新工科背景下應(yīng)用型高校流體力學(xué)教學(xué)探究與思考

藺海曉 陳歡琪 王欽亭

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 河南·焦作 454000）

1 概述

在以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)時(shí)代背景下，高等院校的本科生教育已成為人才強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要組成部分，隨著新技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也使新型產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)形態(tài)緊密地聯(lián)系在一起，并且對當(dāng)前地方高校的教育工作提出了新的條件，在培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才方面，應(yīng)該提出更高的要求[1,2]。結(jié)合社會(huì)發(fā)展的新需求、學(xué)科交叉融合的新趨勢、科學(xué)研究的新成果，從而打造出傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)的升級版，推進(jìn)具有新理念、新體系、新質(zhì)量、新模式、新結(jié)構(gòu)的“新工科”建設(shè)是大勢所趨。當(dāng)前，中國工程教育已邁入新時(shí)代，“新工科”建設(shè)勢在必行[3]。建設(shè)教育強(qiáng)國是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程之一，其總目標(biāo)是建設(shè)具有中國特色、體現(xiàn)世界水平的高等教育強(qiáng)國，進(jìn)一步優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)專業(yè)建設(shè)。新工科背景下專業(yè)建設(shè)改革的基礎(chǔ)和核心是學(xué)科體系的課程改革。流體力學(xué)是土木工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，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、開展課程思政教育，協(xié)調(diào)好教與學(xué)的關(guān)系，把教書育人落到實(shí)處，成為流體力學(xué)課程改革的重要目標(biāo)[4]。

2 流體力學(xué)現(xiàn)狀及問題

《流體力學(xué)》是普通高校工科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容一般包括流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、量綱分析、氣體動(dòng)力學(xué)等。流體力學(xué)主要是研究流體的平衡狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相關(guān)的工程問題，主要特點(diǎn)有知識點(diǎn)多、理論性強(qiáng)、抽象性高，對學(xué)生數(shù)學(xué)、力學(xué)素質(zhì)要求較高。之前學(xué)生熟悉力學(xué)知識大多數(shù)是以固體為研究對象，研究對象換為比較抽象的流體時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來就比較困難，在學(xué)習(xí)流體力學(xué)中，需要進(jìn)行大量的公式推導(dǎo)，過程復(fù)雜且難理解[5]。各大院校開設(shè)流體力學(xué)課程的專業(yè)也有很多，比如土木類、水利類。學(xué)習(xí)《流體力學(xué)》課程，有助于學(xué)生形成良好的邏輯思維模式，鍛煉分析問題、解決工程問題的能力，也為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

2.1 教學(xué)內(nèi)容多，知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性低

傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)，多采用課上進(jìn)行PPT講解與公式推導(dǎo)相結(jié)合的方式，教學(xué)過程多以課本章節(jié)安排為教授順序，很少關(guān)注知識點(diǎn)的系統(tǒng)性、邏輯性。這就容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)流體力學(xué)時(shí)不能形成片狀知識結(jié)構(gòu)體系，大量分散的知識點(diǎn)就容易被遺忘。“即學(xué)即練”的教學(xué)方式，使學(xué)生對知識點(diǎn)的印象還較為深刻[6]。但傳統(tǒng)的教學(xué)方式，在一次課上往往需要講解3-4節(jié)的內(nèi)容，可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行“即學(xué)即練”的知識也是很小一部分。這就導(dǎo)致學(xué)生不能建立系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，在遇到實(shí)際工程問題時(shí)，學(xué)生容易產(chǎn)生畏懼心理，從而導(dǎo)致學(xué)生很難主動(dòng)地認(rèn)識問題、分析問題、解決問題。

2.2 不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力

傳統(tǒng)的流體力學(xué)中包含大量的新概念，如流線、跡線、水頭損失等，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，教學(xué)過程枯燥，消磨了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。學(xué)生形成了被動(dòng)的接受知識的習(xí)慣，學(xué)生主動(dòng)認(rèn)識問題、分析問題、創(chuàng)新能力也受到了很大負(fù)面的影響。學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程不應(yīng)該是一個(gè)機(jī)械的接受知識的過程，更不是被動(dòng)的接受知識的過程，而應(yīng)該是主動(dòng)學(xué)習(xí)知識，把課本上的知識主動(dòng)的轉(zhuǎn)化為自己解決問題的工具的過程[7]。這樣學(xué)生在實(shí)際工程問題中，不容易產(chǎn)生畏難情緒，才可以更自信的運(yùn)用自己所學(xué)的知識去認(rèn)識問題、解決問題。

2.3 理論和實(shí)踐出現(xiàn)分層

專業(yè)課程的學(xué)習(xí)不僅為了學(xué)生可以考試過關(guān)，更重要的是為了學(xué)生可以在實(shí)際工程中快速的認(rèn)識問題、分析問題、解決問題。傳統(tǒng)的專業(yè)課教材中的習(xí)題，一般是比較典型的經(jīng)過簡化的問題，與實(shí)際工程問題之間存在著很大差距的。在教學(xué)過程中，理論推導(dǎo)、方程論證、公式換算已經(jīng)占用了大量學(xué)時(shí)，導(dǎo)致后期對實(shí)際工程問題講解內(nèi)容被壓縮，這是導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié)的原因之一[8-9]。在學(xué)期末開設(shè)的認(rèn)知實(shí)踐課程，目的是為了使理論知識和實(shí)踐緊密結(jié)合。但由于認(rèn)知實(shí)踐課程與理論課程之間相隔時(shí)間較長，當(dāng)學(xué)生真正與實(shí)際工程面對面時(shí)，理論知識也已經(jīng)模糊，加上走馬觀花式的認(rèn)知實(shí)踐，往往達(dá)不到預(yù)期目的。同時(shí)，也浪費(fèi)了大量的財(cái)力、物力。

在實(shí)際教學(xué)中，專業(yè)課程思政建設(shè)要求教師在授課過程中將知識傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)三者有機(jī)統(tǒng)一起來，把專業(yè)課程教育與思政教育形成同向合力，但流體力學(xué)教師對課程思政的重視程度較低，存在著“智育”與“德育”相互分離的狀態(tài)，因此應(yīng)加強(qiáng)教師德育意識和德育能力建設(shè)，發(fā)揮教師的榜樣力量，進(jìn)行價(jià)值觀的引領(lǐng)[10]；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)課程思政教學(xué)質(zhì)量保障體系建設(shè)，構(gòu)建以專業(yè)知識教授為根本和思想政治教育為核心課程思政體系，在講授流體力學(xué)課程時(shí)，以春風(fēng)化雨的方式將思政元素自然貫穿相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過潤物細(xì)無聲的方式實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識傳授與思政教育有機(jī)結(jié)合，從而為國家培養(yǎng)大批有理想、有責(zé)任的新時(shí)代接班人。

3 教學(xué)改革研究重點(diǎn)及做法

3.1 教學(xué)方式的改革

首先，教師應(yīng)該將實(shí)際工程應(yīng)用貫穿于整個(gè)課程學(xué)習(xí)的始終，讓學(xué)生時(shí)刻保持與實(shí)際工程問題緊密結(jié)合的狀態(tài)。在理論課程學(xué)習(xí)之后，緊接著可以讓學(xué)生進(jìn)行一些課程設(shè)計(jì)，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之前給一些選題讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行題目的選擇。目的是為了讓學(xué)生對自己的能力有一個(gè)綜合評估，根據(jù)這個(gè)評估再進(jìn)行題目的選擇，最后讓學(xué)生主動(dòng)對所學(xué)的理論知識進(jìn)行升華，轉(zhuǎn)化為適合學(xué)生自己的解決實(shí)際工程問題的工具。學(xué)生要想完成一份合格的課程設(shè)計(jì)，必須親力親為，必須對工程的每一個(gè)細(xì)節(jié)都要十分精準(zhǔn)，小到粘度系數(shù)的測定。在設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生也要綜合考慮工程的實(shí)用性、安全性、易操作性、價(jià)格。這樣既鍛煉了學(xué)生邏輯思維能力，讓學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行整體的把握，也實(shí)現(xiàn)了理論知識和實(shí)際工程緊密相連的目的，也培養(yǎng)了學(xué)生的責(zé)任意識。最后教師應(yīng)對學(xué)生的課程設(shè)計(jì)的各個(gè)方面給予一個(gè)綜合指導(dǎo)和評價(jià)，讓學(xué)生對自己的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)、不足有一個(gè)清楚的認(rèn)識。

3.2 教學(xué)手段的改革

在教學(xué)手段方面，在傳統(tǒng)的多媒體、板書基礎(chǔ)上，可以加入三維數(shù)值模擬軟件作為輔助教學(xué)手段。流體力學(xué)課程具有公式多、推導(dǎo)過程復(fù)雜、參數(shù)多的特點(diǎn)，而且流體力學(xué)很少直接體現(xiàn)在實(shí)際工程中，學(xué)生學(xué)習(xí)起來往往覺得枯燥、抽象。國內(nèi)高校關(guān)于流體力學(xué)的課上實(shí)驗(yàn)主要是管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備可進(jìn)行多個(gè)管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，但是由于維護(hù)保養(yǎng)不易、使用年限較長，實(shí)驗(yàn)誤差很難縮小到理想的范圍。由于設(shè)備數(shù)量有限，需要安排各個(gè)專業(yè)，在不同的時(shí)間段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)為了讓更多學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過程，每個(gè)分組中往往只有個(gè)別同學(xué)真正的參與到實(shí)驗(yàn)中。

和實(shí)驗(yàn)手段相比，三維數(shù)值模擬有著明顯的優(yōu)勢：（1）真正做到人人動(dòng)手參與到實(shí)驗(yàn)中。（2）減少購買昂貴設(shè)備、保養(yǎng)設(shè)備的資金。（3）鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)軟件，借助科技解決工程問題的能力。流體力學(xué)中常用三維數(shù)值模擬的軟件有FLOW-3D、Fluent、Matlab，學(xué)生可以利用這些軟件自主進(jìn)行河流、水槽、液體流動(dòng)、管道等流體力學(xué)模型的建造，細(xì)細(xì)體會(huì)流體力學(xué)中一個(gè)參數(shù)的微小變動(dòng)，會(huì)引起實(shí)際工程的中的哪些問題，從而對實(shí)際工程中的一些問題發(fā)生的原因有一個(gè)更清楚的認(rèn)識。老師可以讓學(xué)生在課上進(jìn)行成果展示，并讓學(xué)生對自己的作品進(jìn)行講解，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力、動(dòng)手能力。老師在課上就可以對學(xué)生的成果進(jìn)行評價(jià)、指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生自主的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 課程思政融入課程教學(xué)

課程思政是培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)“新工科”人才的長效方法。根據(jù)工科課程實(shí)行課程思政的難點(diǎn)和重要性，探討對流體力學(xué)進(jìn)行課程思政改革，建設(shè)一門有人文溫度的精品專業(yè)課程的方法，促進(jìn)新工科人才的培養(yǎng)。

流體力學(xué)課程教學(xué)運(yùn)用現(xiàn)代教育手段，采用混合式教學(xué)、“翻轉(zhuǎn)課堂”、線上導(dǎo)學(xué)線下講授的教學(xué)形式，以案例式、專題式、討論式等多元教學(xué)法，將核心價(jià)值引領(lǐng)與專業(yè)知識傳授相融合，讓學(xué)生養(yǎng)成工程思維，啟迪“流體智力”工程智慧，喚起學(xué)生對社會(huì)責(zé)任與科學(xué)精神的敬畏和對社會(huì)使命的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

通過伯努利方程應(yīng)用的“工程案例”，幫助學(xué)生領(lǐng)悟系統(tǒng)內(nèi)部相互制約與相互協(xié)調(diào)的重要性，在對流體力學(xué)連續(xù)性方程講解中，讓學(xué)生理解質(zhì)量守恒，引導(dǎo)學(xué)生樹立“敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新”的大國工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和良好的工程意識。

4 結(jié)論

按照“新工科”培養(yǎng)人才的理念，探索構(gòu)建具有突出成效的流體力學(xué)課程教學(xué)手段方式。在方式上，讓實(shí)際工程的例子貫穿教授理論知識過程的始終，使學(xué)生與實(shí)際工程時(shí)刻保持緊密相連的狀態(tài)，讓學(xué)生充分掌握如何用理論知識去解決工程實(shí)際中的問題，為學(xué)生以后的在解決工程實(shí)際問題，提供創(chuàng)新的靈感和自信。在手段上，利用FLOW-3D、Fluent、Matlab等三維數(shù)值模擬軟件，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)中各種參數(shù)、邊界條件、介質(zhì)變化引起實(shí)際工程問題的靈敏度，增強(qiáng)流體力學(xué)課程在實(shí)際生活中實(shí)用性、可操作性。課程思政是我國高校促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的重要舉措。新工科教育則是未來中國實(shí)現(xiàn)人才強(qiáng)國、制造強(qiáng)國等重大戰(zhàn)略的主要抓手。通過課程思政，使知識累積突變升華成學(xué)生的綜合素質(zhì)和高尚情操，將思政融入更多基礎(chǔ)類課程的教學(xué)工作中，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和綜合素質(zhì)。