首要教学原理在“汽轮机原理”精品课程教学中的应用

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  摘要:应用戴维·梅里尔博士提出的首要教学原理,结合对学生科学研究与工程师能力的培养,对“汽轮机原理”课程的教学内容及教学形式进行了课内课外渐进延伸的模块化设计。提出了“汽轮机原理”课程教学应遵循的准则。
  关键词:汽轮机原理;精品课程;模块化设计;首要教学原理
  作者简介:李树春(1952-),男,云南大理人,重庆大学动力工程学院,副教授。(重庆 400044)
  中图分类号:G642.3     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)04-0083-02
  
  “汽轮机原理”是热能动力工程专业的一门传统经典专业课程,其研究内容涵盖了热力学、流体及空气动力学、传热学、理论与材料力学、机械运动学及自动控制理论。将所涵盖的这些知识整合应用到汽轮机这样一种典型的重型精密工业机械上,研究其设计制造、自动控制、实验调试及运行维护的科学规律,这对培养工科学生的科学研究及工程应用能力是极佳的综合性教学载体。
  当前,工科院校的专业技术课程正普遍面临课内教学课时少,学而不专的窘境。作为精品课程进行建设的“汽轮机原理”也如此。故探索现代工程教学的科学规律,破解“宽”与“专”、“研学”与“应用”两对教学矛盾,已成为工科专业技术课程教改的焦点。
  所谓精品课程,是指体现现代教育思想,符合科学性、先进性和教育教学的普遍规律,具有严正风范和鲜明特色,并能恰当地运用现代教学技术、方法与手段,教学效果显著,具有示范性和一定辐射推广作用的优秀课程。
  课程教学是精品课程建设中最重要的环节,课程与教学是相互关联的,同时,课程与教学在逻辑上又是可分的,从而有各自研究的侧重。课程主要强调学习的范围(知识、活动、经验);教学主要强调教师对学生引导的行为(课堂讲授、课外自学及研究的指导、实验及实践环节指导等)。课程与教学属目的与手段的关系或内容与形式的关系。科学地规划设计课程教学的内容与形式,使二者有机相融是教学成功的关键所在。
  一、“汽轮机原理”课程教学内容的合理规划
  “汽轮机原理”是一门专业性较强的工程技术类课程,其所涉及的基础学科知识较为宽泛。课程知识的应用涵盖了汽轮机设备的设计制造、自动控制、安装调试、性能实验及运行维护等不同领域。而在重点大学的教学计划里该课程的教学时数仅为52学时(理论教学44、实验教学8),有限的学时与宽广的知识之间的矛盾较为突出。故必须对课程教学内容作科学规划,合理划分课内教学与课外研学的知识结构及有效教学方式。
  “汽轮机原理”课程教学内容的模块及功能可按图1所示的六个方面进行划分。
  1.专业基础知识模块
  该模块主要包括与研究汽轮机热功转换原理密切相关的能量平衡、动量定理、工质性质、工质流动与传热的基本规律及数学方程。该模块的功能是利用它们推论出揭示汽轮机热功转换规律的新的数学方程,是已学旧知向要学的新知之间的过渡准备及演绎衔接。
  2.经典专业知识模块
  该模块主要包括汽轮机级的热功转换原理及多级汽轮机特性。该模块的功能是从设计研究的角度,通过推论演绎得出与汽轮机热功转换效率、热功转换能力及部件受力相关的定量计算式,汽轮机级主要结构参数的定量计算式,并定性分析影响汽轮机热功转换效率、能力及主要结构参数的各种因素;揭示提高汽轮机热功转换效率、能力及安全可靠性的科学规律。该模块是全课程的精髓,是培养学生演绎推理科学研究能力的重要载体。
  3.专业知识的多学科延伸模块
  该模块主要包括四个子模块:一是汽轮机变工况运行特性的定量计算及定性分析规律;二是汽轮机主要零部件的强度校核计算与振动特性分析;三是汽轮机的自动调节及自动保护科学规律;四是汽轮机的冷端设备——凝汽器的热力特性与结构特性。该模块的功能是有机结合经典专业知识模块,向四个更深入的专业方向延伸教学内容,为学生进一步成为某一方向的研究型或技术应用型专才打下基础,指明方向。
  4.专业知识综合扩展应用模块
  该模块主要是汽轮机技术的最新应用及特殊应用。内容包括核动力汽轮机、燃气蒸汽联合循环汽轮机、热电联产汽轮机的结构及热力特性、自动调节特性。该模块的功能是引导学生在掌握传统性专业技术知识的基础上,结合现代汽轮机的发展应用去探索新技术,进行技术上的创造革新。
  5.实验及实践教学模块
  主要包括两个子模块:一是实验教学模块(内容包括喷嘴流动特性实验、叶片自振频率特性实验、汽轮机自动调节的计算机仿真实验、转子振动特性及动平衡实验);二是汽轮机本体结构的现场教学模块。该模块的功能是深化对上述第二、第三两个理论教学模块内容的理解,属汽轮机课程的辅助教学模块。
  6.工程设计及实验研究专题教学模块
  该模块可作为选修或自主性研究安排,内容可包括:汽轮机课程设计的应用型教学模块;汽轮机热力特性实验的研究性教学模块;汽轮机振动及故障诊断的研究性教学模块等。
  二、首要教学原理及在课程教学形式设计中的应用
  目前,我国重点大学的高等教育正面临从知识灌输向科学研究能力及技术创新能力培养方向转变的改革、从过专过窄的知识应用向研究创新和宽口径适应转变的改革。这就对各门课程教学内容及形式的优化调整和改革提出了迫切的要求。在课程教學的内容与形式两者中,教学形式的改革最为重要且难度最大,必须有先进的现代教育理论作为指导。
  笔者认为,当代著名教学技术与设计理论家、犹他州立大学教授、教育心理学家戴维·梅里尔(M. David Merrill)博士提出的首要教学原理可作为我国重点大学各门课程教学形式改革的借鉴。
  戴维·梅里尔博士提出的首要教学原理有五条,该原理科学地阐述了现代教育教学的认知—应用—融会贯通的首要教学规律。
  原理1:以问题为中心(Problem-centered),当学习者介入解决实际问题时,才能够促进学习。
  原理2:激活旧知(Activation),当激活已有知识并将它作为新知识的基础时,才能够促进学习。
  原理3:充分展示(Demonstration),当新知识展示给学习者时,才能够促进学习。
  原理4:尝试应用(Application),当学习者应用新知识时,才能够促进学习。
  原理5:融会贯通(Integration),当新知识与学习者的生活世界融为一体时,才能够促进学习。
  上述有效教学原理应作为课程教学形式设计的准则。笔者对“汽轮机原理”课程教学内容的教学形式按模块内容的不同做了以下设计。
  1.感性认知,介入实际,激发兴趣
  目标和兴趣是学习的动力。在“汽轮机原理”课堂理论教学之前以及教学过程中合理安排模块5的实验及实践教学环节。该环节的教学形式有:工厂认知实习、学校实验室模型或实物的现场教学、感性知识的视频教学。该模块的教学时数应不少于10学时。
  2.激活旧知并将其应用于新知的推理演绎
  专业基础知识模块中的内容学生已在各门先修课程中分散性地学习过,属于旧知,教师要采用恰当的教学形式将其激活,梳理并衔接应用到模块2、3的新知推理演绎过程中。激活旧知的教学形式应以教师课堂设问,学生课堂回顾陈述为主。课堂占用学时不超过两学时,学生应处在主动和轻松活跃的课堂氛围中。教学目标是使学生清楚要研学新知必须借用哪些旧知、如何借用。
  3.以问题为中心和充分展示
  经典专业知识模块的研学内容对学生来说是新知,其研学过程是教学的难点及重点,师生在课堂上研学新知要把握三个关键点。一是准确提出新知要研学的核心问题,如汽轮机级的热功转换效率、能力及主要几何参数的定量计算;二是通过教师精准的推论演绎,充分展示新知中重要公式的递推及逻辑思辨过程,这也正是对学生科学研究能力培养的启发引导过程;三是引导学生应用新知中的公式及结论分析解决工程设计中的具体技术问题,这也正是工程师能力培养的过程。
  该知识模块的研学过程应以教师讲授为主,并重在“研学”的过程,在教学手段上最好用手写板书,按严谨的逻辑发展即兴递推出相关公式与结论。该知识模块的课堂教学时数为18学时。
  4.多学科延伸,尝试交叉应用
  专业知识延伸模块的研学内容对学生来说是新知的多学科延伸,即从热科学向力学及自动控制学延伸。其涵盖的多学科交叉应用内容十分丰富,是培养学生边缘学科创新能力的载体。其教学的形式应以教师课堂讲授与指导学生课外研学并重。
  该模块的教学重在工程应用,由于该模块所涉及的教学信息量大,故教学手段可采用板书与多媒体展演相结合。用多媒体充分展示要学习应用的公式、结论及与之相关的图形及动画,可在有限的课堂学时内向学生传递更多的应用技术知识,使学生获得更多可以尝试应用的学习内容。学生运用知识或技能解决问题,才能够促进学习。
  展示讲授的重点内容有:汽轮机变工况的相关公式及结论;动叶片弯应力、拉应力及合成应力公式;几类动叶片的调频准则公式及结论;动叶片及转子自振频率的理论表达式;汽轮机调节系统静态特性及动态特性的相关公式及结论。
  展演讲授的重点内容有:汽轮机变工况相关特性图;汽轮机动叶片的频率特性图;汽轮机DEH控制系统图;汽轮机DEH控制系统执行机构动画等。该知识模块的课堂教学时数为20学时。
  5.自主研学,融会贯通
  专业知识综合扩展应用模块的研学内容对学生来说是新知的综合应用及扩展。所涉及的内容都是汽轮机技术在现代新技术领域中的发展应用。教师要鼓励学生将新知和技能融会贯通(迁移)到专业知识综合扩展应用模块中,做到有所发现有所创新。
  该模块的教学形式应以学生兴趣小组自主研学交流为主,教师仅需用四个学时作课堂讲授。教师要为每个小组指定研学课题并规定结题要求,并通过网络教学平台给学生点拨。研学课题有压水堆核电汽轮机技术特点、燃气蒸汽联合循环汽轮机技术特点等。
  6.围绕关键技术,加强工程师能力和科研能力培养
  工程设计及工程实验专题教学模块的教学旨在培养学生工程设计、工程实验和科研能力。其教学的形式有两种,一是集中两周做大型汽轮机的课程设计;二是在大四的上学期利用课外时间做创新实验或科研训练(SRTP)。
  大型汽轮机的课程设计属选修课程,教师根据选课人数确定分组及设计任务。以三人为一个设计小组,每一个小组的任务含有集体合作项目和个人分工项目。例如600MW空冷汽轮机设计的集体合作项目是总体方案及各缸级数分配,个人分工项目分别是高压缸、中压缸和低压缸设计三个子项。这种围绕一个设计题目,有合有分的小组设计形式更有利于学生合作沟通能力培养,更接近于工程实际。
  创新实验或科研训练(SRTP)属课外自主研学环节,利用学生大四上学期相对空闲的课外时间,在专业学术导师的指导下完成。研学课题紧密围绕学生毕业后就业的汽轮机科研院所技术应用的热点,如汽轮机热力特性实验研究;汽轮机振动故障诊断及处理研究;汽轮机DEH自动控制实验研究等。
  三、结语
  在“汽轮机原理”精品课程的教学实践中,课程小组结合对学生科学研究能力及工程师能力的培养,对“汽轮机原理”课程的教学内容及教学形式进行了模块化设计。对有限学时内的课堂理论教学内容和课外自主研学内容进行了合理规划,并将戴维·梅里尔博士提出的首要教学原理应用于课程教学中。提出了“汽轮机原理”课程教学应遵循的“感性认知,介入实际,激发兴趣—激活旧知用于新知的推理演绎—以问题为中心,充分展示递推及逻辑思辨过程—多学科延伸,尝试交叉应用—自主研学,融会贯通—围绕关键技术,加强工程师能力和科研能力培养”的教学准则,使教学内容及形式做到课堂内外有别、从课内向课外渐进延伸,使教学形式更加生动有效。也在一定程度上破解了工科专业技术课程“宽”与“专”、“研学”与“应用”两对教学矛盾。
  
  参考文献:
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  (责任编辑:麻剑飞)
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