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[關鍵詞]流體力學 教學方法 生活常識
一、前言
《工程流體力學》是機械類各專業(yè)的一門重要技術基礎課,該課程主要講述流體力學的基本原理及其在工程中的應用。它是為學生后面專業(yè)課的學習的基礎,對學生的要求較高,但由于該課程對學生的高等數(shù)學、大學物理、工程力學以及綜合分析和處理問題的能力的要求較高,因此學生普遍反映是一門難學的課程。為了讓學生較好地學習這門課程,任課應該做到以下幾點。
二、方法
1.上好緒論課
緒論課不僅僅是指《工程流體力學》課程教學的開始,同時也應該是每一章的前言介紹。
在緒論課的教學上,教師應該把握以下三點:(1)樹立學生學習該課程的信心。由于上新課的學生可能從各種渠道了解的流體力學是一門難學的課程,從而對該課程產(chǎn)生畏懼感,學生就會帶著一種逃避心理去學習,僅僅接受課堂上的知識,而自己不去鉆研思考,這樣是學不好該課程的。教師要讓學生感覺到,這門課程并不難學,其實我們在中學的時候已經(jīng)接觸到了其中的很多內(nèi)容,只是現(xiàn)在表述發(fā)生了變化或者增添了新的內(nèi)容,使該學科體系更加完善、合理;(2)教師需要激發(fā)學生的學習興趣。興趣是學習的最大動力,教師應該讓學生直觀形象地了解工程流體力學的廣泛應用性以及內(nèi)容的趣味性,將一些學生感興趣的與日常生活或生產(chǎn)實際有關的例子介紹給學生;(3)突出課程的重要意義和實踐價值。教師應在緒論課中做到精心組織策劃,讓學生了解該學科體系的研究對象和研究方法,讓學生知道為什么要學習該課程,在今后的學習中應該用什么樣的方法去學習。
在大多數(shù)的教材中,在每一章之前,都會有一段比較簡短的文字介紹,告訴學生本章的知識點以及相應的學習方法,這是比較重要的一個部分,能夠使學生站在一定的高度把握整章的內(nèi)容,知道各知識體系之間的相互結構,但是學生在閱讀的時候往往會忽略的,以至于學完課程之后,只能對簡單的問題進行分析處理,遇到復雜的問題就不知道從哪個地方著手,因此需要教師在講課時加以強調(diào)。
2.及時對所學內(nèi)容進行總結
工程流體力學是以流體作為研究對象的,所涉及的概念比較多,容易讓學生產(chǎn)生混淆。如果及時的對所學內(nèi)容進行總結,就會加深學生對概念的理解和記憶。例如,流體力學中有幾個比較重要概念,理想流體、定常流動、不可壓縮、平面流動、無旋運動等等,在任何一本教材中,這些概念都不是同時出現(xiàn)的,學生可能會對某些概念產(chǎn)生遺忘,或者是知道概念,但不知道具體該如何去應用,因此在相關概念介紹完之后,可以建立如下的表1,使個概念的物理含義,數(shù)學表達式一目了然。由于目前流體力學教材大多按照由淺入深的原則編寫,即先講靜力學后講動力學;先講一元流動后講平面流動;先講理想流體后講粘性流體。各章的內(nèi)容分得比較細,每一章都有許多公式和理論,各公式的得出也分別采取了不同的方法,給人以流體力學的理論模型和公式非常之多難于掌握的感覺。實際上,這些理論和公式大多是交叉重復的,因此對于教材中出現(xiàn)的流體靜止的微分方程、理想流體的運動方程以及N-S方程也可以放在一起加以總結。
另外,在有些時候,學生學完了一章的內(nèi)容,卻不清楚這一章到底在研究一個什么問題,這就更需要教師在上課時進行總結。以文獻[1]的第四章為例,在前面的及格小節(jié)中介紹了流體運動狀態(tài)、紊流的分布狀況等等,學生學完之后往往會產(chǎn)生疑惑:為什么要研究這些東西?其中哪些是重點?作為教師應該及時告訴學生,這一章研究的是如何計算粘性流體的流動損失,其中關鍵的是沿程阻力系數(shù)的計算,而沿程阻力系數(shù)與流體流動的狀態(tài)有關,層流可以有定解,而紊流中影響沿程阻力系數(shù)的因素過多,大多數(shù)用半理論半試驗的方法求解,前面的內(nèi)容是為后面做鋪墊的,主要講述了研究流體的一種思路,這樣學生才能夠站在一定的高度去學習和思考。
表1 物理概念和表達式的對應關系表
3.將流體力學知識與中學知識和生活聯(lián)系起來
學生在學習的時候,往往會把自己新學到的知識和原有知識進行聯(lián)系,同時做出比較。教師應該掌握學生的學習心理,積極引導學生進行學習。例如在講解伯努力方程時,為了加深學生對公式的記憶和理解,可以將方程兩邊同乘以mg,所得到的結果類似于中學所學到的機械能守衡,首先使學生了解到伯努力方程的實質(zhì)是能量守衡;但是與機械能守衡相比多出來pm/ρ=pV一項,可以解釋成因為流體的流動性,整個流體不是一個整體,流體之間還存在壓力能的作用,讓學生進一步理解的流體的流動性所產(chǎn)生的影響;最后可以使學生清楚地理解每一項的含義:位置水頭、速度水頭以及壓力水頭。同樣的,在學習靜止液體的壓強分布是可以和中學的壓強計算公式聯(lián)系起來,學習動量方程的時候可以和中學的沖量定律聯(lián)系起來等等。
流體力學的理論性較強,公式較多,學生的理解比較困難,也缺乏相應的學習興趣,需要教師在講課過程中不斷和生活相聯(lián)系。需要教師在課程的講解過程中,多穿插一些實際生活中的現(xiàn)象,與課本中的理論結合起來講,可大大提高學生的學習興趣。例如,在講流體的粘性時,可以讓學生比較水的粘性和糖漿的粘性;在講解流體流動的兩種狀態(tài)的時候,可以讓學生回想輕輕打開水龍頭時的現(xiàn)象:開始水流是一非常細的層流細流,隨著水流下降,在重力加速度作用下,速度逐漸加快,水滴開始飄動,水流由層流轉(zhuǎn)化為紊流;在在講解因邊界層分離而產(chǎn)生的壓差阻力,可以談談現(xiàn)實中的克服壓差阻力的方法,一是將物體表面做成流線型(如汽車),二是增大物體表面的粗糙度,增大紊流度(如壘球),從而推遲邊界層的分離。
4.注重對學生學習方法的培養(yǎng)
“授人以魚,不如授人以漁”。《工程流體力學》不同于其它力學,所用的研究方法――歐拉法――是學生首次遇到的,讓學生掌握方法顯得尤為重要。另外,由于課堂教學時間的限制,教師不可能把每一個問題都講透徹,就需要學生自己課后去領悟。例如,在講解水擊的形成、音速以及激波的時候,為了滿足定常的條件,都用到了相同的坐標建立方法和分析方法,教師在課程上只需要講清楚一個問題,剩下的只需要強調(diào)幾個物理現(xiàn)象之間的區(qū)別以及由此產(chǎn)生不同的結論就可以了,這樣既提高了了學生學習學習方法的能力,又節(jié)約了課堂教學時間。同樣的還有流體運動方程的推導、相似準則數(shù)表達式的推導等等。
三、結束語
綜上所述,上好緒論課、及時對所學內(nèi)容進行總結、將流體力學知識與中學知識和生活聯(lián)系起來以及讓學生注重對學習方法的學習是教師在講授《工程流體力學》課程中需要注意的幾個方面,這四個方面在實際講課中并沒有明顯的界線,是相互聯(lián)系的:上好緒論課是課程前的準備,及時對所學內(nèi)容進行總結是課程后的復習,而將流體力學知識與中學知識和生活聯(lián)系起來以及讓學生注重對學習方法的學習是方法和手段。如何提高《工程流體力學》課程的教學水平是一個十分廣泛而復雜的課題,以上只是筆者在教學改革中的一些體會和認識,其中許多問題尚需進一步探索和研究。
參考文獻:
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[3]W.F.休斯, J.A.布賴頓.流體動力學[M].科學出版社,2002.
[4]李文科.流體力學與流體機械課程教學改革與實踐[J].安徽工業(yè)大學學報(社會科學版).
關鍵詞:流體力學;課程改革;考核方式;教學方法
0引言
《流體力學》是工科專業(yè)的一門基礎課程,在各工程領域也有著非常廣泛的應用[1-3]。通過對流體力學的學習掌握就可以為后續(xù)專業(yè)課的學習奠定堅實的基礎,而在實地教學中卻存在諸多問題。因為大部分本科生以前接觸的力學都是簡單的固體力學,研究的是看得見摸得著的事物。而流體力學著重研究流體的靜止及運動狀態(tài)的規(guī)律,研究流體的質(zhì)量守恒、能量守恒及動量守恒三大定律及其應用,對數(shù)學學習要求較高,課程中的概念較抽象、公式較復雜[4],使很多學生難以理解其知識點,難以把握學習的要領,進而容易遺忘或者產(chǎn)生厭學情緒。因此,根據(jù)安全工程專業(yè)特點,對流體力學課程教學內(nèi)容和教學方法等進行改革是非常必要的。
1課程教學特點及現(xiàn)狀
《流體力學》是安全工程專業(yè)的一門學科基礎必修課程,是一門多學科交叉融合的課程,涉及數(shù)學、物理學、力學等,理論性和工程實用性都較強。課程的研究對象為流體,區(qū)別于固體的主要特點是易流動,課程中的許多概念較為抽象,且方程的推導需要運用數(shù)學的方法,對學生運用數(shù)學知識分析問題的能力要求較高,總體來說,學生學習難度較大。目前,《流體力學》的課堂教學以理論知識講解為主,習題練習為輔,要求學生數(shù)學基礎、理解能力、邏輯思維能力較好,課上認真聽講,課后及時復習鞏固。但是學生的學習主動性和積極性不高,課程作業(yè)的完成質(zhì)量不高,只是單一的應付考試。
2課程改革探討
為提高學生的學習效果,適應新形勢下應用型人才的培養(yǎng)目標,培養(yǎng)學生嚴謹、認真的學習態(tài)度,培養(yǎng)學生分析及解決流體力學問題的能力,及運用流體力學方法進行科學研究的基本能力,并為后續(xù)專業(yè)課程的學習打下良好的基礎。本文擬從教學內(nèi)容、教學方法、考核形式三個方面對《流體力學》課程進行改革。
2.1教學內(nèi)容
根據(jù)《流體力學》在安全工程專業(yè)中的課程定位,將流體力學的內(nèi)容分為流體靜力學、流體動力學基礎、流動阻力及能力損失、管路流動、相似原理及因次分析等五大模塊。課程內(nèi)容圍繞流體靜止、運動兩個狀態(tài)及力學的三大方程展開,由淺入深。培養(yǎng)學生的工科思想及意識,能夠?qū)Π踩こ虒I(yè)的流體力學問題進行分析。
2.2教學方法
整合傳統(tǒng)和現(xiàn)代教學手段,采用不同的教學方式,如課堂教學與網(wǎng)絡輔助教學相結合,將相關的習題解答方法及課堂練習同步至超星在線課堂,給學生課后復習鞏固提供資料,并通過網(wǎng)絡資源及時進行解答;多媒體教學與板書結合,將復雜的流體流動過程以多媒體動畫的形式展現(xiàn)出來,讓學生更直觀的了解某種現(xiàn)象,增加對理論知識的理解和掌握;增加課堂習題練習及講解,注重師生互動,注重理論練習實際,在課堂組織教學中通過師生互動調(diào)動學生學習積極性,并通過該環(huán)節(jié)了解學生課堂知識的掌握情況,及時調(diào)整講授方法。
2.3考核方式
采用多元化的考核方式,變單純的期末考試為平時和期末多層次考試,建立平時成績考核機制。平時成績考核包括章節(jié)測試、期中測試、課后作業(yè)、課堂練習及課考勤四部分內(nèi)容,其中每一部分成績占總成績的10%;期末考試成績占總成績的60%。章節(jié)測試一般是針對每一章的重點難點,用3-5道典型習題,耗時45min,檢測學生的掌握情況。要求學生在規(guī)定時間內(nèi)完成,章節(jié)測試的平均成績計入期末綜合評定成績。對于章節(jié)測試的習題進行批改、統(tǒng)計成績、分析成績,并對教學方法進行反饋,及時調(diào)整。課堂練習一般針對課堂中的知識點進行測試,習題主要以填空、選擇、判斷的形式出現(xiàn),方便、靈活、易于控制時間。通過練習,讓學生查缺補漏,同時根據(jù)練習情況及時調(diào)整授課進度及方法,確保學生對課程知識的主要內(nèi)容了解和掌握。課后練習是對課程內(nèi)容的鞏固和補充,是對學生理論知識運用情況的檢測,但課后作業(yè)易出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象,對于疑似抄襲的作業(yè),作業(yè)的分值不會給高分,通過課堂的互動可以判斷抄襲者的范圍,在課后習題講解過程中有意讓抄襲者進行講解,同時通過作業(yè)重復練習,讓學生真正理解作業(yè)的解題思路及方法。
【關鍵詞】船舶流體力學 任務化模式 教學改革
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2015)22-0057-02
在船舶與海洋工程本科專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃中,船舶流體力學是其中的專業(yè)基礎課程,包括流體的性質(zhì)、流體靜力學、流體運動的描述和基本方程、伯努利方程、勢流理論、波浪理論、粘性流體力學、邊界層理論等,課程教學在一個學期,其內(nèi)容非常復雜。一方面為了使學生更加全面地理解應用相關的知識,另一方面培養(yǎng)學生往應用型科技人才的方向發(fā)展,在船舶工程專業(yè)人才的培養(yǎng)模式上,我們應該改變原有的教學方式以適應時代要求和技術變遷,將任務化模式教學融入船舶流體力學的教學過程。我們在船舶流體力學這門本科課程的教學中,嘗試以任務化模式教學的形式,將數(shù)字化、實驗化的教學過程放到船舶流體力學教學課程的全過程中,以船舶流體力學的基本知識應用為向?qū)Р贾萌蝿栈K課題,學生以小組的形式完成任務化模塊,在完成任務化模塊的過程中理解應用知識,并培養(yǎng)其知識的應用能力,實現(xiàn)從注重知識傳授向更加重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)的方向轉(zhuǎn)變。
一 目前船舶流體力學教學存在的問題
以欽州學院為例,船舶流體力學課程定位為船舶與海洋工程專業(yè)的主干課程,是進一步學習船舶原理等課程的基礎。長期以來,因概念抽象、學生數(shù)學基礎較差,使得流體力學課程既難教也難學,要想讓學生將學到的知識與相關的實際問題結合起來尤為困難。盡管流體力學具有悠久的歷史,豐富的內(nèi)涵和外延,但是作為專業(yè)基礎課,船舶流體力學為專業(yè)課服務的定位極大地限制了課程的教學時間。在學生素質(zhì)參差不齊的情況下,使得培養(yǎng)學生扎實的基礎和拓寬知識面兩方面不能兼顧,顧此失彼。這一問題的存在不但限制了學生學習的積極性,也不利于培養(yǎng)學生在工程中分析問題和解決問題的能力。因此有必要對這一問題進行研究,找到解決問題的方法,改善流體力學教學的效果。
二 以任務化模塊為導向的教學模式探索
對流體力學教學途徑的探索和改革一直在開展,其中提高學生學習的興趣是改善教學效果的核心,而任務化模塊是有效的手段之一。應用型科技大學的教育以培養(yǎng)企業(yè)需要的高素質(zhì)應用型人才為目標,為適應船舶工業(yè)發(fā)展對人才的需求,本課程的教學方式基于專題化模塊為導向,采用講授、自學、討論、數(shù)字化工程訓練、總結等手段。本質(zhì)就是結合船舶流體力學課程性質(zhì)和鮮明特點,通過布置課程任務讓學生查找資料進行科學分析、研究和探索、小組討論、數(shù)字化工程操作等,最后讓學生理解所學知識。
1.任務化模塊的選取
任務化模塊主要是基于課本的基本知識,提出課程任務,課程任務的目標是讓學生在完成任務的過程中對基本知識可以有更深刻的認識,以及應用這些基本知識,提高學生的應用知識能力。所以在布置教學任務時應注意以下幾點:
第一,圍繞問題意識選取任務化模塊。圍繞問題意識,注重培養(yǎng)學生的探索精神。所謂問題意識,本質(zhì)上就是一種尋根求源的探索精神、是一種革新的批判精神,問題意識是萌發(fā)創(chuàng)造思維的前提。古語說“心有靈犀一點通”,這里的“靈犀”其實就是問題,學生頭腦中時刻裝著問題,才能進人“日有所思,夜有所夢”的地步,才會產(chǎn)生靈感。就像受命鑒別皇冠的阿基米德那樣,在沐浴時受到浮力的啟發(fā),而發(fā)現(xiàn)了浮力定律。
例如,在學習第三章流體的描述和基本方程時,我們可以提出:什么是流線、如何理解好動量方程等問題。這些圍繞問題意識提出的小問題就可以組成一個任務化模塊。
第二,圍繞工程意義選取任務化模塊。在應用型科技大學教育中,船舶流體力學這門課程應著力于提高學生工程素質(zhì)和學生專業(yè)基礎知識為目標進行課題教學。
譬如,機翼理論是船舶流體力學的重點難點內(nèi)容,部分概念抽象難懂,公式復雜,機翼理論對于船舶與海洋工程領域的重要性不言而喻,在螺旋槳的學習、高速船的學習等均需要機翼理論作為基礎。對類似極具實際工程意義的問題,肯定要布置任務化模塊。
2.任務化模塊的實施
在船舶流體力學的任務化模塊教學改革中應遵循理論教學和技能訓練相結合,走理論與工程實踐相結合的道路,所以之前的準備工作必須充分,并且依據(jù)教學內(nèi)容設計出適合這門課程的任務方案。大致的任務化模塊實施流程如圖所示。
任務化模塊實施流程圖
第一,布置任務書。根據(jù)不同的教學內(nèi)容分別設置不同的任務化模塊,根據(jù)上一節(jié)提出任務化模塊的方法,提出與本節(jié)知識相關的任務化模塊。
第二,學生攻克任務化模塊。學生根據(jù)任務書的要求,通過網(wǎng)絡收集相關資料、實驗室的硬件了解學習、數(shù)字化實驗室軟件的自學,結合所學相關知識完成任務化模塊并提交報告。
例如,在流體運動的描述和基本方程任務化模塊,讓學生利用網(wǎng)絡搜集與其相關的資料,以及參觀實驗室的流線實驗、動量方程實驗,將收集的資料制作成有豐富材料的PPT、報告、視頻等,總結說明各種情況下流體運動的特點、在實驗中如何體現(xiàn)動量方程等。
再比如,實施機翼理論任務化模塊時,學生組成任務攻克小組,利用網(wǎng)絡搜集與機翼理論相關的資料,以及學習FLUENT、Shipflow軟件,應用計算機輔助設計程序CATIA、AutoCAD軟件。曾經(jīng)有學者提議將數(shù)字化軟件應用到教學中,但并沒有說明具體的措施。這里需要注意的是,學生可以通過學校網(wǎng)站上的微課視頻自學FLUENT、SHIPFLOW、CATIA、AutoCAD軟件,相關的微課視頻由教師提前錄制好放在網(wǎng)站上供學生點擊觀看,反復學習。最后讓學生使用FLUENT、SHIPFLOW軟件完成機翼的流體計算、利用計算機輔助設計程序CATIA、AutoCAD軟件畫出機翼三維圖。
第三,總結任務化模塊完成情況。根據(jù)學生完成任務化模塊的情況以及提交的報告進行總結。在總結中分析存在問題,對相關問題進行理論的補充學習,加強學生的理解。
第四,考核。通過任務化模塊的完成過程對學生的不同能力進行考核,考核階段就分為了基本素質(zhì)考核、自學能力考核和應用能力考核??己藢W生基本知識掌握情況、收集相關資料的情況,學生自學相關軟件的考核,對任務化模塊攻關的報告評價。
三 結語
通過任務化模式的教學改革使學生通過理論結合實踐的方式理解一門理論性極強的課程,并從培養(yǎng)應用型科技人才的角度出發(fā),采用這樣創(chuàng)新的教學方法,使學生能真正地掌握一門專業(yè)知識,培養(yǎng)學生的學習興趣,提高教學質(zhì)量。同時重視學生個體差異發(fā)展的特點,以攻克小組的形式互補長短,培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。這樣任務化教學模式應認真對待教學改革活動進程中出現(xiàn)的問題,所布置任務應有針對性,在整個過程中以學生為主導,貫穿于整個教學過程中。更加要注重教學活動的每一個細節(jié),肯定學生每一步所取得的成績,以其調(diào)動學生主動學習的積極性。
參考文獻
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[2]宮偉力、彭巖巖.流體力學教學改革與應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2014(5):30~31
[3]李冬琴.“船舶原理”課程教學研究與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2009(29):195
關鍵詞:流體力學;課程建設;創(chuàng)新能力
作者簡介:李偉鋒(1976-),男,湖北麻城人,華東理工大學資源與環(huán)境工程學院,副教授;劉海峰(1971-),男,山東文登人,華東理工大學資源與環(huán)境工程學院,教授。(上海 200237)
基金項目:本文系2011年華東理工大學本科教育教學改革重點項目、華東理工大學《流體力學》精品課程建設項目的研究成果。
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)13-0103-02
“為什么我們的學??偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才?”這就是著名的“錢學森之問”?!板X學森之問”是關于中國教育事業(yè)發(fā)展的一道艱深命題,需要整個教育界乃至社會各界共同破解。錢老的話一針見血,既對我國高校人才培養(yǎng)中存在的創(chuàng)新性不足問題提出了尖銳批評,又對改革高校人才培養(yǎng)模式提出了殷切希望。[1]
為此,在黨的十報告中明確提出實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,指出科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐,必須擺在國家發(fā)展全局的核心位置。那么我國大學生的創(chuàng)新能力相對歐美發(fā)達國家為何比較薄弱?相比較而言,中國式教育比較注重學生掌握的“知識量”和解題能力,歐美發(fā)達國家教育更注重學生的獨立思維和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力;中國教育側(cè)重于知識獲取和掌握,歐美發(fā)達國家教育側(cè)重于創(chuàng)新能力培養(yǎng)。這種教育的結果導致中國學生的知識量大、解題能力強,弱點在于不善于“質(zhì)疑”和“提問”,直接導致科技創(chuàng)新能力較差。這個問題的解決除了需要改革高等教育制度之外,也需要每個高校教育工作者共同去面對。
本文以華東理工大學“流體力學”課程建設為例,拋磚引玉,介紹如何通過課程改革,提升學生的創(chuàng)新能力。就“流體力學”課程而言,基本任務和要求是老師完成知識的講授,學生完成聽講、作業(yè)及考試。但是,這些要求對創(chuàng)新能力培養(yǎng)而言還遠遠不夠,為此對華東理工大學“流體力學”課程的授課內(nèi)容、授課方式以及創(chuàng)新實踐進行了改革和探索。
一、確立以人為本的教學改革思路
在我國古書中最早明確提出“以人為本”的是春秋時期齊國名相管仲。到了近現(xiàn)代,“以人為本思想”在國家執(zhí)政方略和企業(yè)管理等方面有了新內(nèi)涵和新發(fā)展。高等教育在教學上是以人為本,還是以知識為本?傳統(tǒng)的大學教育模式,忽視引導學生探索新的知識,忽視對學生進行創(chuàng)新教育;以教師為中心,沒有充分調(diào)動學生的積極性。我國目前仍有相當多的大學采用的是“我在上面講,你在下面記”的教學方式,這沒有把學生作為主體。因此課程改革的基本指導思想是要把以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為中心,教師是大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主導者,而大學生則是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主體。[2]
具體到“流體力學”課程內(nèi)容的改革,以人為本的思想表現(xiàn)為教師設身處地為學生著想:當今大學生需要什么樣的知識和能力?華東理工大學(以下簡稱“我?!保崮芄こ虒I(yè)的本科生,將來一部分成為熱能工程領域的工程師,一部分會進一步深造讀研或者攻博,成為科研工作者。對于這兩種學生,除了強化理論知識的學習和掌握之外,前者渴望了解流體力學在工程實踐中是如何應用的,如何讓書本上的流體力學知識成為將來工作中的工具和技能;后者渴望獲取流體力學的科學研究思路及方法,如何利用現(xiàn)有的流體力學知識開展創(chuàng)新性的科學研究等。為了解決學生的需求,依托我校煤氣化及能源化工教育部重點實驗室的科研優(yōu)勢,對“流體力學”課程的授課內(nèi)容進行了改革。授課過程中,除了基本的三大守恒定律(質(zhì)量、動量和能量)以及納維斯托克斯方程的講解外,還著重對流體力學在工程中的應用和科學研究進展進行補充講解。比如,我們加大了對流體力學的發(fā)展歷史和最新進展的講解,讓學生了解流體力學學科中哪些已解決,哪些尚未解決,困難在哪里?哪些老問題有了新進展和新思維?在理論性比較強的部分,通過展示本團隊在流體力學方面的研究成果,讓學生了解流體力學科學研究的基本方法和基本思路,引導學生參與科研和投身科學;在實踐性比較強的部分,通過展示本團隊在技術開發(fā)和技術轉(zhuǎn)讓建設的工業(yè)裝置上各個環(huán)節(jié)中流體力學知識是如何應用的,讓學生獲得直觀的感受,為他們將來走上工作崗位打下基礎。通過這些教學內(nèi)容的改革,學生普遍反映課程容量大、學有所用。
二、引入探究型授課方式
我國以往的教育體制在一個很長的時間里把人才培養(yǎng)的重點放到知識記憶和應試能力上,學生對知識被動地接受或吸收,因而學生的創(chuàng)新能力沒有得到有效的培養(yǎng)和鍛煉。因此,我國高等教育的重點應該放在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識上,大學教師在教授已有知識的同時,必須把創(chuàng)新理念傳達給學生,引導學生去創(chuàng)新。[3]在“流體力學”課程授課方式的改革中,重點在以下三個方面對學生的創(chuàng)新能力進行了引導和培養(yǎng)。
1.從教師提問轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生提問
課堂提問是教師檢驗學生對講課接受程度的一個有效手段,能強迫學生集中精力進行思考,但是對學生來說是被動的。我們在授課中,鼓勵學生課堂提問和課間提問,也鼓勵學生課后采用電話、短信和郵件進行提問。提問的內(nèi)容可以是任何和流體力學相關的,對于這些提問,我們都給予詳細的解答。特別需要注意的是,對于學生的原創(chuàng)思維,哪怕是很幼稚或者明顯是錯誤的,教師也要予以肯定并進行委婉的引導。
2.引導發(fā)散性思維
“流體力學”課程的講授中,注重引導學生進行學科交叉和發(fā)散性思維,鼓勵學生運用流體力學的基本知識思考身邊的自然現(xiàn)象,比如河流、龍卷風、泥石流、沙塵暴和海嘯等,引導學生思考生物體內(nèi)的生物流體力學現(xiàn)象等。在講授流體尾流知識時,引導學生思考汽車、火車和飛機運動時的阻力形成的原因以及減小阻力的措施;在講到流體輸送機械和流體阻力時,從微觀角度引導學生思考我們身體內(nèi)血液和細胞液的輸送和流動;從宏觀角度引導學生思考自來水輸水管網(wǎng)的鋪設方式和阻力分布特點,進而讓大家思考我國正在實施的“西氣東輸”和“南水北調(diào)”等大工程的技術特點和難點。通過諸如此類的引導,學生深刻領會到流體力學知識不光是書本上枯燥的公式和推導,而是和自己的身體、生活、生產(chǎn)實踐以及國民經(jīng)濟的發(fā)展息息相關的。這些發(fā)散思維的引導,拓展了學生的視野,激發(fā)了他們學習和投身科研的熱情。
3.引導學生質(zhì)疑
大學生們思維方式中一個最大的問題就是對任何知識都喜歡抱著“非此即彼,非對即錯”以及“教科書中的知識就是真理”的觀念。殊不知,這些觀念是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大敵,科技創(chuàng)新需要一股質(zhì)疑知識、質(zhì)疑權威的觀念和勇氣。因此,在授課過程中,我們告訴學生有些流體力學知識也是不完善的,也在不斷發(fā)展和完善之中,需要包括在座的各位同學在內(nèi)的眾多科研工作者去繼承、去發(fā)展、去完善。比如,流體力學中的湍流是公認的世界級難題,在現(xiàn)階段還沒有完善的公式和理論,但是近年來在不斷發(fā)展和完善,通過這種存疑方式的教學,來引導學生挑戰(zhàn)權威和經(jīng)典的意識和勇氣。
三、全面實施創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)
提高大學生的創(chuàng)新能力,創(chuàng)新實踐是重要的一環(huán),是創(chuàng)新能力培養(yǎng)從理論走向?qū)嵺`的關鍵。為了提高大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力,我校每年開展各種級別(校級、上海市級和國家級)大學生創(chuàng)新實驗計劃項目,并進行一定的經(jīng)費資助和跟蹤管理。為此,我們每年開展多項流體力學相關的各種級別的大學生創(chuàng)新實驗課題。這些課題分成兩種類型,一種是修完“流體力學”的學生根據(jù)興趣,通過查閱相關資料后自擬的課題;另一類是教師從承擔的各種科研項目中挑選流體力學相關的小課題來供學生進行雙向選擇。在整個項目的實施過程中,從資料的查閱到課題的立項,從項目組成員的組建到經(jīng)費的管理,從實驗裝置的搭建、實施到數(shù)據(jù)處理,從撰寫創(chuàng)新實踐論文到項目檢查和答辯,都是由學生來實施完成的,教師只起到指導和協(xié)助的作用。學校在項目的執(zhí)行過程中,主要起到監(jiān)督和管理的作用,比如項目的立項答辯和篩選、中期檢查和結題驗收答辯以及經(jīng)費使用的監(jiān)督等。在項目立項、中期檢查和結題驗收幾個環(huán)節(jié)都有嚴格的淘汰制,防止有的學生走過場、片面追求創(chuàng)新學分而不注重實效。通過實施這些創(chuàng)新實驗項目,學生鞏固了書本知識,更重要的是完成教學和科研的互動以及理論和實踐的結合,培養(yǎng)了學生思考問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,創(chuàng)新能力得到了較大提高。
四、結語
創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是擺在教育工作者面前的一項刻不容緩的系統(tǒng)工程,需要努力探索新的思路和舉措。在課程建設中,應貫徹學生是主體、教師是主導的教育思想,樹立知識、能力和創(chuàng)新三位一體的教育理念,構建注重培養(yǎng)學生科學思維、實踐能力和創(chuàng)新能力的新教學模式。教學過程中,應引入探究型學習模式,引導學生質(zhì)疑和提問,并使學生積極參與創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)。通過這些課程和教學方式的改革來綜合提高學生的創(chuàng)新能力,以培養(yǎng)適應新世紀我國現(xiàn)代化建設需要的具有創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的高素質(zhì)人才。
參考文獻:
[1]馬德秀.尋找人才培養(yǎng)模式突破 致力培養(yǎng)創(chuàng)新人才[J].中國高等教育,2006,(11):19-21
【關鍵詞】流體力學實驗 大學物理 實驗創(chuàng)新
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089(2015)10-0175-02
1.引言
對于理工科院校來說,大學物理實驗是一門必修課,同時這門課程具有的實踐性也是相當強的,作為大學生接受大學教育關于系統(tǒng)試驗方法和實驗技能訓練的開端,但是,從當前教學工作的開展來看,大學物理實驗教學存在不少問題,常見的就有普遍存在“填鴨式”這種單一的教學模式,在教學理念上也沒有太大的突破,“驗證理論”模式仍然是主導,教學內(nèi)容上多存在繁多和陳舊的問題,經(jīng)典性試驗所占的比重比較大,而設計性試驗的比重較少,課時不足,影響了學生學習的積極性,未能取得理想的教學效果。這一系列問題導致大學物理實驗教學質(zhì)量難以實現(xiàn)質(zhì)量上的躍進,可見,對實驗課程內(nèi)容和實驗體系的改革是勢在必行的。筆者以流體力學實驗為例,談談當前大學物理實驗的創(chuàng)新研究。
2.傳統(tǒng)流體力學實驗普遍存在的問題
2.1實驗內(nèi)容不夠豐富,實驗課時不足
結合流體力學實驗教學來看,主要集中在流體壓強測量到流體力學三大基本方程的驗證等內(nèi)容上,這就是大部分屬于驗證性實驗,設計性實驗安排不到位,缺乏了綜合性實驗,阻礙了學生關于創(chuàng)新能力方面的培養(yǎng)和發(fā)展,還有一點值得注意的是,當前大學教育仍然沒有擺脫重理論、輕實踐的弊端,所以實驗課程安排的課時是不夠的。
2.2教學方法和教學模式未有新破圖
受到了我國傳統(tǒng)教學觀念的影響,在實驗教學的過程中,老師通常采用的教學步驟都是講授-演示-指導-批改實驗報告等,而學生就一味地跟著同一個指示來進行實驗,缺乏了自己的思考,一旦發(fā)現(xiàn)問題,也是請教老師來直接幫忙助理,那么實驗課程就會無形中形成了一門應付式的課程。
2.3實驗室開放工作開展程度不夠
當前高?;旧隙奸_設了關于流體實驗操作的相關設備和平臺,而高校也普遍存在著這樣的一個問題:實驗室僅僅對參加競賽的同學或者一部分教師開放,這樣不僅導致設備沒有得到有效的利用,還影響了學生對實驗設備的認識,所以即使實驗設計方案多么理想,也會導致學生因為不能使用設備的問題,而無法進行開放性實驗,從而也就不利于學生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
3.完善當前流體力學實驗的對策
3.1改進實驗內(nèi)容和教學方法
適當修改目前使用的實驗指導書,目的就是將原理方面的內(nèi)容盡量做到簡明扼要;實驗操作的步驟不宜過于細致;第一,可以考慮通過增加思考題和小設計來激發(fā)學生的學習興趣,在流體流動方面可以增加壓強、液位、流量和流速等方面的測量,讓學生能夠在宏觀的層面上對流體有一定的感知,通知在大腦中也能形成關于流體的基本表征的感知,加強學生對理論知識的學習;第二,增設演示性實驗的內(nèi)容,讓學生可以提前對儀器有所認識,從而實現(xiàn)了學生課堂上對抽象概念的感性認識,也有利于區(qū)分不同實驗的側(cè)重點指出;針對驗證性實驗來說,研究的重點應當在實驗原理、操作技能、數(shù)據(jù)分析和整理結果上,要求學生能夠結合實驗基本原理,運用所學到的知識,將實驗過程和步驟詳細地寫出來,設計出數(shù)據(jù)處理的方法,能夠?qū)嶒灲Y果進行分析和整理。
3.2改進實驗教學的模式
重視學生啟發(fā)式教學的意義,結合實驗目的和內(nèi)容,通過舉一反三的提問方式,為學生提供獨立思考的空間,要求學生注意對實驗現(xiàn)象的觀察,增加對實驗規(guī)律的分析和總結,而老師也應當在這個層面上進行總結,可以對學生提出更加深一層次的問題來讓學生再次思考。
3.3轉(zhuǎn)變實驗方式
用設計實驗或者綜合性實驗取代部分實驗,讓學生能夠在實驗中將所學的知識充分利用起來,以雷諾實驗為例,測量圓管內(nèi)流過的水體積是利用接水盤的,而水流的時間是通過秒表來測量的,從而再對圓管內(nèi)水流的速度進行計算。同時,我們可以讓學生設計出幾個方案,采用不同的方法來對圓管內(nèi)水流的流速進行測量,例如,通過畢托管和孔板來對流量進行測量等。學生在進行設計方案的過程中一般都會對畢托管、孔板等相關流量計的測量原理和構造產(chǎn)生了解,這在一定程度上又可以鞏固自己所學到的理論知識。這樣的教學模式對于老師來說,促進了老師對實驗的專研素養(yǎng),業(yè)務能力有所提高,對于學生來說,其學習的思維的活躍程度也有所上升,激發(fā)了學生的學習興趣,提高了學生對于新知識的理解能力,讓學生可以在獨立的空間內(nèi)進行思考,實現(xiàn)實驗的創(chuàng)新。
4.結束語
進行實驗課程教學,一方面需要對學生獨立解決問題的能力進行培養(yǎng),另一方面還需要激發(fā)學生在學習過程中的學習興趣,改變過去學生依賴老師的心理,讓學生的綜合素質(zhì)可以得到全面的提高。流體力學實驗教學在學科學習中的份量不可忽視,其能夠?qū)W生的理論知識和實踐活動緊密結合在一起,調(diào)動了學生的學習積極性,實現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
參考文獻:
[1]虞嬌婷,陳都,曹志旭.基于FLASH的虛擬流體力學實驗平臺設計[J].科技風,2015(05).
關鍵詞:教學目標;流體力學;理念
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)07-0199-02
一、引言
隨著新信息技術的發(fā)展,高等院校課程的教學模式已從粉筆加黑板傳統(tǒng)單一的授課方式進化為應用現(xiàn)代化教學設備如多媒體課件、微課、幻燈片等多元化的授課模式。現(xiàn)代化的教學手段使枯燥的理論知識、復雜的運行狀態(tài)、難解的裝置結構呈現(xiàn)在屏幕上,化解了問題難點,開闊了學生視野,拓展了學生思維,節(jié)省了授課時間,為更新內(nèi)容創(chuàng)造了條件。本人作為教學一線教師,充分認識到有些課程,特別是專業(yè)基礎課和專業(yè)課的概念抽象,理論晦澀難懂,學生產(chǎn)生了抵觸情緒。經(jīng)十余年教學經(jīng)驗總結,以流體力學課程為例提出采用現(xiàn)代化教育手段激發(fā)學生發(fā)散性思維從而達到提高學習興趣的目的,在講授過程中與實際應用緊密聯(lián)系在一起,使學生達到舉一反三、觸類旁通,并通過課上提問、隨堂測驗、實驗檢測與期末考試來考核學生學習效果的理念。流體力學課程在教學過程中遵循“以人為本”的教育理念,充分發(fā)揮教師的主導作用和尊重學生的主體地位,根據(jù)學生特點精心做好教學設計方案;教學隊伍成員教學思想活躍,積極開展教學改革和教學研究工作,承擔校級教學研究課題,大大推動教學改革工作;課堂教學采用啟發(fā)式教學方法,加強習題課、討論課比重,注重學生能力培養(yǎng)等等。
流體力學課程是我校建筑環(huán)境與設備工程、給排水科學與工程、環(huán)境工程、熱能動力工程等多個專業(yè)中核心專業(yè)基礎課程之一,是其他專業(yè)的主要專業(yè)基礎課程,在專業(yè)培養(yǎng)方案及整個教學體系中處于承上啟下的重要位置。但由于該課程理論性較強,概念抽象,學生普遍缺乏對流體的感性認識,使流體力學課程歷來被認為是教師難教、學生難學的課程之一。因此,需要在教學方法、內(nèi)容及形式上做出改進,在此基礎上本文提出了基于IAE(Interest,Apply,Exam)理念的教學模式。
二、學習的興趣――Interest
流體力學學科既是基礎學科,又是用途廣泛的應用學科,它不但涵蓋了經(jīng)典理論而且與各類工程專業(yè)緊密結合。所以又可以稱之為既古老又充滿活力,不斷發(fā)展的學科。在教學內(nèi)容上我們科學地處理了“基礎”與“前沿”、“經(jīng)典”與“現(xiàn)代”、“理論”與“實際”的關系,建立了完善的培養(yǎng)方案和課程體系,流體力學課程體系可分為基本理論、基本應用與專門課題三大模塊。對于這樣一個課程如何提高學生學習興趣,首先,從開課伊始便讓學生對授課老師產(chǎn)生興趣,繼而對該課程產(chǎn)生興趣。為此需老師通過豐富的閱歷、發(fā)散性的思維、淵博的知識、新穎的教學方法等來吸引學生、激發(fā)其學習興趣。課程內(nèi)容固定,但教學方法是靈活的,結合實際生活、學科的前沿知識引導學生去提問、思考和探索。比如講到流體的物理學性質(zhì)――粘性,學生看到教材上枯燥的長篇理論,深奧的道理很可能興趣全無,在講授過程中將日常生活中常用的水與食用油作為切入點,對比兩者粘性大小,引起學生好奇,達到活躍思維,激發(fā)創(chuàng)新的目的。另外,在高科技技g引領下,每個人都離不開智能手機,學生也不例外,甚至課堂上玩手機,既然離不開手機,索性將一些枯燥的理論制作成生動的視頻,與學生共享,在枯燥的課堂上用現(xiàn)代的技術手段(微課或慕課)活躍氣氛,激發(fā)學生學習的積極性。這樣學生通過發(fā)散性的思維模式去理解抽象的概念往往會有意想不到的結果,進而將書本知識內(nèi)容融會貫通、學以致用,即使是再枯燥的理論也會產(chǎn)生濃厚的興趣。
三、實際的應用――Apply
當前流體力學課程的發(fā)展進入了一個嶄新時期,分析手段更加先進,與其他學科的交叉滲透更加廣泛深入,與實際工程聯(lián)系更為緊密。為有效提高教學效果,更好地實現(xiàn)培養(yǎng)目標,經(jīng)過多年的摸索,我校形成了能夠理論聯(lián)系實際,課內(nèi)外結合,融知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育于一體的顯著教學效果組織形式,即理論課教學―實驗實習―課程設計互動的綜合教學模式。遵循了從實踐中來到實踐中去的原則,符合學生對知識從感性認識到理論學習再應用到實踐的認識規(guī)律。這種教學內(nèi)容的組織與安排模式各環(huán)節(jié)緊密銜接,理論與實踐結合得更加緊密,使學生在學習知識時能夠融會貫通,對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和獨立分析問題、解決問題的能力具有較好的效果,促進了學生綜合素質(zhì)的提高。該課程的基本應用是指應用流體力學的基本理論及相關方程求解與專業(yè)相關的典型工程流動問題,如孔口、管嘴及有壓管路流動,以及氣體射流流場特征與參數(shù)求解等。專門課題是指對流體力學領域中的一些典型或熱點課題,如“流體減阻理論與方法”及“有壓管中的水擊現(xiàn)象”等給予生動形象的講解。并將該課程應用到專業(yè)前言知識中去,比如海綿城市建設,智慧水務與智慧城市構建、水資源開發(fā)利用存在問題等,能夠達到更好的教學效果。
四、考核的方式――Exam
學生考核的可靠性和可行性問題一直是我們探討的問題。教學過程中全面考核學生的能力,主要方式有以下幾種:
1.隨堂測驗與課后作業(yè):流體力學知識點較多,每次課都需留3―4道習題練習,以便學生掌握鞏固課堂所學內(nèi)容,考核知識積累能力。教師通常批改一半作業(yè),另外通過輔導答疑了解學生的學習情況,從而在課堂上有針對性地進行教學總結,提出存在的問題,研究解決辦法,提出改進措施,教師對每個學生每次的作業(yè)都要有成績記錄。
2.實驗考核:該考核可檢測學生理論聯(lián)系實際、分析問題的實踐能力,實驗指導教師對實驗報告全批全改。學生完成作業(yè)和實驗報告質(zhì)量較高,教師對作業(yè)和實驗報告的批改量≥70%,且有成績記錄。通過基礎性實驗教學加強學生對基本概念、理論的理解掌握,使學生掌握靜壓強、動壓強、流量、水頭損失等基本參數(shù)的測量方法及基本技能;通過綜合性實驗,培養(yǎng)學生對實際工程中涉及的流體力學問題進行實驗研究的興趣,使其在實驗的安排與設計、儀表的選用、現(xiàn)象的觀察、實驗數(shù)據(jù)的處理、結果的分析及報告的撰寫等方面均得到較好的訓練,從而為學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)創(chuàng)造條件。
3.期末考試:該環(huán)節(jié)主要考核學生綜合分析和解決問題的能力。通??荚囀菣z驗學習效果的一個重要途徑,但是我們要避免一考定最終成績的現(xiàn)象,因這樣有些同學會在考前死記硬背課本上的內(nèi)容,或“臨陣磨刀”,甚至“越磨越糟”,往往適得其反。多年來,流體力學一直使用試題庫出題,考題難易適度,試卷內(nèi)容包括基礎知識與基本理論、分析計算能力、靈活應用知識,符合教學大綱要求,體現(xiàn)了教學過程中加強基礎知識、基本理論及基本能力的教學思想。
4.總評成績:綜合以上幾方面確定學生的最終成績,即平時成績、實驗成績與期末考試成績的加權組合。實踐證明此計分方法,既激發(fā)了學生的學習積極性,又全面考核了學生全學期的學習成績。
除此以外,我們利用校園網(wǎng)絡平臺,建立流體力學網(wǎng)絡輔助教學體系,在網(wǎng)上提供教學大綱、電子教案、教學日歷、自我測試題、電子版流體力學題庫、題解、學習指南、模擬試卷、多媒體課件、教學錄像及網(wǎng)上答疑系統(tǒng)等,建設豐富的網(wǎng)絡教學資源,給學生課后復習、自學、輔導和練習創(chuàng)造條件。
五、結語
本文提出的基于IAE理念的教學模式已在我校部分院系逐步發(fā)展,但仍處于探索階段,為了提高教學質(zhì)量,有效地實施高等院校的素質(zhì)教育,培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,我們應該隨著時代的步伐,技術的革新不斷地去調(diào)整教學模式與方法,更好地適應時代的發(fā)展。通過采用有效的教學方法、先進的教學手段和靈活的教學方式,使教學更加科學化、規(guī)范化、生動化和形象化,將所要講授的內(nèi)容與一系列問題相結合,啟發(fā)學生思考和研究,鼓勵學生提出問題,開展課堂討論,鼓勵學生大膽發(fā)表不同見解。有效地調(diào)動學生的學習積極性,使學生容易掌握重點和難點,所學知識能夠連成線,穿成串,結成網(wǎng),形成體,教學效果顯著,同時培養(yǎng)了學生獨立思考、創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性思維能力。
參考文獻:
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關鍵詞:發(fā)射架;流體力學
【中圖分類號】G712
近些年來由于高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置這種非致命武器在軍事、維護治安和野外勘察等多種領域得到了廣泛地應用,這種非致命性武器的相關研究在全世界范圍內(nèi)也受到了越來越多地重視。高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置的發(fā)射架、彈丸拉頭的空氣動力學特性和流動規(guī)律為主要研究對象,基于流體力學、空氣動力學和計算流體力學CFD,對發(fā)射架、彈丸拉頭設計與流場數(shù)值模擬相關問題進行了研究,具有一定的經(jīng)濟價值。
高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置在國外自問世以來,便迅猛占領歐美市場,且目前美、英、法等發(fā)達國家和地區(qū)在防暴警察身上基本配備了該裝置。為完善我國的司法實踐,縮小我國和先進國家警察裝備的差距,在我國有必要推廣使用和研究此裝置。
本文先對高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置進行了詳細的介紹,然后建立了發(fā)射架的三維流場模型,基于Fluent計算流體力學軟件,采用標準湍流模型對發(fā)射架進行了三維流場進行了數(shù)值模擬,對模擬結果進行了分析及規(guī)律總結。先對高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置進行建模及模型簡化,利用FLUENT仿真軟件中的流場分析模塊對發(fā)射架及彈丸拉頭進行流體特性研究。在氣源及氣壓不變的情況下,通過仿真改善系統(tǒng)結構,以期模擬得到最高的發(fā)射初速度。依據(jù)仿真結果,對捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置進行實際優(yōu)化與改造,這樣既可以為高壓氣動捕捉網(wǎng)的優(yōu)化設計提供了有價值的參考依據(jù),也可以顯著地減少設計成本。對整個流場的流動狀態(tài)和壓力、速度矢量等各種氣動參數(shù)進行了詳細分析,綜合考慮,發(fā)射架的支撐板上孔的直徑為3mm,數(shù)量為4個且導流筒的角度為14°時為最優(yōu)結構,其綜合氣動性能優(yōu)異,具有較大的推廣價值。
高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置為便攜式捕捉網(wǎng)發(fā)射器,其特點是體積小、重量輕、攜帶方便,以便根據(jù)實際需要可捕捉目標,并且此裝置是非致命武器,廣泛運用于公安的執(zhí)法工作,也運用于鐵路、礦山、資源保護區(qū)、工廠、銀行、商場及公共娛樂等場所和治安保衛(wèi)工作,在需要制止或捕捉犯罪嫌疑人時,當目標一進入發(fā)射的有效距離時,就可對準目標按下開關按鈕,射出捕捉網(wǎng),即能將目標罩住。
高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置以壓縮氣體為動力,利用氣體壓力釋放產(chǎn)生的動力,將氣體壓縮到鋼瓶中,利用空氣管里的針尖扎破鋼瓶,使高壓氣體釋放在整個空氣管和回帽里。然后將引發(fā)機構上的開關按鈕處于開的位置,摁下按鈕,打開保險鎖,讓高壓氣體穿過引發(fā)機構到發(fā)射架中,推動8個橡膠拉頭帶動捕捉網(wǎng)呈一定角度向前運動。網(wǎng)在運動過程中迅速張開,遇到前方目標時,捕捉網(wǎng)的橡膠拉頭由于慣性作用,自動盤罩目標,從而達到抓捕目標的效果。
建立高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置中的三種外形彈丸拉頭的三維實體模型、二維流場模型的構建,基于計算流體力學軟件Fluent,采用RNG湍流模型對彈丸拉頭進行了二維定常流場數(shù)值模擬分析,得到了整個流場、彈丸拉頭附近的流動狀態(tài)和壓力、速度矢量等分布及阻力系數(shù)等重要氣動參數(shù)和重要氣動規(guī)律。數(shù)值仿真研究具有可行性,流線型彈丸拉頭綜合平衡了阻力、壓強、速度等諸多因素,具有優(yōu)良的綜合性能。
在完成了高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置發(fā)射架和彈丸拉頭結構優(yōu)化的基礎上,改善高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置的密封性能。將高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置空氣管中的U形圈改為V形圈。這些研究結果對此裝置的改進具有重要的指導價值。
以高壓氣動捕捉網(wǎng)的發(fā)射架、彈丸拉頭的空氣動力學特性和流動規(guī)律為主要研究對象,對發(fā)射架和彈丸拉頭的設計與流場數(shù)值模擬相關問題進行了研究。其綜合氣動性能優(yōu)異,具有較大的推廣價值。建立了高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置中的三種外形彈丸拉頭的三維實體模型、二維流場模型的構建,并進行了精細的網(wǎng)格劃分,基于計算流體力學CFD軟件Fluent,采用RNG湍流模型對彈丸拉頭進行了二維定常流場數(shù)值模擬與分析,對整個流場、彈丸拉頭附近的流動狀態(tài)和壓力、速度矢量等各種氣動參數(shù)進行了詳細分析,得出了阻力系數(shù)等重要氣動參數(shù)和重要氣動規(guī)律。數(shù)值仿真研究具有可行性,流線型彈丸拉頭綜合平衡了阻力、壓強、速度等諸多因素,具有優(yōu)良的綜合性能。
研究結果既揭示了彈丸拉頭的一般氣動規(guī)律,為研究高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置空氣動力學提供了一種較為直觀和有效的方式;又證實了數(shù)值模擬的可信度,為高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置的設計、改進及研發(fā)工作提供了技術參數(shù)和新的研究思路。
介紹密封技術,并對O形和V形三種密封圈特點進行簡單說明,為高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置密封性能的改善提供基礎理論知識。然后對高壓氣動捕捉網(wǎng)裝置空氣管密封性能進改進,將O形圈改為V形圈。
高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置,對于高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置結構的發(fā)射過程是一項眾多因素相互作用相互制約的過程,因為各種參數(shù)都會影響二氧化碳氣體速度的大小,而流場中流體的層流和紊流隨速度不同而變化。本文在高壓氣動捕捉網(wǎng)發(fā)射裝置的仿真實驗和真實實驗分析方面做了一些相關的工作,但由于自身條件及實驗條件的限制,本文在如下方面還存在不足或需要進行進一步深入的研究、拓展和完善:1.限于實驗條件的限制,本文未進行改進后裝置的實際發(fā)射實驗,僅采用Fluent進行數(shù)值模擬的驗證。這影響了本文的完備性及數(shù)值模擬的可信度。后續(xù)研究應與改進后裝置的實際發(fā)射試驗相結合。
使用Fluent對發(fā)射架進行仿真時,為了更方便得到仿真結果,未考慮當?shù)貧鉁貙φ麄€發(fā)射過程的影響,后續(xù)研究應考慮不同地方的氣溫對發(fā)射過程的的影響,這樣能更接近真實情況。
參考文獻:
教育模式在從應試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)換的過程中,如何去把握課堂上教師的“教”與學生的“學”之間的關系,己成為教育界同仁們共同關注的問題。教育的最終目的是讓學生在掌握前人積累的豐富知識及經(jīng)驗的基礎上,不斷發(fā)展和創(chuàng)新。前蘇聯(lián)著名教育家蘇霍姆林斯基說:“只有能夠去激發(fā)學生進行自我教育能力的教育才是真正的教育”[1]?,F(xiàn)代社會信息瞬息萬變,教育者除教授知識外,更重要的是教給學生獲取知識的方法和激發(fā)學生的學習興趣,由學生主動去學習適合自己特點的課程。因此,學校的任務是研究如何向?qū)W生提供最好的服務,提供可以自由探索、自主學習的學習環(huán)境,改變“以教師為主體”的傳統(tǒng)教學模式,在先進的教育科學理念的指引下,充分發(fā)揮現(xiàn)代化教育技術手段的作用,管理教學,組織教學,實施“以學生為主體”的教學模式。
一“以學生為主體”教學方式的內(nèi)涵
“以學生為主體”的教學理論,目的是讓學生親身經(jīng)歷知識的獲得過程,體驗成功的喜悅,培養(yǎng)學生的獨立性、自主性、創(chuàng)造性。教師應該注重培養(yǎng)學生的參與意識,為學生探究知識創(chuàng)設物理情境,激發(fā)學生的創(chuàng)造潛能。在傳統(tǒng)的教學中,教師是知識的擁有者、傳授者,是教學過程中的絕對“權威”,學生則是“容器”,教師講課的主要教學手段和方法是如何將知識輸送到所謂的“容器”中去[2]。整個課堂上教師是主導者,是核心人物,而學生則是服從者;課堂是教師講,學生聽;教師寫,學生記。教學中,學生完全處于被動狀態(tài),主要依靠教師在進行消極地學習。該方法嚴重影響了學生創(chuàng)造力和想象力的發(fā)揮,不利于提高學生學習知識的興趣和運用所學知識的能力,這是與培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性、自主性、獨立性教育目標背道而馳的。教師應是整個教學活動的設計者、組織者,應該扮演引導者和參與者的角色,學生才是教學活動的主體。因此,教師應該在把握住“以學生為主體”的教育模式的內(nèi)涵的基礎上,努力為學生創(chuàng)造一種探究學習的氣氛或情境,讓學生根據(jù)探究的目標進行探索、甚至猜測,由學生通過自己的努力去獲得最后的結論,讓學生真正成為整個教學活動中的主體。當然了,“以學生為主體”的教學理論并不意味著教師的指導沒有必要,教師不僅要幫助學生營造一個良好的學習氣氛,更重要的是,教師在教學中應起引導和導向的作用。讓學生獨立自主地進行探究和學習當然重要,但是,為保證學生的探究和學習活動順利進行下去,教師的有效引導也是非常必要的。
二計算流體力學課程的特點
計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,以下簡稱為CFD)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法,在時間和空間上通過數(shù)值解來定量的描述流場,從而達到對物理問題研究的目的的一門課程。CFD 可以作為一種研究工具去形象的展示流場的內(nèi)部結構,從機理的角度解釋相應流動的特點;也可以作為一種設計工具對產(chǎn)品的性能進行預測,從而達到節(jié)省研發(fā)成本的目的。總之,CFD 在現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)中的很多方面已表現(xiàn)出了巨大的作用[3]。
計算流體力學是流體力學的一個分支,它不僅是一種有效的關于流動和傳熱問題的研究手段,而且在幾十年的發(fā)展中,又自成體系而成為一門獨立的學科。CFD 是建立在流體力學的基礎之上的,它的主要目的是求解微分方程,所以要學好這門課程,就要很好的掌握計算方法、偏微分方程的數(shù)值求解等課程的基本知識,同時,還要有很好的物理問題抽像簡化能力及對結果的各種處理分析能力,正是由于CFD 課程的這種多學科交叉基礎的特點,所以將其設置為研究生課程,也正因為如此,大部分學生在學習該課程時,常感到該課程的理論性強、概念抽象、公式推導復雜等諸多難點。
三碩士研究生階段的教學特點
碩士研究生階段專業(yè)課與本科專業(yè)課相比有深、廣、新、專等特點,同時還要更高層次地體現(xiàn)素質(zhì)教育的特點。所謂深,是指研究生課程應對該課程所涉及到的領域具有更深的論證、探討與描述,以使學生對本學科有更深層次的理解。所謂廣,是指研究生課程所涉及的內(nèi)容應比相應的本科生課程涉及更廣泛的領域,特別是與本學科的交叉領域。所謂新,是指研究生課程的內(nèi)容應主要反應該領域科學技術的最新成果、最新的理論、觀點與研究方法。所謂專, 是指與本科生相比,研究生教育具有更強的專業(yè)性,是為科研、教育、企業(yè)、政府、社會等各個部門培養(yǎng)實用的高級專業(yè)人才。研究生專業(yè)課的內(nèi)容除了應具有上述特點之外還必須在更高層次上體現(xiàn)素質(zhì)教育的特點,研究生的專業(yè)課教學必須在所有細節(jié)上都滲入素質(zhì)教育的思想,使學生能夠在自我培養(yǎng)、知識創(chuàng)新、思想表述、學術交流、協(xié)作精神、競爭意識等方面都有所提高。碩士研究生專業(yè)課程的教學內(nèi)容不應該全部都是完全成熟了的經(jīng)典的理論與方法, 而是要讓學生了解本領域正在發(fā)展著的、有爭議的、探索性的觀點、假說、設計思想、研究思路、實驗方法,等等。這就要求學生具有自主的、批判與選擇的能動性;具有能夠發(fā)現(xiàn)問題,研究問題和解決問題的能力;具有將所學內(nèi)容進行能動比較,融匯貫通和總結提高的能力;具有將所選定的研究方向和現(xiàn)有條件相結合并歸納與提煉出研究課題的能力。
碩士研究生一般都經(jīng)過了完整的本科四年教育,大多數(shù)為本專業(yè)或相關專業(yè)的優(yōu)秀畢業(yè)生。他們大都較好地掌握了學習方法,特別是自學方法,并已養(yǎng)成了刻苦鉆研的習慣。這一群體不但已初步掌握了本專業(yè)的最基本的理論基礎、基本概念,還掌握了在這一領域工作的基本方法與基本原則。具有了在本領域進行科學技術研究或工程設計的基本素質(zhì)。同時,這一群體的成員都經(jīng)歷過嚴格的畢業(yè)論文或畢業(yè)設計的工作與答辯過程,具有一定的獨立分析問題、解決問題的能力。因此,碩士研究生到了專業(yè)課學習階段,已具備了“學生主體”模式的教學條件。
四在教學和考試中應體現(xiàn)“以學生為主體”
研究生階段的教學不同于本科階段及其之前階段的教學方式,前者以“研”為主,后者則以“學”為主,所以研究生教學應以研究為導向,以創(chuàng)新或者說研究成果的數(shù)量和質(zhì)量為評判優(yōu)劣的標準。
1 教學方法的改變
培養(yǎng)研究生檢索文獻和自主學習的能力是實施“以學生為主體”教學方式的第一步。文獻檢索是研究生從事科學研究的最重要環(huán)節(jié)??茖W研究是具有連續(xù)性和繼承性的,尤其是對剛從事研究性學習的學生,查找文獻資料,掌握某一研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)是進行研究性學習的第一步,這一步進行得好壞直接關系到以后一系列的研究活動。因此,在計算流體力學課程的學習中,教師可通過布置“文獻檢索”作業(yè),讓學生根據(jù)自己的興趣愛好或課題方向查閱最新的中文或外文文獻,寫出此方向的文獻綜述;并鼓勵學生整理成科技論文向國內(nèi)外相關科技刊物投稿,并爭取發(fā)表。研究生通過這樣的學習鍛煉,能提高他們的文獻檢索和總結提煉的能力,可為他們將來進行科研和撰寫畢業(yè)論文奠定一定的基礎。
開展課題研討活動,培養(yǎng)研究生解決問題的實際能力及口頭匯報能力是實施“以學生為主體”教學方式的關鍵。為達到此目的,教師在教學中可以將3~4 名研究生分為一個討論小組,為每個小組布置不同的研究課題,讓學生們在認真研究和理解文獻的基礎上,找出具體的切入點深入研究,并在課堂上分批次的匯報各自小組的研究內(nèi)容,包括物理問題的簡化,數(shù)學模型的建立,具體的求解過程及參數(shù)設置,以及結果的詳細分析及討論。在課堂上,每個研究生還可有選擇性地匯報各自文獻檢索結果的綜述,把自己感興趣的和有深刻理解的專題進行講解,其他的學生也可以現(xiàn)場提問,這樣,研究生在匯報和回答提問的過程中,他們的理解能力和表達能力也都同時得到了鍛煉.
2 考核方式的改變
在選修課的學習中,如果仍然采取傳統(tǒng)的閉卷考試作為課程考評方式的話,就很難看到創(chuàng)新的教學改革手段體現(xiàn)在研究生身上的效果,因此,在課程的考核方法上應大膽改革,比如考核內(nèi)容和成績可如此規(guī)定:在100 分的總成績中,報告占50 分。其中,對理論和方法的理解是否全面、準確和深刻占30 分;講述是否清晰和是否引人入勝占10 分;講解過程是否結合現(xiàn)代化媒體手段(如POWerpOINT,F(xiàn)LASH)占10 分,同時對積極提問和踴躍發(fā)言者適當加分;文獻檢索作業(yè)占10分,對檢索較多外文文獻的學生,如文獻內(nèi)容新穎,且緊跟科技發(fā)展的,可給予加分,而少交或遲交作業(yè)者則酌情扣分;FLUENT 軟件實例計算作業(yè)占20 分,要求有詳細的前處理網(wǎng)絡模型和詳細的結果處理分析,并且對總結成科技論文在優(yōu)秀刊物上發(fā)表者給予加分;期末論文投稿占20 分,要求按標準科技論文格式書寫,內(nèi)容要詳實、全面和觀點獨到,并以優(yōu)秀篇數(shù)和刊物水平作為加分依據(jù)[4]。以上課程考核措施的制定,都是以調(diào)動研究生學習計算流體力學課程的積極性為首要前提,旨在提高他們的科技論文寫作能力和解決流動傳熱實際問題的能力。
總之,“以學生為主體”的教學模式的實施是一個長期的、循序漸進的過程。在此過程中,勢必會出現(xiàn)諸如教學內(nèi)容更新、教學進度和學時調(diào)整等一系列新問題,這就要求任課教師要具有堅定不移的決心和高度負責的責任心,要以提高研究生的競爭力和生命力為己任,要不斷創(chuàng)新、開拓和探索更加有效的教學手段和方法。另一方面,各級領導應該鼓勵和支持對研究生課程的改革,研究生教學管理部門應承認并獎勵教師在實施教學改革中增加的學時數(shù)量,在政策和經(jīng)濟上給予支持,創(chuàng)造有利于實施教學改革的環(huán)境和氛圍,從而使之得到不斷的深入和完善。
參考文獻
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1 實驗實踐教學中的相關問題
從國內(nèi)相關院校以及上海海洋大學工程學院工程基礎實驗、實踐教材建設情況看,目前理論與實際相聯(lián)系的內(nèi)容詳實、規(guī)范實用的實驗、實踐教學系列教材十分缺乏[5]。上海海洋大學經(jīng)過幾年的實踐教學探索,雖然取得一些成績,但也存在需要改進與完善的問題:首先,在實驗、實踐教材建設上沒有系列化,正式出版的實踐教材很少;其次,實驗實踐教學內(nèi)容缺少深度和層次性,缺乏相關課程群組的關聯(lián)與集成,較常采用傳習性、因襲性的教育方法,缺乏對學生探究問題的鼓勵;再次,實驗實踐教學考核模式單一,缺乏考核的層次性和多樣性,采用所有學生按部就班地做一樣的案例的方式較多,不利于學生綜合能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[6]。
為了解決上述問題,實現(xiàn)上述目標,就要更好地發(fā)揮高校本科實驗實踐教學的作用。工程力學基礎尤其是工程流體力學是海洋類大學的重要基礎課程,本文以工程力學基礎課程(工程流體力學)為主要研究對象,通過對本課程大綱、環(huán)節(jié)模塊以及相關課程群的梳理,調(diào)研分析現(xiàn)行課程實驗實踐內(nèi)容、條件以及不足之處,利用模塊化層次化的架構,探索實驗實踐中的管理與運行機制。鑒于上海市教委對大學生創(chuàng)新的鼓勵與項目的加大投入,本文提出對基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗實踐教學優(yōu)化管理方案的研究,通過本科生創(chuàng)新思路、想法以及項目的綜合分析利用,推動實驗實踐教學體系的優(yōu)化進程。針對實驗實踐環(huán)節(jié)條件與教材完善,學生創(chuàng)新思想引導理論教學與實驗實踐內(nèi)容深化,以及實驗實踐教學多方式靈活考核方法等方面展開探索,對現(xiàn)行工程力學基礎課程實驗實踐教學的優(yōu)化管理進行研究。
2 基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學優(yōu)化管理方法
針對上述問題,基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng),推進工程力學基礎課程實驗實踐教學的優(yōu)化管理模式,優(yōu)化工程綜合類本科實驗實踐教學質(zhì)量的關鍵領域和薄弱環(huán)節(jié),優(yōu)化本科實驗實踐教學的管理模塊與層次,更好地為學校教學綜合管理提升以及本科學生能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高提供服務和參考。
方法實施的主要流程包括:
1)以工程流體力學專業(yè)基礎課程為對象,分析現(xiàn)有教學大綱,理清各個環(huán)節(jié)模塊關系,研究構建學校、學院其他與之相關的課程群模型,完成與工程流體力學課程內(nèi)容匹配與互補的體系架構;
2)總結現(xiàn)有實驗實踐課程開設情況與條件,分析與現(xiàn)有課程群組的關聯(lián)關系,總結尚缺的環(huán)節(jié)條件;
3)調(diào)研分析現(xiàn)有大學生創(chuàng)新項目,結合工程流體力學理論課程與實驗實踐課程,完善更新實驗實踐教學系列教材;
4)以現(xiàn)有大學生創(chuàng)新思想需求及項目為基礎,深化擴充現(xiàn)有實驗實踐教學案例、內(nèi)容、環(huán)節(jié)及模塊;
5)按照模塊化訓練模式,主要包括基礎訓練模塊、專業(yè)訓練模塊以及綜合訓練模塊來進行。
3 實施效果及分析
以上海海洋大學大三下學期本科學生為對象,針對開設的工程流體力學理論課程與實驗課程、物流系統(tǒng)建模與仿真實踐課程,采用上述方法,具體步驟如下。
1)整理大學生創(chuàng)新思想及項目,融入實驗實踐課程內(nèi)容中,推進完善教學內(nèi)容。
2)基于層次化、模塊化的遞階式研究方法,分析并構建工程力學基礎課程本科實驗實踐教學的優(yōu)化管理機制與體系。
3)結合理論教學條件內(nèi)容,在基礎訓練模塊中,所涉及的實驗實踐內(nèi)容主要是操作性實驗,此類實驗著重培養(yǎng)學生對應用及專業(yè)基本知識的理解和掌握,培養(yǎng)學生嚴肅認真的態(tài)度并為后續(xù)課程的學習提供基礎知識。
4)在專業(yè)訓練模塊所涉及的實驗實踐內(nèi)容主要是分析設計性實驗,此類實驗著重訓練學生運用所學知識和獲得的基本的實驗技能,綜合多課程群組的綜合知識,在教師指導下對專業(yè)知識的全面理解和掌握,培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力以及創(chuàng)新思維設想。
5)在綜合訓練模塊中所涉及的實驗實踐內(nèi)容主要是綜合性實驗,結合現(xiàn)有和預想的創(chuàng)新思路項目,此類實驗著重把理論知識和實際運用結合起來,接近實際工作,并深化學生在前兩個模塊中掌握的實驗方法和操作技能,培養(yǎng)學生的綜合分析能力和創(chuàng)新能力。
6)利用實驗與問卷調(diào)查結合的方法,驗證所獲得的研究成果的有效性和實用性。
方法通過兩屆學生課堂實施進行驗證,實施過程中的課堂效果與學生表現(xiàn)良好,課堂質(zhì)量以及互動明顯提升。分別對兩屆4個班的48名學生進行抽樣問卷調(diào)查,通過結果分析顯示:42名學生喜歡基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗實踐課程改革模式,3名學生選擇一般,3名學生選擇不喜歡而更習慣于傳統(tǒng)教學方式;43名學生認為該方法值得推廣到其他相應課程,4名選擇一般,1名選擇不值得推薦;對于存在的問題,學生反映較多的是除了大學生創(chuàng)新思想引導,還應加入更多的工程案例,因此融入合適的工程案例是繼續(xù)改進的內(nèi)容;同時學生通過課程引導,思路源于課程實驗與實踐,新增獲5項大學生創(chuàng)新項目。
4 結束語
本科實驗實踐教學是培養(yǎng)大學生動手能力、創(chuàng)新能力以及解決分析處理實際問題能力過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié),而大學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與實驗實踐教學的管理機制是相輔相成、密不可分的。以工程流體力學實驗實踐課程為例,本文提出的基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的方法在于改革優(yōu)化現(xiàn)有的工程力學基礎實驗實踐教學管理體制和運行模式,突破實驗實踐教學傳統(tǒng)的不適應新形勢的管理理念,創(chuàng)造新的人才培養(yǎng)模式,多角度全方位為學生實驗實踐教學管理與質(zhì)量的提升提供參考。基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng),促進本科實驗實踐教學質(zhì)量及管理機制的有效運轉(zhuǎn)與提升,在全方位培養(yǎng)學生創(chuàng)新項目與能力的基礎上,更好地推動工程力學基礎課程本科實驗實踐教學的完善運轉(zhuǎn),更好地為學校其他專業(yè)課程的實驗實踐教學管理給予借鑒與參考。
參考文獻
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