章大海, 周昌靜, 蔣文春, 王麗飛, 王勝軍

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

一系列國家戰(zhàn)略,如工程教育認(rèn)證、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等都對新世紀(jì)的工科人才培養(yǎng)提出了新的要求[1-2],為此,教育部高教司提出了高等工科教育“新工科”建設(shè)的人才培養(yǎng)思路[3]?！靶鹿た啤钡慕ㄔO(shè)主要包括2個方面,一是要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè),以便適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)變革的需要；另一方面就是要改革和創(chuàng)新現(xiàn)有的工科專業(yè)的課程教學(xué)體系和教學(xué)方法[4-5]。在新工科建設(shè)的大背景下,工科高校對學(xué)生的培養(yǎng)要更加注重工程實踐意識的培養(yǎng),畢業(yè)生不僅要掌握堅實的理論基礎(chǔ),而且還能勝任流體機(jī)械的相關(guān)工作,具備發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。實驗課程對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力以及鞏固他們在課堂中所學(xué)的理論知識體系至關(guān)重要,因此,如何在流體機(jī)械課程的實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力就成為在流體機(jī)械相關(guān)人才培養(yǎng)中的一個重要議題[6-7]。

1 “填鴨式”與“點火式”教學(xué)法

古希臘學(xué)者普羅塔戈曾說過:“頭腦不是一個要被填滿的容器,而是一束需要被點燃的火把”。這句話在教育中的反映就是教育是把火炬點燃,而不是把容器灌滿[8]。傳統(tǒng)的填鴨灌輸式教學(xué)是讓學(xué)生的大腦被動地接受知識,而點火啟發(fā)式教學(xué)是要在教學(xué)中充分激發(fā)學(xué)生大腦意識的主觀能動性,讓學(xué)生的大腦主動地反映客觀事實并對此用思維加工。

嚴(yán)格意義上,填鴨式教育這個說法在教育學(xué)中是并不存在的,但對于傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)法,都將其視作填鴨式教育。在這種教學(xué)法中,教師更多的是訓(xùn)練學(xué)生的簡單記憶和技能,學(xué)生的注意力由教師借助課堂紀(jì)律來約束集中,學(xué)生被動學(xué)習(xí),缺少學(xué)習(xí)的積極性和自律性,對學(xué)習(xí)缺少興趣。這種教學(xué)法必然會導(dǎo)致學(xué)生的思考和理解力被不斷地弱化,學(xué)習(xí)效率低,學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新精神也沒有得到很好的挖掘和激發(fā),面對實際問題和挑戰(zhàn)時,大部分學(xué)生會感到無所適從；另一方面,由于每名學(xué)生的基礎(chǔ)和接受能力不同,會造成一堂課后學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不同,有些學(xué)生感覺簡單,有些學(xué)生感覺聽不懂,如果教師不能很好地掌握每名學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,會導(dǎo)致整體教學(xué)效果不盡如人意。

點火啟發(fā)式教學(xué),是以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心的一種教學(xué)方法,在教學(xué)過程中實施的是以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。相對于傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué),點火啟發(fā)式教學(xué)更加注重理論聯(lián)系實際,在教學(xué)中融入更多的工程實際案例,且在整個的教學(xué)過程中要實現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主動性相結(jié)合,為此,必須要以學(xué)生為中心,教師要通過各種教學(xué)方法和模式,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。在啟發(fā)式教學(xué)中,教師應(yīng)從學(xué)生的實際出發(fā),因材施教,因人而異,根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律,采用多種方式,調(diào)動起每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。啟發(fā)式教學(xué)的實質(zhì)在于能正確處理教與學(xué)的相互關(guān)系。由于人對事物的認(rèn)識是一個過程,隨著認(rèn)識的深入,人腦就不再是被動地接受,而是主動地反映客觀事實并對此用思維加工,因此啟發(fā)式教學(xué)能夠很好地反映教學(xué)的客觀規(guī)律,能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生智力的充分發(fā)展與系統(tǒng)知識的深入學(xué)習(xí)的完美結(jié)合。同時,啟發(fā)式教學(xué)還能激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力,激發(fā)其內(nèi)在的責(zé)任感,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性[9]。

在目前的教學(xué)環(huán)境下,大部分教師仍然采用填鴨式的傳統(tǒng)單向講授方法。這種方法在完成教學(xué)任務(wù)和保證教學(xué)進(jìn)度方面雖然有著明顯的優(yōu)勢,但是在工程教育不斷發(fā)展的背景下,傳統(tǒng)授課方法所培養(yǎng)的呆板固化的思維模式使得學(xué)生已不能很好地滿足未來新工科的發(fā)展需求。新工科對未來的工程師提出了新的要求,除了要有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗外,還必須要有良好的創(chuàng)新能力、高尚的倫理道德以及終身學(xué)習(xí)的能力[10]。傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方法培養(yǎng)出來的人才達(dá)不到工程教育預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo),對傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行改革勢在必行。本文以離心泵串并聯(lián)實驗為案例,從工程教育和新工科的背景出發(fā),通過分析課程的特點,提出一種適應(yīng)和滿足工程教育和新工科要求的教學(xué)思路。

2 離心泵的串并聯(lián)實驗

在實際生產(chǎn)中,有時單臺泵無法滿足生產(chǎn)要求,需要幾臺泵組合運行。組合方式可以有串聯(lián)和并聯(lián)2種方式,因此,有必要讓學(xué)生掌握離心泵串并聯(lián)的相關(guān)知識。離心泵串并聯(lián)測定實驗是相應(yīng)于流體機(jī)械類課程中關(guān)于離心泵串并聯(lián)工況知識點而進(jìn)行的實驗。該知識點綜合了工程流體力學(xué)、離心泵的裝置特性和工程現(xiàn)場操作的知識與技能。學(xué)生通過此實驗,能夠掌握離心泵串并聯(lián)的原理和流程,也能夠認(rèn)識和理解單泵和串并聯(lián)運行工況時流量、揚程之間的不同,并通過對比分析得出相應(yīng)的結(jié)論。針對此環(huán)節(jié),設(shè)置了“單泵實驗”與“雙泵的串、并聯(lián)實驗”2部分。

傳統(tǒng)的串并聯(lián)實驗僅能進(jìn)行相同性能泵的串并聯(lián)特性實驗。課程中,首先進(jìn)行離心泵的單泵實驗,通過實驗測定出單臺離心泵的流量—揚程曲線,而后分別進(jìn)行離心泵的串聯(lián)和并聯(lián)實驗。在實驗中,2臺泵無論怎樣組合,都看作是一臺等效的泵,測量出實驗中相應(yīng)等效泵的流量—揚程曲線,而后根據(jù)單臺泵的流量—揚程曲線,按照課本中串并聯(lián)曲線的繪制方法,得出理論上等效泵的流量—揚程曲線,從而比較實驗曲線和理論曲線的吻合程度。這僅是一種驗證性的實驗,學(xué)生通過此實驗僅能初步理解串并聯(lián)后的效果,實驗內(nèi)容過于簡單且覆蓋面小,沒有包括不同性能泵的串并聯(lián)實驗；此實驗裝置雖然也可以通過調(diào)節(jié)管路中的閥門來進(jìn)行離心泵裝置特性的工況調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)方法單一,實驗設(shè)備落后,一套實驗設(shè)備只能對應(yīng)一個實驗內(nèi)容,無法迎合新工科背景下對流體機(jī)械技術(shù)提出的新要求,無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的實驗課程中,教師采用的是填鴨灌輸式的授課模式。教師首先向?qū)W生講解實驗原理、演示操作步驟和注意事項,學(xué)生按照教師的演示和規(guī)定的實驗方法和步驟,被動地完成實驗任務(wù)[11]；傳統(tǒng)的離心泵串并聯(lián)實驗是驗證性的實驗,這就決定了學(xué)生在整個實驗過程中,只需要按照實驗指導(dǎo)書給出的步驟機(jī)械地操作、單純地記錄數(shù)據(jù),然后處理數(shù)據(jù)即可,即使數(shù)據(jù)不理想,由于結(jié)論是已知的,所以部分學(xué)生也會得出看似合理的結(jié)論。同時,傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方式?jīng)Q定了學(xué)生動手的機(jī)會比較少,很多學(xué)生只是“看”實驗,而不是“做”實驗。即使學(xué)生真正動手做了,也只是按部就班地機(jī)械式地重復(fù)實驗過程,整個實驗過程中,很少需要學(xué)生去思考實驗設(shè)置的目的、原因,以及數(shù)據(jù)處理的方式和原因。這種教學(xué)方式使學(xué)生對實驗流程、裝置運行特點及實驗設(shè)備沒有深入的體會和理解。被動的填鴨灌輸式學(xué)習(xí)方式令學(xué)生感到枯燥乏味,很難激發(fā)起學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望。實驗中沒有提供給學(xué)生自己思考并處理實際工程問題的機(jī)會,沒有可供學(xué)生進(jìn)一步思考的實驗內(nèi)容擴(kuò)展,沒有達(dá)到加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解,很多學(xué)生依舊不會設(shè)計實驗、不會分析問題,甚至沒有深入理解泵串并聯(lián)的原理,教學(xué)效果不好,不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)[12-13]。

3 點火啟發(fā)式教學(xué)的實施

為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,滿足工程教育認(rèn)證和新工科對人才培養(yǎng)所提出的新標(biāo)準(zhǔn)、新要求,分別從硬件和軟件2方面對離心泵串并聯(lián)特性實驗進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 實驗平臺及功能的改進(jìn)

化學(xué)工程學(xué)院機(jī)泵教學(xué)實驗組結(jié)合教學(xué)需求和發(fā)展趨勢,從多功能、多用途并兼顧經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā),以設(shè)置培養(yǎng)創(chuàng)新能力的綜合實驗教學(xué)平臺為目標(biāo),擴(kuò)建了離心泵串并聯(lián)特性研究化教學(xué)和學(xué)習(xí)平臺,使其從單一的串并聯(lián)實驗平臺擴(kuò)展到涵蓋離心泵串并聯(lián)實驗和工況調(diào)節(jié)實驗的綜合性實驗平臺,也使離心泵串并聯(lián)實驗由原先的驗證性實驗擴(kuò)展到設(shè)計型加驗證性實驗。該平臺在原有的離心泵串并聯(lián)平臺上優(yōu)化了管路系統(tǒng)布置,增設(shè)了電磁閥、渦街流量計、壓力變送器及數(shù)控系統(tǒng),并對每臺離心泵均增設(shè)了變頻器控制系統(tǒng)。擴(kuò)建后的實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 離心泵實驗系統(tǒng)布置圖

變頻器借助于集中控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對2臺泵的不同電壓頻率的輸入,進(jìn)而實現(xiàn)2臺泵的不同轉(zhuǎn)速工況,故可以將其視作不同性能的2臺泵,相比于傳統(tǒng)的實驗平臺,實驗內(nèi)容得到了極大的擴(kuò)展,由原先的相同性能泵的串并聯(lián)實驗擴(kuò)展到不同性能泵的串并聯(lián)實驗。同時,對于每一臺泵,由于增設(shè)了變頻器,故可以實現(xiàn)離心泵運行的變速調(diào)節(jié),這樣可以利用此實驗進(jìn)行離心泵相似原理的驗證,也可以利用此實驗平臺進(jìn)行離心泵的變頻調(diào)節(jié)及節(jié)能分析實驗。這樣的改進(jìn)不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容,也使學(xué)生更好地理解了相似原理的內(nèi)容和應(yīng)用,使原本書本上空洞的語言描述,變得更為形象、直觀和具體,加深了學(xué)生對理論知識的理解。另一方面,從圖1中可以看到,對于2臺泵的出口管路通過管路系統(tǒng)的優(yōu)化,在每一臺泵的出口管路中都引出了一個分支接入到另一臺泵的入口,這樣一方面實現(xiàn)了2臺泵的串聯(lián),同時,借助于管路中閥門的開閉,也可以實現(xiàn)對于2臺泵的旁路調(diào)節(jié)實驗。復(fù)雜的管路系統(tǒng)需要學(xué)生根據(jù)自己的實驗方案實現(xiàn)流體流動的路徑,鍛煉了學(xué)生的思維,提高了學(xué)生的工程實踐意識。

通過實驗平臺的重新規(guī)劃和擴(kuò)建,平臺可以實現(xiàn)的教學(xué)實驗內(nèi)容得到了極大的擴(kuò)展,主要可以實現(xiàn)離心泵串并聯(lián)實驗和性能調(diào)節(jié)實驗2部分。在本實驗平臺上可以進(jìn)行7個關(guān)于離心泵的教學(xué)實驗,分別是相同性能離心泵并聯(lián)實驗、不同性能離心泵并聯(lián)實驗、相同性能離心泵串聯(lián)實驗、不同性能離心泵串聯(lián)實驗、離心泵旁路調(diào)節(jié)實驗、離心泵變頻調(diào)速實驗、離心泵的節(jié)流調(diào)節(jié)實驗。豐富的實驗內(nèi)容給了學(xué)生極大的自主選擇權(quán),同時,學(xué)生通過自己規(guī)劃相應(yīng)的實驗方案,提高了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于不同的實驗內(nèi)容,學(xué)生也可以繼續(xù)通過相應(yīng)的對比分析,定量地比較不同工況調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣,實驗內(nèi)容得到了極大的拓展,同時,也很好地鍛煉了學(xué)生的自主性、積極性和創(chuàng)新性。優(yōu)良的實驗平臺為學(xué)生實驗方案的確定和實施提供了硬件基礎(chǔ),平臺上選用了國內(nèi)通用、先進(jìn)、精度高的測量儀表,讓學(xué)生接觸到了國內(nèi)外先進(jìn)的測試技術(shù),開闊了眼界；計算機(jī)的實時數(shù)據(jù)采集和測試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理也培養(yǎng)了學(xué)生對于現(xiàn)代化工具的使用技能。

3.2 教學(xué)方式的改進(jìn)

與傳統(tǒng)的填鴨灌輸式實驗教學(xué)模式不同,點火啟發(fā)式教學(xué)強調(diào)的是激發(fā)學(xué)生大腦意識的主觀能動性,故在這種模式中,從實驗的預(yù)習(xí)、設(shè)計到實驗過程的講解、操作,以及實驗數(shù)據(jù)的處理及作業(yè)匯報等方面均要盡可能地啟發(fā)學(xué)生的思維,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。啟發(fā)式教學(xué)的關(guān)鍵在于設(shè)置問題情境[8],對于實驗課來說,教師應(yīng)綜合運用各種啟發(fā)引導(dǎo)式的教學(xué)方法,在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置不同的問題,循循善誘,啟發(fā)引導(dǎo),通過學(xué)生自主、合作、探索的方式完成離心泵串并聯(lián)實驗的驗證性及設(shè)計型內(nèi)容。

3.2.1 目標(biāo)啟發(fā)式

這一方法是通過在教學(xué)過程中,在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo),通過對不同階段的目標(biāo)的達(dá)成來完成整個教學(xué)過程的實施,要求教師在課程總體培養(yǎng)目標(biāo)的范圍內(nèi),通過各種教學(xué)技巧啟發(fā)學(xué)生的思維。教師還要明確教學(xué)過程中的各個單元和細(xì)節(jié),達(dá)到不僅要明其全,還要悉其微的程度。教師要將課程大目標(biāo)和具體環(huán)節(jié)的小目標(biāo)提前告訴給學(xué)生,或鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗?；咀龇ㄊ?提前給學(xué)生提出問題,讓學(xué)生分組并自主選擇實驗項目,確保本平臺的7個實驗項目都有學(xué)生選擇。課前,需要學(xué)生對本節(jié)課的實驗內(nèi)容做出預(yù)設(shè)性思考,如實驗設(shè)備、實驗流程、實驗預(yù)期結(jié)果等,促進(jìn)學(xué)生的思維,尤其是創(chuàng)造性思維的發(fā)展,且通過實驗的操作以達(dá)到自己設(shè)定的實驗?zāi)繕?biāo)。需要注意的是要給學(xué)生安排足夠的預(yù)習(xí)和思考時間,至少要提前3天。只有這樣,才能調(diào)動學(xué)生的積極性,實現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

3.2.2 提問啟發(fā)式

學(xué)起于思,思源于疑,這一方法要求真正揭示事物的矛盾,形成問題情境,引導(dǎo)學(xué)生積極開動腦筋、主動思考學(xué)習(xí),達(dá)到“舉一反三”的效果[11]。教師把所要傳授的內(nèi)容,涉及到實驗的背景、原理知識、實驗裝置、操作流程及注意事項等,分階段、有目的和有技巧地細(xì)化成一個個問題向?qū)W生提出,啟發(fā)學(xué)生思考分析,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論。

在提問啟發(fā)式教學(xué)模式中,常用的提問方式可以歸結(jié)為以下4類:

(1) 引起學(xué)生興趣和求知欲的提問；

(2) 啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出問題的提問；

(3) 點明知識規(guī)律性的提問；

(4) 分析或概括性的提問。

對于這些問題,教師要采取不同的方式讓學(xué)生獲得答案。對于教師必須講授的問題,往往都是點明知識規(guī)律性的問題,所以教師可以采用自問自答的形式；對于啟發(fā)思維的提問,教師可以鼓勵學(xué)生大膽回答問題,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；對于概括性的提問,教師可以鼓勵學(xué)生先進(jìn)行總結(jié),讓學(xué)生之間相互補充,然后肯定其正確之處,并指出錯誤所在,再由教師最后陳述總結(jié)。在這種模式中,師生之間的對話和交流是平等的[12]。

3.2.3 講練引導(dǎo)式

實驗課程是實踐練習(xí)類的課程,學(xué)生必須通過實際動手操作才能完成對知識的形象直觀學(xué)習(xí)。教師在實驗課程中,需要對相關(guān)原理性的部分和實驗流程以及注意事項進(jìn)行講述和指導(dǎo)。實驗過程中,教師的“講”與學(xué)生的“練”要符合教學(xué)規(guī)律的整體思維導(dǎo)向,不能形成教師講述事無巨細(xì)、學(xué)生機(jī)械重復(fù)的教學(xué)模式。教師應(yīng)循循善誘,步步啟發(fā),學(xué)生積極思考,自行分析,最后,師生共同討論、消化并得出結(jié)論,它應(yīng)貫穿整個教學(xué)過程。教師應(yīng)密切關(guān)注學(xué)生的實驗流程,在關(guān)鍵處進(jìn)行啟發(fā)引導(dǎo),防止學(xué)生思路跑偏；在教師設(shè)定的范圍內(nèi),由學(xué)生自己完成整個實驗過程。在對實驗進(jìn)行了充分的預(yù)習(xí)的前提下,也可以通過教師的引導(dǎo),鼓勵學(xué)生把預(yù)習(xí)結(jié)果講述給大家,并由其他學(xué)生做補充,教師對實驗原理、目標(biāo)及關(guān)鍵步驟輔以必要的指正。在實驗過程中,針對容易產(chǎn)生分歧的地方,鼓勵學(xué)生之間進(jìn)行自由辯論,最后再由教師進(jìn)行觀點陳述和總結(jié)。

脫離教學(xué)對象談教學(xué)方法是不妥當(dāng)?shù)?。本實驗面向的對象是大三或大四的學(xué)生,他們已經(jīng)具備了流體力學(xué)、控制工程基礎(chǔ)等相關(guān)知識,所以他們能夠很好地理解泵的管路流程和控制系統(tǒng)的特點。增加學(xué)生在實驗過程中的講述與練習(xí)、鼓勵不同觀點之間的自由碰撞,讓學(xué)生在課堂中擁有更多的發(fā)言權(quán),對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、增強其自信心都很有必要。

4 結(jié)語

施教之功,貴在引導(dǎo)。掌握并熟練運用各種啟發(fā)式教學(xué)形式進(jìn)行施教,實驗教學(xué)必將出現(xiàn)一種不可抗拒的吸引力。建立以教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體、平等互動的實踐教學(xué)體系,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造欲望,促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力和科研能力的培養(yǎng)。實際教學(xué)表明,點火啟發(fā)式教學(xué)能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性,能夠很好地促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展,給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了思維空間,有益于學(xué)生應(yīng)用能力的提高。點火啟發(fā)式教學(xué)方法的探索和實踐必將使專業(yè)課實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)方面發(fā)揮重要作用。