水土保持專業(yè)“流體力學(xué)”課程優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)

張會(huì)蘭 王云琦 王玉杰

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

水土保持專業(yè)“流體力學(xué)”課程優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)

張會(huì)蘭 王云琦 王玉杰

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

優(yōu)質(zhì)課程資源的建設(shè)對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)水土保持專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)及課程特點(diǎn)，從課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面探討了“流體力學(xué)”優(yōu)質(zhì)課程資源的建設(shè)途徑及其在教學(xué)實(shí)踐中的效果。課堂教學(xué)資源的建設(shè)主要從構(gòu)建科學(xué)合理的教學(xué)內(nèi)容、制作并應(yīng)用多媒體課件、完善試題案例庫(kù)3個(gè)方面進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)從加強(qiáng)硬件的基礎(chǔ)建設(shè)及注重虛擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行了探索，并以“流體力學(xué)”課程中“流體靜力學(xué)”這一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容為例，詮釋了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源在教學(xué)實(shí)踐中的作用。結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源可促進(jìn)理論教學(xué)多元化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富化、專業(yè)人才培養(yǎng)個(gè)性化的教學(xué)效果。

水土保持專業(yè);“流體力學(xué)”課程;優(yōu)質(zhì)課程資源

“流體力學(xué)”是水土保持與荒漠化防治專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其課程資源建設(shè)對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生素質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。自2006年教育部啟動(dòng)“我國(guó)高等教育優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的發(fā)展戰(zhàn)略”以來(lái)[1]，高校教學(xué)資源的建設(shè)越來(lái)越受到重視。有學(xué)者將課程資源定義為支持學(xué)與教的系統(tǒng)和教學(xué)材料與環(huán)境[2]，包括多媒體素材、試題、試卷、課件、案例、常見問題解答等[1]。因此，優(yōu)質(zhì)課程資源的建設(shè)就是在優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)的共同努力下，優(yōu)化課程體系與教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)造良好的教學(xué)條件，全面有效地提高教學(xué)效果。

一、“流體力學(xué)”課程理論教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)

(一)構(gòu)建科學(xué)合理的理論教學(xué)內(nèi)容體系

“流體力學(xué)”是為多門專業(yè)核心課程提供基礎(chǔ)理論、知識(shí)和技能的基礎(chǔ)課程之一，它為防治山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)，為人民生命財(cái)產(chǎn)及生態(tài)安全提供科學(xué)保障，因此流體力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中占有著重要的地位[3]?！傲黧w力學(xué)”課程具有理論推導(dǎo)復(fù)雜[4]及應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

水土保持與荒漠化防治專業(yè)是北京林業(yè)大學(xué)的特色專業(yè)，作為本科教學(xué)的必修基礎(chǔ)課程，“流體力學(xué)”旨在使學(xué)生獲得必要的基本理論、基本知識(shí)和基本試驗(yàn)方法，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)及將來(lái)從事科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。針對(duì)這一教學(xué)目標(biāo)，首先應(yīng)以構(gòu)建學(xué)生的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，制定目標(biāo)明確、結(jié)構(gòu)合理的教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容；其次，“流體力學(xué)”應(yīng)根據(jù)水土保持工程領(lǐng)域的發(fā)展水平和專業(yè)規(guī)范的要求，對(duì)教材進(jìn)行不斷的充實(shí)和更新，在課時(shí)有限的條件下，對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算方法進(jìn)行精煉和簡(jiǎn)化；第三，結(jié)合專業(yè)的培養(yǎng)方向以及水土保持工程的實(shí)踐，簡(jiǎn)化繁雜的理論公式推導(dǎo)，注重其在水土保持專業(yè)中的應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)涵蓋土壤侵蝕、風(fēng)沙物理、水土保持工程以及水土保持注冊(cè)工程師基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試等方面的工程理論知識(shí)。

基于水土保持專業(yè)的教學(xué)大綱，有效地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，可以為建設(shè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫(kù)提供導(dǎo)向作用。流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、流動(dòng)損失、明渠流等教學(xué)內(nèi)容是流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論部分；堰流、滲流等理論是該專業(yè)應(yīng)掌握的基本知識(shí)，它可為學(xué)生今后就業(yè)及發(fā)展提供專業(yè)理論；無(wú)粘性流、粘性流、邊界層理論以及涵蓋與氣體動(dòng)力學(xué)相關(guān)的可壓縮流動(dòng)等內(nèi)容可以略講；因?yàn)橥牧?、水沙兩相流等與風(fēng)沙物理相互補(bǔ)充，可適當(dāng)調(diào)減課時(shí)。對(duì)于水土保持工程技術(shù)的應(yīng)用，教師應(yīng)尋求適合該專業(yè)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)，將系統(tǒng)的理論敘述與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作及工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。構(gòu)建科學(xué)合理的教學(xué)內(nèi)容，是建立優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的基本前提。

(二)制作和應(yīng)用多媒體課件

多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展。多媒體技術(shù)可以把抽象的理論具體化、形象化和直觀化。課堂上利用動(dòng)畫、色彩和音效等效果，可以使教學(xué)信息傳遞得更為明確和簡(jiǎn)潔[5]。

“流體力學(xué)”課程優(yōu)質(zhì)多媒體教學(xué)資源的建設(shè)包括如下幾方面。①增加適量的典型流體運(yùn)行現(xiàn)象的圖片，如流線、跡線等。若用飛機(jī)、船舶在空中或水中經(jīng)過(guò)后留下的痕跡為實(shí)例，講解流線、跡線的概念，可增加學(xué)生的直觀理解。②教師使用flash、3DMAX、MAYA等軟件將所要講解的理論知識(shí)制作成形象生動(dòng)的二維或三維動(dòng)畫，可使抽象復(fù)雜的理論過(guò)程變得形象直觀，提高學(xué)生的理解能力。如渦體的形成及漩渦的產(chǎn)生，是紊流形成機(jī)制中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，若僅以文字?jǐn)⑹?，學(xué)生很難理解。筆者在講授這一現(xiàn)象時(shí)，將“隨流速逐漸增加，流體由層流至產(chǎn)生渦體而形成紊流”(見圖1)這一演化過(guò)程制作成多媒體課件，演示給學(xué)生，化靜態(tài)授課為動(dòng)態(tài)教學(xué)，極大刺激了學(xué)生的形象思維，促使學(xué)生由形象思維向邏輯思維及理性思維的過(guò)渡。③筆者在教學(xué)中還利用了典型工程的施工、運(yùn)行等工程錄像，以聲、電、影等形式引導(dǎo)學(xué)生將課堂知識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)工程應(yīng)用的思考，將死板的理論具體化。

圖1 流體力學(xué)中“渦體”形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示

運(yùn)用多媒體進(jìn)行課堂教學(xué)，需從實(shí)際出發(fā)，不能過(guò)度使用。如果課件中穿插過(guò)多沒有教學(xué)意義的動(dòng)畫、鏈接、聲音、視頻等，反而會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺少深刻印象。尤其是多媒體重演示，翻閱速度快，信息量大，如教學(xué)中過(guò)多使用多媒體素材將導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法進(jìn)行深入思考。因此要防止大量多媒體素材沖擊下出現(xiàn)的本末倒置的課堂教學(xué)現(xiàn)象[6]。

(三)加強(qiáng)試題庫(kù)和案例庫(kù)的建設(shè)

“流體力學(xué)”課程的練習(xí)題目來(lái)自教材的課后試題，考試則由教師個(gè)人出題，這樣的練習(xí)題目和考題無(wú)法兼顧試題難度和知識(shí)的覆蓋面，也就無(wú)法達(dá)到對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)而全面考核的目的。“流體力學(xué)”知識(shí)更多地是為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)，案例教學(xué)(Case Teaching)符合管理科學(xué)的實(shí)踐性、權(quán)變性與復(fù)雜性特點(diǎn)[7]，可提高學(xué)生的實(shí)踐能力與團(tuán)隊(duì)合作的精神。在國(guó)外高校中，試題庫(kù)與案例庫(kù)已經(jīng)普及，進(jìn)入到規(guī)范化管理的階段。而在我國(guó)的高等教育中，案例庫(kù)建設(shè)還很落后。隨著課程建設(shè)的逐步完善，應(yīng)逐步提高案例教學(xué)的比例，加強(qiáng)試題庫(kù)與案例庫(kù)的建設(shè)，使教學(xué)案例做到規(guī)范化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、現(xiàn)代化[7]。試題庫(kù)與案例庫(kù)的建立流程見圖2。

圖2 試題庫(kù)和案例庫(kù)的開發(fā)流程

如圖2所示，試題庫(kù)與案例庫(kù)的開發(fā)可分為制定規(guī)劃、編寫提綱、收集素材、入庫(kù)開發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)與管理等5個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)不同的內(nèi)容分為不同的步驟，這些環(huán)節(jié)與步驟緊密相連，構(gòu)成科學(xué)的試題庫(kù)與案例庫(kù)的開發(fā)流程。

二、“流體力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)

(一)加強(qiáng)基礎(chǔ)硬件設(shè)施的建設(shè)

流體力學(xué)的理論多來(lái)源于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，如液體在流動(dòng)中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)，即層流與紊流，這一理論是英國(guó)科學(xué)家雷諾(Reynolds)于1883年通過(guò)實(shí)驗(yàn)與論證之后發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)逐漸形成著名的雷諾數(shù)定理。至今，雷諾實(shí)驗(yàn)仍是流體力學(xué)中不可缺少的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。

由此可見，流體力學(xué)是一門半理論、半經(jīng)驗(yàn)而又基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可彌補(bǔ)理論講解的不足，直觀地顯示理論教學(xué)的概念，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。因此，在“流體力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，硬件設(shè)施的建設(shè)直接決定著流體實(shí)驗(yàn)的成功與否。2013年，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院建立了“流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室”并正式應(yīng)用于水保學(xué)院的本科教學(xué)中，極大地提高了“流體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。新建成的“流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室”包括流體靜力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)、伯努利、文丘里、雷諾、動(dòng)量定理、孔口與管嘴出流、局部水頭損失、沿程水頭損失、畢托管、達(dá)西滲流、堰流實(shí)驗(yàn)等在內(nèi)的11套實(shí)驗(yàn)裝置。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備與理論教學(xué)緊密結(jié)合，極大地提高了學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力。

(二)探索虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

傳統(tǒng)“流體力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)方法一般分為學(xué)生預(yù)習(xí)、教師講解、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、教師難點(diǎn)解答、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等6個(gè)過(guò)程，在一定程度上滿足了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與動(dòng)手能力的培養(yǎng)。但在實(shí)際教學(xué)中，由于上課人數(shù)多、儀器套數(shù)不足、實(shí)驗(yàn)室教師人員緊張等原因，學(xué)生往往分組實(shí)驗(yàn)，有時(shí)小組人數(shù)過(guò)多，部分學(xué)生只看不做，影響了教學(xué)效果。同時(shí)，因?yàn)閷W(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜和精密儀器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行機(jī)理不了解，只能在教師設(shè)定的條件和要求下，“再現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在一定程度上限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的實(shí)現(xiàn)。

因此，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)“流體力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)原理與方法應(yīng)用于虛擬環(huán)境，讓學(xué)生在課堂上獨(dú)立完成自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)可將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)化，同時(shí)還具有較強(qiáng)的互動(dòng)性，能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與探索精神。

“流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室”配備了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，除與硬件設(shè)備配套的11組教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還包含自主設(shè)計(jì)與綜合性試驗(yàn)等類別。每組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象剖析、實(shí)驗(yàn)拓展、學(xué)習(xí)心得及討論區(qū)等9個(gè)模塊，學(xué)生可系統(tǒng)領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并根據(jù)自己的理解進(jìn)行應(yīng)用拓展，鍛煉自己的開拓性思維。學(xué)生還可以在討論區(qū)分享自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和心得。虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)讓學(xué)生充分發(fā)揮了想象力，自主思考，自我創(chuàng)新，極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

三、“流體力學(xué)”課程優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)的成效

(一)實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)多元化

科學(xué)優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源可使教學(xué)目標(biāo)更為明確。多媒體素材的合理引進(jìn)，使教學(xué)過(guò)程更加形象化、直觀化與生動(dòng)化。試題庫(kù)與案例庫(kù)的建設(shè)，可進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生綜合分析問題的能力。優(yōu)質(zhì)的課堂教學(xué)資源體系，帶動(dòng)了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段的多元化發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的重公式輕應(yīng)用、重計(jì)算輕分析的弊端。“流體力學(xué)”不僅關(guān)注水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)，也是風(fēng)沙物理、土壤侵蝕等學(xué)科的基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中，引入國(guó)內(nèi)外典型工程案例，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，推動(dòng)了自身專業(yè)知識(shí)的進(jìn)步，把握了專業(yè)發(fā)展的脈搏。

(二)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)多樣化

實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，增加了其動(dòng)手與實(shí)踐能力；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本原理的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)據(jù)處理及綜合分析問題的能力；同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力；實(shí)時(shí)互動(dòng)的問答模塊有效解決了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問題。實(shí)驗(yàn)手段的豐富化有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。

(三)實(shí)現(xiàn)了專業(yè)人才培養(yǎng)個(gè)性化

基于優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，“流體力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容涵蓋面廣，滿足了水土保持專業(yè)學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)、工程應(yīng)用與生活實(shí)踐中對(duì)理論知識(shí)及實(shí)踐能力的基本需求；通過(guò)優(yōu)質(zhì)課程資源的建設(shè)，學(xué)生可在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中既學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，又培養(yǎng)了動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，為成為具有個(gè)性化的水土保持專業(yè)才人奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 王 偉)

北京林業(yè)大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“水土保持與荒漠化防治專業(yè)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系建設(shè)”。