合材料導電率計算、圓柱體繞流等的項目實例。學生通過單一案例項目的上機實踐，掌握單個物理場仿真方法，便于向多物理場進行拓展。

3.多物理場綜合性項目：動力工程專業特別是能源行業常涉及熱流耦合、流固耦合、熱應力耦合、結構聲耦合、流聲耦合等多物理場耦合問題，以此為背景進行多物理場綜合性項目的設計十分必要。項目的選擇更貼近工程實際，比如管殼式換熱器的仿真、散熱器強制空氣冷卻的仿真、流體流動中的懸臂梁振動、變速箱中的振動和噪聲、固體氧化燃料電池仿真等。

三、項目式教學與實踐

為了進行項目式多物理場工程模擬技術教學，需要考慮的問題首先是選擇合適的工程項目或設計主題，對多物理場工程模擬技術教學內容進行重組。在具體的教學實施中，采用借鑒-歸納-總結-設計-實踐的組織過程。為了實現對知識點的牢固掌握，在教學的初期階段主要采用借鑒學習和歸納總結的方式，結合典型項目系統地討論學習，以零星方式學習相關仿真技術知識。通過歸納總結環節，加深對各個典型項目中關鍵仿真技術的理解和掌握。通過項目自主設計和仿真實踐實現知識和技能的綜合靈活運用。結合多物理場工程模擬技術課程特點，對課程的項目式教學方法進行分層設計。

項目式分層教學法在教學的整個過程中逐層深入、時而變化，廣泛調動學生的參與熱情，使學生成為學習、思考、設計和動手的主體。分階段進行項目設計，可以歸納為以下幾個方面：（1）背景引入階段：教師在此階段的重點任務是基于課程知識點選取合適的項目主題，為學生提出項目背景;學生通過教師講解和資料查閱了解學習主題和項目應用領域。（2）知識鋪墊階段：學生此階段的重點任務是進行資料查閱和知識梳理，加強師生溝通交流，學習與項目有關的理論知識，對零散學習知識的系統整合與歸納。（3）項目制定和設計階段：教師根據課程知識點提出具體要求，學生基于項目背景制定項目方案、設計項目模型，明確項目參數和要求，綜合利用所學知識進行具體項目設計。（4）項目實施階段：學生進行項目仿真上機實踐，教師負責指導并提供項目咨詢，此階段的重點是在提出項目的基礎上，運用知識和技能進行具體實踐運用。（5）評價總結階段：學生進行項目成果展示，教師對學生開展的項目進行評價，并提出建議。（6）知識拓展階段：教師為學生講解項目實施過程中未涉及但相關的理論知識和方法，升華學生理論理解。

課程進行項目式教學后，課程考核方式也應進行適當改革。課程的考核方式與課程教學的實施效果密不可分，科學安排最終考核成績的要素及比例分配，是充分調動學員參與積極性的基礎，也是對學員綜合學習效果和學習能力的科學評估，能讓學員更了解自己的學習狀況，指導進一步的學習。多物理場工程模擬技術擬采用理論知識、平時表現、項目成果三者相結合的考核模式，其中項目成果作為最終目標推動學生在實踐中深化知識的學習，成果的質量越高，得分越高。在課程的學習和考核環節中，學生在每個方面的努力都有相應的度量機制，來確保最大限度地調動學生的參與熱情。

另外，在教學各個環節，教師需要結合課程知識、學生興趣與社會急需解決的問題;以學生的需求和興趣為出發點，發展學生的自主學習素養，發揮學生的創造思維;讓學生主動收集信息，篩選信息，提出問題，教他們如何研究，如何獲得一些必要的解決問題的技能;教師一般不給學生結論性的東西，而是要求學生充分利用手中的資源自主學習;教會他們如何管理好自己的時間;在遇到問題時，鼓勵學生努力尋找解決問題的辦法，為自己的項目研究提出下一步的決策;鼓勵和支持團隊合作。

四、項目式教學效果分析

采用項目式教學方法，使整合后的多物理場工程模擬技術教學內容體系與實際系統聯系更加密切，使學生學習目的更為明確，更有系統針對性;教學過程循序漸進，項目式分層教學根據教學過程的特點而變化，不斷深入實際，提高學生的參與熱情和積極性;以實踐為導向、教師為主導、學生為主體，培養創新型人才，提升學生溝通能力、批判性思維、創新能力、團隊合作能力。

項目式教學注重學生應用能力和創新能力的培養。在實際的課程教學過程中注意理論聯系實際，注重工程應用。教材內容和工程實踐有機聯系。鼓勵學生分享、講解自己的項目解決思路和方法，其他同學評判和討論;同時使學生考慮工程實際中如何應用多物理場仿真的知識解決實際問題，鼓勵學生構思的創新性。通過各抒己見、對比分析，激發學生的學習興趣，使學生充分掌握多物理場仿真的方法，加強學生理論聯系實際、提高科學素質的能力。

學生圍繞特定項目主體展開實踐探究，在項目實施及分層次研討過程中構建起新的知識體系，掌握一定的問題分析技能;項目實施過程中學生將使用各種認知工具和信息資源來支撐他們的學習，實踐結束后將產生一系列或一個整體作品;項目式分層教學，強調學習的實踐性，讓學生在實踐中體驗并提高處理相關信息的能力;教學與學習過程中強調團隊協作，組成一個學習共同體，為完成任務和項目而共同努力，成員之間將建立密切合作關系，提高學生團隊合作能力。

五、結語

多物理場工程模擬技術是一門多學科交叉課程，具有典型的實踐性和系統性特點。采用項目式分層教學模式進行教學改革，基于課程知識點和專業特點構建合理的課程項目實例，引導學生自主進行項目設計，在項目實踐過程中學習和掌握多物理場耦合知識和仿真方法。項目式教學方法的實施，使課程教學內容體系與實際系統聯系更加密切，有效培養學生應用和創新能力，提高團隊合作能力。

基金項目：重慶市教育教學改革項目：No.yjg183009

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