新形勢下流體力學(xué)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

詹水清

摘 要 流體力學(xué)是目前高等院校理工科專業(yè)普遍開設(shè)的本科生課程。該課程目前在教科書選擇、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法及手段等方面還存在一定的問題。本文結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出提高教科書質(zhì)量與改革教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法與提倡教學(xué)手段多樣性、完善各項(xiàng)教學(xué)制度與落實(shí)教學(xué)過程安排、改革課程作業(yè)與課程考核等措施，加強(qiáng)利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和數(shù)值計(jì)算與開發(fā)平臺(tái)，著重培養(yǎng)學(xué)生的科研精神和創(chuàng)新思維能力，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 流體力學(xué) 教學(xué)改革 探討 措施

Abstract Fluid mechanics is the undergraduate course for the majors of science and engineering in the present colleges and universities. There are certain problems in textbook selection， teaching content， teaching ideas and teaching methods and means. Based on the personal practical teaching experience， improving the quality of textbooks， reforming teaching contents， improving teaching method， advocating the diversity of teaching means， perfecting every teaching system， implementing teaching process and reforming coursework and curriculum assessment were proposed. We should make increased use of the internet and modern information technologies as well as the numerical methods and development platform. The students innovation ability and scientific research spirit can be trained and the students interest and the teaching effect can be effectively.

Keywords fluid mechanics； teaching reform； discussion； measure

流體力學(xué)是能源動(dòng)力、航空航天、化工、環(huán)境、土木、暖通、機(jī)械、船舶與海洋工程等工科專業(yè)普遍開設(shè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用非常廣泛，與多種不同工程類專業(yè)的結(jié)合非常密切，與其他學(xué)科的交叉滲透也更為廣泛深入。本課程的主要任務(wù)是系統(tǒng)介紹過程工程中有關(guān)流體的力學(xué)性質(zhì)、流體力學(xué)的基本概念和觀點(diǎn)、基礎(chǔ)理論和常用分析及解決方法、有關(guān)的工程應(yīng)用知識(shí)等，培養(yǎng)學(xué)生具有對(duì)與流體力學(xué)過程有關(guān)的問題及其工程應(yīng)用的分析和解決能力。[1]但由于該課程理論性、系統(tǒng)性及邏輯性均較強(qiáng)，專業(yè)術(shù)語比較抽象，學(xué)生普遍缺乏對(duì)流體力學(xué)現(xiàn)象及知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，認(rèn)為該課程是諸多課程中比較難學(xué)的課程之一，且發(fā)現(xiàn)該課程的掛科率也是比較高的。

“十三五”期間，國內(nèi)許多高校進(jìn)行了新一輪專業(yè)的培養(yǎng)設(shè)置及調(diào)整，在去年舉行的高等學(xué)校流體力學(xué)教學(xué)專項(xiàng)研討會(huì)上，大多數(shù)與會(huì)者反映流體力學(xué)課程的學(xué)時(shí)被不斷壓縮，流體力學(xué)課程的存在地位及教學(xué)效果受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，如何根據(jù)不同高校層次及不同專業(yè)和課程的特點(diǎn)和要求來調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及手段等，切實(shí)不斷改善課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，是新形勢下高校流體力學(xué)教學(xué)及科研工作者必須引起注意和重視的問題。

1 流體力學(xué)教學(xué)過程中存在的主要問題

筆記基于近年來的流體力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了若干流體力學(xué)教學(xué)過程中存在的主要問題：（1）有些流體力學(xué)教科書的理論內(nèi)容過于陳舊，缺乏反映最新科技進(jìn)展的新內(nèi)容，或者與現(xiàn)代科技發(fā)展的聯(lián)系不太緊密；（2）課程教學(xué)方法沒有較好地根據(jù)不同教學(xué)章節(jié)或模塊進(jìn)行合理選擇，也沒有突出以“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維能力難以得到有效提升；（3）流體力學(xué)教學(xué)中沒有較好地利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)所帶來的優(yōu)勢，相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的引入仍十分有限，不利于新形勢下流體力學(xué)教學(xué)過程的發(fā)展；（4）學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，不能適應(yīng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求，學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性發(fā)揮不夠，不能真正起到激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的作用；（5）課后作業(yè)安排及課程考核制度有待完善。針對(duì)目前流體力學(xué)課程教學(xué)存在的主要問題，筆者以及所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)曾深入進(jìn)行了教學(xué)過程改革的探索。

2 流體力學(xué)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

2.1 提高教科書質(zhì)量、改革課程教學(xué)內(nèi)容

教科書是學(xué)生獲得系統(tǒng)知識(shí)、進(jìn)行學(xué)習(xí)的主要材料，它也是教師進(jìn)行教學(xué)過程的主要依據(jù)，是理論與實(shí)際相聯(lián)系的基本途徑和最佳方式。[2]由于不同地區(qū)、不同層次及不同專業(yè)類型高校培養(yǎng)學(xué)生的模式和理念難免會(huì)有差別，因此教科書的合理選擇和課程教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃顯得比較重要，要有針對(duì)性地選擇教材，不能盲目跟從。例如，筆者曾經(jīng)執(zhí)教江蘇大學(xué)（重點(diǎn)本科學(xué)校）的材料、農(nóng)業(yè)機(jī)械及環(huán)保設(shè)備等專業(yè)和江蘇大學(xué)京江學(xué)院（三本學(xué)校）的土木及安全工程專業(yè)的流體力學(xué)課程，發(fā)現(xiàn)這些不同本科層次、不同專業(yè)的學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有明顯的區(qū)別，但學(xué)校要求使用相同的教科書，這樣是明顯不足的，以后應(yīng)該選擇適合不同學(xué)校及專業(yè)的教科書。隨著科技教育的日新月異，有關(guān)流體力學(xué)知識(shí)的更新和發(fā)展非常迅速，而筆者發(fā)現(xiàn)仍有高校一直在使用編寫年代較久的教科書，部分教科書的設(shè)計(jì)內(nèi)容可能難以跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，因此高校從事流體力學(xué)教學(xué)及科研工作者門有必要不斷更新和提高流體力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，編寫出更符合現(xiàn)代高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)秀參考教材。endprint

在合理選擇好教科書的基礎(chǔ)上，有關(guān)教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該加以改變。應(yīng)該根據(jù)不同學(xué)校層次和不同專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和需求，合理選擇適宜于學(xué)生成長發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容，但同時(shí)要保證該課程的系統(tǒng)性和完整性。任課教師也應(yīng)該逐步摒棄趨于老化的、甚至是錯(cuò)誤的知識(shí)內(nèi)容，努力適當(dāng)更新和引入適應(yīng)于科技發(fā)展的知識(shí)信息，設(shè)計(jì)和規(guī)劃出合理的教學(xué)內(nèi)容，并大膽進(jìn)行嘗試，以保證取得良好的教學(xué)效果。

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法、提倡教學(xué)手段多樣性

教師如果想在有限的課堂時(shí)間內(nèi)取得較好的教學(xué)效果，教學(xué)方法的選用與設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在當(dāng)前高校大學(xué)生的專業(yè)課程種類數(shù)量增加、專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)被明顯壓縮的新形勢下，教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革就變得十分迫切。筆者結(jié)合近幾年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下若干觀點(diǎn)：

（1）針對(duì)不同的教學(xué)章節(jié)及模塊，選擇合適的教學(xué)方法。前面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了流體力學(xué)的課程特點(diǎn)，如理論性強(qiáng)、概念抽象、方程比較多且推導(dǎo)復(fù)雜難懂等，因此可以針對(duì)這些課程內(nèi)容特點(diǎn)，合理選用不同的教學(xué)方法。比如合理綜合選擇和使用現(xiàn)代多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)板書教學(xué)手段，教師通過板書教學(xué)來形象生動(dòng)地講述連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、不同形式的伯努利方程，解釋關(guān)鍵推導(dǎo)過程中的公式符號(hào)及物理概念與變換根據(jù)，還可以讓學(xué)生上講臺(tái)參與推導(dǎo)并進(jìn)行解釋和闡述，有利于學(xué)生高效理解這些知識(shí)信息。同時(shí)，板書教學(xué)要注意占據(jù)的課時(shí)比例，稍不注意，沒有更多時(shí)間來詳細(xì)講述后面的有關(guān)教學(xué)內(nèi)容，因此有必要取其長而避其短，采用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段來調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，以應(yīng)對(duì)新形勢下的教學(xué)學(xué)時(shí)縮短的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，目前絕大部分教師都主要使用多媒體教學(xué)手段。通過豐富的圖例、逼近現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫以及真實(shí)的實(shí)驗(yàn)錄像來分析和講述流體力學(xué)中難懂的知識(shí)內(nèi)容，如靜壓強(qiáng)分布、跡線與流線的差異、管內(nèi)層流與湍流流動(dòng)形態(tài)及其區(qū)別、管路中的水擊現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因、孔口與管嘴出流的差異及其特性、邊界層的分離現(xiàn)象和圓柱繞流現(xiàn)象等，使抽象的知識(shí)內(nèi)容變得直觀生動(dòng)，更好地激發(fā)學(xué)生的積極性。

（2）以學(xué)生為中心組織教學(xué)過程、積極培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合能力。在以往的教學(xué)理念中，幾乎都是以教師為中心的教師主動(dòng)授課、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的模式，課堂上學(xué)生主動(dòng)并積極參與學(xué)習(xí)、討論和交流的氛圍嚴(yán)重不足，造成課堂教學(xué)氣氛沉悶、單調(diào)。[3]長此以往，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，缺乏學(xué)習(xí)的自主性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性，不利于取得較好的課堂教學(xué)效果，這是傳統(tǒng)式教育在當(dāng)今教學(xué)中所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。流體力學(xué)作為一門與日常生活、工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生多觀察和思考身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象，多開展深入的教學(xué)互動(dòng)，學(xué)會(huì)利用所學(xué)理論流體力學(xué)知識(shí)分析實(shí)際的問題。如可以在課堂上開辟學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗(yàn)交流區(qū)、疑點(diǎn)問題討論區(qū)、經(jīng)驗(yàn)沙龍區(qū)。討論高爾夫球表面為什么是粗糙的？汽車的阻力主要是來自前部還是尾部？游泳運(yùn)動(dòng)員在不同溫度的水中的游泳效果是否有差異等等。針對(duì)所教授的不同學(xué)科專業(yè)以及不同的教學(xué)章節(jié)內(nèi)容，鼓勵(lì)教師多介紹和引入與流體力學(xué)理論及應(yīng)用的近期重大意外事件、重大自然災(zāi)害事件或者重大科技創(chuàng)新事件等。近幾年，發(fā)現(xiàn)江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院經(jīng)常學(xué)生申請(qǐng)并授權(quán)實(shí)用新型專利或撰寫高檔次論文，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維能力得到了明顯的提高。這種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，進(jìn)而提高了對(duì)流體力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用能力，真正達(dá)到了學(xué)以致用的效果。

（3）積極發(fā)揮現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的作用。當(dāng)今國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)發(fā)展非常迅速，它對(duì)當(dāng)今的高校生活及教學(xué)科研等都產(chǎn)生了很大的影響?，F(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展使得學(xué)生獲取、學(xué)習(xí)理論知識(shí)的方式發(fā)生重大變革，教師和學(xué)生均可以超越時(shí)空，及時(shí)、便捷地獲得與課程相關(guān)的信息和知識(shí)?，F(xiàn)在許多高校學(xué)校嘗試提供多樣性的教學(xué)環(huán)境和資源來對(duì)現(xiàn)有的課堂教學(xué)資源進(jìn)行補(bǔ)充，如江蘇大學(xué)開設(shè)流體力學(xué)842T精品課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)平臺(tái)、大規(guī)模線上線下共享課程平臺(tái)、MOOCs/SPOC翻轉(zhuǎn)課堂與微課資源開發(fā)平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合，較大程度豐富和充實(shí)了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生掌握流體力學(xué)基本理論的能力得到大幅度提升。另外，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備及軟件資源的深度開發(fā)和應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)查詢與網(wǎng)絡(luò)聊天逐漸占據(jù)了人們特別是高校大學(xué)生的日常學(xué)習(xí)及生活的部分空間，給課堂教學(xué)帶來明顯的影響。筆者在前幾年對(duì)所帶流體力學(xué)相關(guān)班級(jí)的課堂上玩手機(jī)的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有一半以上的學(xué)生在課堂上玩QQ聊天、微信聊天、看網(wǎng)絡(luò)視頻等，一定程度上影響了課堂教學(xué)紀(jì)律和教學(xué)效果。但是大學(xué)生上課玩手機(jī)的現(xiàn)象不能輕易要求杜絕，相反我們應(yīng)該善加利用和控制。學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際需求，隨時(shí)隨地充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源和知識(shí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。如筆者曾在每個(gè)學(xué)期開始就主動(dòng)要求加入授課班級(jí)的QQ群及微信群，借助于這些群交流平臺(tái)設(shè)置一些開放探索性的流體力學(xué)問題，還經(jīng)常轉(zhuǎn)發(fā)一些能夠開拓學(xué)生視野的與課堂教學(xué)有關(guān)的視頻資料信息，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣、提高學(xué)生的分析及解決問題的能力。

（4）在教學(xué)過程中積極開展CFD模擬學(xué)習(xí)與探索。近年來，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的高速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值計(jì)算方法受到普遍重視，已有許多高校研究生課堂中開設(shè)了相關(guān)的課程，但缺乏針對(duì)本科生流體力學(xué)講授過程中的思考、學(xué)習(xí)以及使用。[4]CFD方法能夠較好克服理論和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法的局限性，給學(xué)生展示更多的流體力學(xué)規(guī)律和細(xì)節(jié)特征，有助于加深相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。與本人所在的流體力學(xué)教研室其他老師的教學(xué)方法相比，筆者引入了較多的CFD模擬軟件、計(jì)算方法及其簡單應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，如將課程內(nèi)容接近的相關(guān)實(shí)例進(jìn)行網(wǎng)格建模、參數(shù)條件設(shè)置及計(jì)算等，并將CFD模擬結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，還要求學(xué)習(xí)成績較好的同學(xué)積極參與討論和現(xiàn)場演示。筆者還將自身多年來積累的CFD模擬經(jīng)驗(yàn)分享給有需要的同學(xué)們，獲得較好的評(píng)價(jià)。該方法有助于學(xué)生理解和 （下轉(zhuǎn)第137頁）（上接第123頁）掌握更多的流體力學(xué)規(guī)律，能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新能力，為將來繼續(xù)深造、工作及學(xué)習(xí)等有一定的幫助。endprint

2.3 完善各項(xiàng)教學(xué)制度、落實(shí)實(shí)際的教學(xué)過程安排

高質(zhì)量的教學(xué)過程依賴于健全細(xì)密、行之有效的教學(xué)制度保障，這些教學(xué)制度覆蓋了從課程開發(fā)到課程評(píng)估改進(jìn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)該是一個(gè)閉環(huán)體系。例如，課程開發(fā)及付諸實(shí)踐的程序性規(guī)定和制度必須有章可循，不能變成教師個(gè)人的隨意行為；課程教案的確定和評(píng)判需要集體組織討論；課程教學(xué)大綱的審定和執(zhí)行要有一定的標(biāo)準(zhǔn)和程序等等。例如，我們流體教研室的10位老師堅(jiān)持雙周周三下午組織和舉行流體力學(xué)課程教學(xué)方法、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)的交流活動(dòng)，特別是邀請(qǐng)新進(jìn)的年輕教師進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)演示，其他教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教授們進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，不同教學(xué)層次的教師們彼此深入交流教學(xué)心得，極大地促進(jìn)了青年教師們的教學(xué)水平的發(fā)展。

2.4 課后作業(yè)和課程考核的改革

教師布置課后作業(yè)既是考察學(xué)生掌握課堂知識(shí)的憑證和學(xué)習(xí)效果的標(biāo)準(zhǔn)，也是學(xué)生深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)、再次思考并解決問題的好途徑。[5]在作業(yè)方面，除了布置常規(guī)的計(jì)算題、簡答題及判斷題等之外，可以設(shè)置一些開放式作業(yè)，作業(yè)的主題內(nèi)容要與所學(xué)流體知識(shí)相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生的積極性和探索性，訓(xùn)練學(xué)生主動(dòng)查找、閱讀、總結(jié)文獻(xiàn)的能力，為將來的科研打下良好基礎(chǔ)。在課程考核方法，課程考試試題內(nèi)容應(yīng)該與規(guī)定的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及要求緊密聯(lián)系，注重內(nèi)容的應(yīng)用性、靈活性和綜合性；盡量豐富試題類型，減少學(xué)生死記硬背一些公式、函數(shù)及方程等，多引入開放性和體現(xiàn)自由發(fā)揮及創(chuàng)新能力的考試題目，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)和分析問題的能力，提高和培養(yǎng)學(xué)生的歸納和總結(jié)能力。還可以設(shè)置一些額外的附加題目，如撰寫短小的科技論文，以考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力。

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