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基于学生科学素养提升的机械工程专业课程教学改革— 以工程流体力学课程为例论文

发布时间:2023-05-26 10:51:56 文章来源:SCI论文网 我要评论














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  摘要:为了更好地培养机械工程类人才,文章以工程流体力学课程为例,首先阐述了机械工程专业学生科学 素养的内涵,然后分析了工程流体力学课程建设现状,最后论述了基于学生科学素养提升的机械工程专业 课程教学改革。

  关键词:科学素养,机械工程专业课程教学,工程流体力学课程

  新工科背景下, 对工程人才培养提出了更新、更 高的要求,不只要求高校培养出的人才有扎实的基础 能力,更需要其有跨学科思维和创新意识,以便解决 复杂的工程问题 。作为培养人才的主要阵地,高校应 当积极发挥人才聚集地的优势,以提升学生科学素养 为导向,努力提高课堂教学质量。因此,工科专业教师 要从教学目标设计入手,通过教学内容、教学方法和 教学评价的改革,综合提升课堂教学质量 。该举措对 机械工程类人才的培养也具有积极的推动作用。

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  一、机械工程专业学生科学素养的内涵

  科学素养通常被认为是了解必要的科学知识及 其对社会与个人的影响,掌握基本的科学方法,认识 科学本质,树立科学思想,崇尚科学精神,并具备一 定的处理实际问题、参与公共事务的能力[1] 。对于机 械工程专业来说, 其培养目标是围绕提升学生科学素养而提出的,主要培养具有基本理论、知识和专业 技能,适应社会与经济发展需要,具备良好的学习能 力、专业能力、实践能力、创新能力,具有团队协作精 神和一 定的国际视野,道德文化素养高,能在机械 工程领域从事设计制造 、技术开发、组织生产、运行 管理和科学研究等工作,能解决机械工程领域复杂 工程问题的高素质应用型人才 。根据美国学者朱迪 斯创建的科学素养的七个维度内涵[2],可以把机械 工程专业的科学素养内涵概括为以下四个维度:科 技伦理、科学知识、科学方法和科学精神 。在人才培 养中,学生科学素养的提升与职业素质培养息息相 关,因此科学素养的四个维度分别与职业道德、职业 能力、职业技能和职业理想一一对应,由此可以构建 出职业素质和科学素养融会贯通的人才培养模式,如 图 1 所示。

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  科技伦理是指科技创新活动中人与社会、人与自 然和人与人关系的思想与行为准则,规定了科技工作 者应遵守的价值观念、社会责任和行为规范 。对应的是职业素质中的职业道德,即使学生具备良好的人文 素养、社会责任感和工程职业道德,在工程实践中遵 守法律法规等 。为进一步完善科技伦理体系,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于加强科技伦理 治理的意见》,指出要加强科技伦理治理,扎实推进实 施,有效防范科技伦理风险[3]。科学知识是指学生应掌 握机械工程及其相关工程学科领域的基本理论、工程 技术和管理等方面的知识。对应职业素质中的职业能 力,即要培养学生机械工程技术研究、设计、开发、制 造、维护和管理的工作能力 。科学方法是指使学生拥 有对自主学习和终身学习的正确认识与能力,以及能 够通过参与实践活动培养解决复杂工程问题的能力。 对应职业素质中的职业技能,主要是培养学生的原始 创新、团队协作和实践能力 。科学精神就是坚持以科 学的态度看待、评价问题,提倡实事求是、求真务实、 开拓创新 。对应职业素质中的职业理想,即教师要培 养学生具有追求真理的信念,具有批判意识,具有锲 而不舍的探索意志。

  二、工程流体力学课程建设现状

  根据 2018 年教育部公布的《普通高等学校本科专 业类教学质量国家标准》,机械学科应学习流体力学及 相应专业基础知识 。因此,工程流体力学成为机械工 程专业学生的专业必修课,其融合流体力学的基本原 理、基本方法及其在工程实际的应用,系统地阐述了 流体在各种力的作用下处于静止和宏观运动状态时 的规律,以及流体与固体边界间发生相对运动时的相 互作用[4] 。以下分别从课程衔接、课程目标和问题表现 三个方面介绍工程流体力学课程建设的现状,以便为 教学改革探索提供理论支撑。

  (一)课程衔接

  工程流体力学课程具有较强的理论性和工程实 践性,相关基础理论知识比较难理解,且课程中涉及 的公式推导与先修课程中高等数学和理论力学的知 识紧密相关 。 同时,该课程也是机械工程专业热工基 础、液压传动、工程测试技术、传感器原理与应用等课 程的先修课程 。另外,该课程中包含的伯努利方程的 应用、动量方程的应用及管路的计算分析等内容与生 产实践关联密切 。因此,该课程的开设起到了承上启 下的作用,同时学生对相关知识点的掌握,为建模和 复杂工程问题的处理,以及提升自身科学素养奠定了 基础,对后续课程的学习也具有重要的作用。

  (二)课程目标

  该课程核心目标是培养学生的建模和求解能力, 同时强调对学生科学素养的提升 。具体课程目标如 下:掌握从事机械工程工作所需的有关流体力学的流体静力学、流体动力学方程、相似理论、量纲分析等基 本知识,能将流体力学知识点应用于实际工程流动问 题的建模、推理和分析、计算。支撑的毕业要求指标点 是:掌握从事机械工程工作所需的分析、设计、制造和 控制等专业知识,能将相关知识和数学模型方法用于 专业工程问题解决方案的比较与综合。支撑的毕业要 求是:能够将数学、自然科学、机械工程基础和专业知 识用于解决复杂工程问题的能力。

  (三)问题表现

  首先,虽然大多数高校都开设了工程流体力学课 程,但在师资配备上存在不足。这主要表现为大多数教 授该课程的教师不是流体力学或相关专业毕业的,对 该学科的理解和运用方面不深入, 导致在教学过程中 只能照本宣科, 很难将提升学生科学素养的内容融入 课程教学。其次,课本内容大多以基本概念和公式推导 为主, 理论深刻性与教学生动性的矛盾使得学生缺乏 学习兴趣, 这也是基础学科在教学过程中长期面临的 困境。如何在课程设计中启发学生思考问题,激发学生 的求知欲望,将知识点深入浅出地呈现,是值得探索的 一个问题。最后,该课程通常学时较短,存在教学内容 丰富和教学时间有限的矛盾, 这成为影响机械工程专 业人才培养成效的瓶颈问题。另外,在新工科教育背景 下,很少有高校重视专业基础课建设,也没有形成基础 学科课程群, 将工程流体力学课程与基础力学课程群 关联,由此便出现了先后修课程间的支撑性强度欠缺、 关联性差等问题。针对上述问题,本文以科学素养提升 为导向,探索工程流体力学课程教学改革。

  三、基于学生科学素养提升的机械工程专业课程 教学改革

  基于上述工程流体力学课程建设的现状,笔者提 出如下改革措施 。一是设计渐进式教学目标,以学生 为中心,以课程论为教育理论基础,实现学生知识、能 力、素养的逐层进阶提升 。二是从理论教学和实践教 学两个方面对教学内容进行层次性设计,强化课程的 创新性、高阶性、挑战度。三是创新性地提出问题链教 学、对分课堂和项目教学三种教学方法,探讨其在工 程流体力学课程中的应用 。 四是完善教学评价体系, 通过学生和教师的自评与互评, 以及专家对教学的评 价,提升教学水平。

  (一)渐进式教学目标的设计

  工程流体力学课程的渐进式教学目标设计思路 如图2 所示 。根据布卢姆认知领域理论, 可把所有知识点的掌握情况分为六个层级,即记忆、理解、应用、 分析、评价和创新[5],进而实现学生科学素养的提升。 记忆是指能从长时记忆中找到和识别接收的信息,即 对学到的流体力学基本概念、原理、方法、推导过程等 进行记忆。在教学目标设计上,学生要掌握流体质点、 流体主要物理性质、牛顿内摩擦定律、作用在流体上 的力等基础概念 。理解是指把握知识内容的能力,教 师可通过以下形式考查学生对知识点的理解程度:一 是用自己的语言来表达所学内容,二是对图表加以说 明或概述,三是推断和预测发展的趋势 。在教学目标 设计上, 学生要对流体运动的描述方法有所理解,掌 握欧拉法和拉格朗日法在描述流体运动的异同点;更 深层次地,学生要能说明迹线代表的意义 。应用是指 能把所学的知识应用于新的情境,且解决实际问题的 能力 。应用是以记忆和理解为基础,是更高水平的理 解,包括对概念、原理、方法和理论的应用 。在教学目 标设计上,教师要引导学生将伯努利方程应用于解释 皮托管、节流式流量计的工作原理;在动量方程式的 应用方面,教师要引导学生应用动量方程理解流体对 不同形貌管道的作用力。分析是指将复杂的知识点分 解,并确定各部分间、各部分与总体间的关系,具有一 定的逻辑分析能力 。在教学目标设计上,学生要掌握 定理和量纲分析的基本理论,以及分析问题的逻辑思 路,并能运用这些理论求解尺度问题,且给实验的设 计提供理论支持。评价是指能对书本上的观点进行价 值判断的能力 。在教学目标设计上,要使学生具备对 实验与数据进行评价的能力, 具有科学的思维方式。 具体地,在给定一个数据图表后,学生要能判断出通 过这些数据能得到什么结论,并推断数据是否准确。 这是一种较高的认知学习结果,应综合多学科的知 识,根据所学的基本概念做出正确的判断 。创新是指 能基于所学知识重新构建新的模型或结构 。例如,在 雷诺实验的教学内容设计中,教师可详细介绍雷诺实 验的 目 的、方法、现象和结论,引导学生领悟工程问 题的解决方案,并通过课堂研讨,让学生自行设计小 实验,以此培养学生的创新思维和创新能力 。通过以 上六个层次的渐进式教学目标设计,可提升学生的科 学素养,打造创新性强、高阶性强和挑战度大的优质 课程。

  (二)教学内容的改进

  围绕教学目标,工程流体力学课程教学内容的设 计要基于工程背景,并体现出多元化、层次性,以进一步强化课程的创新性、高阶性、挑战度,提升学生科学 素养。根据机械工程专业领域的工程背景和知识综合 性,工程认证中需要学生掌握较广且具有一定深度的 知识面,同时具备较强的实践能力 。因此,笔者从理论 教学和实践教学两个方面介绍教学内容改革的举措。

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  工程流体力学课程的理论教学部分,主要包括流 体基本概念、流体静力学、流体动力学、相似和量纲分 析、管中流动五个章节,要求学生在较短的时间掌握 “宽”与“深”的理论知识、塑造“全”与“精”的专业能 力。对此,可从以下三个方面入手进行教学内容改进。 第一,组建基础力学课程体系,构建知识、能力、素质 “三位一体”的课程群, 并结合之前和后续的课程安 排,突出教学内容的实用性和应用背景,形成基础学 科特色教学模式,从而培养基础知识扎实、实践能力 强的应用型人才 。其次,结合企业的技术需求和科学 素养的要求,制定相应的教学内容,并将前沿科学技 术和研究热点融入课堂教学,从而激发学生的学习兴 趣,并培养学生的知识应用与创新能力。第三,引入现 代信息技术,介绍流动模拟与仿真分析软件 COMSOL 和 FLUENT, 给学生演示圆柱绕流的流动随时间变化 的速度场分布,并结合软件的计算结果,分析圆柱绕 流的流动特性,最终推导得到速度与雷诺数之间的关 系,从而更好地解释内在的物理机制。同时,可将运用 CFD 软件工具解决工程实际问题的过程有机融入课 堂教学,以增加课堂教学的趣味性和实用性。

  在实践教学方面,可从以下两点着手。首先,可开 展平板边界层和表面张力测量的综合性实验,以培养 学生互助交流、综合运用知识及动手的能力,同时使 学生提高专业素养,开阔视野 。通过实验学生可进一 步了解层流边界层和湍流边界层含义,掌握毕托管和 测压计的测速原理与方法,以及表面张力测量工作原 理。其次,提出课程设计的小项目供学生选择研究,并提供个性化培养的课程方案,依托优质的教师资源和 完备的科研训练体系,创新学生的思维方式,培养学 生解决复杂问题的能力,以提升学生的科学素养 。通 过上述举措,学生可兼顾知识能力和实践能力的纵横 双向发展,开阔学术视野、提高实践能力,进而提升科 学素养。

  (三)教学方法的创新

  工程流体力学课程主要培养学生的思维能力、实 践能力和创新能力,强调教师的启发和指导作用 。传 统的课堂教学方法是“导学—精讲—精练—拓展”,即 在导学中将自然界物理现象案例导入,引导学生对课 程的知识产生兴趣;选择重点内容和知识难点进行精 讲;精练中安排课后作业,提高学生的计算分析能力; 拓展中介绍工程应用实际案例, 提高学生的感性认 识。基于传统教学方法,本文提出了新型教学方法,并 积极探索其在工程流体力学课程中的应用。

  1. 问题链教学 。 问题链教学是从学生关注与困惑 的问题入手,紧扣教材中的重难点问题,用环环相扣 的问题链引导教学,激发学生兴趣、引导学生思考。它 是一种能保证基础学科教学理论深度且巧妙融合课 程思政的创新教学方法[6] 。在工程流体力学课程教学 实施过程中,教师可以问题链为主线,按照课程知识 体系中知识点之间的内在联系, 将教学内容梳理、提 炼、升华,设计成环环相扣、层层递进的问题链,并按 照顺序逐一释疑,以激发学生发现问题、探索问题的 兴趣,使学生积极参与教学活动,进而培养学生治学 严谨的科学思想和勇于创新的科学精神 。问题链教学 的内涵是以问题为贯穿课堂教学的主线, 始于问题, 终于问题 。在教学过程中,尤其注重知识体系中各知 识点间的有机联系、突出问题间的知识增益和能级递 进 。该教学方法不仅要解决知识本身的获取问题,更 重要的是厘清问题间的知识联系,以获取最大的知识 增益,从而提高学生学习新知识、发现新问题、解决新 问题的能力。此外,可巧妙融入课程思政内容,并建立 工程流体力学课程与其他课程间的课程思政协同关 系,从而实现专业知识传授与家国情怀培育协同强化 的作用。

  2.对分课堂 。对分课堂是将课堂教学过程分为讲 授、内化吸收和讨论三个过程,要求教与学关系中责 权对分,即教师教授知识的同时学生须加强反思内化, 将知识转化为技能,并通过反馈加以优化,之后再参 与下一阶段的教学互动[7-8]。在工程流体力学课程教学 过程中,由于课时量较少,教师可选用“隔堂对分”的方式 。即在课堂上设定一部分时间给教师讲授,另一 部分时间给学生讨论,并错开讲授和讨论时间,将内 化吸收放在课后 。课堂上,教师要精讲知识框架和重 点、难点,但不能事无巨细地开展讲授,即讲授时要注 重精讲留白,给学生一定的自主空间,使学生在课后 有充裕的时间结合讲授内容及辅助资料完成个性化 的内化吸收,以确保下节课课堂讨论有备而来,这样 就能够调动学生的学习积极性,培养学生的自主学习 能力。之后以学生内化提升后遗留的理论教学和实践 教学疑难问题为依托,进行分组讨论,一半的讨论时 间对中、低难度问题进行组内或组间解答,另一半讨 论时间集中讨论高难度问题,并由教师基于学生已有 思考进行点拨式解答和拓展性延伸 。此外,对分课堂 在讲授环节对学生学习自主性的高要求特征在理论 上可通过引入课程思政加以保障,课程思政中学生的 被动受益者形象也可经由对分课堂的内化吸收和讨 论环节转变为主动参与者形象,由此达成对分课堂与 课程思政协同强化的效果。

  3.项目教学 。项目教学是指教师设计覆盖教学内 容的项目并围绕项目组织和开展教学,学生在教师引 导下通过完成项目学习知识、训练能力、培养素质的 一种综合性教学方法[9] 。项目教学主要包括以下两个 要素 。一是认知要素,即对于教学内容的认知活动和 认知过程,如能力的训练、知识的学习、教学活动、简 单到复杂、感性到理性等;二是企业要素,即根据企业 实际需求设计教学内容,具体可以带学生到生产线进 行实地考察,切实开展校企合作项目 。同时,对于在工 程流体力学课程实验中有新想法产生的学生,教师要 鼓励其进行拓展实验研究, 如开展产教协同项目、参 与金相技能大赛和热处理大赛等 。此外,学生还可将 在活动中发现的新颖性内容提炼拓展成毕业论文的 课题。通过周期性的训练不仅可强化学生对知识的理 解、运用,使学生提升实践能力和创新能力,还能培养 学生的系统性思维,使学生提升科学素养。

  (四)教学评价体系的完善

  完善的工程流体力学课程教学评价体系,是验证 上述创新教学方法是否可复制、可推广的关键 。具体 可以教学质量提高为导向,制定以提升学生科学素养 为导向评价方案, 主要包括学生和教师的自评与互 评,以及专家对教学的评价 。学生的自评聚焦于学习方法和技巧的科学性、持续性、发散性,所学知识的连 贯性、实践性、创新性,学习意识的独立性、内驱性、自由性,价值取向的本土性、牢固性、内化性等方面进 行自省 。教师的自评着重于讲授方式和技巧的规范 性、逻辑性、严谨性,授课内容的趣味性、延展性、前 沿性,教育理念的合理性、易解性 、升华性等方面的 教学反思 。师生间则专注于教与学、交流互动的平等 性、责权对分性、团队性等方面的评估 。专家对教学 的评价包括教学态度及语言、教学内容、教学方法与 技能、教学组织等方面,尤其是要对教师引入思政元 素的亲和性、专业性、间接性进行评价[10]。之后要针对 评价结果,提炼并草拟核心改进对策,优化改革理论 和行动实施方案, 并在下一次工程流体力学课程教 授中进行及时展现和实践验证, 继而实现创新教学 的持续改进。

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  总之,本文通过对工程流体力学课程的课程衔 接、课程目标和问题表现进行分析,探索了相应的教 学改革措施。具体而言,教师要设计渐进式教学目标, 即围绕记忆、理解、应用、分析、评价和创新六层次进 行教学目标设计,同时针对新架构优化理论和实践教 学内容,并采用问题链教学、对分课堂和项目教学三 种教学方法,最后要实施以提升学生科学素养为导向的教学评价,如此可强化教学的创新性、高阶性、挑战 度,提升学生的科学素养。此外,对该课程的教学改革 探索可给其他课程提供教学参考。

  参考文献:

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  [10] 罗红旗.机械工程专业课程虚实结合实践教学途径分析[J]. 中 国现代教育装备,2022(19):112-114.
 
 
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