問題和工程案例為導(dǎo)向的工程流體力學(xué)課堂教學(xué)改革

張土喬 張燕 邵煜 周永潮

摘要：針對(duì)“工程流體力學(xué)”課程在課堂教學(xué)中存在的問題，以及互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代面臨的沖擊和挑戰(zhàn)，提出基于問題和工程案例為導(dǎo)向的課堂創(chuàng)新教學(xué)，實(shí)現(xiàn)以教為主向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，以課堂為主向課內(nèi)外結(jié)合為主轉(zhuǎn)變，以過分重視結(jié)果為主向過程和結(jié)果結(jié)合為主轉(zhuǎn)變，以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提高學(xué)生分析和解決具體實(shí)際工程問題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)知識(shí)、能力和素質(zhì)相結(jié)合的拔尖創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；問題；工程案例；課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）33-0105-03

一、引言

習(xí)近平總書記在考察大學(xué)時(shí)提出：“兩個(gè)一百年奮斗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、中華民族偉大復(fù)興中國夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)，歸根到底靠人才、靠教育?！薄啊龅街泻弦?、學(xué)以致用，為將來走上社會(huì)，投身特區(qū)和國家建設(shè)做好思想品德、學(xué)識(shí)修養(yǎng)、能力才干等多方面的儲(chǔ)備?！笨梢娙瞬排囵B(yǎng)的重要性。人才培養(yǎng)是高校最主要、最中心的任務(wù)，而課程在人才的培養(yǎng)中占最主要的位置，高校提高人才培養(yǎng)的核心點(diǎn)就是提高課程的質(zhì)量，而課程最主要表現(xiàn)在教學(xué)方法上，所以教學(xué)方法是高校人才培養(yǎng)的靈魂。然而，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，基本上是以教師為中心，老師負(fù)責(zé)教（主動(dòng)輸出），學(xué)生負(fù)責(zé)學(xué)（被動(dòng)輸入），很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生很大程度上喪失了主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。尤其是在信息化高速發(fā)展的今天，學(xué)生的個(gè)性化、學(xué)習(xí)需求的多樣性以及知識(shí)傳播方式的多樣化，導(dǎo)致這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式的缺陷暴露明顯[1]：“低頭族”現(xiàn)象、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)薄弱、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力弱等。因此，課堂教學(xué)改革迫在眉睫，要改變傳統(tǒng)教學(xué)中‘我講你聽的灌輸模式，需要將重心轉(zhuǎn)移到學(xué)生的能力與素質(zhì)的培養(yǎng)上，給予學(xué)生更多的個(gè)性化幫助，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)問題，主動(dòng)去探索問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維。因此，本文結(jié)合工程流體力學(xué)課程的特點(diǎn)，結(jié)合工程案例和自然現(xiàn)象，提出以問題和目標(biāo)為導(dǎo)向的學(xué)生為中心的課堂創(chuàng)新教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生課堂的抬頭率和參與度，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)。

二、工程流體力學(xué)課堂教學(xué)改革的基礎(chǔ)

（一）工程流體力學(xué)課程特點(diǎn)

工程流體力學(xué)（水力學(xué)）是水利、土木、環(huán)境類等專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，在諸多工程技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。古典理論、經(jīng)驗(yàn)性內(nèi)容多，概念抽象，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維要求較高，學(xué)生的普遍反映是學(xué)習(xí)流體力學(xué)較難。通過網(wǎng)絡(luò)信息，綜合利用錄像、動(dòng)畫、圖片及計(jì)算機(jī)技術(shù)可使其抽象的概念具體化、形象化，一定程度上可以為更好地學(xué)習(xí)該課程服務(wù)。然而，由于學(xué)生缺乏相應(yīng)的工程概念和實(shí)踐知識(shí)，學(xué)生對(duì)本課程仍然沒有多大興趣，吸引力不夠。與此同時(shí)，工程流體力學(xué)又是一門應(yīng)用廣泛的課程，日常生活現(xiàn)象和工程實(shí)踐處處滲透著流體力學(xué)知識(shí)，所以可以結(jié)合日?，F(xiàn)象和工程實(shí)際，提出問題，循序漸進(jìn)、引人入勝，加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的印象與認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生感到可以掌握其中的理論，體會(huì)到理解和解決實(shí)際問題后的喜悅，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)使工程流體力學(xué)在教學(xué)中更接近于工程實(shí)際，真正做到理論和實(shí)踐相結(jié)合。

（二）工程流體力學(xué)教學(xué)資源的多樣化

教育技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，已經(jīng)滲透到教育教學(xué)的各個(gè)學(xué)科，對(duì)教育教學(xué)產(chǎn)生了巨大的影響[2]，近年來，以慕課（MOOC）為代表的國內(nèi)外在線開放課程[3]，將信息技術(shù)與教育教學(xué)緊密融合，形成新的知識(shí)傳授模式，一定程度上迎合了現(xiàn)代大學(xué)生追求個(gè)性、追求新穎的心理，具有較大的吸引力。也就是說教師（課堂）不是學(xué)生獲取知識(shí)的唯一來源，學(xué)生可以通過社會(huì)教學(xué)資源（視頻公開課、資源共享課、在線開放課程MOOC等）、校內(nèi)教學(xué)資源（校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源精品課程、力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、求解器等）等多個(gè)方面獲得相應(yīng)的知識(shí)。這些源源不絕的教學(xué)素材能幫助老師提供給學(xué)生更豐富更互動(dòng)且更開放的學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)課堂與慕課等相結(jié)合的課堂教學(xué)模式，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

三、課堂教學(xué)改革主要內(nèi)容

（一）以工程案例、問題為導(dǎo)向

很多日常自然現(xiàn)象和工程實(shí)踐都滲透著工程流體力學(xué)的知識(shí)。因此，我們可以充分利用這一特點(diǎn)，在教學(xué)上可以使用多媒體，將世界上一些著名的工程和現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生。如大的工程可包括三峽工程、南水北調(diào)工程、港珠澳大橋工程等，小的現(xiàn)象可包括飲水機(jī)、醫(yī)院的點(diǎn)滴、雞尾酒、足球中香蕉球等，都滲透著流體力學(xué)的知識(shí)。典型工程案例—應(yīng)用背景的提出，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生課后閱讀，尋找答案，提高解決問題的能力。同時(shí)結(jié)合科研項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的深度融合，將工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為流體力學(xué)問題，將工程和科研的思路、方式方法傳授給學(xué)生，將科研的成果融合進(jìn)教學(xué)，提高學(xué)生分析和解決具體實(shí)際工程問題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新性人才。

適當(dāng)增加學(xué)生課后的閱讀量，充分利用好輔助教學(xué)資源，推動(dòng)學(xué)生上有關(guān)網(wǎng)站學(xué)習(xí)；尋找生活實(shí)例，解決實(shí)際問題。課后布置小團(tuán)體大作業(yè)，學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，自主選擇一工程案例或日常生活中的一流體力學(xué)現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合動(dòng)手設(shè)計(jì)、開展實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等手段，對(duì)其進(jìn)行理論探討與分析，撰寫研討論文，制作PPT，并在課堂上進(jìn)行匯報(bào)探討，讓學(xué)生從理論中或試驗(yàn)中來解決所提出的實(shí)際生活、工程中的流體力學(xué)問題，更全面理解流體力學(xué)的含義，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。同時(shí)提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與撰寫研究報(bào)告的能力，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)體合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)立體推進(jìn)

愛因斯坦說過，發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更重要。產(chǎn)生問題越多，越能激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生探索問題的主觀能動(dòng)性，越能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性。探索以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，形成“現(xiàn)實(shí)問題研討—學(xué)生主動(dòng)參與—啟發(fā)式解答”的課堂教學(xué)模式。如首先讓同學(xué)們思考為什么高爾夫球是有凹坑的，火車站站臺(tái)上為什么要設(shè)置站臺(tái)線，龐大的飛機(jī)為什么能飛起來，乒乓球中的削球是如何產(chǎn)生的等問題，可以用哪些流體流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)來解釋？激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，提高自主學(xué)習(xí)的廣度與深度；將教學(xué)的啟發(fā)與學(xué)生獨(dú)立思考結(jié)合起來，加強(qiáng)師生之間互動(dòng)，學(xué)生之間的互動(dòng)，鍛煉學(xué)生的思維能力和獨(dú)立解決問題的能力，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。同時(shí)，學(xué)生在對(duì)問題的探求中找到知識(shí)之間的橫縱聯(lián)系，使學(xué)到的知識(shí)能真正應(yīng)用。

前面提到，知識(shí)不是只有老師有，但老師有好的方法來理解掌握知識(shí)，老師的作用是告訴學(xué)生方法，主要知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)之間的相關(guān)性。學(xué)習(xí)金字塔模型告訴我們，在相同的情況下，主動(dòng)學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容的留存率要大于被動(dòng)學(xué)習(xí)時(shí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容留存率。所以，為了提高課堂教學(xué)質(zhì)量，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)立體推進(jìn)：?jiǎn)栴}提出—課堂內(nèi)容講授—問題討論—內(nèi)容講授—例題、習(xí)題交叉進(jìn)行，交叉進(jìn)行交流、講授、討論、例題、講授、習(xí)題等教學(xué)各環(huán)節(jié)有助于知識(shí)點(diǎn)的深入理解和掌握，尤其是交流討論能對(duì)學(xué)生的需要做出敏感反應(yīng)，因而變得積極投入學(xué)習(xí)。所以教學(xué)過程中要重視各環(huán)節(jié)的交叉立體推進(jìn)；重視交流討論，要求學(xué)生提問、探求、反應(yīng)；重視習(xí)題、作業(yè)，并做到循序漸進(jìn)：復(fù)述（重復(fù)上課的內(nèi)容）—糾錯(cuò)反饋（分析、實(shí)現(xiàn)）—檢驗(yàn)（綜合習(xí)題）。

（三）加強(qiáng)與學(xué)生之間的交流互動(dòng)

如果課堂中僅僅是信息的傳輸，那么課堂教學(xué)和視頻毫無區(qū)別。單向交流的課堂中學(xué)生得到的只是信息，而不是知識(shí)，知識(shí)需要學(xué)生對(duì)信息再加工。學(xué)生層次是不一樣的，學(xué)生之間可以互相幫助，提供相應(yīng)的平臺(tái)進(jìn)行互相討論可提高教學(xué)效果。除了在課堂上加強(qiáng)互動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，我們通過建立QQ群、微信群延伸到課堂外的交流，老師學(xué)生之間可以對(duì)課堂上的教學(xué)點(diǎn)進(jìn)行更深層次的交流，也可對(duì)學(xué)生遇到的問題、疑惑讓其他學(xué)生解答。在討論過程中往往會(huì)形成學(xué)生互相解答問題的現(xiàn)象，這不僅讓提問題的學(xué)生得到了幫助，同時(shí)也加深了其他同學(xué)對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)的理解，起到一舉多得的作用。也鼓勵(lì)、激勵(lì)學(xué)生多提出問題，遇到共性的問題，在下一次課堂上可及時(shí)反饋講解，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和參與教學(xué)的積極性。

（四）重視過程評(píng)價(jià)

課程考評(píng)體系一定程度上也影響著學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和課程的教學(xué)質(zhì)量。成績(jī)?nèi)匀皇菍W(xué)生學(xué)習(xí)期間最關(guān)注的內(nèi)容之一。然而目前的成績(jī)考核形式上仍以傳統(tǒng)的期末閉卷筆試為主，且所占的比例很大，導(dǎo)致一些存在僥幸心理，想通過期末臨時(shí)抱佛腳對(duì)付通過的學(xué)生存在，這也一定程度上影響著學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)積極性不高?？荚嚥皇悄康?，而是手段。在課堂教學(xué)中，重視平時(shí)表現(xiàn)在評(píng)分中的比重，比如在批改常規(guī)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)的共性問題時(shí)，進(jìn)行及時(shí)梳理，提供習(xí)題解題過程和專門討論的時(shí)間。盡可能及時(shí)地進(jìn)行學(xué)習(xí)情況的檢驗(yàn)，經(jīng)常給出階段性分?jǐn)?shù)，盡可能迅速地做出反饋。而在成績(jī)考評(píng)中，可考慮平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40%以上（比如常規(guī)作業(yè)10%、平時(shí)課堂討論表現(xiàn)10%、平時(shí)小測(cè)驗(yàn)10%、小組大作業(yè)10%以上），期末卷面成績(jī)占總成績(jī)的60%以下。學(xué)生就無法將希望全部寄托在期末的“臨陣磨槍”上，而意識(shí)到要重視平時(shí)的學(xué)習(xí)，從而也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（五）課堂教改初步成效

到目前為止，已經(jīng)開展了3個(gè)學(xué)年的課堂教學(xué)改革嘗試，學(xué)生們通過調(diào)研、理論分析、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等步驟來解決工程實(shí)際問題和生活中自然現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力與合作精神。例如，有的同學(xué)利用紙杯、發(fā)射臺(tái)、橡皮筋等簡(jiǎn)單易得的材料模擬了滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)，借助于高速相機(jī)拍攝記錄了運(yùn)動(dòng)過程，利用繞流阻力等流體力學(xué)知識(shí)，就馬格努斯滑翔機(jī)問題進(jìn)行詳細(xì)的匯報(bào)探討；有的同學(xué)從啤酒試驗(yàn)出發(fā)，并將空化現(xiàn)象推廣到整個(gè)液體（主要是水），最終闡述空化理論的機(jī)理及其應(yīng)用的研究進(jìn)展；還有的同學(xué)就附壁效應(yīng)、喂食魚缸等日常生活現(xiàn)象展開了討論……這一過程大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性，并加強(qiáng)了自身的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和科研能力。學(xué)生普遍反饋良好，有的學(xué)生在學(xué)習(xí)心得上寫道：“這次經(jīng)歷拓寬了我的眼界……這是我在課堂上和平時(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)中無法獲取到的一種技術(shù)經(jīng)驗(yàn)”“……對(duì)于學(xué)生的研究性精神以及拓寬學(xué)生對(duì)課外知識(shí)的了解有很大的促進(jìn)作用……”“我們不僅開闊了視野，了解到了許多常識(shí)以及其他一些在課堂上我們所學(xué)習(xí)不到的東西，而且增強(qiáng)了小組成員之間的凝聚力與合作精神，使成員之間學(xué)會(huì)一種相互分享相互配合的做法”。

四、結(jié)語

工程流體力學(xué)課堂教學(xué)改革是基于問題、工程案例為導(dǎo)向的創(chuàng)新教學(xué)，實(shí)現(xiàn)以教為主體向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，以課堂為主向課內(nèi)外結(jié)合為主轉(zhuǎn)變，以過分重視結(jié)果（期末分?jǐn)?shù)）為主向過程和結(jié)果結(jié)合為主轉(zhuǎn)變，以學(xué)生為中心，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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