新工科背景下离心泵串并联实验“点火启发式”教学方法探索

章大海, 周昌静, 蒋文春, 王丽飞, 王胜军

(中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛 266580)

一系列国家战略,如工程教育认证、创新驱动发展、“中国制造2025”等都对新世纪的工科人才培养提出了新的要求[1-2],为此,教育部高教司提出了高等工科教育“新工科”建设的人才培养思路[3]。“新工科”的建设主要包括2个方面,一是要设置和发展一批新兴工科专业,以便适应当前产业变革的需要；另一方面就是要改革和创新现有的工科专业的课程教学体系和教学方法[4-5]。在新工科建设的大背景下,工科高校对学生的培养要更加注重工程实践意识的培养,毕业生不仅要掌握坚实的理论基础,而且还能胜任流体机械的相关工作,具备发现问题并解决问题的能力。实验课程对于培养学生的动手能力、创新能力以及巩固他们在课堂中所学的理论知识体系至关重要,因此,如何在流体机械课程的实验教学中培养学生的创新能力和科学研究能力就成为在流体机械相关人才培养中的一个重要议题[6-7]。

1 “填鸭式”与“点火式”教学法

古希腊学者普罗塔戈曾说过:“头脑不是一个要被填满的容器,而是一束需要被点燃的火把”。这句话在教育中的反映就是教育是把火炬点燃,而不是把容器灌满[8]。传统的填鸭灌输式教学是让学生的大脑被动地接受知识,而点火启发式教学是要在教学中充分激发学生大脑意识的主观能动性,让学生的大脑主动地反映客观事实并对此用思维加工。

严格意义上,填鸭式教育这个说法在教育学中是并不存在的,但对于传统的以教师为主导的教学法,都将其视作填鸭式教育。在这种教学法中,教师更多的是训练学生的简单记忆和技能,学生的注意力由教师借助课堂纪律来约束集中,学生被动学习,缺少学习的积极性和自律性,对学习缺少兴趣。这种教学法必然会导致学生的思考和理解力被不断地弱化,学习效率低,学生的质疑和创新精神也没有得到很好的挖掘和激发,面对实际问题和挑战时,大部分学生会感到无所适从；另一方面,由于每名学生的基础和接受能力不同,会造成一堂课后学生的学习效果不同,有些学生感觉简单,有些学生感觉听不懂,如果教师不能很好地掌握每名学生的学习情况,会导致整体教学效果不尽如人意。

点火启发式教学,是以启发学生的思维为核心的一种教学方法,在教学过程中实施的是以学生为主体的教学模式。相对于传统的填鸭式教学,点火启发式教学更加注重理论联系实际,在教学中融入更多的工程实际案例,且在整个的教学过程中要实现教师的主导作用与学生的主动性相结合,为此,必须要以学生为中心,教师要通过各种教学方法和模式,充分调动学生学习的主动性和积极性。在启发式教学中,教师应从学生的实际出发,因材施教,因人而异,根据教学任务和学习的客观规律,采用多种方式,调动起每一名学生的学习积极性。启发式教学的实质在于能正确处理教与学的相互关系。由于人对事物的认识是一个过程,随着认识的深入,人脑就不再是被动地接受,而是主动地反映客观事实并对此用思维加工,因此启发式教学能够很好地反映教学的客观规律,能够实现学生智力的充分发展与系统知识的深入学习的完美结合。同时,启发式教学还能激发学生内在的学习动力,激发其内在的责任感,调动学生学习的积极性和主动性[9]。

在目前的教学环境下,大部分教师仍然采用填鸭式的传统单向讲授方法。这种方法在完成教学任务和保证教学进度方面虽然有着明显的优势,但是在工程教育不断发展的背景下,传统授课方法所培养的呆板固化的思维模式使得学生已不能很好地满足未来新工科的发展需求。新工科对未来的工程师提出了新的要求,除了要有扎实的理论基础和丰富的实践经验外,还必须要有良好的创新能力、高尚的伦理道德以及终身学习的能力[10]。传统的填鸭式教学方法培养出来的人才达不到工程教育预期的培养目标,对传统的教学方式进行改革势在必行。本文以离心泵串并联实验为案例,从工程教育和新工科的背景出发,通过分析课程的特点,提出一种适应和满足工程教育和新工科要求的教学思路。

2 离心泵的串并联实验

在实际生产中,有时单台泵无法满足生产要求,需要几台泵组合运行。组合方式可以有串联和并联2种方式,因此,有必要让学生掌握离心泵串并联的相关知识。离心泵串并联测定实验是相应于流体机械类课程中关于离心泵串并联工况知识点而进行的实验。该知识点综合了工程流体力学、离心泵的装置特性和工程现场操作的知识与技能。学生通过此实验,能够掌握离心泵串并联的原理和流程,也能够认识和理解单泵和串并联运行工况时流量、扬程之间的不同,并通过对比分析得出相应的结论。针对此环节,设置了“单泵实验”与“双泵的串、并联实验”2部分。

传统的串并联实验仅能进行相同性能泵的串并联特性实验。课程中,首先进行离心泵的单泵实验,通过实验测定出单台离心泵的流量—扬程曲线,而后分别进行离心泵的串联和并联实验。在实验中,2台泵无论怎样组合,都看作是一台等效的泵,测量出实验中相应等效泵的流量—扬程曲线,而后根据单台泵的流量—扬程曲线,按照课本中串并联曲线的绘制方法,得出理论上等效泵的流量—扬程曲线,从而比较实验曲线和理论曲线的吻合程度。这仅是一种验证性的实验,学生通过此实验仅能初步理解串并联后的效果,实验内容过于简单且覆盖面小,没有包括不同性能泵的串并联实验；此实验装置虽然也可以通过调节管路中的阀门来进行离心泵装置特性的工况调节,但调节方法单一,实验设备落后,一套实验设备只能对应一个实验内容,无法迎合新工科背景下对流体机械技术提出的新要求,无法培养学生的创新能力。

传统的实验课程中,教师采用的是填鸭灌输式的授课模式。教师首先向学生讲解实验原理、演示操作步骤和注意事项,学生按照教师的演示和规定的实验方法和步骤,被动地完成实验任务[11]；传统的离心泵串并联实验是验证性的实验,这就决定了学生在整个实验过程中,只需要按照实验指导书给出的步骤机械地操作、单纯地记录数据,然后处理数据即可,即使数据不理想,由于结论是已知的,所以部分学生也会得出看似合理的结论。同时,传统的填鸭式教学方式决定了学生动手的机会比较少,很多学生只是“看”实验,而不是“做”实验。即使学生真正动手做了,也只是按部就班地机械式地重复实验过程,整个实验过程中,很少需要学生去思考实验设置的目的、原因,以及数据处理的方式和原因。这种教学方式使学生对实验流程、装置运行特点及实验设备没有深入的体会和理解。被动的填鸭灌输式学习方式令学生感到枯燥乏味,很难激发起学生的兴趣和创新欲望。实验中没有提供给学生自己思考并处理实际工程问题的机会,没有可供学生进一步思考的实验内容扩展,没有达到加深学生对所学内容的理解,很多学生依旧不会设计实验、不会分析问题,甚至没有深入理解泵串并联的原理,教学效果不好,不利于培养学生的创造性和综合素质[12-13]。

3 点火启发式教学的实施

为了提高人才培养质量,满足工程教育认证和新工科对人才培养所提出的新标准、新要求,分别从硬件和软件2方面对离心泵串并联特性实验进行了改进。

3.1 实验平台及功能的改进

化学工程学院机泵教学实验组结合教学需求和发展趋势,从多功能、多用途并兼顾经济性的角度出发,以设置培养创新能力的综合实验教学平台为目标,扩建了离心泵串并联特性研究化教学和学习平台,使其从单一的串并联实验平台扩展到涵盖离心泵串并联实验和工况调节实验的综合性实验平台,也使离心泵串并联实验由原先的验证性实验扩展到设计型加验证性实验。该平台在原有的离心泵串并联平台上优化了管路系统布置,增设了电磁阀、涡街流量计、压力变送器及数控系统,并对每台离心泵均增设了变频器控制系统。扩建后的实验系统如图1所示。

图1 离心泵实验系统布置图

变频器借助于集中控制系统能够实现对2台泵的不同电压频率的输入,进而实现2台泵的不同转速工况,故可以将其视作不同性能的2台泵,相比于传统的实验平台,实验内容得到了极大的扩展,由原先的相同性能泵的串并联实验扩展到不同性能泵的串并联实验。同时,对于每一台泵,由于增设了变频器,故可以实现离心泵运行的变速调节,这样可以利用此实验进行离心泵相似原理的验证,也可以利用此实验平台进行离心泵的变频调节及节能分析实验。这样的改进不仅丰富了实验教学内容,也使学生更好地理解了相似原理的内容和应用,使原本书本上空洞的语言描述,变得更为形象、直观和具体,加深了学生对理论知识的理解。另一方面,从图1中可以看到,对于2台泵的出口管路通过管路系统的优化,在每一台泵的出口管路中都引出了一个分支接入到另一台泵的入口,这样一方面实现了2台泵的串联,同时,借助于管路中阀门的开闭,也可以实现对于2台泵的旁路调节实验。复杂的管路系统需要学生根据自己的实验方案实现流体流动的路径,锻炼了学生的思维,提高了学生的工程实践意识。

通过实验平台的重新规划和扩建,平台可以实现的教学实验内容得到了极大的扩展,主要可以实现离心泵串并联实验和性能调节实验2部分。在本实验平台上可以进行7个关于离心泵的教学实验,分别是相同性能离心泵并联实验、不同性能离心泵并联实验、相同性能离心泵串联实验、不同性能离心泵串联实验、离心泵旁路调节实验、离心泵变频调速实验、离心泵的节流调节实验。丰富的实验内容给了学生极大的自主选择权,同时,学生通过自己规划相应的实验方案,提高了创新能力的培养。对于不同的实验内容,学生也可以继续通过相应的对比分析,定量地比较不同工况调节方式的优劣,实验内容得到了极大的拓展,同时,也很好地锻炼了学生的自主性、积极性和创新性。优良的实验平台为学生实验方案的确定和实施提供了硬件基础,平台上选用了国内通用、先进、精度高的测量仪表,让学生接触到了国内外先进的测试技术,开阔了眼界；计算机的实时数据采集和测试结果的数据处理也培养了学生对于现代化工具的使用技能。

3.2 教学方式的改进

与传统的填鸭灌输式实验教学模式不同,点火启发式教学强调的是激发学生大脑意识的主观能动性,故在这种模式中,从实验的预习、设计到实验过程的讲解、操作,以及实验数据的处理及作业汇报等方面均要尽可能地启发学生的思维,调动学生学习的主动性和积极性。启发式教学的关键在于设置问题情境[8],对于实验课来说,教师应综合运用各种启发引导式的教学方法,在不同的教学环节设置不同的问题,循循善诱,启发引导,通过学生自主、合作、探索的方式完成离心泵串并联实验的验证性及设计型内容。

3.2.1 目标启发式

这一方法是通过在教学过程中,在不同的教学环节设置不同的教学目标,通过对不同阶段的目标的达成来完成整个教学过程的实施,要求教师在课程总体培养目标的范围内,通过各种教学技巧启发学生的思维。教师还要明确教学过程中的各个单元和细节,达到不仅要明其全,还要悉其微的程度。教师要将课程大目标和具体环节的小目标提前告诉给学生,或鼓励学生自主设计实验。基本做法是:提前给学生提出问题,让学生分组并自主选择实验项目,确保本平台的7个实验项目都有学生选择。课前,需要学生对本节课的实验内容做出预设性思考,如实验设备、实验流程、实验预期结果等,促进学生的思维,尤其是创造性思维的发展,且通过实验的操作以达到自己设定的实验目标。需要注意的是要给学生安排足够的预习和思考时间,至少要提前3天。只有这样,才能调动学生的积极性,实现良好的教学效果。

3.2.2 提问启发式

学起于思,思源于疑,这一方法要求真正揭示事物的矛盾,形成问题情境,引导学生积极开动脑筋、主动思考学习,达到“举一反三”的效果[11]。教师把所要传授的内容,涉及到实验的背景、原理知识、实验装置、操作流程及注意事项等,分阶段、有目的和有技巧地细化成一个个问题向学生提出,启发学生思考分析,引导学生得出结论。

在提问启发式教学模式中,常用的提问方式可以归结为以下4类:

(1) 引起学生兴趣和求知欲的提问；

(2) 启发引导学生提出问题的提问；

(3) 点明知识规律性的提问；

(4) 分析或概括性的提问。

对于这些问题,教师要采取不同的方式让学生获得答案。对于教师必须讲授的问题,往往都是点明知识规律性的问题,所以教师可以采用自问自答的形式；对于启发思维的提问,教师可以鼓励学生大胆回答问题,调动学生的学习积极性；对于概括性的提问,教师可以鼓励学生先进行总结,让学生之间相互补充,然后肯定其正确之处,并指出错误所在,再由教师最后陈述总结。在这种模式中,师生之间的对话和交流是平等的[12]。

3.2.3 讲练引导式

实验课程是实践练习类的课程,学生必须通过实际动手操作才能完成对知识的形象直观学习。教师在实验课程中,需要对相关原理性的部分和实验流程以及注意事项进行讲述和指导。实验过程中,教师的“讲”与学生的“练”要符合教学规律的整体思维导向,不能形成教师讲述事无巨细、学生机械重复的教学模式。教师应循循善诱,步步启发,学生积极思考,自行分析,最后,师生共同讨论、消化并得出结论,它应贯穿整个教学过程。教师应密切关注学生的实验流程,在关键处进行启发引导,防止学生思路跑偏；在教师设定的范围内,由学生自己完成整个实验过程。在对实验进行了充分的预习的前提下,也可以通过教师的引导,鼓励学生把预习结果讲述给大家,并由其他学生做补充,教师对实验原理、目标及关键步骤辅以必要的指正。在实验过程中,针对容易产生分歧的地方,鼓励学生之间进行自由辩论,最后再由教师进行观点陈述和总结。

脱离教学对象谈教学方法是不妥当的。本实验面向的对象是大三或大四的学生,他们已经具备了流体力学、控制工程基础等相关知识,所以他们能够很好地理解泵的管路流程和控制系统的特点。增加学生在实验过程中的讲述与练习、鼓励不同观点之间的自由碰撞,让学生在课堂中拥有更多的发言权,对于培养学生的创新意识、增强其自信心都很有必要。

4 结语

施教之功,贵在引导。掌握并熟练运用各种启发式教学形式进行施教,实验教学必将出现一种不可抗拒的吸引力。建立以教师为引导、学生为主体、平等互动的实践教学体系,有利于激发学生的学习兴趣和创造欲望,促进学生创新能力和科研能力的培养。实际教学表明,点火启发式教学能够充分调动学生的积极性,能够很好地促进学生思维的发展,给学生创设了思维空间,有益于学生应用能力的提高。点火启发式教学方法的探索和实践必将使专业课实验教学在培养学生的创新能力和科学素养方面发挥重要作用。