基于專業(yè)認(rèn)證的流體力學(xué)教學(xué)實(shí)踐

薛向東，陳勇民，童蕓蕓，汪 華

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023)

《華盛頓協(xié)議》是當(dāng)前國(guó)際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議，其宗旨是通過(guò)工程教育的多邊認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)工程學(xué)位互認(rèn)，促進(jìn)工程技術(shù)人員在國(guó)家間的合理流動(dòng)[1-2]。中國(guó)于2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》的正式成員，自此全面參與《華盛頓協(xié)議》規(guī)章制度的制定，相應(yīng)的工程教育認(rèn)證結(jié)果亦得到協(xié)議國(guó)的認(rèn)可[3-5]。中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證是由國(guó)家專業(yè)性認(rèn)證協(xié)會(huì)針對(duì)工程類專業(yè)教育實(shí)施的專門(mén)性認(rèn)證，是確保工程教育質(zhì)量被政府、行業(yè)、社會(huì)認(rèn)可并接受的保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育在國(guó)家間相互承認(rèn)的前提。專業(yè)認(rèn)證以畢業(yè)生出口為導(dǎo)向，以生源質(zhì)量達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，要求課程體系、師資隊(duì)伍、辦學(xué)條件能確保學(xué)生達(dá)標(biāo)培養(yǎng)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)持續(xù)改進(jìn)的措施保障[6-8]。由于中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作開(kāi)展較晚，致使迄今各高校土木工程專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)改革研究尚處于起步階段，有關(guān)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)、課程體系建設(shè)、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面的認(rèn)識(shí)尚不充分[9-10]。今筆者從土木工程專業(yè)認(rèn)證角度出發(fā)，分析歷年來(lái)流體力學(xué)教學(xué)工作存在的不足，并就教學(xué)大綱修訂、課堂教學(xué)改革及持續(xù)改進(jìn)機(jī)制等方面的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探討。

1 歷年教學(xué)工作的不足

浙江科技學(xué)院土木工程專業(yè)開(kāi)設(shè)流體力學(xué)課程已有十余年歷史，經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷的教學(xué)改革與課程建設(shè)，已形成較為完善的教學(xué)體系。2010年始，以專業(yè)評(píng)估(認(rèn)證)為目標(biāo)的專業(yè)建設(shè)開(kāi)始推行并已取得部分成效，但由于總體辦學(xué)歷史短、自身積累不足，教學(xué)過(guò)程中遵循他校傳統(tǒng)教學(xué)模式的“慣性思維”較為明顯，突出表現(xiàn)為課程目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，課堂教學(xué)的系統(tǒng)性不足，致使學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的碎片化現(xiàn)象突出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺失，實(shí)踐性案例納入不足，教學(xué)評(píng)價(jià)方式的目標(biāo)指向性模糊等。

1.1 基于出口導(dǎo)向的課程目標(biāo)不明確

工程教育專業(yè)認(rèn)證是新時(shí)期高校工科專業(yè)教學(xué)評(píng)價(jià)的主要依據(jù)，以學(xué)生為中心的成果導(dǎo)向型教學(xué)是認(rèn)證的關(guān)鍵點(diǎn)，其核心要求是教學(xué)體系確保畢業(yè)要求，而畢業(yè)要求細(xì)化為若干指標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)指標(biāo)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)課程予以支撐，即要求每門(mén)課程的目標(biāo)明確指向具體的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。歷年教學(xué)大綱多針對(duì)課程本身對(duì)應(yīng)的知識(shí)要求和能力培養(yǎng)設(shè)定，而以畢業(yè)要求為出口導(dǎo)向的課程目標(biāo)卻未體現(xiàn)，這容易導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)的方向性偏離。

1.2 課堂教學(xué)系統(tǒng)化傳授不足

流體力學(xué)涉及靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量綱分析和相似原理、流動(dòng)阻力和水頭損失、有壓管流、明渠流、堰流及滲流等十余章節(jié)，內(nèi)容繁多且部分知識(shí)點(diǎn)存在重復(fù)及分離現(xiàn)象。歷年來(lái)課堂教學(xué)多遵循章節(jié)順序，而對(duì)課程的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)不足，授課過(guò)程中對(duì)章節(jié)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合欠缺把握，由此易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的碎片化，難以形成對(duì)流體力學(xué)整體知識(shí)的邏輯性把握，相應(yīng)的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)也受到限制。

1.3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)缺失

由于教學(xué)時(shí)數(shù)限制，歷年教學(xué)大綱均未對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)做出安排。學(xué)生缺乏從現(xiàn)象到本質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)，借助實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題繼而解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)也因此有所缺失[11-12]，這無(wú)疑會(huì)對(duì)課程目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。

1.4 案例教學(xué)相對(duì)不足

案例教學(xué)是一種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景的課堂模擬或重現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生易于將自身納入教學(xué)過(guò)程，繼而參與分析、討論問(wèn)題的課堂情境[13]。對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生而言，掌握流體力學(xué)知識(shí)的目的在于工程應(yīng)用?，F(xiàn)有教科書(shū)多強(qiáng)調(diào)原理與方法，對(duì)工程應(yīng)用較少涉及，而教師對(duì)此問(wèn)題的認(rèn)識(shí)亦存在不足，以理論知識(shí)傳授為主的教學(xué)思維使得學(xué)生易產(chǎn)生課本知識(shí)與行業(yè)工作無(wú)關(guān)的片面認(rèn)識(shí)，進(jìn)而降低學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性，課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也因此變得困難。

1.5 教學(xué)評(píng)價(jià)的課程目標(biāo)指向性模糊

教學(xué)評(píng)價(jià)的意義在于判別課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，分析教學(xué)過(guò)程的不足并針對(duì)性改進(jìn)。歷年教學(xué)評(píng)價(jià)的方式多采取學(xué)生網(wǎng)評(píng)與同行評(píng)議，學(xué)生網(wǎng)評(píng)針對(duì)授課形象、熟練程度、表述方式、交流溝通、作業(yè)批改等定性指標(biāo)進(jìn)行分值判別；同行評(píng)議也與之類似。評(píng)價(jià)結(jié)果雖以數(shù)值定量化顯示，但評(píng)價(jià)過(guò)程依賴于測(cè)評(píng)者對(duì)定性指標(biāo)的主觀性判斷。這種評(píng)價(jià)方式作為教學(xué)質(zhì)量的總體性評(píng)價(jià)是充分的，但用于課程目標(biāo)的達(dá)成分析則有不足。

2 教學(xué)大綱的修訂

2.1 明確課程目標(biāo)的出口指向

依據(jù)中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)(China Engineering Education Accreditation Association)制定的原則性標(biāo)準(zhǔn)及浙江科技學(xué)院土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案，結(jié)合歷年教學(xué)反思，針對(duì)2013版課程教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂，明確了課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其相應(yīng)權(quán)重值，見(jiàn)表1。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relation between graduation requirement indicators and curriculum objectives

由表1可知，修訂后的教學(xué)大綱界定了課程目標(biāo)的指向性，即課程目標(biāo)1對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2.1，本課程在畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)支撐性課程集合中的權(quán)重分值為0.15，即體現(xiàn)了本課程對(duì)于畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的定量支撐程度。

2.2 增設(shè)實(shí)驗(yàn)課程

基于實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的要求，教學(xué)大綱新增流體靜壓、有壓流動(dòng)、計(jì)量原理及流態(tài)分析等實(shí)驗(yàn)課程。為了增強(qiáng)對(duì)學(xué)生分析現(xiàn)象及求解問(wèn)題能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)課程強(qiáng)化學(xué)生課前的準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程以小組為單元，由學(xué)生交替完成原理、目的、操作過(guò)程的講解；同時(shí)增設(shè)自主設(shè)計(jì)與探究環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合本專業(yè)實(shí)例，借助實(shí)驗(yàn)研討基本原理與求解方法。

2.3 課程目標(biāo)達(dá)成度及其計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

修訂的土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案明確了以課程目標(biāo)達(dá)成度為依據(jù)的課程評(píng)價(jià)方法，教學(xué)大綱據(jù)此對(duì)本課程目標(biāo)達(dá)成度(Aci)進(jìn)行了設(shè)定，見(jiàn)表2。

表2 流體力學(xué)課程目標(biāo)達(dá)成度Table 2 Curriculum objective achievement scale of Fluid Mechanics

達(dá)成度計(jì)算參數(shù)包括平時(shí)作業(yè)Mi1、實(shí)驗(yàn)成績(jī)Mi2、期末成績(jī)Mi3。按每個(gè)參數(shù)對(duì)課程目標(biāo)1的貢獻(xiàn)度，各參數(shù)設(shè)定值劃分為M11、M12、M13，AV11、AV12、AV13分別為各參數(shù)對(duì)應(yīng)的學(xué)生累積均值，pi為各參數(shù)在總成績(jī)中的占比(i=1，2，3…)，n為平時(shí)作業(yè)次數(shù)，Ei為課程目標(biāo)達(dá)成度期望值(本課程E1設(shè)定為1.00)。達(dá)成度明確了平時(shí)作業(yè)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)及期末考核與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并設(shè)定以達(dá)成度大于或等于0.60作為達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)，整體課程及各環(huán)節(jié)的教學(xué)評(píng)價(jià)因此有了清晰的依據(jù)，教學(xué)活動(dòng)的目標(biāo)約束性也更為明確。

3 課堂教學(xué)改革

課堂教學(xué)是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的根本所在，在對(duì)以往課堂教學(xué)反思的基礎(chǔ)上，依據(jù)修訂版教學(xué)大綱提出了針對(duì)性改進(jìn)措施。

3.1 理論體系模塊化

圖1 教學(xué)模塊劃分Fig.1 Teaching module division

流體力學(xué)基本原理與方法的掌握是課程目標(biāo)要求的基本內(nèi)容。盡管教學(xué)內(nèi)容繁多，但從課程建構(gòu)角度看，靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)是理論體系的支柱，而其余內(nèi)容則為三者的拓展與應(yīng)用。據(jù)此，理論教學(xué)可劃分為相互聯(lián)系而又獨(dú)立的教學(xué)模塊(圖1)。

教學(xué)模塊的劃分使得教學(xué)過(guò)程條理化、清晰化[14-15]，課堂教學(xué)易于實(shí)現(xiàn)“一課多師”的優(yōu)化組合，繼而發(fā)揮各自專長(zhǎng)；同時(shí)教學(xué)內(nèi)容易于實(shí)現(xiàn)有序化，使得教師能夠集中有限時(shí)間和精力圍繞核心內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講解。對(duì)學(xué)生而言，模塊化教學(xué)有助于增強(qiáng)其對(duì)課程內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及整體性的邏輯認(rèn)識(shí)。此外，模塊化教學(xué)也有助于塑造學(xué)生個(gè)性化，獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)的模塊更有利于他們自由度的擴(kuò)展，繼而形成不同領(lǐng)域知識(shí)能力的有機(jī)組合。

3.2 章節(jié)內(nèi)容串聯(lián)化

流體力學(xué)現(xiàn)行教科書(shū)章節(jié)數(shù)目多，各部分相互關(guān)聯(lián)，但存在分割現(xiàn)象。歷年來(lái)的教學(xué)體會(huì)是，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的碎片化現(xiàn)象突出，難以達(dá)到章節(jié)內(nèi)容貫通、知識(shí)點(diǎn)前后融合的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，以歐拉平衡方程為例：

(1)

(2)

(3)

式(1)表示理想流體平衡微分方程，式(2)表示理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程，式(3)表示黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程。上述偏微分方程分別出現(xiàn)在教材不同章節(jié)，可以看出，盡管3個(gè)方程組形式不同，但其共同點(diǎn)在于均描述了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即單位質(zhì)量力、壓力、表面力與歐拉加速度的關(guān)系。在教學(xué)過(guò)程中，若按章節(jié)順序前后講解，則相關(guān)內(nèi)容間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且關(guān)聯(lián)性中斷，這使得原本抽象的偏微分方程更難以被學(xué)生接受、理解。在教學(xué)中，可有機(jī)組合上述內(nèi)容進(jìn)行串聯(lián)式講解；同時(shí)，對(duì)3組方程采取力-加速度關(guān)系的統(tǒng)一模式加以闡述。

章節(jié)內(nèi)容串聯(lián)化的目的是將關(guān)聯(lián)性密切的內(nèi)容有機(jī)組合，打破機(jī)械式的章節(jié)排序方式，實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的前后呼應(yīng)。類似的改進(jìn)還包括實(shí)際流體伯努利方程與流動(dòng)阻力章節(jié)的串聯(lián)化、量綱分析與實(shí)驗(yàn)課程的串聯(lián)化等內(nèi)容。

3.3 案例式教學(xué)

課程目標(biāo)要求培養(yǎng)學(xué)生具備應(yīng)用流體力學(xué)專業(yè)知識(shí)對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行推理分析、建立合理的力學(xué)模型并有效求解的能力，而理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方式是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑。在課堂教學(xué)過(guò)程中，可結(jié)合生活案例講解基本原理，結(jié)合工程案例講解實(shí)際流動(dòng)，這樣不僅可使學(xué)生易于理解現(xiàn)象背后的原理，亦可將理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系，繼而提高分析與解決問(wèn)題的專業(yè)能力。

3.3.1 基于生活案例講解基本原理

(4)

圖2 火車進(jìn)站Fig.2 Arrival of a train into the station

為便于學(xué)生理解方程物理意義，以火車駛?cè)胝九_(tái)為例進(jìn)行講解(圖2)。

3.3.2 基于工程案例講解實(shí)際流動(dòng)

在講解實(shí)際流動(dòng)相關(guān)內(nèi)容時(shí)均引入工程案例。如滲流章節(jié)中的課本內(nèi)容僅著眼于多孔介質(zhì)中水的流動(dòng)，對(duì)土木工程實(shí)踐而言，本章節(jié)學(xué)習(xí)目的在于了解并掌握地下水排除的技術(shù)方法，故可聯(lián)系基坑排水案例進(jìn)行講解。首先闡述基坑排水的工程意義(圖3)，介紹基坑設(shè)計(jì)高程、含水層水位線高程及施工時(shí)基坑底至水位線的安全距離，確定水位線降落度。之后引入管井排水技術(shù)(圖4)，講解排水量公式(式(5))中各參數(shù)對(duì)應(yīng)工程圖中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而求得排水量。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基坑形狀及尺寸，確定管井?dāng)?shù)量及平面布置。

圖3 基坑排水工程Fig.3 Drainage project of foundation pit

圖4 管井排水技術(shù)Fig.4 Drainage technology of pipe wells

(5)

類似工程案例在教學(xué)過(guò)程中的引入，極大程度上增強(qiáng)了學(xué)生“學(xué)有所用”的心理預(yù)期，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果因此而提高。

4 持續(xù)改進(jìn)機(jī)制

社會(huì)的發(fā)展變化與行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步?jīng)Q定了土木工程專業(yè)建設(shè)始終是一種動(dòng)態(tài)變化、持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，而流體力學(xué)教學(xué)工作必須與之適應(yīng)，不斷革新教學(xué)理念，改進(jìn)教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)手段，并建立相應(yīng)的課程持續(xù)改進(jìn)機(jī)制：1)根據(jù)土木工程專業(yè)認(rèn)證要求的變化，及時(shí)調(diào)整課程教學(xué)大綱，確保課程目標(biāo)始終與專業(yè)畢業(yè)要求相一致。2)借鑒國(guó)內(nèi)外高校相同專業(yè)認(rèn)證—再認(rèn)證的經(jīng)驗(yàn)，從課程體系建設(shè)角度出發(fā)，完善工程流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化課程對(duì)專業(yè)培養(yǎng)的支撐性作用。3)依據(jù)學(xué)生評(píng)價(jià)、同行評(píng)價(jià)和課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果，分析課程教學(xué)各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題并提出可操作的具體措施，確保下一學(xué)年教學(xué)工作的持續(xù)改進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作目前處于起步階段，相關(guān)認(rèn)識(shí)尚不充分，但以專業(yè)認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)的工科專業(yè)建設(shè)之路是清晰的，以畢業(yè)要求為出口導(dǎo)向的課程建設(shè)是今后教學(xué)工作的重點(diǎn)。