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關鍵詞:汽車;空氣動力;計算流體力學
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)20-0180-03
流體力學是人們在利用流體的過程中逐漸形成的一門學科,它起源于阿基米德對浮力的研究,由于數理學科和流體工程學科相互推動而得到發展[1]。現如今已經成為航空航天、車輛、機械、環境生物等工程學科的基礎之一。通過對流體力學的基礎理論的學習,結合汽車工況,發現流體力學在汽車設計中具有重要的應用。
汽車自19世紀末誕生至今,汽車工業以驚人的速度發展。當今21世紀科技突飛猛進,汽車工業已成為與人類生活息息相關的時代驕子。近年來,國家加大交通設施的投資建設,高速公路、高架橋等交通網絡四通八達,不僅縮短了城市之間的距離,更極大地改善了人的日常生活。為減少汽車的能耗、汽車的操縱穩定性以及改善汽車的動力性,對汽車設計中的安全性、環保性提出了更高的要求[2]。為此,本文以流體力學基本理論,對汽車行駛時的空氣阻力、汽車表面受到的壓力、氣動升力、氣動側力等不可忽視的關鍵因素進行理論分析,探討流體力學在汽車研究方面的應用。
一、基于流體力學的汽車空氣阻力分析
汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力主要分為摩擦阻力和壓力阻力,期中壓力阻力約占空氣阻力的91%,成為汽車阻力的主要作用。空氣作為流體,具有粘性,根據牛頓定律,粘性流體在流動過程中層與層之間存在相互作用,空氣在車身表面產生的切向力即為摩擦阻力,這是合力在行駛方向的分力;而作用在汽車車身表面上的法向壓力的合力稱之為壓力阻力,可分為形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力和誘導阻力。其中,形狀阻力是壓力阻力的主要部分,并與車身形狀有直接關系,是影響空氣阻力的主要因素;干擾阻力是車身表面凸起物引起的氣流干擾而產生的阻力,只占壓力阻力的14%;內循環阻力(12%)是空氣流經車體內部時構成的阻力;誘導阻力(7%)也叫壓差力,是由于流經車頂的氣流速度大于流經車底的氣流速度,使得車底的空氣壓力大于車頂,從而空氣作用在車身上的垂直方向的壓力形成壓力差[3,4],如圖1所示。
空氣阻力是影響燃油消耗的重要因素。最大限度地減小整車空氣阻力是降低油耗的有效方法,降低油耗的同時也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗表明,空氣阻力系數每降低10%,燃油節省7%左右。因此,減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數的減小[4]。目前,汽車空氣阻力的計算或仿真多以流體仿真為基礎,從動力學理論出發,利用相應的物理模型,建立相關流體運動模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來,PowerFLOW分析軟件是汽車行業中空氣動力學的重要工具。利用此軟件可以分析整車的總體空氣阻力數據外,也可以充分利用流場數據,研究環繞整個車身的空氣流體動力學行為,研究阻力的細化、量化等,以此來指導汽車設計并優化[5]。
二、基于流體力學的汽車表面壓力分析
汽車行駛時,前方氣流首先與車身前部作用,使氣流受阻,降低速度,在氣流壓力作用下,車頭前部形成一個正壓區,汽車周圍的壓強分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股,一部分通過發動機罩、前擋風玻璃、駕駛室頂向后流去;另一部分,通過車身下部,向車尾流去,如圖2 b)中所示。流向上方的這股氣流在流經車頭上緣時,由于緣角半徑相對較小,氣流來不及轉折,導致局部分離,所以在上緣角附近存在很大的吸力峰。隨后,氣流又重新附著在發動機罩上。
傳統的汽車外形設計、壓力分析等以風洞實驗研究為主,實驗成本極高[4,6],對汽車外形的氣動特性研究十分困難。計算流體力學(CFD)是流體力學的一個重要分支,以計算機科學、數值計算方法的發展為基礎,是流體力學理論分析、計算科學及數值計算方法共同發展的產物。伴隨著CFD方法的不斷發展、進步,利用CFD軟件分析汽車氣動性能成為可能。采用這一軟件對空氣動力學的計算,能夠較為精確地分析汽車三維外流場,準確的研究汽車表面壓力,可以幫助工程技術人員直觀、深入地分析汽車氣動特性;更重要的是相對于實驗分析,CFD軟件研究可以縮短汽車設計研發周期、降低成本。
三、基于流體力學在氣動升力分析中的應用
汽車氣動升力的來源與機翼類似,由于汽車是在地面上行駛,地面效應是影響汽車氣動升力的重要因素。汽車氣動升力包括壓差升力和粘性升力,其中壓差升力占主要部分。壓差升力一方面是由于汽車上下表面曲率不同,形成上下表面壓差產生;另一方面是由于地面效應,汽車底部和地面之間形成了一個類似于漸縮噴管的氣流通道,使得汽車底部形成負升力。
研究表明,當汽車速度超過70km/h,車身所受的氣動力成為影響汽車性能的主要因素之一[7]。汽車在行駛中,氣動升力隨車速的提高,對汽車的穩定性和經濟性有一定的影響。氣動升力的存在降低了汽車輪胎對地面的壓力,影響了汽車的動力性和制動性能;同時,氣動升力的存在降低了輪胎的側向附著力和側偏剛度,從而影響了汽車的操縱穩定性[8]。
當汽車高速行駛時,氣動力對汽車各性能的影響占主要地位。隨著汽車速度的增加,汽車的滾動阻力受氣動升力的影響逐漸減小;而汽車的氣動阻力則隨著車速的增加迅速提高。研究表明,當汽車車速為70km/h左右時,汽車所受的氣動阻力和滾動阻力幾乎相同。當汽車車速大于150km/h后,所受的氣動阻力是滾動阻力的2―3倍。顯然,汽車高速行駛時,氣動升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全,對高速行駛時的氣動升力提出了更高的要求[9]。
空氣作為汽車受力分析中的主要流體,在流過汽車車身的整個過程都受流體質量守恒、動量守恒和能量守恒等流體力學的支配。計算流體力學就是通過這些基本的控制方程來分析汽車周圍流場中空氣的運動。在理論方面,對氣動阻力和氣動升力的研究是根據伯努利提出的“路徑理論”為基礎進行分析[10],這一理論基礎便是流體動力學,理論中要充分考慮雷諾數、流態等基本流體動力學要素;在數值計算上,也主要是基于氣動力學計算的流體模型進行分析。當今社會,車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快,所以解決高速行駛時發飄的問題是非常有必要而且是保障駕駛安全的重要舉措。
四、流體力學在氣動側力分析中的作用
危險不一定來自背后,危險也會來自側面。在高速下發生的交通事故,除了氣動升力的作用外,還有相當一部分是由于氣動側力的作用。當氣流與汽車的縱對稱面平行時,是不存在氣動側向力的。但在汽車實際行駛中,氣流不會總是與汽車的縱對稱面平行,當氣流與汽車存在橫偏角時,汽車都會產生氣動側向力。也就是說側向力的來源就是由于受到了側向氣流的作用。在實際h境中側向來流的來源比較復雜,如自然界陣風、汽車駛過大橋、車輛超車等情況。
氣動側力對汽車性能影響的研究是一個較廣泛的領域,而且對汽車主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車受側向風時,在車身側板處就會產生強烈的氣流。這一氣流的存在不但破壞了駕駛室與車身之間正常的小渦流狀態,而且還會形成旋渦稠密氣流區,增大車身正前方的阻力,使汽車相對原直線行駛方向發生偏移,造成潛在危險[12],因此,氣動側力也是汽車設計中必須分析的一個重要因素之一。
自然界中的側向風變化非常復雜,側風的方向、波長的變化等都對流場產生重要影響,所以氣動側力的分析相對更加復雜。采用復雜的風洞實驗方法可以對側風進行研究,但利用風洞實驗再現汽車遇到側風的復雜工況是非常困難的。而采用計算流體動力學(CFD)方法研究瞬態側風是非常有效的,且能夠提供更多的瞬態變化信息,可對實際行駛過程中的汽車氣動性能進行更深入的研究[13]。
五、結語
流體力學相關理論及對應的軟件在汽車研究設計中的應用受到越來越多的關注,不但可以節約成本、優化設計效果,相關軟件的使用也使設計更科學、安全、環保和人性化。現代汽車設計中,車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快,空氣阻力是影響車輛動力性、燃油經濟性等汽車性能的重要影響因素,汽車的安全性能是當今人們高質量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學在汽車空氣阻力、壓力、氣動力等方面的應用來提高車輛各方面的性能。流體力學與汽車設計相關知識的交叉,將對汽車實車造型與分析評價產生重大影響,逐漸成為汽車產品開發、設計的主要理論知識。
參考文獻:
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Abstract: Engineering fluid mechanics course is an important professional basic course for petro related majors with a strong in theory, logic and applicability which provides a broad space for developing students' innovation thinking and creativity. In the course teaching, the innovation thinking teaching is promoted and many teaching methods such as inquiry learning, self discussion learning, problem environment learning, topic study type and comprehensive practice type are adopted to cultivate students' innovation thinking and plays an important role for training students' innovation thinking ability.
關鍵詞:工程流體力學;創新教育;創新思維;教學法
Key words: engineering fluid mechanics; innovation education; innovation thinking; didactics
中圖分類號:G64 文獻標識碼:A 文章編號:1006-4311(2011)12-0208-02
0 引言
鉆井、采油工藝、煉油設備、油品儲存和運輸,都離不開管、罐、泵的設計與使用,這就涉及到流體力學的許多方面,諸如分析流體在管道內的流體規律,壓力、阻力、流速和輸量的關系,據以設計管徑,校核管材強度,布置管線以及選擇泵的大小和類型,設計泵的安裝位置等;我們也需要用流體力學原理分析校核油罐或其他儲液容器的結構強度;估計容器、油罐車、油罐的裝卸時間;解釋有關氣蝕、水擊等現象;以及了解計量用的水力儀表的原理等。有時還會遇到輸送“三高”原油、增粘或降粘劑以及某些化工產品,這就涉及到非牛頓流體的力學原理。所有這些,都要求從事石油工藝技術的科學工作者必須具備工程流體力學的知識,以便在工程的建設和管理中,更好地發揮作用。因此,如何能使“工程流體力學”的基礎理論知識及實際工程應用被學生更好地掌握,是授課教師面臨的問題。
1 在“工程流體力學”課程中推行創新思維教學法的必要性
“創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不歇動力。”時代呼喚創新性人才,而創新型人才的關鍵在于創新教育。創新教育是指以創新人才的培養為核心,以創新思維的激發為實施手段,以培養學生的創新意識、創新精神和創新能力,促進學生全面發展為主要特點的素質教育。
思維是人類區別于其他動物的本質特征,但若是僅有普通的感性認識和感性思維,人類就不可能取得如此絢爛多彩的發明創造。可以說,人類社會方方面面的發展進步,無不是人類創新思維的結果,無不是人類智慧的結晶。所謂創新思維就是超越固有的常態思維模式,多角度、多側面地思考事物的特性,并通過各種實踐活動積極發現問題,在發現中科學思考問題,使感性認識上升到理性認識,然后又在理性認識指導下開展活動、發現和思考。這種形式循環往復,使認識不斷深化,創新意識、創新思維在活動、發現、思考中不斷形成,創新成果不斷涌現。
“工程流體力學”課程屬于力學的一個分支。它研究流體的平衡和運動的基本規律,以及流體與固體的互相作用的力學特點,用以分析解決工程設計和使用的實際問題,是一門既有豐富理論知識,又包含大量實踐經驗的課程,所以在“工程流體力學”教學中推行“創新思維教學法”是本課程自身特點決定的,是本課程教學要求的需要,是新時期我國培養高素質石油工程人才的需要。
2 在“工程流體力學”課程中推行創新思維教學法的主要做法
在課程教學中,我們靈活采用了探究發現式、自學研討式、問題情景式、綜合實踐式等各種教學法,以培養學生的創新思維意識,訓練學生創新思維能力。
2.1 探究發現式教學 現代教育理論認為,教師的職責主要不是在于“教”,而在于指導學生“學”;不能滿足于學生“學會”,更要引導學生“會學”;對學生不只是傳授知識,而更重要的是激活思維,變“教”為“導”,要啟發學生善于學習,勤于思考,勇于創新。由于學生的思維尚處于不成熟向成熟發展的階段,所以教師有促進學生發展的責任,特別是促進學生積極進取、勇于探索、有所創新的發展。創新教育強調的是“發現”知識的過程,而不是簡單地獲取結果,強調的是創造性解決問題的方法和形成探究的精神。如對于應用型的內容,包括孔口出流及管嘴出流、有壓管道流動、明渠流動問題。為了幫助學生既加深對基本概念、基本理論的理解,又能掌握解決實際問題的能力,教師應選取具有工程實際背景的典型例題作為研究內容,充分調動學生的學習積極性,引導學生通過查閱資料、課堂集體討論等形式解決問題,并找出最合理的解答。又比如圓管層流的研究不外乎采用兩種方法,一種是分布參數法,以N-S方程為基礎,求其偏微分方程組的特解;另一種是集中參數法,以受力平衡法來討論。對這兩種方法來說若研究的圓管放置的位置不同,又可分為任意傾斜放置及水平放置。這樣一來,實際采用的研究方法就有四種。一種為N-S方程,管道傾斜放置;二種為N-S方程,管道水平放置;三種為力平衡方程,管道傾斜放置;四種為力平衡方程,管道水平放置。讓學生自己分析比較各種不同方法特征,讓學生自己去探究發現不同方法的特點、規律,進而才能有全面正確深刻的理解。
2.2 自學研討式教學法 為發揮學生的主體作用和培養學生的自主創新學習精神,我們根據課程不同教學內容的特點和要求,在適當時機安排學生自主學習,開展研討,并在自學研討中,注重引導學生把抽象思維訓練與形象思維訓練、發散思維訓練與收斂思維訓練、逆向思維訓練與正確思維訓練與正向思維等有機結合起來,從而達到創新思維訓練的目的。同時,我們在課程教授的各個環節,還注重構建多維互動的創新性課程教學模式,把接受性、主動性、活動性、問題探究性等自主創新性教學模式有機結合,改變過去教師獨占課堂、學生被動接受的單一教學信息傳遞方式,促使師生間、學生間的多向和諧互動,達到互相學習、教學相長、共同進步的目的。
在安排自學過程中,教師要注意避免學員出現“自學不學,學而不思,思而不動”等現象,有效的措施之一就是采用“任務驅動法”,即在安排自學內容時,同時給學生布置任務,用完成這個任務作為動力,讓學生在完成任務的過程中達到自主學習和掌握知識的目的。比如,在講授堰流時,寬頂堰溢流、薄壁堰溢流和實用堰溢流它們的流量計算公式都是相同的,只是公式中不同情況下的流量系數不同而已。在講授粘性流體運動微分方程、紊流速度分布公式等內容時,只需要從物理概念上作簡要說明即可,這樣處理讓學生有了更多的獨立思考和自學的機會。
2.3 問題情景式教學法 創新教學方法,就是要改變過去的傳統教法,努力創造設問題的情景與和諧寬松的學習氛圍,培養學生的創新意識和能力,訓練學生的創造思維,使學生通過生疑、質疑、解疑等活動提高發現、分析和解決問題的能力,充分挖掘學生的創造潛能。“學起于思,思起于疑”,疑則誘發探索,從而發現真理。為此,我們特別注重教學活動策略的選擇和運用,充分借助各種教學手段,巧設問題情景,把情景創設策略、多向互動策略與問題策略結合運用,綜合發揮教學策略的整體效應,促使學生主動思考探究、質疑問難、自我歸納辨析習慣的養成,達到學生能力培養、發展思維的目的。比如,在講流體表面張力特性時,向學生提問“舊常生活中我們可以看到什么現象能表明流體的表面張力特性?”此時學生都會非常積極的思考,隨后向大家舉例,比如說我們常常看到的水滴懸掛在水龍頭出口處,水銀在平滑表面上成球形滾動等現象。通過這樣的提問與回答,可以把學生的注意力完全集中在你所講述的內容上,充分調動起學生學習的積極性。在說明課程所要掌握和了解的內容時,先提出許多與實際密切相關的問題,諸如:在講解水壩的閘門會承受多大的力,高爾夫球表面為什么要做成凹凸不平的,暖氣管道應如何設計,等等。通過這些問題的提出,學生可以知道學習這門課以后,能夠運用所學的相關知識解決哪些實際問題,學生帶著問題學習,就不會盲目地學,并且在學過相關章節后,教師再次提出問題并給予答案或讓學生自己解答,從而不僅增強了學生解決問題的能力,同時也大力激發了學生學習這門課程的興趣。在這門課程的一開始,學生學習的主動性與積極性就被充分調動起來了。
2.4 課題研究式教學法 現代認知心理學把知識分為陳述性知識和程序性知識。陳述性知識如食物的名稱、概念、事實等,通過教師講解可以掌握或記憶;程序性知識主要涉及原理、規則、定律等的理解與應用以及解決問題的技能、方法與策略的形成、情感體驗等,這類知識不能單憑傳授,還要求學生通過自主研究探索、親身體驗等具體活動才能內化和占有。“工程流體力學”中既有經典成熟的理論知識、技術方法,又有許多需要進一步完善發展、深入探尋研究的地方,尤其適宜于在教學中針對性開展專題研究,以培養學生的創新思維和創造能力。比如,在講授“水力摩阻”時,針對鋼質管線水力摩阻較大的特點,開展“水力減阻技術”研究;在講授“壓力管路水力計算及工藝設計”有關內容時,針對其涉及大量公式、過程復雜、手工計算效率低、誤差大等情況,讓學生編制“工藝計算軟件”,等等。此外,我們在課程綜合設計中,改變了過去一年同一題目,人人同一題目的傳統做法,而根據不同學生的特點、特長,并結合專業發展前沿,設置多個題目,讓學生自由選擇,自由組合,采取“分層互促、小組合作”的形式,促使學生自己動手、自主創新、團結合作精神的培養和訓練。
2.5 綜合實踐式教學法 如何讓學生牢固并靈活、創造性地運用所學知識,我們認為僅憑課堂教學、課程設計、實驗室演示等傳統教學模式和方法遠遠不夠。例如:在講授描述流體運動的兩種方法――拉格朗日法和歐拉法時,可以帶學生到公園劃船,在船上講清拉格朗日法; 到水文站,在水文站上講清歐拉法。在講動量方程的應用時可以到有關的水文站或水泵站現場,實測鎮墩的受力,與理論計算作比較。在計算曲面的靜水壓力的豎向分力時,需要建立壓力體概念,而在有些復雜情況下,如何畫出壓力體,以及如何判斷壓力體的虛實比較困難,這就需要借助于光盤,利用電教中心的多媒體教室作動態的演示。
3 結語
《工程流體力學》課程是面向工程應用人才的課程,所以教學核心始終是學生知識應用能力的養成。為此,在課程教學中,我們始終堅持推行創新思維教學法,注重開發學生的創造力,引導學生對理論、公式等進行質疑研究、探索研究,把學生創新能力的培養融于課程教學的各個環節;應用創新教育先進的理念和思想,轉變教育觀、學習觀、人才觀,始終把培養學生創新情感、創新心理、創新個性,訓練學生的問題意識、創新思維、創新技法放在首位。
參考文獻:
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關鍵詞:立體引學式教學;數學教學;應用研究
隨著課程改革的不斷深入,如何促進學生的自主學習已成為當前課堂教學研究的主要內容。立體引學式教學理念提出在教師的啟發引導下促進學生的自主學習。作為一線的六年級數學教師,如何利用現有的六年級數學教材,在立體引學式教學理念下促進學生的自主學習。本人根據自己多年的六年級數學教學和對立體引學式教學理念的理解,提出如下幾點體會。
一、打好扎實的基礎,實現學生自主學習的目標統一
立體引學式教學理念將課堂教學的目標界定為“知識與技能,過程與方法,情感、態度、價值觀”這三維目標,在傳授知識的同時注重能力的培養,最終的目標是要促進學生的自主學習。因此在六年級數學教學中,我們一方面要完成本年級新知傳授,另一方面,還要幫助學生對小學階段的所學知識進行梳理、查漏補缺,培養學生運用數學知識解決問題的能力,養成學生對學習、對生活、對人生良好的情感態度,達到學生的自主學習的最終目的。而我們又常常聽到一些教師發出這樣的感嘆:學生太粗心了!許多題目連中下等生都應該做得起來,可練習考試的時候學生錯誤的情況很多。即出現所謂的“過失”失分現象。學生產生“過失”失分的原因是多方面的。有智力方面的因素,也有非智力方面的因素,但不能原因簡單地歸究為“學生粗心”。就教師本身而言,課堂教學中,在注意激發學生學習興趣,培養學生良好的“情感、態度、價值觀”的同時,課堂上目標的定位要準,不能“不到位”,也不能“越位”。“最基本的往往是最重要的”,越是最基礎的知識、最基本的概念,教師更要舍得花時間,啟發引導學生自己去探索,去實踐,讓學生主動參與知識形成的過程,促進學生的自主學習。只有幫助學生夯實了基礎知識,提高學生自主解決實際問題的能力才能落到實處,“知識與技能,過程與方法,情感、態度、價值觀”三維目標的統一才不至于是一句空話。
二、利用好教材,培養學生自主學習的意識與能力
現行“九義”小學數學教材已形成一個較為完整的知識體系。如何充分發揮現行六年級數學教材的作用,體現立體引學式教學的理念,培養學生自主學習的意識與能力?實踐證明,通過改編例題、習題,啟發引導學生思考、辨析,可以起到事半功倍之效。
(一)改編例題促思考,啟發引導學生自主學習的意識。
立體引學式教學理念指出,要在教學的啟發引導下促進學生的自主學習。六年級學生已具備了一定的自主學習能力,教學中,教師要根據教學的實際,通過改編例題、習題等方式,啟發引導學生自主學習,在學生掌握新知的同時,又提高了學生應用數學的知識和解決問題的能力。
例如:在分數乘整數這一部分,教材在講解了分數乘整數的意義和計算法則以后,補充了一例,說明“能約分的先約分再乘比較方便”。我在學生掌握分數乘整數的計算方法、并進行了一定練習以后,出示了下面一道題:〖SX(〗2〖〗999〖SX)〗×7777,激趣說:看哪位同學計算得又對又快。當學生覺得2與7777相乘比較麻煩時,就啟發引導學生:看題中的數字有什么特點,怎樣算比較簡便呢?許多學生通過思考,恍然大悟,自覺地運用了先將7777與9999約分,然后,再把7和2相乘的方法。學生通過自主探究學習,得出了分數和整數相乘,先約分再乘比較簡便這樣一個結論,這比告訴學生一個簡單的方法讓他們單純地做計算效果好得多。
(二)改編例題引發散,培養學生自主學習的能力。
立體引學式教學理念指出,要培養學生自主學習的能力,用所學知識解決實際問題的能力。在六年級數學教學中,如果能真正把“用教材教”落實到實處,通過改編例題、習題的方式發散學生的思維,對培養學生自主學習的能力將會起到積極的作用。
例如在教學“一段公路,甲隊單獨修10天完成,乙隊單獨修15天完成。兩隊合修幾天可以完成?”這一工程問題時,在學生掌握了此道題解題思路和方法的基礎上,可以將“乙隊單獨修15天完成”改成:
(1)乙隊單獨修比甲隊多用5天。
(2)乙隊單獨修的時間是甲隊的1.5倍。
(3)乙隊的工作效率是甲隊的2/3
……
還可將問題改為:
(1)兩隊合修幾天完成這段公路的?
(2)兩隊合修幾天后還剩這段路的?
(3)甲獨修2天后,剩下的乙獨修還需幾天?
……
這樣圍繞例題這一中心發散,學生自主學習的能力得到充分的發揮。“源于教材,高于教材”的教學機制,在本堂課也得到充分體現。
(三)改編例題促思辨,提高學生自我反思能力。
反思是一種學習和生活的策略。學生在學習新知的過程中總會發生這樣那樣的錯誤。教學中,如能適時地運用改編例題、習題促進學生進行思考、辨析,進行前饋控制或反饋矯正,一方面可以達到有效防治錯誤的目的,另一方面還可以提高學生自我反思的能力。
(1)前饋控制。即教師根據教學規律或班級的實際情況,將學生在解答有關問題時易錯的一些情況,通過改編例題、習題的方式讓學生進行對比、辨析,防患于未然。
(2)反饋矯正。即當學生在練習中發生錯誤后,教師根據學生的情況,通過改編例題或習題讓學生繼續練習,學生在繼續練習中產生頓悟,從而有效地糾正學生的錯誤認識,提高學生自我反思能力。
杭州市蕭山區第一人民醫院 浙江省杭州市
【摘 要】目的:觀察PICC 在腫瘤血液科的應用效果,探討相關的護理措施。方法:選取2013 年11 月~ 2014 年11 月之間我院腫瘤血液科收治的腫瘤血液患者200 例,將其隨機分為對照組與觀察組,每組各50 例,均采用PICC 穿刺進行化療,前者給予常規護理,后者給予相應的整體性護理,比較護理效果。結果:對照組患者的一次性置管成功率為79.0%,小于觀察組(98.0%),P<0.05,差異顯著;對照組的并發癥發生率為22.0%,大于觀察組(4.0%),P<0.05,差異顯著。結論:采用PICC 穿刺治療腫瘤血液科患者,同時輔以有針對性的護理干預,有助于一次性穿刺成功,減輕患者的痛苦,而且并發癥較少,安全性高,值得在臨床上進行推廣。
關鍵詞 PICC;腫瘤血液科;并發癥;護理干預
化療是目前治療腫瘤的主要方式,以靜脈途徑給予化療藥物,有助于患者的臨床癥狀得到減輕,然而化療期間產生的不良反應會使患者的身體健康受到嚴重影響,極大降低其生活質量,一些患者甚至會選擇中斷治療[1]。以往深靜脈穿刺的方法會造成較大創傷,而且并發癥發生率高,將中心靜脈導管置入外周靜脈不僅操作簡單,而且安全性高。我院探討了PICC 在腫瘤血液科的應用效果與護理措施,報道如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料
選取2013 年11 月~ 2014 年11 月之間我院腫瘤血液科收治的腫瘤血液患者200 例,均與有關的診斷標準相符合,且經過胸部CT、X 線片等輔助診斷確診。將所有患者隨機均分為兩組,對照組包括男性65 例,女性35 例;年齡17 ~ 78 歲,平均(42.5±3.5)歲;疾病類型:急性白血病5 例,食道癌7 例,腸癌30 例,胃癌32 例,肺癌6 例,乳腺癌14 例,其他6 例。觀察組包括男性66 例,女性34 例;年齡18 ~ 76 歲,平均(43.2±3.3)歲;疾病類型:急性白血病4 例,食道癌8 例,腸癌29 例,胃癌31 例,肺癌5 例,乳腺癌15 例,其他8 例。年齡、性別、疾病類型等一般資料在兩組患者之間無顯著差異,P>0.05,不具有統計學意義,可以進行對比。
1.2 方法
兩組患者均應用PICC 進行靜脈置管,與此同時,給予對照組患者常規護理,在此基礎上給予觀察組患者整體化護理干預,主要包括以下兩方面。
健康宣教。置入PICC 導管前告知患者如下內容:
(1)PICC 導管可彎曲、柔軟且細長,從上臂大靜脈置入,最后到達的大血管接近心臟,能夠預防藥物刺激血管,提高安全性。
(2)置管時間可長達1 年,最短通常1 周,能夠減少多次穿刺產生的疼痛與焦慮心理;
(3)與平時抽血、輸液注射相同,PICC 導管穿刺在針頭開始進入皮膚時會出現輕微痛感,之后不適感消失[2]。
(4)患者的自我護理與護士的專業維護影響到置管時間。
(5)向患者介紹行PICC 置管治療的患者,鼓勵其通過溝通緩解不良情緒。
置入PICC 導管前告知患者如下內容:
(1)穿刺處皮膚保持干燥清潔,不可自行將無菌透明貼膜撕下,若貼膜松動、脫落應盡快更換;
(2)對手臂活動物過多限制,但盡可能不用置管側手臂提重物或進行持重鍛煉;
(3)不可將止血帶扎于置管側手臂處或量血壓;
(4)確保PICC 導管外露接頭被良好固定和保護;
(5)衣服袖口寬松,確保脫、穿衣服時不會帶出導管;
(6)可攜帶導管淋浴,盡量不要泡浴或盆浴,淋雨前可在肘部纏繞保鮮膜,并將膠帶貼于上下邊緣,避免浸水;
(7)觀察穿刺處皮膚是否出現異常,如疼痛、腫脹等;
(8)若導管出現緊急、異常情況,如移位、斷裂等,需盡量鎮靜,接著采取相應方法處理;
(9)暫停治療期間需返院要求專業護士幫忙進行沖管與其他基本護理,每周一次。
1.3 觀察指標
觀察、記錄兩組的一次性穿刺成功率,以及兩組患者置管期間發生的并發癥情況,統計并發癥發生率。
1.4 統計學處理
本次研究中采用統計學軟件spss19.0對得到的數據進行分析及處理,分別采用百分比和(均數± 平均差)的方式表示計數資料與計量資料,并分別采用X2 與t 檢驗其組間比較。如果P<0.05,表示差異顯著,具有統計學意義。
2 結果
對照組中一次性置管成功者79 例,成功率為79.0%,觀察組中一次性置管成功者98 例,成功率為98.0%,大于對照組,P<0.05,差異顯著,具有統計學意義;對照組患者發生并發癥的情況為:靜脈炎5例,局部滲血11 例,其他6 例,發生率為22.0%,觀察組患者發生并發癥的情況為:靜脈炎1 例,局部滲血2 例,其他1 例,發生率為4.0%,小于對照組,P<0.05,差異顯著,具有統計學意義。
3 討論
本次研究結果顯示,對照組患者的一次性置管成功率為79.0%, 小于觀察組(98.0%),P<0.05, 差異顯著, 具有統計學意義;對照組的并發癥發生率為22.0%,大于觀察組(4.0%),P<0.05,差異顯著,具有統計學意義。說明采用PICC穿刺治療腫瘤血液科患者,同時輔以有針對性的護理干預,有助于一次性穿刺成功,減輕患者的痛苦,而且并發癥較少,安全性高,值得在臨床上進行推廣。
參考文獻
[1] 黃麗霞, 李華珍, 王詠梅.PICC 在腫瘤患者化療中的應用及護理體會[J].齊齊哈爾醫學院學報,2013(01):138-139.
【關鍵詞】留學生 見習教學 經驗
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089(2015)09-0233-01
近年來,隨著社會的發展和開放, 國際間的經濟和文化交流日益頻繁。不只是大批國人走出國門求學,海外留學生和學者也逐漸來到中國求學。自1995年我國實行各高校自主招收留學生政策以來來華留學生教育發展迅速,已成為衡量一個國家高校教育國際化水平的重要指標。其中來華留學醫學生數目增長最迅猛,規模現已居來華留學生各專業第二位,學歷留學生各專業首位[1]。留學生數量的增長, 必然要求學校有相應的施教內容和方式, 以適應目前留學生教育工作的發展。我校也于2011年開展了臨床醫學本科專業留學生招生工作,由于留學生本身的特點難以適應中國傳統式的教學方式,我們嘗試以案例教學法(CBL)進行內科學見習帶教,總結經驗如下:
1.留學生的特點和教學的困難
內科學的學習目的是讓學生系統的學習各種疾病的病因、發病機制、臨床表現、診斷、治療與預防,是整個臨床醫學的基礎,為培養未來的“準醫生”的“臨床思維”打下基礎的重要課程,因而內科學見習帶教通常需要結合臨床實際病例讓學生掌握典型病例的臨床特點,我校招收的來華留學生大部分來源于印度、尼泊爾、巴基斯坦等國,基本無中文基礎,在和病患交流過程中存在語言交流障礙,臨床見習時又看不懂輔助檢查資料,學生很難得到完整的第一首病史資料;另外,不同的文化背景和生活環境使留學生的思維方式、學習方法與國內學生有所差異,留學生課堂提問多,思維活躍,但記憶力和應試能力較差。綜上,留學生醫學教育的特殊性使的臨床教學過程具有更高的挑戰性,如果按照傳統授課方式進行教學,難以達到預期的教學效果,因而,選擇恰當的教學方式是提高留學生教學效果的基本保證,我們嘗試以案例教學法進行留學生內科學見習教學。
2.案例教學法教學模式特點
案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法,采取來自于真實情境或事件形成的案例,借助案例分析和解決過程,培養和發展學生主動學習、互動討論等綜合能力。1870 年美國哈佛法學院前院長克里斯托弗哥倫布朗代爾(C.C.Langdell)首先提出案例教學法,此后哈佛企管研究所所長鄭漢姆(W.B.Doham)對這一概念進行了推廣,之后案例教學法以其自身在教學中的巨大優勢風靡全球,百余年來,該種教學方法幾經完善,現已成為以美國為代表的西方國家高校教育中一種重要的教學方法,直到20 世紀80 年代后期才被我國教育界認可和重視,并于上世紀末率先在國內法律及商業教學中推廣應用。案例教學法 優勢在于可充分調動學生主動性,理論聯系實際,提高分析和解決問題的能力[2-4],而臨床醫學教育的高實踐性、高思辨性的特征,對于案例教學法的應用有著天然的契合性。
3.案例教學法應用于留學生臨床教學體會
3.1案例教學法促進留學生的跨文化適應
由于教師與留學生文化背景及語言的不同,對留學生教學單純用文字描述往往效果不佳,因此,在教學中采用案例教學法,能夠充分利用色彩、聲音、動畫、圖形等形式,以直觀、新穎、活動的圖像和畫面展示教學內容,這種信息的表達形式具有很強的吸引力,可以讓學生通過多個感覺器官獲取知識[2]。另外,眾所周知醫學臨床專業課程的教學是一門實踐性很強的學科,留學生通常由于語言障礙、文化差異等原因較難獲得滿意的第一手臨床資料,通過案例培訓, 能增強師生交流機會, 了解我國醫療運行體制, 體會我國社會文化背景, 促進留學生的跨文化適應性,使學生較全面掌握病史資料。
3.2案例教學法促進留學生臨床思維的培養
案例教學法體現了現代教育的主張, 符合醫學的和實踐性特點,案例教學法是一種開放性教學,教師所起的作用不僅僅是單向的講解,而是和學生共同進行問題的探討和辯論,使得學生的思維角度得到充分擴展和展示。而留學生本身在留學前的本土教育多為“交互式”教學模式,所以留學生更能接受和喜歡案例教學法。通過思考題、討論等形式,充分發揮了學生的聰明才智,學會了如何對病情剖析、歸納、總結等重要環節和程序,訓練了學生的臨床思維能力、表達能力、綜合分析問題能力,并對所學的疾病,經過了一個理論聯系實際的過程。學生每討論到一份臨床病例后,大部分學生都希望通過自己的分析,做出正確診斷。這就促使他們去認真分析,查閱資料,甚至相互討論。這樣使學生由機械的學習變為靈活的學習;由接受式學習變為發現式學習;由被動式學習變為主動式學習,從而提高了學生分析、思考和自學的能力,克服了學生讀死書、背死書的不良現象,有利于培養獨立思考的能力,為將來從事臨床、處理大量的現實問題打下良好的基礎。
3.3案例教學法促進留學生的學習效率
留學生根據老師提出的病案資料和擬出的思考題,去查閱資料及參考書,并在病案討論中反復運用所學知識,有利于提高學習的針對性,增加了學習興趣。在課堂上學生積極主動思考,發表自己的意見,暢所欲言。通過討論不但學習了臨床知識,而且使知識融匯貫通。通過病案討論教學,激發了學生學習的責任感和積極性,提高了學習效率。
3.4有助于提高教師的業務水平
教師在病案討論課前,應有周密的教學設計,包括病例的選擇、認真備課、計劃及安排。由于留學生在主動分析病例的過程中,會查閱許多的參考書籍,所以他們就會提出很多教材中沒有的問題,這就促使教師要做更多的準備,而且是以全英文授課,教師不僅要熟悉患者的情況,還要精通與病例相關的解剖、病理和生理等基礎知識,這就使得授課教師必須具備較高的綜合素質。為能達到良好地教學效果,教師必須充分查閱資料,對學科進展等相關資料進行研究和學習。
案例教學法的目的并不在于向學生傳授與規則相關的內容,它注重的不是結果, 而是過程。在當今社會, 與醫學相關的信息與研究進展每天都在以成倍的速度增加。留學生將來畢業后要走向的是國際化的醫療市場環境,我們選擇在臨床見習階段采用案例教學法,既希望能為留學生帶來與國際接軌的教學模式,更希望能強化培養留學生的思維能力和獨立分析問題的能力,為他們今后從事醫療事業打下重要的基礎。
參考文獻:
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[3]Ciraj AM, Vinod P, Ramnarayan K. Enhancing active learning in microbiology through case based learning: experiences from an Indian medical school[J]. Indian J Pathol Microbiol, 2010, 53(4): 729-733.
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關鍵詞 流體力學; 模擬分析; ABAQUS
中圖分類號TP31 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708(2013)94-0199-02
0引言
計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)的研究始于上世紀70年代早期。經過幾十年的發展,已經成為一門綜合運用物理學、應用數學及計算機科學模擬流體流動狀態的工程科學。到了上世紀80年代中期,流體力學的研究重點開始轉移到對由Navier-Stokes方程描述的粘性流的模擬。與此同時,具有不同數值復雜性和精確度的湍流模型種類也逐漸演變而成。如今最先進的擾流模擬方法由直接數值模擬方法(Direct Numerical Simulation)為代表,可是這種方法并不能很好地用于工程領域。
到了80年代末,利用了數值方法,特別是隱性數值方法的先進性,需要進行真實氣體模擬的的流體模擬也漸漸變得可行。目前,CFD方法已經廣泛用機、汽車、輪船的設計,以及天氣預報、海洋學研究和天體物理學等方面。CFD方法在工程科學及某些物理科學的研究中已變得越來越重要。
ABAQUS/CFD是集成在ABAQUS軟件包中用以求解流體力學問題的模塊。ABAQUS/CFD采用混合有限體積法和有限元法的求解方法來計算不可壓縮的層流和湍流問題,具有較高的求解精度,在集成的FEA-CFD多物理環境中能獲得可擴展的CFD解。本文通過一個流體力學的例子,簡單介紹在ABAQUS/CFD中進行流體力學分析的基本步驟,并對計算結果進行了初步的分析。
1 流體力學控制方程
從流體力學連續性方程、動量方程和能量方程可以推導出非定常三維可壓縮粘性流動的納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程。
1.1連續性方程(continuity equation)
非守恒形式:
守恒形式:
1.2 動量方程(momentum equation)
2.1建立CFD模型
ABAQUS/CFD在進行流體力學分析時需首先建立流體的模型,本例中流體流經長10m,寬3m,高0.2m的長方形管道,管道中央有直徑為0.5m的圓柱體。見圖1。
2.2定義流體及網格劃分
ABAQUS/CFD只能處理牛頓流體(Newtonian fluid, 指流體中的剪應力與剪應變不成線性關系),在本例中,流體的密度為1000kg/m3,粘度為0.1pa.sec,溫度設為室溫。
在本例中劃分網格類型為具有8個節點的線性流體塊(8-node linear fluid brick), 在中央的圓柱壁上網格變為梯臺狀,見圖2。
2.3. 分析結果
通過在ABAQUS/CFD中進行分析, 我們得到了以上例子的運算結果,圖3a是容器內流體速度的分布情況,可見圓柱體
兩側流體速度較高。圖3b是容器內流體壓力分布的情況。
3 結論
本文首先介紹了計算流體力學的一般公式。基于ABAQUS/CFD平臺,通過文中例子的分析,向讀者介紹了ABAQUS/CFD軟件的特點和一般使用方法分析了一個較簡單的流體力學問題,并得到了該問題的流體速度和流體應力在分析域內的分布情況。通過運用ABAQUS/CFD軟件,我們能得到一般流體力學問題中流體速度和應力較高的位置,并在設計和施工中予以一定的重視,對實際工程的設計和分析具有一定的參考意義。
參考文獻
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[2]羅賽虎,田斌.基于ABAQUS的重力壩時程動力分析.云南水力發電,2011.
論文關鍵詞:流體力學;制冷與低溫工程;教學改革
目前,鄭州輕工業學院(以下簡稱“我院”)的制冷與低溫工程專業已被評為國家級特色專業。為了加強制冷與低溫工程專業學生能力的培養,造就人才,有必要對制冷與低溫工程專業的教學進行全面的改革。
“流體力學”是制冷與低溫工程專業的一門重要的專業基礎課,主要分為流體靜力學和流體動力學,研究流體平衡、運動規律、流體和周圍物體之間的相互作用力及其實際應用的科學。由于流動現象和流動規律及其影響因素十分復雜,故其具有理論性強、概念抽象和公式較多、實際工程應用廣、對學生的綜合分析處理問題的能力要求較高等特點。加上學生對流體流動機理普遍缺乏感性認識,導致“流體力學”課程歷來被公認為是教師難教、學生難學難懂的課程之一。因此,迫切需要進行“流體力學”課程教學改革,使學生學好本門課程,提高課程教學質量,使學生能更深刻地理解和掌握專業理論知識,培養學生的綜合分析應用能力和創新能力,全面提高專業素質。
分析目前我院制冷與低溫工程專業“流體力學”課程教學的現狀,發現存在以下主要問題:首先,“流體力學”理論性強,概念多而抽象,難以理解,學生普遍缺乏對流體力學問題的感性認識,學習興趣不高;其次,課程中公式繁多,推導過程復雜,且大多涉及到“高等數學”的偏微分方程,另還涉及到“大學物理”、“理論力學”、“材料力學”等方面的知識,學生理解困難;另外,學生對所學的知識不能靈活應用。因此怎樣激發學生的學習興趣,選擇合適的教學模式組織教學,全面實現該課程教學目標,提高教學質量,是該課程教學亟待解決的問題。
一、改革教學方法
學好“流體力學”這門課對于制冷與低溫工程專業的學生來說至關重要。讓學生理解流體靜止和運動的規律及其影響因素,不僅能為學生學習后續的專業課程提供必要的理論基礎,也能為學生以后分析解決實際工程中的實際問題提供理論指導。怎樣才能讓學生學好這門課,筆者結合自己的教學經驗,認為可以從以下幾方面著手。
1.激發學生學習興趣
學生是學習的主體,而“流體力學”又是大家公認難學的課程,因此學生的學習積極性高低決定著“流體力學”這門課教學的成敗。
要提高學生學習“流體力學”的積極性,首先要上好“緒論”課。“緒論”課是學生接觸和了解“流體力學”這門課的窗口,也是教師的教學水平和教學方式的第一次展示,“緒論”課上得好不好直接影響到“流體力學”課程教學的成功與否。通過“緒論”課讓學生對“流體力學”的發展及其廣泛的工程實際應用有一個大致的了解,使他們充分意識到“流體力學”知識和我們的生活及國家的建設密切相關,深刻理解“流體力學”知識在今后的學習和解決實際工程問題中的重要作用。
教師在講授一些理論知識之前,可先舉出很多貼近生活的有趣實例或者先提一些問題來激發學生的學習興趣,啟發引導學生積極地思考。例如在講液體的粘性之前,可以先問學生:在水中游得快還是在油中游得快?為什么?又如在描述流體運動有兩種方式——拉格朗日法和歐拉法時,可以將在座的學生和教室里的每個座位作為研究對象來進行類比,從而讓學生很容易的理解兩種方式。通過舉例和提問的方式,讓學生帶著問題去學習,讓學生親身感受到參與教學活動是一件樂事、趣事,由愿學到愛學再到樂學。實踐表明:列舉事例或提問的方式可以避免學生學習的枯燥感,活躍課堂氣氛,不僅可以吸引學生的注意力,激發學生學習的主觀能動性,還可以使學生充分意識到本課程對今后學習和工作的重要意義,并且能加深學生對所學知識的理解和記憶,使學生分析問題和解決問題的能力得以提高。
另外,還應充分利用多媒體,通過圖片、動畫讓學生直觀了解各種流動現象,而不是停留在抽象層面,從而提高學生學習“流體力學”的興趣。
2.巧妙講解公式
為了定量地描述流動現象和分析流動機理,需要應用數學工具。學生要真正理解基本概念、重要公式,首先就要讀懂數學,然而讀懂了數學不一定意味著明白了數學符號背后所代表的物理意義。“流體力學”教學實踐表明,學生從讀懂數學到理解流動問題的物理本質有一個過程。教師的一個重要任務就是做好各方面的工作,幫助學生完成從讀懂數學到理解流動的物理本質這一過程的轉變,進一步建立起科學的思維方式。
“流體力學”在分析介紹歐拉平衡微分方程、歐拉運動方程、連續方程、動量方程、伯努利方程等理論知識時都有大量的公式,這些公式涉及一些高數、物理、力學方面的知識,特別是大量的偏微分方程,加上“流體力學”的公式推導采用歐拉法,與物理及其他力學不同,學生的觀念不易改變,而且推導過程復雜,學生理解掌握很困難。如果過分強調“流體力學”知識的嚴密性和完整性,對每個公式的每個推導細節都逐一介紹,推導過程將會枯燥無味,學生只會被弄得糊里糊涂,興趣全無。而如果直接給出公式,讓學生死記硬背,只能讓學生不知其所以然,當然也就不能真正用所學知識來解決實際問題了。
根據多年的教學經驗,筆者認為:“流體力學”中公式的講解應將重點放在概念引入、理論模型建立的思想、基本原理和主要步驟以及公式的物理意義與應用限制上。首先對基本概念力爭講透,概念清楚了,公式的講解推演才有意義。然后重點使學生明確公式的物理意義及公式中各項參數的物理意義和幾何意義,只有真正理解了公式的物理意義,才能靈活使用公式解決實際工程問題。最后應強調公式的應用范圍及應用注意事項。由于流動的多樣性,“流體力學”中的很多方程都是在一定的條件下得到的,如伯努利方程就有多種形式(理想流體、實際流體、流體是否可壓等),在具體運用時,要根據具體情況選用正確的形式。
3.充分利用作業
學習的最終目的是讓學生能夠獨立自主地解決實際工程問題。如果基本原理掌握了,接下來就是如何用這個原理去解決實際問題。課后作業是檢查學生對所學知識理解、掌握程度的一種手段,同時也是培養學生分析、解決問題能力的一種方法。
首先應由學生獨立地完成一定量的課后練習題,這是“流體力學”學習過程的重要組成部分,解題過程實質就是利用“流體力學”的基本原理和基本方程分析和解決實際問題的一個訓練過程,課后習題可以幫助學生加深對基本概念和基本理論知識的理解。
然后再由教師通過習題課的方式,利用具有代表性的習題和一些學生普遍認為困難、出錯多的習題,講述流體力學原理在工程實例中的應用。在講解習題時,重在提供條理清晰的解題思路、詳細具體的解題步驟,使學生在此過程中掌握解決問題的正確方法和技巧,以便在以后的學習工作中舉一反三、觸類旁通、學以致用。這一過程增強了學生對流動過程物理本質的理解,將物理問題與數學工具有機地結合起來,有助于學生對與專業相關聯的實際工程問題進行認真思考,有效的增強了學生分析并解決實際問題的能力。
二、改革教學手段
多媒體教學以其形象、直觀、生動、具體、易于理解的教學特點,豐富的教學內容,被高等院校廣泛采用,并深受廣大師生的歡迎。
多媒體教學在“流體力學”教學過程中發揮著重要的作用。利用多媒體,可將“流體力學”中那些難以用語言描述的流動圖像、抽象難懂的知識點,如拉格朗日和歐拉法的描述,流線與跡線、層流、湍流等,通過圖片、動畫和視頻資料直觀形象地展現給學生,使其從感性認識開始建立清晰的物理概念,較容易地掌握相關內容,并使學生的邏輯思維、綜合分析能力得以提升。另外一些需占用大量時間寫板書表述的和不易通過板書表述的內容也可利用多媒體制作Power Point課件。如莫迪圖、水頭線、各種流場和一些典型的例題習題等。采用多媒體教學,授課的信息量增多了,教學內容更豐富了,學生在有限的時間內接收的知識更多了,學生的學習興趣提高了,學生的思路拓寬了,教學質量也提高了。
多媒體教學的發展并不意味著要摒棄傳統的板書教學。有很多學生認為板書能讓他們有更多的時間去思考消化一些抽象的東西,更有利于對基礎知識的理解和掌握。根據“流體力學”既有抽象復雜的流動機理又有大量的基本概念、基本方程的特點,在教學過程中應將多媒體教學與板書教學相結合,揚長避短,發揮各自的優勢,為教學工作更好地服務。如對某些特定的流動現象,可以通過多媒體教學,加深學生對流動現象和機理的理解。而對于較重要的公式及一些重點難點內容還是采用板書教學,例如流體力學基本方程的推導過程依然使用傳統教學中的板書,有利于學生集中注意力,讓學生更清楚地看清步驟、方法和解題思路。這樣既可留給學生足夠的思考時間,又可加深學生對重要知識的理解,從而獲得良好的教學效果。
關鍵詞:流體力學;課程教學;課程考核;改革
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)17-0091-03
《流體力學》是我校環境工程專業一門重要的基礎理論課程。流體力學是應用力學的一個分支,它以物理學為基礎,力學為依據,以數學、科學實驗及計算機為工具,研究流體平衡和運動的基本規律,以及流體與固體的相互作用力。作為一門實用的工程科學,流體力學有比較完整的體系,它不但可以獨立解決一些工程實際問題,而且可以為學習多種工程專業課打下必要的基礎。其任務在于使學生掌握流體力學的基本理論、基本計算方法、基本實驗技能以及在工程實際中的初步應用。通過該課程的學習使學生初步具備分析和解決實際流體力學問題的能力,并對后續專業課程的學習以及將來從事相關專業的工作和科研打下良好的基礎。多年來,流體力學的教學內容主要是經典的流體力學理論和傳統的實驗分析方法,偏重于理論分析,教學內容比較抽象和單一,不能反映當前流體力學學科發展的趨勢,不利于拓寬學生的知識面、提高學生的學習能力和創新能力。具體可以概括為以下幾點:
1.流體力學的教學大綱不適應高等教育改革發展的需要,對教學目標和教學基本要求的定位不準,與培養目標的要求不太一致。
2.流體力學教學與環境工程其他專業課程結合不緊,導致許多畢業生在從事環境工程過程中感覺到流體力學對環境工程的指導作用不明顯。
3.流體力學中的部分概念與化工原理中的內容相重復。
4.流體力學教材中缺乏反映近代科技成果的新內容和流體力學的新發展,與現代科學技術的發展聯系不緊密。
5.教學方法和教學手段沒有考慮到學生主體。
6.流體力學教學中沒有引入演示實驗,將其中抽象的物理過程和物理圖像形象化、直觀化,學生不容易深刻理解和掌握。
7.成績評定形式單一,不能全面地考核學生所學知識和綜合運用知識的能力。考核形式基本上是通過學期末的一次性閉卷考試完成,試卷題型也大都為考察課程主要知識內容點的選擇題、填空題、計算題、證明題等,這種考核形式有引導學生死記硬背的傾向,缺乏對學生綜合應用能力與創新能力的考核。
這些問題的存在導致在學生心目中,流體力學似乎沒有其他專業課重要,是一門可學可不學的課程。因此,傳統的教學大綱、教學內容、教學方式、成績評定不能適應流體力學教學的需要,必須進行適當地改革,構建面向工程的教學體系,注重實踐環節訓練,搭建能力培養平臺,建立更科學的考核機制,以適應形勢的變化發展。目前,我國高校所使用的流體力學教材主要有毛根海編著的《應用流體力學》、李玉柱、苑明順編著的《流體力學》、丁祖榮編著的《流體力學》、汪楠、陳桂珍主編的《工程流體力學》。我校選用汪楠、陳桂珍主編的《工程流體力學》作為指定教材。2012年,在認真梳理流體力學、化工原理及環境工程相關學科教學內容與環境工程專業培養目標的基礎上,對流體力學教學大綱進行了修訂、對教學手段進行改進,制作完成了與汪楠、陳桂珍主編的《工程流體力學》相配套的多媒體課件,并在教學中投入使用,取得了良好的教學效果。
一、修訂教學大綱
根據環境工程專業培養目標修訂原有的教學大綱,使教學目標的工科特色更加明顯。
二、改革教學內容
1.刪減與化工原理重復的內容,對這部分知識點,把講授的重點放在深化和提高上。
2.將流體的物理性質、靜力學、動力學、水頭損失和水力計算作為教學的重點。
3.大幅增加適應環境工程實踐需要的內容,引入一些環境工程案例,讓同學們未進入社會就能體會到流體力學對環境工程的指導作用
三、改革教學方法
新生入學開始就召開師生見面會,讓學科負責人講解專業培養方案,有經驗的教師教授如何進入大學里的學習狀態,引導新生盡快適應大學的教育環境和人文環境,樹立全面人才培養的理念以及與之對應的教學模式、考核體系等內容。讓新生對自己的大學生活作全局規劃,從獲得知識、提高專業技能的方式方法上不斷開拓思維,尋求自己的努力方向。改變傳統的“注入式”傳授知識的教學方法,采用注重培養實踐能力的教學方法,針對具體教學內容,靈活采用內容講授、課堂討論、雙向交流、問題思考、習題訓練、器材設計與制作、企業觀摩考察等多種形式,使學生能較好地掌握流體力學的基本概念、基本規律,掌握分析解決流體力學問題的方法和思路,并使解決問題的能力得以提高。每次上新的章節時,先提出一些與環境工程實踐密切相關的問題,然后告訴學生這一章節要學習的內容,通過這些內容的學習,就可以運用所學的相關知識解決這些實際問題,讓學生帶著問題學習,就不會盲目地學,激發學習的興趣。如在流體的物理性質一章導入的階段提出“為什么經驗豐富的司機,總是要發動機預熱一段時間后才開始行駛”?在流體靜力學章節以“為什么點滴吊瓶的液體逐漸減少時而藥液的流速卻不變”?流體動力學中以“為什么飛機的頭部有一根長長的針狀物”等來導入。學完一個章節后,再告訴他們由于課堂教學時間有限,還有很多問題的解決需要更多的知識,引導大家自學。特別是課程教學已經過半以后,學生的基本流體力學知識有些儲備后,要鼓勵、啟發、指導有興趣的同學做一些拓展性的學習和思考,參與老師的科研或自己做些發明創造,如教學模具、實驗器具等科技作品,培養學生的創新能力和解決實際問題的能力。這時我會帶些有興趣的同學到污水處理廠、環保科技公司去參觀考察,了解企事業的技術需求和科技難題,和同學們一起思考探索問題的解決方案。針對流體力學中的概念和規律比較抽象和枯燥的特點,采用多媒體輔助教學與傳統教學方式相結合的教學手段,綜合運用圖像、文字、動畫等展現圖文并茂的教學內容,運用視覺效應加強教學效果、擴大知識面。例如,流體動力學章節中講述流線的性質時,我引入草原上的老鼠在夏天躲在洞穴里納涼的圖片。洞穴靠下風口堆了一個土包,外面涼爽的風能吹進洞穴,若下風口沒有土包,涼風進不去。以這種生動的形式展現課程內容,而不是簡單地播放幻燈片。學生不僅學到了知識,而且感受到知識的生動有趣性。對于重點內容,要嚴格進行板書推導,一方面有利于學生理清思路;另一方面,有利于培養學生嚴謹的科學作風,不能簡單地把熱熱鬧鬧當做生動有趣。對一些工程或生活中碰到的案例或常識,也不太容易做課堂實驗時,可以通過一些課件來模擬。將理論知識與視頻、動畫、工程案例、生活常識相結合,調動了同學們的學習激情,使其從被動式聽課轉變為主動式欣賞知識。如在流體動力學章節,我引入了美國南北戰爭時期的彼得斯堡戰役的一段視頻:講述一個叫普萊曾茨的士兵,運用流體力學知識解決地道通風的問題,巧妙地將叛軍的防御陣地炸毀。這些視頻、動畫、案例中的氛圍、情景不僅啟發了他們的思維,更讓他們享受到聽課的樂趣,激發了其學習的積極性。
四、引入演示實驗
整合現有的實驗中心、環境工程實驗室、環境科學實驗室的資源,自行搭建或購置一些演示實驗裝置,將演示實驗引入流體力學課堂,使流體力學中抽象的物理過程和物理圖像變得形象、直觀和可信,使教學內容更有表現力,便于學生深刻理解和掌握。若暫時沒有條件,也要積極引入一些相關實驗或實例的視頻,播放給同學們學習。如伯努利方程式是流體力學教學中的一個難點,非常抽象。因此,在學習這部分內容時,我就在課堂上做些表面上看起來匪夷所思的實驗,但卻可以用伯努利方程式很容易解釋這種現象。例如嘴用力吹一個漏斗,乒乓球而不落地。學生非常驚詫這個現象,立刻想知道為什么會這樣,學習的積極性立刻被調動起來。然后在黑板上畫出示意圖,再用伯努利方程式解釋,學生就會理解透徹、記憶深刻。
五、加強素質拓展
鼓勵學生積極與工程、生活、生產實際相結合,制作小發明小創造,參與科學研究、社會調查等。如在教學過程中,我多次組織學生參與各類科研論文大賽、發明大賽,取得了不錯的成績。通過這些鍛煉,不僅加深了學生對課程的理解,更重要的是培養了學生的能力,增強了學生的自信心。積極組織學生參與本科生創新創業訓練計劃、優秀畢業論文培育計劃、大學生科研論文大賽、大學生專利發明大賽以及環境與健康協會等;參與污水處理廠、環保部門、環保企業及各類生產單位的科研、生產工作。通過創建實習基地、培訓基地、現場調研、技術咨詢、項目合作等形式,獲得與流體力學有關的技術難題。再以這些問題為范例,通過現場考察、技術交流、故障診斷、問題分析、解決方案、實施效果等環節,供學生學習參考。不僅解決了工程實際問題,而且開闊了學生的視野。讓學生預先進入工作角色,以業務需求帶動求知欲望。只有在實際工作中,學生才能對專業知識的應用、交叉學科之間的作用以及教學科研的關系有越來越明晰的認識,對于專業課程的學習重點、專業知識的獲取有更明確的思路。
六、改革考核方法
教學內容、教學方法與教學手段的改革,必須與課程考核方法的改革相配套。為了提升考核環節對于人才培養的支撐度,推動教學理念與內容、方式與方法的變革,切實發揮課程考核對教學效果的檢驗與評價作用,我校于2011年制定了本科生課程考試管理辦法,2013年制定了全面提高本科教學質量的實施意見,2014年學校啟動教學考核改革試點工作,《流體力學》是我校第一批立項的課程考核改革試點課程。在新的考核方案中,我更加注重學生對基本概念、基本規律的理解,學生分析、解決實際問題的能力。實行過程化考核、多種形式的考核。全面考察學生對知識的掌握程度、概括能力和綜合應用水平。可以單元測試時采用開卷考試,期末考試采用半開卷考試,試題有一半是自己出的試題。考核試題中的開發性試題就是用所學流體力學知識解釋、處理日常生活、工程中的現象等。
1.豐富考核方式。緊扣課程目標,選擇能夠全面衡量學生學習效果的考核方式。將筆試、討論、口試、項目設計、調查報告等多種形式相結合,將知識理論識記的考察與分析解決問題能力的檢驗并重,對學生進行系統地評價。
2.強化全程評價。把課程考核貫穿于教學的全過程,將過程評價與終結評價相結合,設計不同階段、不同方式考核的分值比例,對學生的學習效果進行有效評價,改變“一考定成敗”的現象,扭轉“期末突擊死記硬背”的不良學風。過程考核在評定學生綜合素質和能力的同時,加強了對學生學習態度等非智力因素的考察,分課堂表現和課下表現,各占總成績的10%。過程考核成績占總成績的30%,期末考核占總成績的50%。過程考核有章節考核、期中考核和歸納總結考核。章節考核分3次進行,考核形式為開卷,每次5分,滿分為15;期中考核,考核形式為開卷,滿分為10分。每次考核用兩套試題,一半學生用A試題,一半同學用B試題,學生預先不知道自己拿到何種試題;歸納總結能力考核,學生根據自己對課程的把握、見解出一份合適的試卷,教師據此評分,滿分為5分。期末考核的考試形式為半開卷(一張復習紙的開卷考試),試題范圍覆蓋教學大綱,沒有課本中能直接找到的概念性記憶性試題,但又要熟記并靈活運用課本知識,強調知識的綜合應用和實踐運用。題型包括選擇題、計算題、作圖題、項目設計型和開放性試題。建立電子試題庫,實行抽題組卷,實現教考分離。試題庫中有一半是學生出的試題(由教師篩選出優質的試題,或稍作修改),一半為教師出的試題。
3.優化考核內容。以促進學生全面發展為原則,選擇考核內容。在評定學生對基礎知識、基本理論和基本技能的同時,突出對學生分析解決問題、動手能力及綜合素質的考察。采用體現創新特點的考試題型,以適應學科專業與相關行業發展的新要求。堅持合理性原則,考核內容的選擇符合考核課程目標的要求。理論知識考核的重點為課程知識體系中核心要點、基本原理的理解與運用;實踐知識方面突出對操作流程的熟悉程度、實踐結果分析運用能力的檢測;綜合素質方面的考察堅持以能否有效支撐專業發展為標準。課程考核綜合考慮各方面因素,首先是課堂表現,即學習態度,考核實行扣分制,滿分為10分。如上課曠課、玩手機、聽音樂、交頭接耳等,第一次扣1分,第二次扣2分,第三次扣5分,四次以上全扣。其次是作業考核,滿分為10分。作業次數為7,交1次作業得1分,總作業次數分為7;質量分為3,視工整度、正確率給分。
4.暢通信息反饋。考核結果及時上網公布,學生可以查看自己的考核成績,對自己前段時間的學習效果有一個清醒的認識,及時調整學習態度、學習方法,激發學生學習的主動性與積極性。切實發揮課程考核對教學效果的檢驗與評價作用,對教學內容與方式改革的推動作用,對學生學習投入的引導作用,促進本科教學質量的不斷提高。在教學過程中,選擇適當時機向學生征求關于教學方法、考試考核模式等方面的意見或建議,以及前段時間學習的感受,我再根據學生反饋來的信息,及時調整教學方法、手段、進度等,認真處理好教與學的關系。并根據學生的意見、可采納程度、對教學的關注程度進行打分,并計入該門課程的平時成績。
七、結束語
流體力學是一門系統性、理論性很強的應用力學課程,體現了力學、數學、物理等交叉學科在工程中的應用。因此,如何將知識傳授與提高學生應用能力、培養學生科研意識、適應社會需求相兼顧,對于教師自身素質、教學水平和教學方法是一個嚴峻的挑戰。以環境工程專業學生流體力學的工程應用能力及創新能力為目標進行教學改革,并對考核方式、內容、過程和反饋進行配套改革,推動教學理念、方法的變革。加強學生學習的積極性和主動性,對所學知識的理解和應用,真正掌握相關知識,為日后工程,科研和工作打下良好基礎。
參考文獻:
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關鍵詞:啟發-互動;對比式;討論式
中圖分類號:G642.4 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)35-0065-03
《流體力學》是高等學校和職業院校眾多理工科專業必修或選修的一門專業基礎課程,在各個工程領域有著廣泛的應用。但是,該課程理論性強、概念抽象,加之對數學知識要求較高,理論與工程實際結合困難,《流體力學》課程是眾多學生難啃的一塊硬骨頭。“啟發”式教學思想是:學生是學習的主體,教師充分調動學生的積極性,力促教師主導與學生自主相結合、書本知識與直接經驗相結合。“互動”式教學強調兩個“動”,即教師的“動”和學生的“動”。兩種教學模式都有比較好的教學效果,筆者從這些年的教學中體會到,如果把兩種教學模式結合起來,應用于《流體力學》課程教學或其他課程教學,可能更好地調動學生的學習主動性,培養學生自我解決問題的能力,提高教學質量和效果。
一、《流體力學》的教學現狀
《流體力學》是一門應用型的專業基礎課程,目前的《流體力學》課程教學呈現兩個特點:一個是偏重于數學公式的推導,忽視它的物理意義和工程應用;另一個是忽視其基礎地位,片面追求其為專業服務。這導致學生對這門課程學習上的困惑,一方面產生對該課程的恐懼和畏難,另一方面不能勾起學生的求知欲望和達不到對學習能力的培養。
1.課堂教學現狀。課堂教學是《流體力學》課程教學的主體,但是目前,《流體力學》的教學手段落后、教學方法單一。大多采用“滿堂灌”的教學模式,不注重學生綜合素質的培養,導致學生學習積極性不強、教學效果不好,也不利于教師自身素質的提高。
2.實驗教學現狀。實驗教學是《流體力學》課程教學的一個重要組成部分,是流體力學理論發展的重要基礎,掌握流體力學的實驗技能至關重要。但是,目前在絕大多數高校開展的流體力學實驗多為傳統的驗證性實驗,這種實驗模式不利于學生對理論的理解,忽略學生的積極性、主動性、創造性,不利于學生綜合素質的培養。
二、“啟發-互動”式教學的探索
“啟發-互動”式教學是一種教學理念,而不是一種教學方法。針對《流體力學》理論性強、工程應用廣、概念易混淆、公式較多等特點,總結出以下幾種適合于《流體力學》課程教學的“啟發-互動”模式。
1.對比式“啟發-互動”。在教學過程中,對比“啟發-互動”模式教學包括以下幾種:(1)相近或相反對比:將概念相近或相反的進行對比,達到條理清晰、對比鮮明、便于記憶的目的。例如,在講解系統與控制體、研究流體運動方法(歐拉法和拉格朗日法)、流體運動的概念(流線與跡線、恒定流動與非恒定流動,層流與湍流)等就可以采用對比“啟發-互動”。具體案例:在講解控制體和系統時,可以以老師清點學生遲到人數為例,把學生看成系統,而把學生出入的教室門看成控制體,系統是可以變的,而控制體則是固定不變的。在講解歐拉法和拉格朗日法時,可以將上一個問題進一步深入,老師清點遲到人數有兩種方法,一種采用跟蹤每一個遲到的學生,記下遲到學生人數,這種方法就如拉格朗日法(俗稱“跟蹤法”),另一種則是老師站在門口,記下遲到學生的名字就可以知道遲到學生人數,這種方法就如歐拉法(俗稱“布哨法”)。而后將問題進一步延伸,你可以詢問學生哪一種老師的方法更聰明,進而告訴他我們課程中研究流體運動的方法是歐拉法,但是采用拉格朗日法也有其更大的優點。通過這個案例,學生就更好地理解了概念,也方便于記憶。(2)新舊對比:將以前學過的與剛學過的知識對比,便于學生在舊知識的基礎上加速對新知識的掌握。便于記憶和理解兩種方程的理解、記憶和應用。(3)理論與實踐對比,使抽象的內容更為具體化,加深學生的認識。例如,講完理想流體的伯努利方程和實際流體的伯努利方程后,可以講解它的工程應用,進一步加深對兩個方程的理解和認識。
2.討論式“啟發-互動”。課堂教學中,采用討論式教學也是一種比較好的一種教學形式,它是學、思、論的一種動態融合,同時具有一定的趣味性。這種教學形式的效果取決于以下幾個方面:(1)討論題目的選取;(2)討論氣氛的協調;(3)老師的總結;(4)學生思維的延伸。例如,在講第一次課的時候,我就會給以下幾個問題思考:光滑球和粗糙球在空中運行的距離哪一個更遠?小鳥在空中飛行靠的是空氣的浮力嗎?……當然,學生只能做一些自我的選擇性判斷,但是這就引起了學生對這門課程的一些興趣。到了我們要學習繞流問題的時候,在上這次課之前,我會把一張白紙用手拿著放在嘴前方,使白紙自然下垂,然后教學生跟我一樣操作,朝紙的上方吹氣,觀察紙的運動方向,提出為什么紙是向上運動的?待把繞流問題講完以后,我們就可以把第一次課的問題拿來與學生進行討論了,找出這幾個問題的共性,并加以對以上問題的總結,學生以前思考的答案是否是正確的?指出他的錯誤所在。同時,也可讓學生發揮自己的想象,是否身邊也有和這相關的自然現象和工程實踐。從教學效果來看,討論式“啟發-互動”教學給了學生一個良好的學習氛圍,讓學生參與到問題中去,提高了學生的思考能力和創新能力。
3.作業“啟發-互動”。作業“啟發-互動”包括課堂練習和課后作業啟發“啟發-互動”。當然,課堂練習和課后作業這兩種模式在傳統式教學中也廣泛采用,重要的是“啟發-互動”。在課堂練習中,老師選擇的題目要有典型性、綜合性和實踐性,重要的是實踐性,題目一定是要與工程應用相結合,老師必須拿出一個工程問題或工程中的某一部分,在教師啟發和提示的基礎上,讓學生參與討論,逐步深入,達到學習和應用相結合。例如講解虹吸管應用問題,我們可以拿抽水馬桶為例,學生可能不知道虹吸管與馬桶怎么就套上關系了,邊講解邊討論,最后就明白了抽水馬桶就是一個虹吸管,而虹吸管的原理就是伯努利方程的工程應用,伯努利方程的解題步驟“三選一列一找”(選基準面、選計算斷面、選計算點、列伯努利方程、找邊界條件和初始條件)就一目了然了,最后計算得到答案。通過有代表性的課堂習題訓練,比傳統的講解一些例題更為學生所接受,便于學習和鞏固所學知識。課后作業也是對所學知識的一種鞏固,一方面作業的量要適度,做到少而精,避免學生因任務繁重而互相抄襲,另一方面改變傳統的“學生作、教師批”的模式,讓學生參與到作業批改過程中去,具體做法是:老師先粗略看一下作業,將典型錯誤做好記錄,并隨機發給不同的學生,讓學生互相批改,不能自己批改自己的,批改時必須指出錯誤之處并要求改正,而且必須簽上批改人的姓名,最后提交老師由老師審閱,相應給出兩個成績,一個作業成績,一個批改作業成績。這樣就提高了學生的主動性、思考能力和判斷能力。
4.實驗“啟發-互動”。實驗教學是《流體力學》教學中一個不可缺少的部分。在傳統開設的流體力學實驗中,多為驗證性實驗,為了提高學生的動手能力和創新能力,建議開設應用性實驗和設計性實驗。應用性實驗如畢托管測流速實驗,必須學生自己動手操作,而且希望學生能上網或其他途徑了解其它一些用來測流速的儀器,了解不同儀器的測速原理,同時鼓勵學生自己制作簡單的測量流速儀器。設計性實驗如模型試驗,擬出實驗題目、提供實驗設備和條件,或學生自行購買實驗用料,要求學生自行設計實驗方案、實驗步驟、處理實驗數據,撰寫實驗報告等,提高學生的動手能力,發揮學生的想象空間,開發思維能力和創新能力。
“啟發-互動”式教學思想的核心是啟發學生的思維,將教與學有機地結合,充分調動學生的自主積極性,使課堂教學枯燥轉為生動,從被動轉為主動,從機械轉為靈動。教師在教學中要明確自己的定位,充分啟發學生的思維,調動學生學習的主動性、積極性和創造性,這樣才能使學生在《流體力學》課程的學習中獲得一個良好的教學效果。當然,如何提高《流體力學》教學效果是一個不斷探索的過程,需要教師在教學過程中,不斷地探索及總結經驗,這樣,才能不斷地轉變教學理念、改進教學模式,直至取得良好的教學效果。
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