“传递现象”课程教学感想
1 引言
动量、热量和质量的传递现象,在自然界和工程技术领域中是普遍存在的。在历史上,大多数工程专业都开设动量传递(流体力学)和热量传递(传热学)课程,而质量传递课程的开设仅限于化工专业。但是近年来,许多工程领域,例如生化工程、环境工程、动力机械工程、冶金工程等对于气体、液体和固体的传递过程的研究兴趣也日益增大。因此,目前许多专业都分别开设动量传递、热量传递、质量传递这三门课程。
然而,对于学生来说,分别学习这三门课程时,往往难于理解上述三种传递过程之间的内在联系,应该说这是一个很大的缺陷。基于这种考虑,1960年,R.B. Bird等人在《传递现象》(Transport Phenomena)一书中对这三种传递现象用统一的方法进行讨论,力图阐明这三种传递过程之间在定性和定量描述以及计算上的相似性。这对于学生更深入理解传递过程的机理是十分有益的。自此,“传递现象”这门课程越来越受到人们的重视,它也成为许多工程专业必修的专业基础课。
目前,“传递现象”是国内外化学工程专业研究生最重要的学位课程之一,主要介绍传统的化工生产中各个单元过程理论(动量传递、热量传递、质量传递)。课程教学的任务是在大学化工原理(或传递过程与单元操作)课程的基础上,通过课程学习使学生理解动量传递、热量传递和质量传递的基本原理以及三者之间的密切联系,掌握建立、
求解化工传递过程数学模型基本方法,提高学生分析问题、解决问题的能力。具体目的和要求如下:
1.1 正确理解动量、热量、质量传递过程的有关基本概念,系统掌握研究上述三种传递过程的基本方法,如运用微元体积法和矢量方程分析传递过程并建立数学模型;
1.2 掌握传递方程的基本求解方法,如分离变量法、变量置换法、Laplace变换法以及数值解法,为化工传递过程的分析与求解奠定基础;
1.3 掌握运用“三传”理论分析求解流体流动阻力、传热系数及传质系数的基本方法,充分理解“三传”现象的类似性;
1.4 深入了解各传递过程的机理,这对于改善各类传递过程和设备的设计、操作和控制过程十分重要;
1.5 为其他科研提供理论基础。
2 教材的选用
对于任何一门课程来说,教材的选择都是非常重要的。一本好的教材不但可以提高教师的教学效果,而且可以提高学生学习的积极性。“传递现象”作为化工类的经典学科,它在化学工业发展的历史长河中功不可没,即使是今天和未来,它所起的基础作用依然是其它任
何学科不可替代的。因此,对于“传递现象”这门课程来说,教材及参考书的选用尤为重要[1]。
化工部和一些高校先后编写了几本“传递现象”教材,如《化工传递过程》(化工出版社出版)、《传递现象导论》(化工出版社出版)、
《动量、热量和质量传递》(天津大学编写)、《传递原理》(华南理工大学编写)等。这些教材基本上反映了当时国内外该学科的进展情况。然而,由于化学工程学科的迅速进展、“传递现象”理论在其它学科(如生物化工、能源化工、环境化工、材料科学等)上更为广泛的应用,
以及“集成工程”、“回归工程”等新概念的提出,这些教材上的许多内容略显陈旧过时,一些新的内容没有重新编进教材。此外,由于各教材的侧重点各异,目前国内还没有一本教材能获得业内人士的广泛认同,未能在大多数高校普及使用。长期以来,国内研究生该门课程的教材大多数由各校自编,相当一部分是参照国外的教科书编写的。
笔者在“传递现象”教学实践中,以《传递现象导论》(化工出版社出版)为教材蓝本,参考目前国外较为流行的教科书,如“Transport Phenomena, 2nd Edition, R.B. Bird, John Wiley & Sons Inc, New York, 2001”、“Analysis of Transport Phenomena, William M. Deen, Oxford University Press, New York, 1998”、“Introduction to Transport Phenomena, W. J. Thomson, Prentice-Hall, Inc, New Jersey,2000”等,借鉴笔者在新加坡国立大学攻读博士期间该门课程的学习经验,引入传递理论的新内容,结合国内研究生实际情况,自己编写教案。该门课程的学习可以使学生掌握最新的传递理论发展动态和知识,加强对“三传”的深入认识,提高分析和解决问题的能力,有助于学生综合能力和素质的培养。
3 采用多媒体和板书相结合,提高授课效率
当代科学技术日新月异,知识总量不断增加,教师如何在有限的
课题教学中向学生传授无限的知识是每位教师所面临的一个挑战。本课程教学内容较多,而授课时间相对较少。因此,借助多媒体提高授课效率和增加授课容量的教学方式就成了一种必然的选择。
众所周知,“现代教育技术”的理念是指运用现代教育理论和现代信息技术,通过对学与教的过程和学与教的资源的设计、开发、使用、评价和管理,以促进学与教的优化的理论和实践[2]。“现代教育技术”的显著标志是现代媒体,如多媒体投影电视系统、多媒体计算机网络系统等。多媒体是连接教学资源与学习者的纽带,而处在信息爆炸时代的教学资源需更快更有效的传递。采用多媒体,可以节省板书时间,在短时间内使大量的信息传递成为可能,增加教学信息含量,另一方面学生可以根据需要只做简短的笔记,课后可以下载课件,这就节省了大量记笔记的时间,有利于集中学生的注意力,跟上老师的节奏,同时丰富多彩的课件设计还可以增加课堂趣味性。鉴于以上多媒体教学的特点,PPT多媒体课件的制作遵循以下几个原则:
3.1 教学性原则:多媒体教学的目的是优化课堂教学结构,提高课堂教学效率,既要有利于教师的教,又要有利于学生的学。课件的教学性主要表现在课件的教学目标、内容的选择及组织表现策略等几个方面;
3.2 简约性原则:课件的展示是通过计算机屏幕、大屏幕电视或大屏幕投影实现的,学生接受信息的主要渠道是视觉刺激,因此投影的画面应符合学生的视觉心理。画面的布局要突出重点,避免或减少引起学生注意的无益信息干扰。注意动物与静物的色彩对比,前景与
背景的色彩对比,线条的粗细,字符的大小,以保证全班的学生都能充分感知对象。内容的切入和退出最好采用淡入和淡出,避免花哨的动作;
3.3 科学性原则:科学性的基本要求是不出现知识性的错误;
3.4 艺术性原则:如果一个课件的展示不但可以取得良好的教学效果,而且使人赏心悦目、获得美的享受,则说明课件具有较高的艺术性。这样的课件是好的内容与美的形式的统一,美的形式能激发学生的兴趣。
多媒体课件制作的基本步骤如图1所示,主要分为准备阶段、设计阶段和实现阶段。准备阶段的主要任务是完成选题,确定所教授的课程中有哪些内容适合用课件的形式来表达;设计阶段的任务是完成目标设计、教学设计和脚本设计;而实现阶段是将前面各个环节的工作在计算机上实现的过程,包括多媒体素材的准备、课件的合成及使用评价。
当然,由于“传递现象”课程的难度较高,理论知识点的数学推导过程繁琐,我们在利用多媒体教学的同时,需要结合板书的方式对课程中的难点重点进行讲解。通过采用循序渐进的板书方式,对推导过程进行一步一步的详细讲解,使学生对难点重点具有更深刻的理解,增加课堂中学生的参与意识和激励学生主动思维。
4 类比法教学方式的运用
类比教学法就是把学生不容易理解的问题通过类比后变得容易理解,把学生容易混淆的知识点通过类比变得清晰,把学生难于记忆
的知识通过类比后变得容易记忆,通过比较、分析、综合、概括、推理等思维过程和形式,把科学的客观性逻辑性与一些艺术手法结合起来,使学生在学习知识的过程中掌握发现问题、处理问题、解决问题的方法,从而发展学生的思维能力。
如前所述,“传递现象”是研究自然和生产过程中的动量、热量和质量传递的问题。三种不同的传递现象之间存在着类似的规律,因此在解决实际问题的方法上可以互相借鉴。此外,鉴于“传递现象”对学生数学基本知识要求教高,课程难度较大的特点,以及新入学研究生存在基础参差不齐等状况,在教学中可以通过采用对“三传”类似性进行系统分析的教学方式,启发学生运用已学过的知识来解决类似的问题,避免枯燥而繁琐的数学推导。运用该方法可以提高教学效率,开拓学生的思维方式,使教学过程变得简洁,便于学生轻松掌握。以“分子传递规律”的类比问题为例,具体教学方式如下[3]: 揭示分子动量传递规律的牛顿粘性定律:
揭示分子热量传递规律的傅立叶定律:
揭示分子扩散传递规律的费克定律:
三种分子传递规律也可分别表示为:
,和。
通过量纲分析可知:,和分别表示三传的传递通量;,和分别表示三传的扩散系数;,和分别表示三传的浓度梯度。
因此,动量、热量和质量传递规律,在一维系统中的表达形式可以统一表示如下:
传递通量=系数*浓度梯度
通过以上方式,学生在掌握和理解分子动量传递规律的基础上,
对分子热量和分子扩散传递规律的理解具有更深刻的印象,能够更快、更好地掌握该知识点,使教学具有事半功倍之功效。
诚然,类比法的教学方式同样适用于“传递现象”中的其它问题。通过运用类比法,可以将三传中类似的问题采用相同的方法来处理,
减少繁杂的数学推导,突出工程概念,提高学生运用已学知识解释自
然现象和工程问题的能力。
5 教学展望
为推进厦门大学国际化办学进程,厦门大学从2007学年开始在
人文学院、法学院、经济学院、海洋与环境学院、化学与化工学院和生命科学学院六个学院启动国际硕士项目,招收优秀留学生。项目所有课程以英语授课,旨在培养既具有良好的专业基础,又了解中国社
会与文化的高层次国际专业人才。笔者有幸成为项目之一的化学工程学科核心课程“传递现象”的主讲教师,负责该课程的教学与建设。因此,如何将中文“传递现象”课程的教学经验应用于全英文国际硕士项目将是一个很大的挑战。通过第一批国际硕士的教学实践经验,笔者认为结合国际硕士生生源广泛、知识背景各异等特点,确定合适的教学体系,以及通过积极开展教学研究活动,提高教学质量和教学
水平的方式将是该课程建设的有力保障。笔者也期待该项目的开展将有助于加快厦门大学国际化办学的步伐。