強化工程理念的流體力學教學實踐與探索

陳 平 胡術剛

山東科技大學化學與環(huán)境工程學院 山東青島 266590

流體力學是環(huán)境工程的專業(yè)基礎課。主要研究流體在靜止及運動時的力學規(guī)律及其應用，它是由基礎課過渡到專業(yè)課的重要橋梁，也為開拓專業(yè)提供了不可缺少的技術理論基礎。流體在管路中的輸送、顆粒物從液體或氣體介質中的分離、環(huán)境污染物的遷移和擴散等問題，均離不開流體力學的基本知識。基于多年來的教學經驗和體會，筆者就如何提高環(huán)境工程專業(yè)流體力學的教學效果進行了分析和探討，指出在傳授基本理論的同時，要注重工程理念的滲透和培養(yǎng)。在教學方法和教學手段上，將多媒體應用與板書有效結合、重視作業(yè)環(huán)節(jié)和習題課的作用、建立科學合理的考核機制，不斷提高流體力學的教學效果。

1 注重工程理念的教學內容調整

作為力學的一個分支，流體力學的特點是抽象概念多，理論性強，課程中有很多較難的知識點包含了大量的數學推導，如何把握學生對微分方程及積分過程的理解掌握？如果教學中過于強調數學公式的推導過程，學生會感到枯燥無趣，高等數學、物理學基礎差的同學更會感到是學習過程是一種“折磨”而喪失學習的信心。實際上，對于工科的學生來說，學習任何一門自然科學的重點是要掌握這些科學中的理論如何應用到工程實踐中。[1]筆者的做法是：教學中著重分析建立數學模式的思路和方法，重點介紹公式的適用條件及意義，盡量避免煩瑣詳細的數學推導過程。學生是課程學習的主體，在教學過程中注意教與學的同步性，與學生加強互動，根據學生的反映對授課內容進行調整。遇到學生感到吃力的部分，適當放慢教學進度或變換講解方法，將理論教學重點放在對概念和公式的理解上，側重于基本原理、基本方法與基本公式的運用。對于少學時環(huán)境工程流體力學教學而言，根據實際情況適當調整教學內容顯然是必要的。

“從實踐中來，到實踐中去”。流體力學的基本理論將實際問題抽象化，理論還要回到實踐中解決實際工程問題。知識來源于實踐，能力來自于實踐，素質更需要在實踐中養(yǎng)成。[2]在目前高校的培養(yǎng)模式下，本科二年級的學生本身對工程現場的了解甚少，授課時要注意結合專業(yè)應用引入實例對工程問題進行分析，將理論知識滲透到專業(yè)知識學習中，加強學生工程理念的培養(yǎng)。例如關于能量方程的應用，在介紹了文丘里流量計的工作原理后，引出專業(yè)上的一個問題：在污水處理中，為什么能夠利用水射器向管道內加入藥劑溶液或氯氣？與之類似，可以引導學生在污水處理設備上設計一個抽氣系統(tǒng)，利用設備出水富裕水頭來控制自動抽氣設備的運行。流動問題與環(huán)境工程息息相關，對于均勻的流體介質，流體阻力的計算公式并不復雜，但要注意有壓流及明渠流流動阻力應當按照所謂“最不利情況”計算。通過針對性的實例分析，學生對流體力學的基本理論如何與工程實例相結合解決實際問題理解深刻，有利于培養(yǎng)在實踐中發(fā)現問題和解決問題的能力。

2 多媒體教學與板書有效結合

我校環(huán)境工程專業(yè)教學計劃中，考慮到與環(huán)境工程原理課程的密切銜接，流體力學課時設為34學時。課時少，課程學習難度大，教學中要注意對各種教學手段揚長避短，根據流體力學教學內容的特點靈活選擇合適的授課方式，提高教學效率，保證教學效果。

多媒體教學手段的應用是必要的。流體力學中的基本概念多且抽象難懂，只從字面上解釋，難以建立清晰的物理概念，許多復雜的流動現象也是難以用語言和固定圖像方式清晰地表述的。通過教學課件中插入的圖形、圖像、連貫的動畫演示及真實的實驗錄像，將抽象的概念具體化，課堂授課變得鮮活生動，學生的學習興趣會隨之提高。例如對一些工程或生活中碰到的案例或常識，也不太容易做課堂實驗時，可以通過一些課件模擬；又如課程中包括流體壓力和流量測量、管流阻力的損失、泵與風機的選型安裝等在內的知識點，均和工業(yè)應用密切相關，通過向學生展示大量的工業(yè)現場照片和工業(yè)應用案例強化教學互動，增加有普遍性、代表性的工程應用知識，讓學生深刻領會流體力學知識是如何轉化為生產力的。當然，多媒體課件教學節(jié)約了大量的板書時間，教學信息量大，對講課效率的提高是顯而易見的。

流體力學教學又不能過多依賴于多媒體課件，對多媒體的利用要強調其有效性。筆者多年的教學實踐表明，對流體力學中公式推導和習題講解采用多媒體方式，其教學效果不如板書理想，不利于對授課內容的理解和消化。課件內容在講課時一晃而過，往往當時感覺很好，但真正留在腦海里和掌握的并不多。相比多媒體教學而言，板書推導過程中書寫較慢，但這就相應地給學生留有了思考反饋的時間，以板書的形式，推導每個關鍵公式或關鍵步驟，引導學生了解基本思路及解題方法，解釋其中的思想和意義，能夠更好地形成師生互動。通過教師的積極引導與學生之間的有效溝通，可促進學生深入思考、慢慢體會，做到知其然也知其所以然，培養(yǎng)學生的邏輯推理、論證及抽象思維能力，并加深學生對這些內容的記憶結合。[3]板書書寫工整，板面布置合理，則整個推導過程一目了然；習題分析步驟完整清晰，避免了多媒體使用中翻頁、切換帶來的煩亂感。筆者的經驗是對流體力學主體教學內容以板書為主，而在復習相關的知識點、提出新的工程和應用問題以及在公式的應用總結上，可以更多地采用多媒體的教學手段。

3 重視作業(yè)環(huán)節(jié)和習題課的作用

作業(yè)和習題課是學生掌握和鞏固所學知識、加深理解的重要環(huán)節(jié)，也是教師了解學生學習情況的重要途徑之一。學習一門課程，把聽來的、看到的知識徹底變成自己的，沒有親自在實踐中消化、運用甚至犯錯誤的過程是無法實現的。學生在初次接受新概念、學習新方法解決問題時，不可避免會出現很多問題。教師在批閱作業(yè)中對學生知識掌握情況做出適當地判斷，如學生對基本概念理解的透徹程度、對公式物理意義掌握的清晰程度、對公式綜合運用的靈活程度等，以便調整授課內容和節(jié)奏。[3]

作業(yè)布置應該做到題目“少而精”，選擇代表性強、工程應用典型的習題，同時能涵蓋主要的教學內容。對所布置的作業(yè)的工程應用背景給予適當的講解是很有必要的，因為有時候正是由于看不懂題目，學生才不能正確分析問題，自然也談不上解答問題。解答作業(yè)題不只是直觀地套公式計算，要有一個基本的“實際問題→簡化物理模型→數學模型(方程或公式)→求解→結果”分析過程，是比較完整地講述一個物理故事。[4]要求學生獨立完成作業(yè)，有完整的解題步驟，注意培養(yǎng)學生嚴謹的學風。但學生做題時候不認真或抄襲現象總是存在的，如該畫圖的不畫圖、沒有必要的文字說明、省略了關鍵的計算過程、直接給結果，或者干脆直接抄襲配套教材的參考答案等。筆者在教學中強調結課考試為開卷形式，題目間接來源于習題與例題，一定程度上能夠促使學生認真完成作業(yè)，減少抄襲現象。在作業(yè)的批改過程中，根據學生作業(yè)書寫認真情況，思維的靈活性，作業(yè)的完整性和正確性等，給出客觀的作業(yè)考核成績。對于完成情況較好的學生給出肯定的評價，而對于完成情況較差的學生，指出其應注意的地方，并提出改正的要求，在后面上交時再次檢查，使學生理解教師的用意。

習題課提供了課堂討論的機會，對學生邏輯思維能力的鍛煉是單純講課無法代替的。習題課上不僅要講正確的分析過程，還要講作業(yè)中出現的錯誤的分析過程。針對問題較多的習題，可以選擇讓學生上臺敘述自己的思路，在學生互動評析過程中，調動全班學生積極思考錯在哪里，為什么出錯？通過討論開拓思維，加深印象，避免今后犯同樣的錯誤。最后教師再分析總結，對正確的解題思路予以肯定，指出學生易犯的錯誤，更全面透徹地解決問題。

4 建立科學、合理的考核機制與考核方式

如何客觀、公正地評價學生的學習效果，需要建立科學、合理的考核機制?？己朔绞降母母飸攺目己藢W生學習成績向評價學習成效轉變，引導學生從注重考試結果向注重學習過程轉變，增強學生學習的主動性。[5]具體實現方式上，貫穿全過程、多元化考核的原則，從課程開始到結束，從課內到課外采取多種考核方式，重視學生學習能力和學習態(tài)度的表現。體現在學生課程成績組成中，平時成績和卷面考試成績分別占到30%和70%。

平時成績根據學習過程中的實際表現評定。主要考核依據包括學生出勤情況、課堂回答問題情況、作業(yè)完成情況。學生是否按時上課是學生學習態(tài)度的表現，反映了學生對該課程的重視程度。為了提高學生的聽課效率，考查學生在平時學習的過程中對知識的掌握程度，加強了隨堂測試。針對前面章節(jié)的內容進行復習小結時，用約15分鐘左右的時間做隨堂練習，題目形式為選擇題、判斷題、繪圖題、計算題(只寫出主要步驟)等，以鞏固學生對基本知識點的掌握。課堂隨機提問主要目的是讓學生跟上思路，鼓勵學生積極參與課堂討論，只要積極回答問題就會得到相應的平時成績加分。要求學生獨立完成作業(yè)，根據作業(yè)完成情況給出作業(yè)成績。

考試不是目的，而是手段。課程結束時的考試成績應能反映出學生融會貫通、綜合運用所學知識對實際工程問題進行分析和解決的能力，而非單純的記憶。該課程采取了開卷考試方式，在試題的設計上以教學大綱為依據，命題覆蓋面廣，在考試題型上適當減少客觀題，加大了理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性的書本知識所占比重較大，弱化復習中出現的死記硬背式的“臨陣磨槍”突擊現象，避免因“背題”得到高分的情況。開卷考試題目與教材上的例題及習題不會相同，但要體現相關性，例如可以將多個習題中的知識點適當地綜合在同一題中，待求問題分解成若干個小問題，考查學生對所學知識是否能夠前后聯系、融會貫通；可以將習題中的已知條件變?yōu)樵囶}中的待求問題，而習題中的待求問題變?yōu)樵囶}中的已知條件，考查學生對知識的真正理解情況，也給經常抄襲作業(yè)的同學深刻的教訓；另外，還適當考慮了學生自行設計的考試題目。這種開卷考試的方式得到了肯定，能夠較真實地反映教學質量，學生反映良好。

5 結束語

流體力學課程是環(huán)境工程專業(yè)學習的基石，是面向工程應用人才的課程，教學核心始終應該是學生知識應用能力的培養(yǎng)。在傳授經典流體力學知識的同時，要注重工程理念的滲透和培養(yǎng)，在教學中貫穿流體力學思維模式，鍛煉綜合分析問題、解決問題的能力。將多媒體教學與板書有效結合，重視作業(yè)環(huán)節(jié)和習題課的作用，建立科學合理的考核機制，在教學方法和教學手段上下功夫，不斷改善教學效果。

[1]李德玉,李嘉薇,楊春敏.“工程流體力學”雙語教學研究與實踐[J].中國電力教育,2013(34):75-76.

[2]趙存有,劉訓濤,曹賀.工程流體力學課程創(chuàng)新實踐平臺的構建[J].實驗技術與管理,2012, 29(9):135-137.

[3]趙超.“流體力學”課程教學方法探索[J].中國冶金教育,2010(5):63-64.

[4]曾明,郭正,田正羽.如何在互動式教學中更好實現學生主體地位[J].高等教育研究學報,2014,37(4):92-95.

[5]劉宏升,朱泓,張博.卓越計劃背景下的流體力學課程教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(1):194-200.