《工程流體力學》課程教學探討分析

楊日麗，王玉風，余 嵐，張光生

(隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

《工程流體力學》是安全工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在本科第三學期開設(shè)。該課程根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動能定理、動量定理和能量守恒定律等基礎(chǔ)理論來分析流體平衡及運動規(guī)律，并根據(jù)相似理論及量綱分析法開展模型實驗，進而為學習后續(xù)《工程熱力學與傳熱學》《礦井通風》《礦井災(zāi)害防治技術(shù)》等課程以及工程實際問題的解決提供技術(shù)支持。本文針對隴東學院安全工程專業(yè)《工程流體力學》課程建設(shè)現(xiàn)狀，對課程特點、理論教學、實驗教學和教學方法等教學過程中存在的問題及改革建議進行了梳理總結(jié)。

1 課程特點

從課程內(nèi)容、課程教學及人才培養(yǎng)目標實現(xiàn)、教學硬軟件要求等方面對該課程特點進行了簡單說明。

1.1 教學內(nèi)容多，對數(shù)學、力學基礎(chǔ)要求較高

《工程流體力學》的教學內(nèi)容分別為緒論、流體靜力學、一元流體動力學基礎(chǔ)、流動損失和能量損失、孔口管嘴管路流動、繞流運動、相似性原理和量綱分析。涉及的運動學參數(shù)包括壓強、應(yīng)力、流速、流量和水頭損失等，教學內(nèi)容龐雜，理論性強，尤其對學生的數(shù)學、力學功底要求較高，部分概念抽象，大部分初學者感覺學習有一定的困難。

1.2 應(yīng)用廣泛，需要了解大量相關(guān)工程背景

本課程應(yīng)用廣泛，而在不同的應(yīng)用場合又有著不同的力學現(xiàn)象，要深入理解本課程，要求學生對工科所屬專業(yè)的相關(guān)工程背景有所了解，對學生的綜合分析和處理問題的能力要求較高。

1.3 對教師教學水平要求較高

該課程涉及知識面較廣，要求教師要有較多的知識儲備，要有較豐富的實踐經(jīng)驗。如果任課教師科研、社會經(jīng)歷少，素材積累少，僅靠吃透課本很難吸引學生的學習熱情，甚至會使學生產(chǎn)生畏懼心理，教師本人也會覺得吃力[1-3]。故該課程歷來被認為是教師難教、學生難學的課程之一。 因此，尋求更合理有效的教學方法，調(diào)動學生學習熱情，對提高教學質(zhì)量、創(chuàng)新能力提升至關(guān)重要。

2 教學過程中存在的問題

結(jié)合近幾年的教學實踐，從教材內(nèi)容章節(jié)設(shè)置與課程目標實現(xiàn)達成度、教學方法及手段、課程考核及評價等方面對其存在的問題進行了梳理。

2.1 教學內(nèi)容過多、缺乏理論體系模塊化、課堂內(nèi)容層次化

該課程涉及理想流體和粘性流體的靜力學、運動學和動力學，覆蓋基礎(chǔ)理論知識和工程實踐，內(nèi)容繁多、尺度跨度大、概念抽象、知識點分散。傳統(tǒng)課堂教學多遵循章節(jié)順序，對課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和邏輯性關(guān)注不足，這就容易導致學生難以形成對流體力學整體知識的系統(tǒng)認識，學習過程和學習成果呈碎片化，“專篇專練”效果還可以，待到課程綜合考核時往往出現(xiàn)“張冠李戴”，更談不上能養(yǎng)成工程應(yīng)用能力。另外，該課堂內(nèi)容多以呈現(xiàn)基礎(chǔ)理論講授為主，對知識進展、應(yīng)用實踐等不同層次、不同維度的目標實現(xiàn)與要求仍有一定差距。

2.2 過分強調(diào)教學手段多樣化，忽略課堂教學質(zhì)量

在“新工科”教學背景下，教育部對工科教育教學改革提出了新的方向[4-5]。新型的教學方式雨后春筍般地涌現(xiàn)：MOOC、SPOC、MOOC+ SPOC、互聯(lián)網(wǎng)+、翻轉(zhuǎn)課堂式、分層次教學、云課堂、雨課堂等。隨著這些教學方式和教學手段的更新和使用，確實在課堂教學中起到調(diào)動學生學習熱情、豐富教學資源、呈現(xiàn)多種教學手段等方面起到一定積極作用。但是針對《工程流體力學》課程性質(zhì)和內(nèi)容來講，更需關(guān)注的是學生對所學知識的原理掌握程度及應(yīng)用，即學習效果。若過分強調(diào)教學信息技術(shù)手段的多樣化，往往會適得其反。比如在流體動力學中伯努利方程的推導：需要根據(jù)動能定理來分析實際流體在運動的過程中能量的轉(zhuǎn)化及滿足的規(guī)律，前期情景描述、受力分析、各種形式能量的表達等環(huán)節(jié)都需要學生的參與互動，可能選擇傳統(tǒng)板書的形式更便于學生接受和理解。

2.3 教學考核方式不合理、教學評價模糊

該門課程與大多數(shù)課程考核一樣，均是基于“30%平時成績(10%實驗成績+20%平時成績)+70%期末成績”考核評價。其中缺乏學習過程中的考核評價(比如實驗設(shè)計、創(chuàng)新、查閱文獻、小組討論發(fā)言情況等)。當然這也與課程教學方式息息相關(guān)，不同教學方式或采取的教學手段不一樣，考核可能不盡相同。但總之一點，要在考核體系中盡量將不同教學環(huán)節(jié)及所占權(quán)重應(yīng)充分合理地體現(xiàn)出來。

目前高校教學質(zhì)量評價考核基本上是分兩部分：一部分來自所授課班級學生對任課教師教學準備(備課扎實程度)、教學實施(課程引入情況、教學手段是都得當、學生課堂參與度、課后輔導等)、教學效果(學生對課堂滿意度、教學效果)評價等；而另一部分來自同行或者教學督導通過聽評課等方式做出評價。由于教學質(zhì)量評價采取的隨機方式、樣本容量有限，考核評價機制、操作不規(guī)范等原因，教學考核基本上是浮于“走過程”，對評價結(jié)果的統(tǒng)計僅僅是停留在紙上統(tǒng)計，對教學過程中出現(xiàn)的短板、不足問題未能反饋、作用于相關(guān)授課教師，這種非閉環(huán)式的反饋對促進教學改革顯然形式大于效果。

3 教學改革研究重點及做法

結(jié)合當前該課程存在的問題，為了實現(xiàn)精準教學改革，建議從整合教學資源、采取模塊化教學方式、注重以提高教學質(zhì)量為導向的多種混合式教學手段的使用、借助小程序或功能性專業(yè)軟件豐富實驗教學等多項舉措繼續(xù)加強課程改革。

3.1 精選內(nèi)容、注重模塊化教學

“師者，傳道授業(yè)解惑?！苯處熢诮虒W過程中扮演著很重要的角色。不僅僅是按照教材章節(jié)對知識進行講授，更重要的是充分發(fā)揮教師對課程內(nèi)容整體構(gòu)建、對于知識點與知識點的相互關(guān)聯(lián)和邏輯認知，充分把握課程的整體脈絡(luò)和邏輯分析，幫助學生融會貫通。

尤其對于《工程流體力學》來講，雖然內(nèi)容繁雜，但按照模塊化教學，教學內(nèi)容體系很明確，主要分為流體靜力學、流體運動學、流體動力學、相似原理與量綱分析四個模塊。其中相似原理與量綱分析可以作為單獨的一個模塊，對不同工程背景下的流體流動均適用。所以通用內(nèi)容就按照三個模塊進行分析。而三個不同的模塊之間仍有互通之處，比如：整本教材其實就是圍繞定常流能量方程(伯努利方程)展開的，適用于定常流流動各種能量的轉(zhuǎn)化，研究速度、壓強、水頭損失的變化和轉(zhuǎn)化，而流體靜力學則可看作是流速、水頭損失均為零的特殊的定常流流動。

3.2 結(jié)合學情，整合優(yōu)質(zhì)資源

隨著網(wǎng)絡(luò)課程平臺的建設(shè)，網(wǎng)上有大量教學資源[6-7]，比如中國大學MOOC平臺、愛課程、國家精品課程、國家實驗室虛擬平臺等，而與《工程流體力學》相關(guān)的資源更是充足豐富。不同學校專業(yè)設(shè)置不同，可能對課程目標要求不盡相同。

隴東學院作為甘肅省一所普通二本院校，從師資、教學資源、學情和實驗室建設(shè)來講與其他高校有著很大的區(qū)別，所以在引進資源時要充分考慮課程目標的設(shè)置和學生的學情基礎(chǔ)，根據(jù)課程本身建設(shè)的需要引進合適的優(yōu)質(zhì)資源，切忌盲目追求復雜化、全盤引進，“即符合自身即是最優(yōu)質(zhì)的”。

3.3 注重板書、輔以多樣性教學手段促進學生參與度

該課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，很多新內(nèi)容是按照相關(guān)理論進行推導的，教學目標是要學以致用、解決工程實際問題，所以對其適用條件及推導過程要盡可能地達到完全理解是非常有必要的。而不管采取什么樣的教學手段，在推導過程中盡可能配以板書設(shè)計，達到思路清晰，同時給予學生一定的思考時間緩沖，教學效果可能會更優(yōu)。當然，對于教學組織整個過程中，比如課前預習、課程相關(guān)資源分發(fā)、小組討論交流等方面采取不同的教學手段，對課堂氛圍、課堂教學參與度等方面都會起到一定的積極作用。

3.4 豐富實驗教學手段，激發(fā)學生實驗興趣

實驗教學是《工程流體力學》重要的一部分。目前隴東學院安全工程專業(yè)在課程設(shè)置中設(shè)置了16個課時的實驗教學，主要包括8個實驗：流體靜力學驗證實驗、定常流伯努利方程實驗、文丘里流量計測流量、雷諾實驗、沿程阻力實驗、局部阻力實驗、水泵特性曲線實驗和雙泵串并聯(lián)實驗。雖然這些實驗均可以如期開設(shè)，但大多數(shù)都是一些演示行動驗證實驗，對學生能力提升略顯不夠。同時實驗教學也可以借助部分軟件對一些流體遇到障礙物進行模擬，比如：手機風洞模擬軟件(windtunnelfree)，可以對邊界層分離現(xiàn)象、流體繞過圓柱體的流動、卡門渦流、機翼升力和阻力等模擬壓強、流速等參數(shù)的分布，更形象直觀。

3.5 拓展實踐教學環(huán)節(jié)，促進創(chuàng)新能力提升

學生在理論知識的基礎(chǔ)上，分別利用傳統(tǒng)實驗和CFD模擬兩種辦法對同一項目進行實驗，在用理論結(jié)果支持實驗結(jié)果的同時，利用模擬軟件驗證實驗的結(jié)果。CFD模擬軟件具有強大的數(shù)據(jù)計算功能，學生在模擬結(jié)束時，可以獲取大量所需數(shù)據(jù)，省去大量的計算時間。在進行基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，拓展思維，研究其他因素的影響。通過流體力學實驗平臺的模擬計算，也可對實驗平臺進行優(yōu)化設(shè)計等。學生在實驗過程中拓展了學術(shù)思維，提高了建模能力、分析能力、思辨能力以及在遇到流體力學相關(guān)工程案例時開辟了新的思路，同時可以孵化和培育一些創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目，鍛煉和提升學生實踐創(chuàng)新能力。

3.6 建立多元化、多維度的考評體系

打破傳統(tǒng)的“三七分”的課程考核原則，隨著信息化教學方式的變革大勢所趨，在賦予合理權(quán)重的基礎(chǔ)上，采取“線上、線下、期中、期末、章節(jié)小測驗、討論參與度、實驗預習、實驗操作規(guī)范化等”實施全“過程透明化”[8]的綜合考核；也可以根據(jù)對課程達成目標的要求，實施“知識能力培養(yǎng)、實踐能力、團隊協(xié)作能力”[9]三個不同維度的考核，或是按照豐富平時成績考核的形式，引入代償機制等措施[10]，建立高效且公平的平時考核體系。而對教師教學評價可借鑒“360度績效考評法”[11]，即兩層級(校級評價與院級評價)、兩種方式(量表評價與網(wǎng)評)、五個主體(教學督導員、大學生評教員、學生、行政干部、同行)等。

3.7 提升教師自身綜合素質(zhì)

結(jié)合我校師資情況，大多教師都是從學校到學校，從學生到講臺，沒有經(jīng)過太多的教學培訓，沒有太多的工程實踐經(jīng)驗。教師與教師之間課程心得交流少、不注重教學進修及自身教學能力提升，上述問題對課程建設(shè)均會造成一定的影響。因此，可通過以下途徑提升教師自身綜合素質(zhì)。

3.7.1 借助科研，促進教學

教學是科研的基礎(chǔ)，科研是教學的發(fā)展和提高。教學與科研相結(jié)合是提高教師學術(shù)水平與教學水平的基本途徑。教師只有通過對本專業(yè)及有關(guān)學科的科研活動，才能加深對本專業(yè)、本學科的理解和認識，從而獲得最新、最先進的科學知識，由此豐富教師的知識結(jié)構(gòu)。而教師知識結(jié)構(gòu)的改善、學術(shù)水平的提高，使教師在教學過程中思路開闊，能站在新的高度對教學內(nèi)容進行取舍更新，豐富教學內(nèi)容,對學生進行生動的、靈活的教學。再者，積極進行科學研究的教師，在教學中會比較自然地用科研所必要的實踐精神和創(chuàng)造精神感染學生，使學生受到鼓舞，得到啟迪，更快地步入學習之中。

3.7.2 充分發(fā)揮教學督導員的作用

各大學為提高本科教學質(zhì)量，基本都設(shè)立教學督導組，對教師授課情況進行督促檢查，這是一個很好的舉措。一般教學督導員都是選派具有豐富教學經(jīng)驗的老教師，他們責任心強，能認真履行自己的責任。故此應(yīng)利用督學教學經(jīng)驗豐富的特點，組織他們給青年教師上課，以學習班的方式定期培訓，從教學內(nèi)容到教學方法，從教案設(shè)計到教學組織，全方位培養(yǎng)，提高教師的教學水平。

4 結(jié)語

新工科、工程教育認證背景下對新時代工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求?！豆こ塘黧w力學》課程從理論到實踐跨度大，初學者學習興趣、積極性均不是很高。為解決目前教學中存在的教學問題，建議結(jié)合學情將教學內(nèi)容模塊化，從傳授式向問題引發(fā)式、探索式等教學，完善考核和評價方式等綜合改革思路開展課程教學改革。