新工科背景下工科類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)創(chuàng)新策略及實踐

南軍虎 張東 王燕 馬高生

摘 ?要：流體力學(xué)等工科類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，因具有內(nèi)容艱澀、理論性和邏輯性強等特點，學(xué)生學(xué)習(xí)時往往興味索然，難以運用所學(xué)知識解決實際問題。以流體力學(xué)課程為例，基于新工科背景提出并實踐了針對工科類專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)創(chuàng)新策略：1. 將課程思政貫穿教學(xué)始終，特別是將課程和專業(yè)60多年的歷史傳承融入其中，樹立學(xué)生的專業(yè)和學(xué)習(xí)自信;2. 構(gòu)建了流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識模塊，使學(xué)生形成對相關(guān)內(nèi)容觸類旁通的認識，以夯實學(xué)生的理論基礎(chǔ);3. 挖掘?qū)I(yè)領(lǐng)域和學(xué)科前沿中的流體力學(xué)特色教學(xué)案例，實現(xiàn)科教融合，打造學(xué)生的專業(yè)核心能力;4. 依托在線課程資源，將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，創(chuàng)新教學(xué)模式，提升學(xué)生的課堂參與度和獲得感。上述教學(xué)創(chuàng)新策略取得了良好的教學(xué)效果，可為工科類專業(yè)基礎(chǔ)課程的建設(shè)與教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：專業(yè)基礎(chǔ)課;歷史傳承;知識模塊;教學(xué)案例;教學(xué)模式

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）02-0043-04

Abstract： The basic courses of engineering majors such as Fluid Mechanics have the characteristics of difficult contents， strong theoretical and logical nature， thus， students are often uninterested in learning， and they don't know which theory to use when they encounter problems. Taking the course of Fluid Mechanics as an example， based on the background of new engineering， the teaching innovation strategy for basic courses of engineering majors was proposed and practiced： 1. integrating curriculum ideology and politics throughout teaching， especially integrating courses and majors with more than 60 years of history， to establish students' professional and learning confidence; 2. the basic knowledge module of Fluid Mechanics has been constructed to enable students to form a comprehension of relevant content， so as to consolidate their theoretical foundation; 3. exploring special teaching cases of fluid mechanics in the professional field and the frontier of the subject， realizing the integration of science and education， and building the core professional competence of students; 4. relying on online course resources， in-depth integration of modern information technology and teaching， while innovating teaching models to enhance students' classroom participation and sense of acquisition. The above measures have achieved good teaching results and can provide references for the construction and teaching of basic courses for engineering majors.

Keywords： professional basic course; historical heritage; knowledge module; teaching sample; teaching mode

流體力學(xué)是大多工科類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，例如在能源與動力類、建筑環(huán)境類等學(xué)科專業(yè)中都把流體力學(xué)作為核心基礎(chǔ)課程[1]。然而，流體力學(xué)課程教學(xué)中存在一些影響教學(xué)效果的問題，例如課程的教學(xué)內(nèi)容較為艱澀和抽象，學(xué)生難以形成直觀感受，學(xué)習(xí)時往往提不起興趣;課程中的概念較多，且涉及很多公式、定理及推導(dǎo)，記憶和理解困難，學(xué)生學(xué)習(xí)時難以掌握流體運動的本質(zhì)，在后續(xù)碰到具體問題時也不知該用哪些理論解決;學(xué)生對具體知識點的學(xué)習(xí)往往陷入對其片面、絕對和孤立的理解，難以形成對相關(guān)內(nèi)容觸類旁通的認識[2-3]。

隨著國際形勢的變化，以及國家戰(zhàn)略及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，社會對人才的需求發(fā)生了明顯的變化，為此教育部積極推進工程教育改革，從而對工科教學(xué)模式提出了更高的要求和目標(biāo)[4]。我國于2016 年成為國際本科工程教育學(xué)位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進的理念，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[5-6]。2017年教育部提出新工科建設(shè)，開啟了工程教學(xué)改革的新篇章[7]。

因此，在以流體力學(xué)為代表的工科類專業(yè)基礎(chǔ)課程中開展必要的教學(xué)改革，是提升專業(yè)基礎(chǔ)課程的總體教學(xué)水平和教學(xué)效果的必要措施。

一、歷史傳承融入課程思政

立德樹人是高等教育的根本任務(wù)，黨的十八大以來，習(xí)近平總書記就高校如何加強立德樹人工作提出了一系列的新思想和新論述[8]。這就要求高校教師要充分運用課堂這一教學(xué)主陣地，深入挖掘課程教學(xué)中蘊含的思政教育元素，將思政理念貫穿教學(xué)始終，從而將知識傳授與價值塑造有機融合[9]。流體力學(xué)是人類在與自然災(zāi)害長期作斗爭的過程中逐漸發(fā)展形成的，是人類集體智慧的結(jié)晶?；谡n程的這一特點，在教學(xué)設(shè)計中，通過具體內(nèi)容的列舉、運用流體力學(xué)解決實際問題的例子等方式，構(gòu)建了課程思政案例（表1），以引導(dǎo)學(xué)生增強人與自然環(huán)境和諧共生意識，明確人類共同發(fā)展進步的歷史擔(dān)當(dāng)，嵌入“中國精神”“中國價值”內(nèi)涵的方式，充分體現(xiàn)中國“工匠精神”和“中國力量”的政治立場和價值觀點。

例如，在講到作用在平面和曲面上液體總壓力時，從高水頭擋水建筑物講起，談到當(dāng)今世界裝機容量最大的中國三峽水電站、錦屏一級水電站雙曲拱壩等國之重器，以調(diào)動學(xué)生的時代擔(dān)當(dāng)精神和學(xué)習(xí)激情。

此外，學(xué)校開展流體力學(xué)課程的歷史可追溯到1955年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)開設(shè)的我國第一個水力機械專業(yè)，可謂“出身名門”，一代代能動老師和能動學(xué)子秉承“規(guī)格嚴格、功夫到家”的院訓(xùn)，在行業(yè)內(nèi)贏得了良好的聲譽，目前全國泵、液壓元件研發(fā)與設(shè)計崗位30%左右的技術(shù)人員均畢業(yè)于本專業(yè)。將上述歷史傳承融入課程教學(xué)，牢固樹立了學(xué)生的專業(yè)自豪感。

二、構(gòu)建基礎(chǔ)知識模塊

流體力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容往往比較艱澀和抽象，概念較多，且涉及很多公式、定理及推導(dǎo)，這些推導(dǎo)對高等數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)等基礎(chǔ)知識的要求較高，記憶和理解困難，學(xué)生學(xué)習(xí)時難以掌握各方程的表達和意義等流體運動的本質(zhì)，用其解決問題時也變成了生硬地套用公式，在碰到新的具體問題時也不知該用哪些理論解決。在長期的教學(xué)實踐中，作者構(gòu)建了如圖1所示的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識模塊，以便將零散的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诎盐盏闹R體系。例如用3個方程歸納總結(jié)了靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、流動阻力及管路的水力計算的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容之間的聯(lián)系[3]。用“3、3、2”總結(jié)了相似理論與量綱分析的相關(guān)知識，用“2、3、2+3”總結(jié)理想流體的平面勢流。通過構(gòu)建上述流體力學(xué)基礎(chǔ)知識的模塊，將零散的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诎盐盏闹R體系，使學(xué)生形成對流體力學(xué)相關(guān)內(nèi)容觸類旁通的認識，以夯實學(xué)生的理論基礎(chǔ)。

三、挖掘特色教學(xué)案例

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜流動工程問題的能力是本課程的教學(xué)目標(biāo)之一。因?qū)W院老師所從事的國家級科研項目及大量的橫向技術(shù)攻關(guān)項目中，95%以上的問題是能源動力裝備及系統(tǒng)、可再生能源開發(fā)等領(lǐng)域中關(guān)于液體和氣體流動的流體力學(xué)問題。依托這些項目，挖掘其中的流體力學(xué)問題，構(gòu)建了高含沙調(diào)水工程中的水沙分離技術(shù)等10余個典型教學(xué)案例（表2）。

例如，在講到連續(xù)性方程、伯努利方程、流動阻力、旋渦理論時，除了課本上的基礎(chǔ)知識和一些簡單工程外，課程內(nèi)容的講解最終均落在高含沙調(diào)水工程中的水沙分離技術(shù)這一案例中（圖2），這一案例來自于國家自然科學(xué)基金（52069011）的研究，首先闡述這一技術(shù)提出的現(xiàn)實依據(jù);然后將連續(xù)性方程與該問題相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上提出如何在保證排沙耗水量最小時達到水資源高效利用的目的;接著用流動阻力分析其中存在的水頭損失，應(yīng)用伯努利方程計算排沙耗水量，用旋渦理論分析其中的水流運動形式;最后將這一問題的模擬和實驗結(jié)果分享給學(xué)生。這樣的創(chuàng)新舉措打通了基礎(chǔ)-原理-應(yīng)用的全過程，實現(xiàn)了科教融合，保證了課程內(nèi)容的廣度和深度，使學(xué)生對流體力學(xué)知識有了更深入的理解，有利于打造學(xué)生的專業(yè)核心能力和提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

四、建設(shè)形象化的在線課程資源

流體力學(xué)課程的研究對象是看不見握不住的流體，教學(xué)內(nèi)容較為艱澀和抽象，學(xué)生難以形成對流動的直觀感受。然而，包含液體和氣體的流體卻在生產(chǎn)生活和工程實踐中普遍存在，從“人生無處不流體”的實際出發(fā)，堅持知識、能力、素質(zhì)有機融合的課程教學(xué)目標(biāo)，打造了主題突出、特色鮮明、格調(diào)別致的流體力學(xué)在線課程資源。課程通過生動的動畫演示、豐富的視頻素材、直觀的實驗操作，并將情景劇、教學(xué)道具、電影片段、學(xué)科前沿紀(jì)錄片等素材穿插其中，讓流體力學(xué)的內(nèi)容形象化、直觀化、具體化，力求課程內(nèi)容的趣味性、專業(yè)知識的系統(tǒng)性、教學(xué)方式的多元性，構(gòu)建了全面、成體系的流體力學(xué)系統(tǒng)，建設(shè)了高質(zhì)量的在線課程資源。

例如在講解畢托管測流速時，首先用視頻拍攝實物的方式讓學(xué)生對畢托管有初步了解;然后圖片顯示出畢托管的構(gòu)造;當(dāng)把畢托管放入液流中，液流沿細管流動，并在玻璃管中出現(xiàn)液面差，這一現(xiàn)象通過動畫演示的形式生動體現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用伯努利方程推導(dǎo)建立起畢托管測流速的相關(guān)表達式。最后通過視頻的方式展示畢托管的實際操作步驟和注意事項。將現(xiàn)代信息技術(shù)充分融入課程教學(xué)，克服了單一教學(xué)方式帶來的視覺疲勞，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，拓展了學(xué)生知識面。

五、創(chuàng)新教學(xué)模式

隨著國際形勢、國家戰(zhàn)略及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，社會的人才需求對工科教學(xué)模式提出了更高的要求和目標(biāo)，傳統(tǒng)授課模式和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式難以滿足時代要求，而混合式教學(xué)融合了這兩種教學(xué)模式的雙重優(yōu)勢，是有別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的新模式。根據(jù)流體力學(xué)課程等工科類專業(yè)基礎(chǔ)課的課程特點和學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，依托在線課程資源、CFD模擬技術(shù)、虛擬仿真軟件等資源或技術(shù)，將現(xiàn)代信息技術(shù)手段與教學(xué)深度融合，提出了有效互動的混合式教學(xué)模式。有效互動的混合式教學(xué)模式包括線上自學(xué)（預(yù)習(xí)）、問題導(dǎo)向、課堂精講、分組討論、生講生聽或研討辯論、課后思考或在線討論、線上自學(xué)（復(fù)習(xí)）共7個教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了課前、課中、課后三位一體的閉環(huán)學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在課前觀看本節(jié)課的線上視頻;線下教學(xué)始于教師用典型案例提出問題，讓學(xué)生了解課程教學(xué)內(nèi)容與實際工程的聯(lián)系，并用精講式、啟發(fā)式開展課程教學(xué)，適時地將傳統(tǒng)的“師講生聽”型課堂轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧v生評”“生辯師評”“研討辯論”型課堂，營造生動活潑、師生互動的課堂氛圍，讓學(xué)生從多角度、多層次去分析討論流體力學(xué)問題;課后布置課后思考或發(fā)布在線討論，進一步鞏固和延伸知識，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。這一舉措保證了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，顯著提升了學(xué)生對課堂的參與度和對內(nèi)容的理解度。

為匹配課程的教學(xué)模式，更好地體現(xiàn)成果導(dǎo)向這一理念，對課程的成績評定方式進行了改革，構(gòu)建了如表3所示的成績評價方式。成績評價除傳統(tǒng)課堂的線下作業(yè)、實驗和期末考試等結(jié)果性評價之外，將線上學(xué)習(xí)、小組討論、在線討論等環(huán)節(jié)的過程性評價也納入其中。

六、推廣應(yīng)用效果

課程的建設(shè)及教學(xué)經(jīng)驗在校內(nèi)外得到推廣，并得到校內(nèi)外媒體的廣泛宣傳，獲得了良好的效果。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、專業(yè)和學(xué)習(xí)自信、解決問題的能力有了明顯提升，有力地鍛造了學(xué)生的專業(yè)核心能力和提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

流體力學(xué)在線開放課程于2020年在智慧樹平臺上線，得到兄弟院校師生和行業(yè)同行的一致好評。課程的建設(shè)得到了專家的認可，流體力學(xué)及葉柵理論1課程于2020年獲批首批“國家級一流本科課程”（線下課程），工程流體力學(xué)于2021年獲批“甘肅省一流本科課程”（線上線下混合式課程），流體力學(xué)在線開放課程獲評“校級一流課程”（線上課程）。

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