培養(yǎng)計(jì)算思維的軟件實(shí)踐教學(xué)改革-以能源與動(dòng)力工程軟件實(shí)踐為例

摘要：軟件實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑。針對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，在分析計(jì)算思維內(nèi)涵與特征的基礎(chǔ)上，提出了\"以培養(yǎng)計(jì)算思維為目標(biāo)，以軟件實(shí)踐為載體，以課程設(shè)計(jì)為載體，以問題為導(dǎo)向\"的軟件實(shí)踐教學(xué)改革思路。在能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)中引入軟件實(shí)踐內(nèi)容，圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，從課程設(shè)計(jì)、專業(yè)軟件實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了改革探索。通過課程設(shè)計(jì)案例介紹了如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。針對(duì)學(xué)生反饋的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考核方式等方面進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明：通過上述改革，能夠有效提高學(xué)生的計(jì)算思維水平，提升實(shí)踐教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：軟件實(shí)踐；計(jì)算思維；能源與動(dòng)力工程

一、概述

計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)，是在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思想方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)已成為高校人才培養(yǎng)中的重要組成部分，也是當(dāng)今世界高等教育改革的重要目標(biāo)。教育部在《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中提出\"培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力\"，這也是高校開展課程教學(xué)改革的重要方向。但是目前國內(nèi)高校對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)多集中于課程教學(xué)，缺少有效的實(shí)踐教學(xué)途徑，實(shí)踐教學(xué)效果不盡如人意[1-3]。通過對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)軟件實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考核方式存在一定問題。為此，本文針對(duì)上述問題，在分析計(jì)算思維內(nèi)涵與特征的基礎(chǔ)上，以能源與動(dòng)力工程專業(yè)軟件實(shí)踐為例，從課程設(shè)計(jì)、專業(yè)軟件實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了探索。

（一）計(jì)算思維內(nèi)涵與特征

計(jì)算思維是一種具有前瞻性的思維模式，其核心理念是通過對(duì)問題的分析和解決，逐漸形成具有可遷移性和通用性的計(jì)算能力，并掌握在實(shí)際應(yīng)用中需要具備的基本技能。計(jì)算思維與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)中的編程思維有很大區(qū)別，傳統(tǒng)編程思維主要關(guān)注程序設(shè)計(jì)語言本身，而計(jì)算思維不僅關(guān)注程序設(shè)計(jì)語言本身，還關(guān)注程序設(shè)計(jì)語言與其他軟件的結(jié)合應(yīng)用，并對(duì)軟件本身進(jìn)行優(yōu)化，從而提高程序設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

計(jì)算思維具有高度抽象性、綜合性和靈活性等特征。通過計(jì)算思維可以將復(fù)雜的問題抽象為簡單、可行的方法解決；通過計(jì)算思維可以將多個(gè)變量聯(lián)合起來考慮問題；通過計(jì)算思維可以使學(xué)生從解決復(fù)雜問題中培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在學(xué)習(xí)和工作過程中，學(xué)生通過不斷地使用所學(xué)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題，就可以在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷培養(yǎng)自己的計(jì)算思維能力[4]。

（二）實(shí)踐教學(xué)改革研究

本文以能源與動(dòng)力工程專業(yè)為例，對(duì)軟件實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行探索研究。通過對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)效果不理想，具體表現(xiàn)為：實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)，未能充分體現(xiàn)專業(yè)特色；實(shí)踐教學(xué)方法單一，學(xué)生缺乏參與度；考核方式單一，未能客觀反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況；課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容過于抽象，難以激發(fā)學(xué)生興趣。為了解決上述問題，本文從課程設(shè)計(jì)、專業(yè)軟件實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了探索。在課程設(shè)計(jì)方面，以\"基于數(shù)值模擬的流體流動(dòng)和傳熱特性研究\"為例進(jìn)行了探索。該項(xiàng)目注重培養(yǎng)學(xué)生數(shù)值模擬軟件的使用能力、編程能力及創(chuàng)新思維能力。在專業(yè)軟件實(shí)踐方面，以\"內(nèi)燃機(jī)燃燒優(yōu)化與噪聲控制\"為例進(jìn)行了探索。該項(xiàng)目是從工程實(shí)際出發(fā)，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)燃燒理論和噪聲控制技術(shù)，研究內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化燃燒技術(shù)。

二、計(jì)算思維內(nèi)涵與特征

計(jì)算思維是一種利用計(jì)算機(jī)解決問題的思維模式，是指利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念、原理、技術(shù)和方法，將其運(yùn)用到問題解決的全過程，并對(duì)問題的本質(zhì)和解決過程進(jìn)行抽象和優(yōu)化。計(jì)算思維的培養(yǎng)有助于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，并使其在今后工作中能夠更好地運(yùn)用計(jì)算思維方式處理復(fù)雜問題[5-6]。

計(jì)算思維是一種思維模式，不同于具體問題解決所需要的具體思維方式，主要表現(xiàn)為\"抽象與抽象、轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)化\"。具體地講，計(jì)算思維包括三個(gè)方面：一是對(duì)問題進(jìn)行抽象和轉(zhuǎn)化；二是用算法解決問題；三是將解決問題所用的方法應(yīng)用到新的情境中[7-8]。

計(jì)算思維具有四個(gè)方面的特征：

（1）抽象與轉(zhuǎn)換。從本質(zhì)上講，計(jì)算思維是一種將現(xiàn)實(shí)世界中各種形式、不同層次的事物或過程進(jìn)行抽象、轉(zhuǎn)化的思維方法。

（2）算法與優(yōu)化。在計(jì)算思維中，算法與優(yōu)化是重要的組成部分。通過算法和優(yōu)化工具，可以幫助人們將復(fù)雜問題分解為可求解的步驟，并用一種高效、簡潔、易于理解的方法求解，以解決實(shí)際問題。

（3）抽象與轉(zhuǎn)化。計(jì)算思維中所用到的概念、原理和技術(shù)，都是人類已有認(rèn)知體系中已存在或存在過或正在研究或發(fā)展著的概念和原理。通過對(duì)這些概念、原理和技術(shù)進(jìn)行抽象、轉(zhuǎn)化，可以幫助人們將現(xiàn)實(shí)世界中無法處理、無法感知或無法描述的問題轉(zhuǎn)化為可操作的信息與數(shù)據(jù)。計(jì)算思維在解決問題中對(duì)已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉、組織、應(yīng)用和升華，是一種從已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)中獲取信息與知識(shí)，并通過計(jì)算方式進(jìn)行處理以達(dá)到預(yù)期結(jié)果的思維方法。

• 抽象和轉(zhuǎn)化后形成新概念和新方法。

三、實(shí)踐教學(xué)改革思路

課程設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑。在能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)中引入軟件實(shí)踐內(nèi)容，能夠有效提高學(xué)生的計(jì)算思維水平。該實(shí)踐教學(xué)改革思路是：以培養(yǎng)計(jì)算思維為目標(biāo)，以軟件實(shí)踐為載體，以課程設(shè)計(jì)為載體，以問題為導(dǎo)向。

基于上述思路，本研究提出了能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)中軟件實(shí)踐的具體內(nèi)容，在課程設(shè)計(jì)中引入軟件實(shí)踐內(nèi)容，主要是為了滿足能源與動(dòng)力工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的\"計(jì)算思維\"目標(biāo)。由于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)具備了一定的計(jì)算思維基礎(chǔ)，因此，通過引入軟件實(shí)踐內(nèi)容能夠有效地引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與到課程設(shè)計(jì)的過程中。在課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，引入軟件實(shí)踐內(nèi)容能夠有效地鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維能力，并且能夠?yàn)楹罄m(xù)課程設(shè)計(jì)提供一個(gè)良好的平臺(tái)。

（一）以問題為導(dǎo)向，構(gòu)建學(xué)習(xí)支架

為了有效地提高學(xué)生的計(jì)算思維能力，需要以問題為導(dǎo)向，構(gòu)建學(xué)習(xí)支架。在課程設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過查閱資料、閱讀文獻(xiàn)、方案論證等方式來獲取需要解決的工程實(shí)際問題。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題。但是在課程設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生所解決的問題往往不是工程實(shí)際問題，而是一些數(shù)學(xué)計(jì)算和編程實(shí)現(xiàn)類的問題。在課程設(shè)計(jì)過程中，需要以學(xué)生的問題為導(dǎo)向，構(gòu)建相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到課程設(shè)計(jì)中來。通過教學(xué)活動(dòng)的開展來引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到課程設(shè)計(jì)中來，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新、善于合作等計(jì)算思維能力。

（二）以實(shí)踐為載體，加強(qiáng)計(jì)算思維培養(yǎng)

在能源與動(dòng)力工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，計(jì)算思維能力是其核心能力之一。計(jì)算思維是以數(shù)學(xué)為工具，采用抽象的、邏輯的、符號(hào)的思維方法對(duì)信息進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的模擬和理解。它是一種抽象概念與具體問題相結(jié)合的思維模式，是一種科學(xué)的解決問題方法。計(jì)算思維能力主要包括抽象思維、邏輯思維和計(jì)算邏輯三個(gè)方面。而對(duì)于能源與動(dòng)力工程專業(yè)來說，其專業(yè)課程多與工程應(yīng)用有關(guān)，而工程應(yīng)用離不開計(jì)算機(jī)軟件。在能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)中，我們提出了基于"MATLAB軟件的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中包括：①數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)，包括線性代數(shù)、多元函數(shù)微積分、數(shù)值微分、線性代數(shù)方程組求解；②程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括"Matlab語言程序設(shè)計(jì)、"Fluent數(shù)值計(jì)算程序設(shè)計(jì)、"CFD數(shù)值計(jì)算程序設(shè)計(jì)；③仿真實(shí)驗(yàn)，包括"MATLAB語言仿真實(shí)驗(yàn)值計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)踐內(nèi)容的引入，能夠有效地促進(jìn)學(xué)生在軟件實(shí)踐中鍛煉計(jì)算思維能力。例如：在數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)中，教師可以通過給出給定問題的數(shù)學(xué)模型和具體算法實(shí)現(xiàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到軟件實(shí)踐中。通過以實(shí)踐為載體加強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

（三）以軟件為平臺(tái)，提高軟件實(shí)踐能力

課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑，而軟件實(shí)踐則是課程設(shè)計(jì)的重要載體。通過以軟件實(shí)踐為載體，可以有效地提高學(xué)生的軟件實(shí)踐能力。在課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，可以通過引入相關(guān)軟件實(shí)踐內(nèi)容，來幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)。例如，在能源與動(dòng)力工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)中，可以將能源與動(dòng)力工程專業(yè)中的熱力系統(tǒng)分析、計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)等內(nèi)容融入到軟件實(shí)踐內(nèi)容之中，這樣能夠幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力系統(tǒng)分析方法和計(jì)算方法的掌握。通過軟件實(shí)踐內(nèi)容的引入，學(xué)生不僅可以掌握熱力系統(tǒng)分析和計(jì)算方法，同時(shí)還能通過這些方法來解決熱力系統(tǒng)中出現(xiàn)的一些問題。例如，在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)中，可以將水-蒸汽-空氣換熱設(shè)備分析和計(jì)算內(nèi)容融入到軟件實(shí)踐內(nèi)容之中，這樣學(xué)生就能夠通過這些內(nèi)容來掌握熱交換設(shè)備工作原理和計(jì)算方法。

四、實(shí)踐教學(xué)案例

案例：用計(jì)算思維指導(dǎo)《內(nèi)燃機(jī)原理》課程設(shè)計(jì)。

內(nèi)燃機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力機(jī)械，以其動(dòng)力強(qiáng)勁、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、建筑等行業(yè)。內(nèi)燃機(jī)由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞環(huán)式發(fā)動(dòng)機(jī)四部分組成。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)最主要的形式，按結(jié)構(gòu)分為直列式與凸輪軸式兩種，凸輪軸式發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為渦輪增壓柴油機(jī)，是在直列式內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上，將其氣缸內(nèi)的活塞和曲軸都通過一根曲軸連桿機(jī)構(gòu)與汽缸相連。其工作原理為：

當(dāng)燃燒室中的混合氣燃燒后，一部分被活塞環(huán)壓縮，一部分則通過連桿帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。在活塞環(huán)與氣缸內(nèi)壁之間，有一層粘性很小的混合氣體，當(dāng)活塞環(huán)快速移動(dòng)時(shí)，將活塞頂向氣缸內(nèi)壁，當(dāng)活塞環(huán)與氣缸壁間的間隙比較小時(shí)，則混合氣將從活塞環(huán)與氣缸之間的間隙進(jìn)入燃燒室內(nèi)。由于活塞環(huán)與氣缸壁間存在間隙，因此活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng)。活塞在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫向振動(dòng)和活塞頂向上沖擊缸壁產(chǎn)生的縱向振動(dòng)相互疊加，即形成了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的機(jī)械噪聲。為消除這種噪聲，工程師可以采取不同形式的減振措施。例如在氣門、活塞桿等零件上涂上減振材料或者在連桿、活塞等零件上安裝減震裝置等。

在內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計(jì)中引入軟件實(shí)踐內(nèi)容，有助于學(xué)生理解內(nèi)燃機(jī)工作原理及相關(guān)理論知識(shí)，并掌握內(nèi)燃機(jī)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)方法與計(jì)算思維。

（一）內(nèi)燃機(jī)的基本理論與計(jì)算方法

內(nèi)燃機(jī)的基本理論是內(nèi)燃機(jī)工作原理及性能計(jì)算的理論基礎(chǔ)。其中，熱力學(xué)第一定律描述了燃料燃燒與做功之間的相互關(guān)系，而熱力學(xué)第二定律描述了燃料燃燒后的熱損失。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，能量轉(zhuǎn)化效率、熱效率、能量轉(zhuǎn)換效率等都是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，因此可以通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程進(jìn)行能量分析來評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)的性能。

內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)第二定律是指燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量隨溫度的升高而減少。然而，熱量并非只在高溫下才產(chǎn)生。隨著溫度升高，汽缸內(nèi)的溫度也會(huì)隨之升高，所以通過計(jì)算不同溫度下不同容積時(shí)汽缸內(nèi)的氣體壓力和容積，即可得到不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)總功。通過計(jì)算總功可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的功率以及效率等參數(shù)，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

（二）內(nèi)燃機(jī)相關(guān)軟件實(shí)踐

內(nèi)燃機(jī)相關(guān)軟件主要包括燃燒仿真軟件、動(dòng)力學(xué)分析軟件以及性能預(yù)測與優(yōu)化軟件。其中燃燒仿真軟件包括GT-Power、"FIRE、"AVL"EXCITE和"FIRE等，動(dòng)力性能分析軟件包括GT-Mechanics、"Flukron等，性能預(yù)測與優(yōu)化軟件包括"AVL"Hydraulics和"TRIZ等。燃燒仿真軟件通過對(duì)活塞在缸內(nèi)燃燒過程的數(shù)值模擬，得到缸內(nèi)混合氣溫度場、壓力場分布及運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。動(dòng)力學(xué)分析軟件主要包括GT-Power、"AVL"EXCITE和"Fluent等。其中GT-Power是一款面向工程應(yīng)用的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，利用該軟件可以建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)力性能參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、扭矩和功率等，還可預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。Fluent是一款專門用于模擬水與空氣之間混合過程的流體力學(xué)計(jì)算軟件，其通過流體力學(xué)基本方程和納維斯托克斯方程進(jìn)行建模和求解，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。TRIZ是一款用于解決工程問題的多學(xué)科綜合分析工具，它將系統(tǒng)的觀點(diǎn)引入機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用系統(tǒng)優(yōu)化理論和方法，提供了一系列高效、實(shí)用、可靠的解決問題的工具。

結(jié)語

通過課程設(shè)計(jì)案例介紹了如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。針對(duì)學(xué)生反饋的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考核方式等方面進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)踐表明：通過以上改革措施，能夠有效提高學(xué)生的計(jì)算思維水平，提升實(shí)踐教學(xué)效果，對(duì)于培養(yǎng)具備計(jì)算思維的高素質(zhì)人才具有一定的指導(dǎo)意義。

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項(xiàng)目資助：2022年上海理工大學(xué)本科教學(xué)研究與改革項(xiàng)目專項(xiàng)“培養(yǎng)計(jì)算思維的軟件實(shí)踐教學(xué)改革”資助

作者簡介：陳軍（1980—"），男，漢族，上海人，博士研究生，副教授，研究方向：先進(jìn)光學(xué)測量。