淺談新工科背景下車輛工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)改革實踐

劉海濤 盧毓俊 李萍

摘 要：在世界快速變革的新形勢下，國家以“新工科”建設(shè)為契機(jī)推動高等教育的改革，以適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。在此背景下，針對車輛工程專業(yè)流體力學(xué)課程存在的教學(xué)模式單一、理論教學(xué)抽象不易理解、與專業(yè)前沿方向和工程應(yīng)用脫節(jié)等問題，從轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、強(qiáng)化專業(yè)與工程應(yīng)用背景以及多元化授課模式設(shè)計三個方面對流體力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行了立體化改革，旨在使流體力學(xué)課堂教學(xué)面貌一新，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：新工科；車輛工程；流體力學(xué)；改革實踐

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）26-0006-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.26.002

隨著當(dāng)前世界形勢的快速發(fā)展，各個國家都在積極應(yīng)對高等教育體系改革，以適應(yīng)新時期、新形勢下的社會發(fā)展需求[1-2]。中國提出了“新工科”的計劃，其目的在于引導(dǎo)高等工程教育的改革，更好地適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求[3]。隨著新工科研究與實踐項目的啟動實施，新工科成為當(dāng)前高等工程教育的前沿領(lǐng)域[4]，而推動工程教育改革的基礎(chǔ)和核心還是在于學(xué)科體系中具體課程的改革。流體力學(xué)是車輛工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程的核心基礎(chǔ)課程之一，在課程體系中具有重要地位[5]。然而，流體力學(xué)是一門理論性非常強(qiáng)的基礎(chǔ)性學(xué)科，在機(jī)械專業(yè)開設(shè)課程時需要強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用背景及解決實際工程問題的能力。因而如何在新工科背景下構(gòu)建與工程應(yīng)用相銜接的經(jīng)典理論教學(xué)內(nèi)容、積極開展教學(xué)模式創(chuàng)新、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性、處理好教與學(xué)的關(guān)系，成為流體力學(xué)課程改革的首要任務(wù)。

一、流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題分析

流體力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生們學(xué)習(xí)這門課程時存在許多問題和難點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，流體力學(xué)需要較強(qiáng)的抽象思維能力，流體表現(xiàn)出來的性質(zhì)與生活中積累的直觀經(jīng)驗會存在差異，難以從實際生活中建立直觀經(jīng)驗和感受。

第二，授課形式單一，對現(xiàn)代教學(xué)工具的應(yīng)用不足，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

第三，課程內(nèi)容與專業(yè)前沿研究以及工程應(yīng)用脫節(jié)，難以讓學(xué)生體會課程的重要性，不能適應(yīng)新形勢下工程教育的發(fā)展。

二、流體力學(xué)教學(xué)改革舉措

針對現(xiàn)今教學(xué)過程中存在的問題，并結(jié)合新工科提出的目標(biāo)和要求，從轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、強(qiáng)化課程專業(yè)及工程背景、多元化授課模式設(shè)計三個方面對流體力學(xué)教學(xué)進(jìn)行了“立體化”改革。課程教學(xué)改革思路框架圖如圖1（見附圖）所示。

（一）以學(xué)生為中心的教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)授課方式較為死板，課堂教學(xué)完全是以教師為中心。而如今學(xué)生思維活躍，但注意力很難長時間保持在同一件事物上，所以傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學(xué)方法不再適用于如今的課堂教學(xué)。改變這種現(xiàn)狀的關(guān)鍵是將以學(xué)生為中心的教學(xué)理念貫穿到平時的教學(xué)之中。具體的教學(xué)改革可從以下三個方面開展。

第一，充分增加互動環(huán)節(jié)，將被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。如在講解流體性質(zhì)時，讓學(xué)生從生活經(jīng)驗出發(fā)總結(jié)流體的特征，既能增加學(xué)生對流體的觀察和分析能力，也有助于培養(yǎng)學(xué)生對流體的感性認(rèn)識。

第二，采用小組討論的參與式教學(xué)模式，將課程的主動權(quán)交回到學(xué)生手中。比如在講解圓管內(nèi)的層流的時候（模型及推導(dǎo)相對簡單），讓學(xué)生分組討論流體的數(shù)學(xué)建模過程，根據(jù)前面課程里面講解的理論方法，完成流動模型的建立及特性分析。

第三，翻轉(zhuǎn)課堂，將學(xué)生變?yōu)榻處?。本課程結(jié)課前會留出兩節(jié)課的時間，用于學(xué)生講解自己所完成的大作業(yè)，而教師與其他學(xué)生對其所做的作業(yè)進(jìn)行評價。學(xué)生要進(jìn)行課程講解，需要回顧課程內(nèi)容，查閱相關(guān)資料，用自己的方法去解決大作業(yè)中的關(guān)鍵問題。

第四，遵從學(xué)習(xí)規(guī)律，在每堂課的中間安排一道與當(dāng)日教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的小習(xí)題，讓學(xué)生切換思路，由被動接受知識到主動思考，提高課堂教學(xué)效率和學(xué)生的參與度，從而使學(xué)生保持思維和注意力的活躍度。

（二）加強(qiáng)課堂導(dǎo)入建設(shè)，強(qiáng)化課程的工程背景以及與專業(yè)的聯(lián)系

由于流體力學(xué)課程理論性非常強(qiáng)，課程內(nèi)容多以概念理解和公式推導(dǎo)為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難體會實際工程中的用處，尤其是對于以應(yīng)用為導(dǎo)向的車輛工程專業(yè)。因而，通過加強(qiáng)課堂的導(dǎo)入建設(shè)，強(qiáng)化課程的工程背景以及與專業(yè)的聯(lián)系，主要從以下兩個方面進(jìn)行。

第一，從流體力學(xué)的科學(xué)史講解流體力學(xué)與工程之間的關(guān)系。從公元前3世紀(jì)阿基米德撰寫最早的學(xué)術(shù)論文《論浮體》，18世紀(jì)牛頓、歐拉等建立流體力學(xué)基礎(chǔ)理論，19世紀(jì)納維和斯托克斯建立黏性流體力學(xué)理論方程，到20世紀(jì)普朗特建立邊界層理論以及近代馮·卡門、錢學(xué)森等人建立高速空氣動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，從流體力學(xué)科學(xué)史發(fā)展的脈絡(luò)可以分析出流體理論的發(fā)展都是由實際工程應(yīng)用需求推動的，因而流體力學(xué)的發(fā)展離不開實際工程應(yīng)用背景，而流體力學(xué)理論的發(fā)展又極大地促進(jìn)了工程應(yīng)用的發(fā)展。分析流體力學(xué)的科學(xué)史可以使學(xué)生對流體力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)有一個整體的認(rèn)識，辯證地認(rèn)識理論與工程應(yīng)用的關(guān)系，從而在理論學(xué)習(xí)過程中學(xué)會從工程應(yīng)用的角度思考問題，提升學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

第二，從流體力學(xué)的典型工程應(yīng)用講解流體力學(xué)與工程之間的關(guān)系。流體力學(xué)是在實際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，選用典型的工程應(yīng)用案例可以更加有效地展現(xiàn)流體與工程的關(guān)系。比如液力傳動裝置為什么連接一根軟管就可以傳遞動力，光滑的高爾夫球和帶凹坑的高爾夫球哪個飛得更遠(yuǎn)，地面車輛的阻力是來自于車的前端還是后端，車輛外形的變化經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展過程，這些問題的教學(xué)配圖如圖2（見附圖）所示。這些實際工程應(yīng)用的案例背后有著深刻的流體力學(xué)原理，提出這些案例可以吸引學(xué)生的注意，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動性。

（三）多元化授課模式的設(shè)計

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在有豐富的教學(xué)手段及教學(xué)素材供上課選用。PPT授課和板書兩種教學(xué)模式可以交叉融合，發(fā)揮各自的特點和長處。PPT課件可將流體的特征、性質(zhì)以及力學(xué)原理以生動形象的方式展現(xiàn)給學(xué)生。比如可在教學(xué)PPT課件中插入精美的圖片，以展現(xiàn)流體本身的性質(zhì)特點以及與工程、社會等方面的聯(lián)系。在教學(xué)課件中同時也可插入大量的動圖，用形象的動畫表示流體的運(yùn)動形態(tài)、特性以及變化過程，從而幫助學(xué)生建立形象具體的直觀感受。PPT中大量使用動圖，一方面可以有效地輔助學(xué)生理解知識點；另一方面可以使PPT美觀絢麗，有效吸引學(xué)生的眼球。為了活躍課堂氣氛，在課堂教學(xué)中也會穿插使用一些視頻資料，通過視頻中的實際案例，加深學(xué)生對流體知識點的感性認(rèn)識。而在講解較難的流體動力學(xué)部分時，引用網(wǎng)絡(luò)上的MOOC教程中的視頻資料，將網(wǎng)絡(luò)名師的講解引入課堂中，能讓學(xué)生從多個角度去理解流體動力學(xué)的建模分析過程。

三、結(jié)語

針對現(xiàn)今流體力學(xué)課堂教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合“新工科”提出的目標(biāo)和要求，對整個流體力學(xué)教學(xué)體系進(jìn)行了“立體化”改革。在教學(xué)理念上從以教師教為中心逐漸過渡到以學(xué)生學(xué)為中心，通過課堂互動、小組討論、翻轉(zhuǎn)課堂以及科學(xué)設(shè)計課堂教學(xué)節(jié)奏等手段，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。通過流體力學(xué)科學(xué)史以及典型工程應(yīng)用案例的深入分析，讓學(xué)生了解流體力學(xué)理論與工程應(yīng)用的關(guān)系以及與專業(yè)發(fā)展方向的聯(lián)系，有效把握學(xué)習(xí)的方向和目標(biāo)。采用多元化授課模式，通過精美的圖片、動圖以及視頻資料，構(gòu)造多層次、多元化的學(xué)習(xí)空間，使抽象問題具體化，輔助學(xué)生更好地理解流體力學(xué)背后的原理。

通過以上三個方面的立體改革，使得流體力學(xué)課堂教學(xué)面貌一新，課堂氣氛活躍，極大地提高了教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時也使得學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力、分析解決工程實踐問題的能力都得到綜合提升。另外，該課程改革中所實踐的方法也為其他課程的教學(xué)提供了一定的參考。

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