如何提高學生工程實踐能力
——《工程流體力學》教學設計和方法探討

許坤波 李曉暉 張艷芹 李 猛 馬艷萍

（1.南京工程學院機械學院 江蘇·南京 211167；2.南京工程學院教務處 江蘇·南京 211167）

0 引言

眾所周知，如何提高高等工科院校畢業(yè)生的工程素養(yǎng)及綜合能力是大家所關心而且急待解決的重要課題。培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)是當前工程教育改革的一個重要方向。教育部在“卓越工程師”培養(yǎng)計劃和工程教育專業(yè)認證中都把培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)作為專業(yè)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)和考核點[1]。工程素養(yǎng)就是一個工程師應具備的基本知識、基本理論和基本技能，一定的工程實踐訓練和嚴格有素的工程習慣，而綜合能力是指自學能力、知識擴展能力、形象思維和邏輯思維能力，創(chuàng)新能力和表達與組織管理能力[2]。近年來，在工程教育認證的引導下，各校在該領域進行了大量實質(zhì)性探索，取得了很多可借鑒用于提高學生工程實踐能力的經(jīng)驗[3]，下面，筆者就《工程流體力學》這門課來闡述在教學中的體會。

《工程流體力學》是一門主要專業(yè)基礎課，其目的是使學生能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學基本原理，掌握流體力學中的工作介質(zhì)的基本特點，熟練掌握工程流體靜力學、運動學、動力學的基本概念和理論規(guī)律，并具備將其應用于復雜機械工程系統(tǒng)來有效識別和判斷工程問題關鍵環(huán)節(jié)的能力。在工程教育認證視域中的教學實踐中，如何培養(yǎng)與提高學生工程素養(yǎng)及綜合實踐能力尤為重要。筆者在教學設計和方法中重點關注理論知識講授、工程計算能力和工程表達能力，本文就這三個方面來探討解決方法和實施對策。

1 理論知識講授──教學過程與方法設計

理論知識是基礎，所有的工程訓練都應該在理論知識的支持和指導下進行，忽視理論知識而一味強調(diào)實踐是一種不可取的方法。如圖1所示，在整個教學設計中分為導入新課、實踐啟迪、知識講授、思政融入、總結(jié)提升和鞏固拓展。比如《工程流體力學》中關于流體粘性的章節(jié)，教學設計中以流體的固有特征粘性為主線，引入生活中常見的流動現(xiàn)象，理論聯(lián)系實際貫徹學以致用的教學理念，按照認知規(guī)律設計教學過程，并通過問題啟發(fā)、任務驅(qū)動、豐富互動、答案探究、多媒體動態(tài)展示和課外拓展等不同教學方法，結(jié)合思政元素和實例分析，將實際工程問題層層遞進分解，充分鍛煉學生分析實際問題的解構思維，獲得應對復雜工程問題的方式方法。

圖1：教學過程設計

1.1 教學過程設計

在新課程講授的開始階段，以實際生活中的典型現(xiàn)象為例，從其共通原理出發(fā)，通過好奇和興趣共同驅(qū)使，引出課程的主題。其次，以全球知名汽車生產(chǎn)商的跑車為例，直觀展示流動阻力產(chǎn)生的影響，介紹流體力學在汽車外形設計中的應用，理實結(jié)合，提升學生工程應用能力。在流體粘性的特征講解中，引入船舶行駛和飛機航行過程的阻力變化特性不同來引入氣體和液體的粘性變化規(guī)律，更有效地讓學生理解粘性性質(zhì)。

1.2 教學方法設計

需要注意的是，學生工程實踐素養(yǎng)和綜合能力提高的程度，不僅取決于教師對本課程專業(yè)的知識體系深度或課程提供的客觀條件，學生學習的主動性和積極性，對課程講授以及工程實踐能力培養(yǎng)有更加重要的作用。如何在課程講授中通過合理的教學方法設計，使得學生在課堂教學中能集中精神并積極參與也是課程教學設計的重要內(nèi)容。

在《工程流體力學》講授中，采用啟發(fā)式互動教學、案例式教學、任務驅(qū)動、探究式教學等教學方法，在流體粘性講授中，以著名的雷諾實驗為例，通過將實際問題抽象化，由淺入深實現(xiàn)復雜問題的條理解構，利用簡單模型進行有效分析研究。引入項目化思維，讓學生在課程講授中能帶著問題去學習。課程中經(jīng)常采用多媒體動畫演示，在講解流體粘性的關鍵問題時，以計算機模擬仿真的卡門渦街結(jié)果為例，結(jié)合圖片、動畫和視頻演示，動靜結(jié)合，圖影并茂，牢牢抓住學生注意力。在課程講授中，以世界著名的科學家，我國兩彈一星功勛獎章獲得者錢學森為例，向大家介紹流體力學在導彈研制過程中的作用，體現(xiàn)愛國科學家的振興中華使命感。在課程知識點完整講授后，進行及時例題總結(jié)，通過在關鍵知識點后進行例題講授，讓學生理清思維，深入理解知識的內(nèi)在原理，從對知識被動接收轉(zhuǎn)化為主動吸入，在課程末尾對課程導入時提出的問題進行反饋總結(jié)，以此為契機進行課外拓展，實現(xiàn)課程教學的有效閉環(huán)。

圖2：教學方法設計

2 加強工程計算能力

《工程流體力學》也是一門工程性很強的課程，涉及的知識面很廣，其中涵蓋的公式種類繁多，運用的數(shù)學原理和眾多。但這門課程的學習重點不同于一般的力學課程，推導公式和數(shù)學技巧不是該門課程的重點，為了突出其工程應用特性，在課程中會重點關注基本公式概念的理解，掌握各公式參數(shù)之間的代數(shù)關系，培養(yǎng)學生解決工程實際問題的思路和方法，正確應用公式，合理計算出流動中的力學參數(shù)是必須能力。

以計算流體管路的損失為例，兩貯水池由直徑為10cm，長度為50m的鐵管鏈接，每部安裝有一個球閥，為了保證體積流量為0.04立方米/秒，需要計算高度H。通過回顧理論課程講授中對于流動阻力的分類，這種工程問題需要計算兩種阻力，分別是沿程阻力和局部阻力。即計算出阻力為

3 強化工程表達能力

工程表達能力是指對工程實際問題能夠合理抽象，利用簡化模型進行建模，并聯(lián)合理論知識中的公式和結(jié)論，進行實際問題求解的能力。

通過課程設計，使學生了解一個完整的課題設計過程，擴展學生解決實際問題的全局思維，并有效提高其計算能力、繪圖表達能力等。旨在通過強化工程表達能力，使學生掌握流體力學的基本特性、理論，掌握工程流體力學的靜力學、運動學中的基本方程式，了解并掌握流體動力學中的伯努利方程的意義及其應用，能夠運用相似原理和量綱分析理論對實際問題進行研究，具備流體運動阻力和損失計算以及管路水力計算的能力，具備能夠?qū)⑵鋺糜跈C械工程領域的能力。