導語：如何才能寫好一篇流體力學理論及應用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：計算流體力學；課程改革；應用型本科；項目驅動

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）22-0123-02

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一門集成了流體力學、計算數學與計算機科學的交叉學科。計算流體力學的基本思想為[1]：通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動和傳熱等相關物理現象做出系統的分析。隨著計算機技術的發展，計算流體力學在各行各業得到了廣泛的應用。

《計算流體力學》課程開設的主要目的在于使學生掌握流動及傳熱問題數值模擬的基本理論與建模思路、掌握常用商用CFD軟件的使用方法，能夠利用計算流體力學方法解決實際研究問題[2]。課程內容涉及了流體力學理論、數值計算理論、計算機程序設計以及計算軟件的工程應用等。課程理論內容較多，學生學習起來較為吃力，常處于被動學習狀態，因此需要改進教學策略，培養學生學習興趣，改被動學習為主動學習[2]。同時該課程還與實際應用聯系緊密，如何將理論與工程實際相結合，培養學生解決實際工程問題的能力，也是本課程教學中需要探討的問題。經過多年在教學過程中的改革和摸索，下面淺談一下我們在《計算流體力學》課程改革方面的一些探索。

一、計算流體力學課程內容

計算流體力學包含內容甚廣，從總體上講，可按照不同的應用領域分為兩個主要方向：

1.將計算流體力學自身作為對象的課程體系。該體系的研究對象為計算流體力學本身，主要以流體力學數學物理模型模型構建、數值離散方法、高性能數值計算算法開發為主要內容，側重點為計算流體力學理論及其實現方法。

2.以算流體力學應用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計算流體力學方法應用于工程作為研究對象，主要以應用技能為課程目標，側重點為現實物理問題的簡化建模、利用計算機程序解決物理問題以及對計算結果的科學解釋等。

對于應用型本科《計算流體力學》課程來講，應當更多地關注計算流體力學在工程中的應用，將計算流體力學作為一項解決工程問題的工具，培養學生在利用該工具解決實際工程中的流體問題的能力[3]。

二、原有教學方法的弊端

西南石油大學機械工程專業較早開設了《計算流體力學》課程，培養了多屆學生，積累了一些寶貴的教學經驗。然而，該課程教學方式仍不夠成熟，存在一些弊端，教學效果受到影響。這些弊端主要表現為：

1.教學內容偏于理論。在教學過程中，當前的教學內容還延續中傳統的計算流體力學的基本內容，即：流體流動控制方程的推導、離散方法及線性方程的解法等，在課程講解過程中，仍以有限差分法、有限體積法及這些數值算法的收斂性、穩定性、計算精度等方面作為主要的講解對象，教授過程中涉及到大量的理論推導及數學理論的應用。在教學過程中，學生們普遍反映教學內容難懂難學，枯燥乏味。同時大量的理論教學還影響了上機教學時間。

2.工程實踐能力轉化不足。當前教學計劃中雖然搭配了16個課時的上機教學，但仍顯不足。經過多次的上機練習，部分學生能夠掌握利用計算流體動力學方法解決工程問題的一般流程，但是大部分學生仍然不具備解決新問題的能力。在上機練習過程中，學生按照教師提供的上機指導書中的計算模型操作完成，而對于計算中非常重要的如計算區域創建、網格劃分、數值計算模型選擇、邊界條件、初始條件及計算控制參數等缺乏自主的思考。針對上述問題，迫切需要對課程進行教學改革，提出新的教學理念，利用合理的教學方式，提高教學質量。

三、課程改革措施

計算流體力學課程改革主要從三方面進行。

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關鍵詞：宏觀，微觀，介觀，Boltzmann方程，流體力學方程

 

流體力學時研究流體運動規律的一門學科，經過多年的發展，已經取得了豐碩的成果，但由于流體運動的復雜性，還有很多實際的問題沒有得到解決，在數學上，其復雜性反應在描述其運動的上，除了一些簡單的情況，一般是很難得到這些方程的精確解的，因此，方程的求解問題也被美國CLAY數學促進會設立的7個100萬美元獎金的千年難題之一。

現在，對流體力學的研究一般從宏觀，微觀，介觀三個層次。。首先我們來介紹下這3個方面。

流體力學方程是從宏觀層次上得到的，流體被假設為連續介質，流體運動滿足質量守恒，動量守恒，能量守恒，并由Euler方程組Navier-Stokes方程組來描述，在數值計算中【1】，以非線性的微分方程為出發點，有有限差分法，有限容積法，有限元法，有限分析法，譜方法等，這類方法本質上是一種自頂向下的方法，對微分方程進行離散，得到代數方程組或者常微分方程系統，再利用標準的數值方法求解。

在微觀上，流體不再被假設為連續介質，流體由大量的離散分子組成，分子受到相互間作用力和外加作用力的影響。任何系統的宏觀特征和運動規律，再微觀上都表現為分子的無規則的熱運動。因而，一種最直接的想法就是通過模擬每一個分子的運動。再進行統計平均，已獲得流體運動的規律。這種方法稱為分子動力學模擬。由于這種方法主要是在計算機上實現的，所以在早期，受到計算機的限制，模擬的空間尺度和時間尺度都很有限。。但隨著近年計算機技術的高速發展，分子動力學模擬方法也得到了迅速的發展，已經成為研究流體運動的一種重要的方法。。

在介觀上，流體被離散成一系列的流體粒子，通俗的說，這些粒子比分子的級別要打，但從宏觀上來說又無限小，其質量比起有限容積法中的控制容積質量要小得多，此時用數學的觀點來描述此流體就應該Boltzmann 方程。

從以上的綜述可以看出，對于同一流體，從宏觀和介觀可以由不同的方程來描述，因此，從數學的觀點將其統一起來，就是非常必要的，下面，我們就從理論的角度，來證明，從介觀的Boltzmann 方程可以恢復到到宏觀的Navier-Stokes方程組。

首先我們簡單的介紹下Boltzmann 方程。。這個方程是由統計力學的創始人之一Boltzmann所建立的，用以描述非平衡態分布函數演化規律的方程，其具體形式如下，

（1）

其中，稱為碰撞算子，它的形式由下式給出：

在中的B稱為碰撞核，它僅依賴于粒子間的碰撞，從物理背景出發，我們總假設僅依賴于和，這里我們不過多的牽涉到它的具體形式。

下面，我們就嚴格的推導，如何從Boltzmann 方程到大家所熟悉的Navier-Stokes方程組，首先引入下面一個引理：

引理【2】：對于，，始終有成立。

注：該引理的證明科參考文獻[2],這里我們不給出嚴格的證明，我們將以上的稱為守恒量。

下面我們給出本文主要結論，即從形式上出發，可以由Boltzmann 方程到Navier-Stokes方程【3】。

證明：首先在方程兩邊同時乘以，并積分，利用引理，就可以得到下面的積分方程

(2)

如果我們定義，，就可以得到，這就是大家所熟知的質量守恒方程。

類似地，如果在方程（1）兩邊同時乘以和，并積分，再利用引理，

如果我們再定義，，，

，就可以得到動量守恒方程和能量守恒方程。

，(3)

(4)

以上的方程(2),(3),(4)j就是流體力學方程組。

注：雖然我們根據這個定理從形式上得到了流體力學方程組。。但要真正發揮作用，還需要求得，，使其成為一個封閉的方程組，而嚴格求解Boltzmann 方程是很困難的，所以還有很多的問題沒有解決。。

對于宏觀和微觀的問題，近來成為大家研究的熱點，相信隨著研究的深入，很多問題都會被解決，也會給工程中帶來更多的應用。

參考文獻：

【1】何雅玲，王勇，李慶，格子方法的理論及應用，科學出版社。

【2】2008李大潛，秦鐵虎，物理學與偏微分方程，高等教育出版社，2005

【3】C.Cercignani，R.Illner,M.Pulvvirenti,稀薄氣體的數學理論，高等教育出版社，2009

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關鍵詞： 農業物料學 理論教學 實驗教學 一體化

農業物料學是應用近現代物理學理論、方法和技術來研究農業物料的物理特性，以及各個物理因子和生物特性相互作用的一門邊緣性學科[1]。作為農業工程學科的基礎，農業物料學已經成為農業高校農機化專業一門理論性和實踐性并重的專業基礎課程，主要培養學生掌握利用相關技術測試常見固體和液體農業物料物理特性的實驗方法和原理。農業物料學涉及農學、生物學、機械力學、流體力學、電學、光學等多門學科的理論和技術，知識領域廣，學科交叉，給該門課程的教學帶來很大的挑戰。為了更好地加強知識的理解、提高學習效率、進一步提高農業物料學的教學質量，結合教學內容和目標，對該課程進行理論與實驗一體化教學模式的探索。

1.課程知識結構設計

1.1農業物料學研究對象及特征

農業物料學的研究對象是農業生產及農產品加工和處理所面對的植物物料和動物物料及其半成品和成品，如谷物種子、果蔬類、油類、肉、蛋、奶等，按存在狀態可分為固體物料和液體物料。農業固體物料的結構形式表現出多樣性，它們以塊狀、散粒體、粉狀等規則或不規則的形式存在，它們的內在品質也具有很大的差異性，因材質的不同表現出不同的力學特性、電學特性和光學特性；農業液體物料作為連續介質，因其黏性不同而具有復雜的流動特性和流體動力學特性。

1.2理論模塊設計

農業物料學所研究的內容是基于農業生產、加工、存儲、運輸、檢測的機械裝備和系統的設計需求，利用合適的技術和手段來研究各類農業物料基本物理參數、力學、光學及電學特性[2]。遵循主次分明、突出重點的原則，具體理論教學內容包括物料的基本物理參數（如形狀、尺寸、體積、密度、孔隙度、表面積、比表面積、含水率等）的表達形式和測試方法、黏彈性物料的流變模型及應力松弛和蠕變理論、液體物料的黏度及液體物料流體阻力特性、散粒物料的內外摩擦力學特性及空氣動力學特性、農業物料的換熱理論及干燥理論、農業物料的介電特性和導電特性、農業物料的光學反射和透射理論等。

1.3實驗模塊設計

實驗內容的設計在該教學模式中的作用尤為關鍵，通過實驗課的實施，不僅使學生能夠掌握典型農業物料物理特性的測試方法，同時是輔助學生理解和學習本課程理論知識的重要手段。為了達到此目的，實驗內容須覆蓋和融合本課程的理論要點。根據教學目標，結合理論教學內容，實驗項目設置為谷物尺寸與硬度的測試，果蔬形狀、體積和密度的測試，農業物料拉壓流變實驗，液體物料比重與黏度的測試，谷物種子空氣動力學特性實驗，散粒體物料休止角與內摩擦角的測定實驗，谷物種子含水率測定實驗，農業物料導熱系數的測定，典型農業物料LCR電學參數測定，谷物考種實驗、谷物營養成分光譜分析實驗等。

2.理論實驗一體化教學模式的實現

2.1理論實驗一體化教學思想

傳統的教學是將理論教學與實驗教學分階段進行，一般先在課堂講授理論，后集中進行實驗。這種教學模式容易導致理論和實驗結合不緊密，實驗對理論的反饋作用發揮不及時、不充分。尤其對于農業物料學理論知識體系繁多、學科跨度大，僅課堂講解理解難度大。由于理論教學與實踐性教學是一種相互加強與相互補充的關系[3，4]，通過構建理論實驗一體化教學模式，將理論教學與實踐教學融為一體，兩者同步開展。按照“講、聽、做、學”的流程，教師首先提出本次課的教學任務和知識目標，對相關知識點進行講授，講授內容分為兩部分，一部分為知識點的概念、原理等基礎理論知識，另一部分是講解基于這些理論知識的實驗方法和步驟。學生在明確教學任務和知識目標后，有目的性地對所講授的內容進行聽記，接著按照實驗方法有步驟地進行實驗。實驗過程中，教師要有計劃、有目的地對實驗關鍵環節涉及的理論原理、支撐技術進行提示和講解；實驗結束后，結合實驗，以問題解答、討論互動等形式對相關理論知識進行歸納、總結、再學習，進而加深理解，真正掌握和鞏固知識點。

2.2理論與實驗的融合性

為了實現農業物料學課程一體化教學過程中理論知識與實驗的有效融合，實驗內容的設置及教學過程設計非常關鍵。在本課程實驗內容的設置中，谷物尺寸與硬度的測試實驗和果蔬形狀、體積和密度的測試實驗對應農業物料基本物理參數的表達及測量理論；農業物料拉壓流變實驗、液體物料比重與黏度的測試實驗對應黏彈性物料的流變模型及應力松弛和蠕變理論及液體物料的黏度及液體物料流體阻力特性知識；谷物種子空氣動力學特性實驗、散粒體物料休止角與內摩擦角的測定對應散粒物料的內、外摩擦力學特性及空氣動力學特性理論；谷物種子水分測試實驗（直接法）、農業物料導熱系數的測定實驗對應農業物料的換熱理論及干燥理論；典型農業物料LCR電學參數測定、谷物種子水分測試實驗（間接法）對應物料的介電特性和導電特性理論；谷物考種實驗、谷物營養成分光譜分析實驗則涵蓋物料的光學反射和投射理論。

例如對于谷物種子含水率及其測定方法知識模塊的學習，該模塊的教學目的是要求學生掌握谷物種子含水率的基本概念、含水率的實驗測定方法及其測定原理。谷物種子含水率的測定方法有兩種：直接烘干法和間接測定法。針對兩種方法，分別安排兩個含水率測定實驗：一個是紅外加熱烘干實驗，另一個是基于介電常數的電子水分速測實驗。第一個實驗測定原理包含了紅外線熱效應理論、谷物干燥理論等知識；第二個實驗測定原理包含了種子電特性理論中的含水率與介電常數知識。因此，該模塊的教學中，按照“講、聽、做、學”的流程，在實驗中滲入理論學習，在理論學習中見證其應用，兩者相輔相成，既掌握了實驗測定應用方法，又加深了對理論知識的理解滲透。

3.結語

針對農業物料學課程學科知識結構的特點，引入理論實驗一體化教學模式可將理論性、實踐性、開放性有機融合，打破常規理論課與實驗課的界限，理論與實驗形成互補、相互促進，實現教、學、做三位一體，有效啟發、活躍學生的思維，促進師生互動溝通，一方面，有效提高了本門課程的教學質量，另一方面，培養了學生的學習知識的興趣和積極主動的學習態度。

參考文獻：

[1]周祖鍔.農業物料學[M].北京：農業出版社，1994.

[2]姜瑞涉，王俊.農業物料物理特性及其應用[J].糧油加工與食品機械，2002（1）：35.

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關鍵詞：熱能動力；熱能轉換與利用；教學內容

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0139-02

在能源的利用中，絕大部分是通過熱能這一形態加以利用的，或由熱能轉換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中，絕大部分也是以余熱的形式存在的。對各種余熱的回收與利用，也離不開熱能轉換與利用的知識[1]。自熱力學理論確立后，人們雖然從理論上認識到，熱力學過程中能量的交換及其利用，應根據熱力學第一定律和第二定律對能量的數量和品質兩方面進行分析研究。但是，在實際熱能工程技術的設計、管理和改進上，主要還是依據熱力學第一定律，即能量守恒與轉換定律。也就是說，只是單一地從能量的數量角度出發，以焓為基礎的熱平衡計算分析方法。然而，由于此法未考慮熱力學第二定律所表明的能量品質，因為人們生活在地球表面的一定客觀環境中，供給人們所需的能量有可以利用的部分（稱有用能或“火用”）和受環境限制無法利用的部分（稱無用能或“火無”），即相同數量的不同形式的能量所含的“火用”和“火無”的數量是不一定相同的，或者說能量還具有另一方面的問題――品質。因此，在認識所謂能量損失上就產生一定程度的混淆，由此在確定能量損失的分布及采取提高能量利用效率的技術措施時，就難免在熱力學上得出錯誤的結論，達不到預期的效果。為此，近幾十年來，國內外有關專家學者在熱力學的理論領域內和工程技術的管理上大力提倡把熱力學第一定律和第二定律綜合起來考慮，并以第二定律為主，即從熱力過程不可逆性引起可用能損失變成無用能的角度出發，以用火用為基準的火用分析方法來評價能量利用的科學性和合理性。由于此“火用分析法”中的“火用效率”更能準確地反映各熱力設備或整個裝置系統技術上或熱力學的完善程度，可以從中明確提高能源利用效率的正確目標，并采取相應的措施。所以最近幾十年來，前蘇聯、德、日、法、美等國家已將“火用分析法”廣泛應用于能源利用及動力、低溫、制冷、熱泵、化工、冶金等方面。最近二三十年來，我國也在火用分析的基礎理論及其實際應用方面做了大量的研究，并已引起了科技界和高等工科院校的廣泛重視。許多院校的熱動專業都增設了“火用分析”的相關課程[2]。

一、“熱能轉換與利用”課程定位

首先，從學科角度講，認識到“熱能轉換與利用”課程的銜接和過渡作用。本課程向上承接“工程熱力學”等前期專業基礎課程，是對上述基礎課程內容的擴展和深化；向下則與后續的“熱力發電廠”、“燃氣―蒸汽聯合循環發電”、“制冷與低溫技術”、“能源與節能技術”等專業課程緊密相連，為學生理解掌握相關專業知識奠定基礎[3]。熱能動力工程專業的學生通過本課程的學習，可掌握熱能轉換的基本原理，并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力，為今后在實際工作中，管好、用好能源，降低企業的能源消耗，提高能源利用率打下基礎。熱能轉換與利用內容豐富、發展迅速、學科交叉性強，涉及熱力學、流體力學、傳熱學等諸多專業課程，是熱能動力工程專業的一門重要的技術基礎課程。因此開設“熱能轉換與利用”課程非常必要，對于學生回顧深化所學過的“熱力學”等專業基礎課程，深入學習掌握后續專業課程，培養鍛煉學生利用所學理論知識分析、解決實際問題的能力，都有著非常重要的作用[4]。

二、熱能動力工程專業“熱能轉換與利用”課程設計

本課程要介紹有關熱能轉換與利用的基本原理、分析方法，以及實際轉換設備與系統地特點和設計計算方法。給學生在“工程熱力學”的基礎上提供“火用分析法”的基本理論、基本知識和基本方法，培養學生分析、解決實際問題的能力，為將來合理地利用能源及從事節能工作打下必要的基礎。“熱能轉換與利用”課程是熱能動力工程專業的專業必修課，共48學時。先后介紹了能源概論、能量轉換基礎、熱力系統分析、工業企業中的熱能利用、熱回收用換熱設備。

第1章能量概論，在介紹有關能源的一些基本概念的基礎上，認識熱能的重要性，了解熱能利用現狀。熱能是人類使用最為廣泛的一種能量形式，在一次能源中，熱能資源也占了絕大部分。在能源的利用中，絕大部分是通過熱能這一形態加以利用的，或由熱能轉換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中，絕大部分也是以余熱的形式存在的。

第2章能量轉換的基礎理論，重點介紹能量的質量分析―火用分析的方法。為了有效地利用熱能，正確地指導節能工作的開展，找到能量損失所在，需要結合熱力學第一定律和第二定律，從量和質兩個方面全面地進行分析。本章就是要運用工程熱力學理論，介紹分析能量轉換過程的方法，著重介紹火用分析的方法，詳細敘述了不同條件下的火用、火用損失的計算方法及其影響因素，并介紹實際熱工設備的火用平衡、火用效率的分析方法。

第3章熱力系統分析，是用火用分析方法具體分析熱力循環和熱力系統，弄清影響熱力系統效率的因素和提高效率的途徑。重點分析動力循環、熱電聯產系統和熱泵系統，分析各個轉換過程及系統的火用損失大小，找到減少火用損失的主攻方向，提出改進整個熱力系統，提高火用效率的主要途徑。

第4章工業企業中的熱能利用，介紹企業中的余熱資源及其利用方法，分析企業的能源平衡、能耗指標以及余熱資源情況。介紹各種不同的余熱資源的回收方法、回收系統對節能效果的影響。提高企業的能源利用效率，挖掘節能潛力，對企業能源系統進行分析，通過能量平衡確定其有效利用部分和各項損失的大小，尋求減少損失及有效回收利用余能的途徑。

第5章熱回收用換熱設備，介紹余熱回收用的各種換熱器的工作原理、結構特點、設計計算方法、使用場合等內容，為今后進行余熱回收時，能正確選擇和設計計算換熱器，并為研究開發高效新型換熱器打下一定的基礎。同時介紹熱管換熱器、流化床換熱器等新型換熱器和換熱器的發展趨勢及優化設計。

課程內容分為理論與實踐兩部分，第一章、第二章運用熱力學基本理論闡述“火用”及“火用分析法”的基本概念、火用和火用損失的計算及火用分析的基本方法，即為火用和火用分析的基礎理論部分。第三～五章以工程實例說明火用分析法的具體應用，分別對蒸汽動力裝置、氣體動力裝置及制冷、熱泵裝置進行具體火用分析。并結合工業企業中的熱能利用介紹了余熱回收方法與換熱設備。對于本校的“熱能與動力工程專業”來說，本專業學生主要學習動力工程及工程熱物理的基礎理論，學習各種能量轉換及有效利用的理論和技術，訓練進行動力機械與熱工設備設計、運行、實驗研究的基本能力。專業培養方案設置了電廠熱能與動力工程、工業爐窯工程、制冷及低溫工程、供熱工程等方向的專業課程。從專業培養方案的設置可以看出“熱能轉換與利用”是熱動專業的基礎課程，熱能轉換與利用的熱力學基礎理論是熱動專業的理論基礎，熱能轉換與利用的熱力系統分析則是熱動專業的核心內容，包括蒸汽動力循環的系統分析、燃氣―蒸汽聯合循環系統分析、熱電聯產系統分析、中低溫余熱動力回收的熱力系統分析、熱泵系統分析等，是熱動專業的主要專業課程及核心課程。熱能轉換與利用課程的學習為后續的專業課程奠定了堅實的基礎，也為熱動專業的學習奠定了深厚的基礎。因此，我們提出將熱力系統分析作為教學的主要側重內容，熱能動力工程專業的學生通過本課程的學習，可掌握熱能轉換的基本原理，并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力，為今后在實際工作中，管好、用好能源，降低企業的能源消耗，提高能源利用率打下基礎。

三、結論

“熱能轉換與利用”課程在熱能與動力工程專業學生的學習過程中，起著承上啟下的銜接作用，課程內容非常重要。由于熱能轉換與利用發展迅速，內容豐富，本文以我校開設“熱能轉換與利用”課程的實踐為例，從“熱能轉換與利用”課程的定位、“熱能轉換與利用”課程教學內容的編排兩個方面進行了詳細的介紹。提出將熱力系統分析作為教學的主要側重內容，以培養學生分析、解決實際問題的能力，為將來合理地利用能源及從事節能工作打下必要的基礎。我校“熱能轉換與利用”課程的內容和教學體系設計總體上思路清晰、內容充實、層次分明，很好地完成了“熱能轉換與利用”課程的既定目標和要求。

參考文獻：

[1]湯學忠，熱能轉換與利用[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[2]吳存真，張詩針，孫志堅.熱力過程火用分析基礎[M].杭州：浙江大學出版社，2000.

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[關鍵詞]工程素質力學教學體系

力學課程是學生在大學階段接觸到的第一門與工程實際相結合的課程，其工程實踐性強，是工科機械類學生進行后續課學習及從事設計工作所需知識的必備課程。力學經過100多年的積累與沉淀形成了比較經典的理論體系，但工程實際中的仍有一些問題無法得到精確解和完備的理論解釋。隨著近代計算力學的發展、計算機技術與數學的發展，在工程設計中，一些新的設計方法日趨完善與經典力學相互應證，在現代復雜工程設計中充當了重要的角色。材料科學日新月異的飛速發展，使新興材料的力學性能與傳統材料產生了很大的差別。這些相關學科的發展都極大的推進了力學的發展，如何在非力學專業的機械類學生中進行力學課程的教學，在發展的時代面前面臨新的問題。

我校是以應用型人才培養為目標，注重培養學生的工程素養，課程組就基礎力學教學與工程應用及工科大學生素質能力培養體系展開研究，圍繞學校辦學特色，結合機械工程、車輛工程、材料工程專業特點，在基礎力學教學中提出“課程體系貫通化、求解問題工程化、工程構件模型化、教學手段多樣化、經典力學柔性化、反映學科現代化”的建設目標，并實施了改革實踐，突出培養學生的實踐應用能力、抽象簡化能力、初步的科學研究能力和綜合的工程素質。

一、課程體系貫通化

（一）調整教學內容，實現力學課程體系與其它課程貫通

我校機械類工科專業在力學課后會開出機械原理、機械設計、汽車理論、汽車設計等專業課，這些課程用到大量的力學知識，而以學科劃分的課程不能反映出學科間的相互聯系與變化，造成課程體系僵化、課程內容重復、課程信息陳舊等問題。通過調研基礎力學先修課和后續課的教學內容，適當打破原課程體系的嚴格界限，建立貫通化課程體系，對基礎力學課程的教學內容進行有機組合和優化。對于同一類教學內容或采用合并或在力學教學中只簡單復習不再深入討論。重點與后續專業課的某些知識點建立聯系，將后續課程的研究對象引入力學課堂，這樣，學生在后期的學習中其所用的理論分析體系已經熟悉，專業課的再次提及既可強化簡力學應用，又可減少理論分析時間，為學生學習專業課夯實力學基礎。

（二）確立“三年力學學習不斷線”滲透式的教學體系

大學二年級通過兩門基礎力學課程學習力學基本理論和方法，融入力學競賽與力學小課題。大學三年級在有限元法基礎與應用課程中進一步深入力學模型的概念，結合工程實例介紹力學模型構建的思路，并通過典型的力學模型的理論解與仿真結果對比，提高學生的仿真和力學應用分析能力。同時成立CAE課外興趣小組，對學生實行個性化培養。大學四年級將力學課題滲透到課程設計、畢業設計課題中，進一步強化力學在工程實際中的應用。

二、求解問題工程化

力學問題來源于實踐，回歸于實踐。將力學理論緊密結合實際問題是其立足之本。

（一）深入實際進行調研

通過往屆畢業生的“基礎力學教學與工科大學生工程素質的培養研究”調研表，了解畢業生從事的工作中運用力學知識的重要程度、應用的重點內容、應用中理論的充足性以及畢業生對基礎力學課程教學內容的建議，收集他們在工作中應用力學知識解決實際問題的實例。通過分析總結課程組進一步增強了基礎力學教學改革及培養學生工程應用能力與創新能力的信心。同時對奇瑞汽車公司、東風有限商用車技術中心CAE室等單位進行了調研，了解汽車生產中較為集中的力學設計計算內容及設計部門對基礎力學教學的建議，了解CAE室最新發展狀況，收集生產部門的具體力學實例，掌握力學在生產實際與前沿研究中的應用，積累了大量的工程素材。

（二）建立工程實例素材的共享庫

通過教師的教學實踐和科研成果的資料收集，整理出上百個與機械和汽車相關的工程實際問題及其力學模型，包含生活領域及自然界中與力學問題有關的趣味例子，形成較為豐富的課程資源庫。這些資源可直接用于教學，為每一章新內容的引入與理論應用提供了良好的工程平臺，由于學生學習目的明確，易于接受，使較為嚴謹的力學課堂教學吸引力有了極大提升。同時，該工程實例庫面對全體課程組教師實現教學資源共享，不同的經驗可以相互借鑒，為教師整體教學水平的提高和團隊以老帶新打下良好基礎。

（三）根據自身特點，編寫出版教材

為突出課程培養特色，課程組在配套十一五優秀教材的基礎上，編寫工程針對性強的習題冊。一些習題來源于工程實際設計課題，涉及車輛部件、機床結構、機械手、加工工裝及工藝等。習題冊內同時增加一部分有一定深度題目，也涉及實驗測設方法與理論分析相結合的實驗方案確定問題，強化實際應用，拓展學生的思維，培養學生的研究能力。

三、工程構件模型化

力學建模是聯結力學與工程應用最為重要的紐帶，其重要性毋庸置疑。基于這點共識，工科高校也紛紛開設力學建模的講座或課程。因此，課程組在課程中為力學建模設置單獨教學單元，就模型簡化的載荷處理、約束處理、等效替換等問題通過實例進行分析。同時，本課程組提出“力學建模貫穿式”教學，該模式符合“三年力學學習不斷線”的教學體系。即在基礎力學學習中，采用概念實例力學模型的教學模式展開，力學模型描述的內容含有構件的幾何、材料、受力和約束模型。而工程結構力學模型的參數估計和模型的檢驗在后續有限元法課程中將涉獵。

四、教學手段多樣化

針對教學手段以“處方式”為主、學生“按方取藥”，建立了“課內與課外相結合、多媒體與板書相結合、理論與實驗相結合”的教學模式。

（一）課內與課外相結合

課內教學堅持以學生為主體，教師為主導的原則，在教學手段方面形成了基礎力學課程的教學特色，即基于基礎原理傳授式教學、基于工程背景啟發式教學、基于力學專題研究型教學、基于思考題討論式教學。在夯實第一課堂的基礎上，大力拓展第二課堂，鼓勵學生不滿足書本上的知識，積極進行課外研究。1）建成基礎力學教學網絡平臺。開發了一套具有不同教師個性化的、能反映教學過程管理和監控的網上輔助教學系統。該教學平臺包括隸屬于每位教師的教學資料、教學管理信息，以及課程公共的資料信息，能夠構建基礎力學課程的課后學習及教師日常教學管理等環境。考慮到力學系列課程的建設，網站除了開辟了理論力學，材料力學課程外，還增設了流體力學和有限元法基礎等課程。課程網站建設的除包括基本的課程簡介、教學大綱、授課教案、網絡課件、教學錄像、力學實驗外，還包含力學論文、力學自測題、趣味力學、力學小課題和力學名人新穎的內容。為學生課外復習課堂內容，學習課程相關知識提供了便利的條件。2） 開展力學競賽。為提高工科學生力學知識水平及應用能力，鞏固所學的基礎知識、活躍思維和激發鉆研力學問題的熱情，課題組每年舉辦力學競賽。競賽增進了學生對力學學習和研究的興趣，促進了基礎力學的教學改革。3）考研單獨輔導。基礎力學兩門課程是工科類學生考研的專業課，分值高達150分。課題組教師收集了各個學校的考研試題，分析總結了試題的知識點、分值分布和解題方法，對需要的學生進行單獨輔導。4）開展力學小課題的活動。充分考慮學生個體化差異，實現常規教學與個性培養相結合、課內和課外相結合的教學模式，著力培養和提高學生的創新能力和綜合應用能力。力學小課題融新穎、靈活、趣味于一體，理論聯系實際、包括討論題、設計題、利用計算機求解的問題等。

（二）多媒體與板書相結合

課程教學中，采用傳統的黑板教學和現代多媒體技術相結合，利用現代計算機數值模擬仿真動畫技術，直觀揭示構件各種變形下的應力分布規律、變形特點等；通過啟發式教學，揭示知識發生過程。例如，在講解應力集中問題時，由于缺乏相應的配套實驗，學生往往很難理解。利用通用有限元分析軟件能夠模擬出帶小圓孔方板的應力分布圖，同時還可以引導學生分析孔的大小、形狀及位置與應力集中的關系，如圖1。對于某些強調學生思考的問題，可以在黑板上逐步進行引導，讓學生給出求解思路和方法，這樣的方式互動性強，促進學生主動思考。

（三）理論與實驗相結合

除開出教學基本要求的實驗外，實驗室實行分期全天開放，為學生提供可選做的實驗項目，學生可也利用實驗設備，自行驗證理論、設計實驗。實驗教師開發出新的設計性實驗項目，實驗內容注重工程背景、追求真刀真槍、突出學科交叉。如：閉口方鋼的性能測試及數值模擬分析，槽鋼的性能測試及數值模擬分析等，通過理論計算、電測試驗和仿真模擬，研究結構在變形時的力學性能和特點。在理論層次、實驗方法設計層次方面對學生的實踐應用和研究能力都有一個大的提升。

五、經典力學柔性化

專業基礎課要“厚”，不僅體現在課程本身的教學內容上，還涉及科研精神的培養與教學中體現的人文精神。

（一）實現基礎力學課程的模塊化教學，由1+1變為2+2。嘗試多學時力學課程分模塊化教學

使學生分階段重點掌握知識內容，易于學習消化，易于監督檢查，在一定程度上防止了學生前期懶散最終一次性復習的不良習慣，培養學生持之以恒進行科學研究的工程素質。經過三輪教學實踐，考試成績分析及試卷分析報告說明：實施模塊化教學能更加全面的考察學生對課程的掌握情況，學生前期內容明顯掌握扎實，避免了大學分課程一次性考試剛度過大的問題，同時幫助學生逐步養成腳踏實地、堅持不懈的優良學習習慣，逐步建立做人做事上不要投機取巧的思維模式。

（二）在經典力學教學體系中引入人文教育

力學課程內容嚴謹、邏輯性強、推到繁雜，學生學習有一定的難度。在授課中適當介紹本學科相關歷史和發展進程及關鍵人物。如，講胡克定律時介紹中國古代鄭玄的貢獻；講梁的合理截面時介紹中國古代對矩形截面梁高寬比的認識；講梁彎曲時介紹圣維南的貢獻等。學生在學習力學知識的同時，對其發展過程有初步的了解，認識前人在學科發展中探索研究的艱苦歷程和學科發展史與人類文明史之間的關系，激發學生學習興趣和探索鉆研精神。

六、反映學科現代化

筆者認為將課程的前沿內容引入到教學中是對教師能力的一個極大挑戰。現代科學發展迅猛，一些傳統的設計方法在碰到復雜大型設計問題上會顯得繁雜而無力，在力學學科中新的技術、理論及應用也在不斷涌現，其理論新、涉及面廣、實用性強。將這些先進的方法融入教學對開拓學生視野無疑具有積極的作用。課程組教師結合自身科研對一些現代先進的科技成果和學科的發展動態適當的增加，如：當代力學計算手段有什么，可以應用到什么方面的設計，引入優化、非線性、有限元分析技術介紹等。在專項內容方面，講授上除經典理論外，將最新研究成果進行介紹，使學生在這一方面有初步的、較為全面的知識把握。如講授疲勞內容時，將疲勞的新、舊理論進行介紹，闡明單軸與多軸疲勞應力分析之間的區別與聯系，對其應用背景進行闡述。在材料力學性能講授時，對新興各向異性復合材料的性能與各向同性經典材料進行對比等。

通過“六化”建設目標的提出和實施，課程組力爭全方位構建培養高素質人才的工科力學教學體系。該體系集基礎性、層次性、系統性為一體，具有“立足培養目標、突出工程背景、張顯與時俱進、強化綜合交叉、體現學科成果”五個特點，為理論與實踐相結合的工程素質教育培養探索出一條有益的道路。

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篇6

一、大學物理教學現狀分析

（一）學生基礎參差不齊

高校生源來自全國各地，不同地域的學生對基礎物理知識掌握的平均水平也各異，造成了同一個教學班級中學生聽課的效果相差較大的狀況，教師在授課的過程中難以很好的把握講課的深度與廣度。如何提高學生，特別是基礎相對較差的學生對物理的學習興趣，讓他們端正學習態度，爭取做到對每一位學生“不拋棄，不放棄”，是每一位任課教師應該認真思考的問題。

（二）教學手段和方式單一

隨著多媒體技術的發展，課件在課堂教學中的應用越來越廣泛，已由傳統的“板書式”授課模式轉變為“PPT式”授課模式。不可否認，與傳統的授課模式相比較，多媒體技術以其文字、圖片及可鏈接動畫視頻等特點，使課堂教學變得生動、直觀，可以有效的提高學生的學習興趣。但是在用多媒體進行大學物理教學過程中，有些教師往往由于過度的依賴，讓自己的角色發生了轉變，由課堂的主導者變成了幻燈放映員和講解員，一堂課下來，板書寥寥無幾。學生機械的聽，盲目的記，加之多媒體翻頁速度快、重難點不夠突出、邏輯思路跨度大，造成留給學生思考、討論、總結的時間很少，更難存在科學想象的空間，教學效果難以保證。

（三）課程內容廣而不深

現用的教科書中物理教學所涉及知識點涵蓋了力學、熱學、電學、磁學、相對論及量子論等廣泛的內容，而且過于抽象化，沒有把經典理論與當今科技相融合。大學物理作為一門基礎課，授課對象是不同專業的學生，這就要求我們要打破原有的課程設置體系，設置多層次，多類型的大學物理課程。應該針對不同專業的學生，制訂分層次、多元化的教學大綱。在制訂教學大綱的過程中，應針對不同專業的授課對象，特別是要根據應用型本科院校不同專業的特點合理確定教學課時及教學內容的深度，比如對涉海專業的學生應把重點放在流體力學上，同時增加這部分內容在期末考試中的比重，真正的為接下來專業課的學習打好基礎。通過調研，在充分了解學生所學專業特點的基礎上，分析判斷哪些物理學知識是其必要的基礎，在有限的課時下精選教學內容進行重點講解。在教學過程同時，還要注重培養學生的創造與探索精神，結合所學內容，適當拓展當今世界該領域的科技發展前沿，增強學習的興趣和愛好，要做到層次分明，重難點突出；并結合相關的物理實驗和實際問題進行講解，做到學以致用，使授課內容源于課本，又要高于課本。

二、課程改革方案的探究

通過幾年來結合個人的教學與學生的反饋情況，可以考慮從以下幾個方面著手，對應用型本科院校大學物理教學進行探索與改進。

（一）推動教學創新發揮學生潛能

創新本身就是一項自主性的活動。創新教學方式的目的就是在于激發學生的學習主動性、積極性，創設有助于學生自主學習的問題情境。這就要求逐漸改變長期以來課堂教學就是教師講、學生聽的“一言堂”或“滿堂灌”模式，這樣往往造成“胃口大的會餓壞，胃口小的會撐壞，胃口不對的會倒胃”的結果。應該努力推行“互動式”、“體驗式”、“參與式”等教學方式。這樣不但能夠創造條件充分調動學生的自覺性，培養學生的創新能力，讓學生成為學習的主角，成為知識的主動探索者，也有利于營造民主、和諧的課堂氛圍，讓正能量充滿課堂。要想達到以上效果，就必須要求在教學目標上實現三個轉變：以教為主（老師滿堂灌）向以學為主轉變，以課堂為主（過分重課堂）向課內外結合轉變，以結果評價為主（過分重分數）向結果過程評價結合轉變。相對課堂教與學的固定時間、地點、模式而言，網絡已經走進人們生活的各個方面，利用網絡學習也是大學物理教學改革的另一種形式，由傳統的同時同地的面授模式轉變為傳統模式與MOOC（大型開放式網絡課程）、SPOC（小規模限制性在線課程）等現代信息化教學模式相結合，最大限度的發揮學生的創造潛能。

（二）提高教師素質增強育人觀念

現代教學理論認為：“教師真正的本領，主要不是在于講授知識，而是在于激發學生的學習動機，喚起學生的求知欲望，讓他們興趣盎然的參與到教學全過程中來，經過自己的思維活動和動手操作獲得知識”。要培養適合時展的“新教師”，那就首先要求教師必須適時更新自己的觀念，了解學科最新發展前沿，樹立嶄新的課程觀。課程的學習活動方式以理解、體驗、反思、探究和創造為根本。教師和學生不是課程的簡單執行者，而是課程的創生者，課程也要由此變成一種動態的、生長性的“生態系統”和完整文化。這樣，未來的教師也就既是科學家又是教育家、心理學家；既能指導學生掌握自學的方法，教給學生使用工具書、資料、數據和圖表的本領，培養學生嚴謹求實的科學態度，提高課堂效率，又能善于與學生建立友誼，以情育人。當今科技的發展一方面促進了人們生活水平的提高，但另一方面又出現了人情淡化，導致了高技術與高情感的不平衡，而以情育人在調動學生的學習積極性的同時，也培養了學生健全的精神品質。

（三）啟發學生思維提升教學實效

正如愛因斯坦所說：“提出一個問題往往比解決一個問題重要，因為解決問題也許僅是一個數學上或試驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”教師的任務不僅僅是把有問題的學生教得沒有問題，也要把沒有問題的學生教得有問題，以產生新的問題作為“會學”的開始，實現由“考生”向“學生”的轉變。教師要根據授課的內容，先提出問題，然后借題發揮，啟發學生思考，逐步引導出所講內容。當學生帶著疑問積極的參與到教學過程當中的時候，能激勵他們的發散思維，讓學生通過自己的討論、思考、分析和總結，從大量的發散結果中經過慎重思考選擇出正確答案。即使在講授定理以及規律時，教師也應盡量的減少和盤托出，可以先提出問題，并指出之前的知識在解決此問題時遇到的困難，進而鼓勵學生自己尋找解決問題的辦法。教師在講解內容的過程當中，要注意將經典理論與時代科技相互聯系，如由恒定電場一章中的“霍爾效應”的講解聯系到當今世界該領域的研究前沿“反常霍爾效應”。大學物理教師在教學中應先讓學生了解科研，懂得科研是怎么回事，引導學生理性地熱愛科研，掌握一定的研究方法，然后部分地、有選擇性地參與科研。教師要及時了解學生中存在的個體差異，平等的對待每一位學生，積極評價學生的創新思維，最后進行總結，得出結論。

（四）優化課程載體區分層次維度

課程是教學過程的基本環節，是組成教學計劃的細胞。所謂優化課程體系，就是“從培養目標出發調整各方面的內容及其比例關系，并以最后是否達到培養目標要求作為衡量的標準”。隨著時代的發展，培養人才的目標定位也不斷發生變化，如：學校教育由單純知識型人才的培養向綜合能力型和全面素質型人才的培養轉變，這無疑是當前和未來社會發展對人才素質的要求在教育與課程上的反映，它對今后本科類院校教育模式、教師要求及課程的發展走向必將產生深遠的影響。為了適應學校減少基礎課學時的客觀情況，教師必須優化大學物理課程的教學內容，這就要求大學本科課程的設置必須具有靈活性、針對性和多樣性，傳統教材對經典物理中的力、熱、電、光有著詳細的介紹，而對于反映出當代物理發展豐碩成果的近代物理特別是量子理論只是簡簡單單的一提而過，社會的發展已由信息時代進入量子時代，必須增加量子理論的教學內容和所占比重，以更好的適應社會的發展。正如甘子釗院士所言：“整個當代物理教學的關鍵就在于量子力學的教學，這不僅僅是對物理系的教學，而且對化學、材料科學、生命科學、工程科學、地球科學等系科的教學，也是同樣的……”此外，還要設置好必修課和選修課之間的比例，設置多類型、多層次的課程結構，給學生提供更多自主選擇學習內容的機會。同時，在調整課程的同時必須考慮到課程設置體系的平衡性，培養“專才”和“通才”相結合的人，以適應社會建設過程中不同層次、不同類型的人才需求。

三、總結

綜上所述，本科院校的人才培養規格、層次和類型很大程度上取決于教學方式和目標，教學方式和目標則決定著人才培養的類型。可以通過調研歐美國家高水平大學和國內同類高水平大學在教育教學、人才培養方面的經驗，尋找差距，明確自身存在的問題和發展方向，從而結合自身實際努力構建適合本科院校人才培養的教學目標、課程設置及評價模式，進一步完善教學評估體系建設，培養合格的學生，以適應應用型隊伍的人才需求。大學物理作為一門基礎學科，教師還要努力倡導教學自覺，沉淀教學文化，營造重教氛圍；以服務社會為目標，加強制度建設，改進育人模式；推進協同創新，協調好教學、科研和務實的互動，讓大學物理教學更好的服務于應用型高層次人才的培養。

作者:張玉強 崔燁 單位:公安海警學院基礎部

參考文獻:

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