面向?qū)嵺`應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式探索

［摘 要］工程流體力學(xué)課程教學(xué)中，針對偏重理論教學(xué)、實踐應(yīng)用薄弱、創(chuàng)新能力培養(yǎng)受限等現(xiàn)實問題，課程組提出一種以實踐應(yīng)用為核心、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)模式。該模式采用“一主線、兩平臺、三層次”的教學(xué)框架，旨在通過緊密聯(lián)結(jié)理論與實踐，利用項目驅(qū)動和啟發(fā)式教學(xué)方法、虛擬仿真技術(shù)及人工智能等多元化教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力，為工程流體力學(xué)課程的教學(xué)革新提供新思路，也為其他工程類課程的教學(xué)改革提供參考和借鑒。

［關(guān)鍵詞］工程流體力學(xué)；實踐應(yīng)用；創(chuàng)新能力；教學(xué)模式；教學(xué)改革

［中圖分類號］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）23-0068-05

隨著科技的快速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，在新工科的大背景下，社會對工程人才的培養(yǎng)提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要高校培養(yǎng)出既具備扎實專業(yè)基礎(chǔ)，又具備較強(qiáng)實踐能力和創(chuàng)新意識的人才，以滿足企業(yè)解決復(fù)雜工程問題的需求[1-2]。當(dāng)前，教學(xué)理念正經(jīng)歷深刻的變革，課程教學(xué)模式也隨之轉(zhuǎn)變。因此，高等教育必須不斷探索和實施新的教學(xué)模式，以適應(yīng)社會對人才的需求變化[3]。鑒于工程流體力學(xué)這門課程內(nèi)容涉及面廣，且具有較強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用型特點，傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4-5]。圍繞以實踐應(yīng)用為核心、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，課程組充分利用先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)與手段，改進(jìn)教學(xué)方法，旨在提升課程教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)理論與實踐的深度融合。課程組將結(jié)合能源動力類及給排水科學(xué)與工程專業(yè)工程流體力學(xué)課程教學(xué)，探討課程教學(xué)新模式的構(gòu)建與實施策略。

一、課程基本情況

工程流體力學(xué)作為蘭州理工大學(xué)能源動力類及給排水科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論深度與實踐性特質(zhì)廣受關(guān)注。工程流體力學(xué)作為力學(xué)領(lǐng)域的重要分支，主要研究流體的平衡、運動規(guī)律以及流體與固體壁面、流體與流體之間的相互作用。課程內(nèi)容綜合了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料力學(xué)等多學(xué)科知識，不僅涵蓋了流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，如流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)等，還涉及流體力學(xué)在工程實踐中的應(yīng)用，如明渠恒定均勻流動、滲流等。通過該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生具備解決流體裝備及系統(tǒng)中復(fù)雜流動問題的能力。此外，學(xué)生可通過課程實驗觀察流體的運動現(xiàn)象，理解其實際應(yīng)用，提升自身實踐能力和團(tuán)隊合作能力[6]。

由此可見，工程流體力學(xué)作為一門綜合性較強(qiáng)的課程，為解決實際工程問題提供了有效的手段，是培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才的重要課程之一。然而，該課程理論性和系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及知識面廣，概念抽象，理論公式推導(dǎo)繁多，加之其較大的專業(yè)跨度，在一定程度上加大了教師授課的難度，不利于學(xué)生對工程流體力學(xué)知識的理解和掌握。因此，如何在教學(xué)過程中改進(jìn)教學(xué)方法，從而提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、實踐性、創(chuàng)新性等，成為目前亟待解決的問題。

二、教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

（一）理論與實踐脫節(jié)

工程流體力學(xué)內(nèi)容包含眾多抽象的概念和復(fù)雜的理論模型，如流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、湍流理論、宏觀尺度流體機(jī)械、明渠流動等。這些理論知識往往難以直觀理解，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)。然而，在實際教學(xué)過程中，由于課時限制和教學(xué)方法的局限性，教師無法充分講解上述復(fù)雜的概念及理論，還易使學(xué)生對理論知識感到乏味。此外，在理論教學(xué)中，教師過于注重對理論知識的講解和公式的推導(dǎo)，忽視了對實際工程背景的分析，致使理論與工程實際脫節(jié)。

（二）缺乏實踐環(huán)節(jié)

實驗教學(xué)是工程流體力學(xué)教學(xué)中的一部分（目前該課程總學(xué)時56，其中理論學(xué)時42、實驗學(xué)時14），實驗涉及沿程水頭損失、動量方程、文丘里管等，內(nèi)容相對較少。目前學(xué)校的實驗條件有限，實驗設(shè)備陳舊，難以滿足學(xué)生的實踐需求。這導(dǎo)致學(xué)生對理論知識的理解和掌握停留在表面，缺乏與實際工程問題相結(jié)合的綜合性和創(chuàng)新性實踐。

（三）教學(xué)方法和手段單一

在工程流體力學(xué)教學(xué)過程中，教師往往采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式，過度依賴多媒體課件，板書較少。例如在講授流線與跡線、孔口與有壓管道流動時，教師大多從基本概念方面進(jìn)行講解，結(jié)合日常生活中用到的一些知識幫助學(xué)生理解。然而，由于缺乏多樣化的教學(xué)方法和教學(xué)手段，這樣的教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也無法滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

（四）缺乏與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)方法

隨著現(xiàn)代技術(shù)的日新月異，諸多前沿教學(xué)手段和技術(shù)正逐步融入教育領(lǐng)域。然而，在工程流體力學(xué)的教學(xué)實踐中，這些現(xiàn)代技術(shù)的運用尚顯不足，未能廣泛且深入地發(fā)揮其潛力，使得教學(xué)內(nèi)容和方法略顯陳舊，難以與當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)期望和習(xí)慣相契合。此外，教學(xué)評價體系偏重對理論知識方面的考核，而對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的評價不足。

（五）忽視學(xué)生個體差異

工程流體力學(xué)作為能源動力類及給排水科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其面對的學(xué)生群體擁有不同的專業(yè)背景和理解能力。其中，部分學(xué)生已具備一定的流體力學(xué)知識基礎(chǔ)，而另一部分學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱。此外，學(xué)生個體的學(xué)習(xí)風(fēng)格各異，如視覺型、聽覺型、實踐型等，然而，當(dāng)前的教學(xué)方法未能充分考慮學(xué)生的個體差異，采用統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度安排，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果兩極分化：部分學(xué)生因教學(xué)進(jìn)度過快而感到難以跟進(jìn)，部分學(xué)生則因教學(xué)內(nèi)容過于簡單而覺得缺乏挑戰(zhàn)。

三、教學(xué)改革策略

基于上述學(xué)情，課程組緊緊圍繞新工科背景，提出以下改革措施。

（一）強(qiáng)化理論與實踐的結(jié)合

工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革聚焦工程背景，需實施多元化、多層次、多模塊的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。為充分適應(yīng)新工科建設(shè)需求，通過探索宏觀尺度流體機(jī)械、流體裝備及給排水系統(tǒng)等方面的流動問題，將課程教學(xué)與專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的工程問題和學(xué)科前沿相結(jié)合，增強(qiáng)課程的創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度，以全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力，如圖1所示。因此，必須從理論和實踐教學(xué)方面進(jìn)行改革，將理論與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，確保學(xué)生掌握相關(guān)領(lǐng)域的知識，且具備良好的實踐素養(yǎng)。

工程流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容主要有七章，涉及流體的基本概念、流體靜力學(xué)/動力學(xué)、管內(nèi)流動、明渠恒定均勻流動、滲流等。為了讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)有效掌握基本知識、原理及工程應(yīng)用，應(yīng)從以下幾個方面對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重點改革：（1）梳理課程框架，構(gòu)建“高階”課程體系，以體現(xiàn)課程的高端性和系統(tǒng)性。結(jié)合每章節(jié)的課時安排，繪制出各章、各節(jié)之間的思維導(dǎo)圖，基于學(xué)生基礎(chǔ)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建立所學(xué)理論知識與工程實際應(yīng)用之間、不同學(xué)科之間的聯(lián)系，從而培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、知識遷移能力以及自我學(xué)習(xí)能力。（2）明確工程導(dǎo)向型課程設(shè)計。結(jié)合當(dāng)前企業(yè)的實際需求，在理論教學(xué)中穿插實際工程案例，引導(dǎo)學(xué)生自主探索、分析并解決實際問題。借助小組討論、角色扮演等教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力，同時培養(yǎng)其團(tuán)隊協(xié)作和解決問題的能力。（3）引入前沿科技，關(guān)注流體力學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展，并將已有的科研成果納入教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加貼近工程實際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

流體力學(xué)實驗部分包括動量方程、沿程水頭損失、文丘里管等，然而理論課程的講授與實驗過程不同步，加之部分實驗設(shè)備過于陳舊，導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中只是機(jī)械地記錄數(shù)據(jù)，對理論知識理解的深度不夠。因此，在實踐教學(xué)方面，首先是要保證理論教學(xué)與實驗同步。其次是要完善實驗條件，如建設(shè)流體力學(xué)開放型實驗室，為學(xué)生提供先進(jìn)的實驗設(shè)備和資源，使學(xué)生能更加深入地理解流體力學(xué)的基本原理和方法。及時更新實驗內(nèi)容，設(shè)計具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的綜合實驗項目，讓學(xué)生在實驗中鍛煉實踐能力和創(chuàng)新思維。最后是要與企業(yè)合作，為學(xué)生提供實習(xí)實訓(xùn)機(jī)會，讓學(xué)生親身體驗工程流體力學(xué)中重點知識的應(yīng)用和實踐，提高其實際操作能力。

（二）采用“一主線、兩平臺、三層次”的教學(xué)框架

“一主線、兩平臺、三層次”的教學(xué)框架如圖2所示。具體而言，“一主線”即明確以提升學(xué)生解決實際工程問題的能力為主線，貫穿整個教學(xué)過程，要求教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評估方式都圍繞這一主線展開?！皟善脚_”包括理論和實踐教學(xué)平臺，為學(xué)生提供豐富的實踐資源和靈活的學(xué)習(xí)空間。理論教學(xué)平臺注重基礎(chǔ)知識的傳授，實踐教學(xué)平臺則強(qiáng)調(diào)知識的應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。例如在講解判斷流體流態(tài)時，首先講授判斷流態(tài)的理論公式，如雷諾數(shù)的計算方法及其在流體力學(xué)中的應(yīng)用，然后利用多媒體教學(xué)資源，動態(tài)展示流體在不同流態(tài)下的速度分布等，幫助學(xué)生直觀地理解流態(tài)形狀，最后設(shè)計實驗讓學(xué)生親自操作，使其了解可以通過調(diào)整流速、流體性質(zhì)等參數(shù)改變雷諾數(shù)，由此觀察流態(tài)的變化。上述過程結(jié)合了“兩平臺”的優(yōu)勢，體現(xiàn)了知識體系的完整性以及學(xué)生體驗的豐富性?！叭龑哟巍眲t是指基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)、綜合實踐應(yīng)用到創(chuàng)新能力培養(yǎng)三個逐級遞進(jìn)的教學(xué)層次，確保學(xué)生既能扎實掌握流體力學(xué)基本原理，又能熟練運用知識解決實際問題，并具備探索未知、創(chuàng)新求變的能力。其中，基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)主要側(cè)重于基礎(chǔ)知識的傳授和基本技能的培養(yǎng)；綜合實踐應(yīng)用旨在讓學(xué)生掌握一定的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識后，引導(dǎo)學(xué)生開展綜合性的實踐應(yīng)用；創(chuàng)新能力培養(yǎng)是基于前面兩層次，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，可通過鼓勵學(xué)生參與科研項目、創(chuàng)新競賽、創(chuàng)業(yè)實踐等方式進(jìn)行。

（三）采用多樣化的教學(xué)方法

如前所述，工程流體力學(xué)教學(xué)中，教師大多采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法。而這種教學(xué)方法往往比較單一，即教師單方面地輸出知識，學(xué)生在此過程中往往處于被動接受的狀態(tài)。這種教學(xué)方法缺乏互動性與啟發(fā)性，難以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性。因此，教師應(yīng)當(dāng)采取新型的教學(xué)方法及手段，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（1）項目驅(qū)動式和啟發(fā)式教學(xué)。項目驅(qū)動式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的綜合性教學(xué)方法，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過參與實際項目以掌握基本知識和技能[7-8]。在項目驅(qū)動式教學(xué)中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成項目的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練以及總結(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和實踐技能。啟發(fā)式教學(xué)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過聯(lián)想、分析相關(guān)的技術(shù)問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。在工程流體力學(xué)課程的講授過程中，要想充分利用上述兩種教學(xué)方法，可從以下方面開展：針對企業(yè)需求，設(shè)計出相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，開展校企合作。例如，某企業(yè)遇到這樣一個問題——某種流體經(jīng)過多段彎管后壓降損失很大，企業(yè)想得出量化的結(jié)果，需采取什么措施以優(yōu)化管道管路、減少損失。針對上述問題，教師需要引導(dǎo)學(xué)生探討如何將工程流體力學(xué)中所學(xué)的理論知識應(yīng)用于工程實際（流阻損失、水頭損失、管道流動等），即基于前期所學(xué)知識進(jìn)行思考，并不斷總結(jié)與提升，從簡單過渡到復(fù)雜。同時，要求學(xué)生全程參與項目的規(guī)劃、設(shè)計、實施和評估。學(xué)生可以分組合作，模擬真實的工程環(huán)境，從項目立項、資金申請、團(tuán)隊組建、實驗設(shè)計到成果展示，全程參與，體驗完整的項目流程。對于在項目開展過程中有新想法的學(xué)生，教師應(yīng)當(dāng)鼓勵其展開聯(lián)想，深入分析并勇于提出問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，并鼓勵其參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類大賽[9]。

（2）結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行教學(xué)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，許多新的教學(xué)手段和技術(shù)被引入課程教學(xué)中。因此，針對工程流體力學(xué)中的教學(xué)重點，例如靜止液體對曲面/平面的作用力等內(nèi)容，教師可利用多媒體課件、視頻、動畫等教學(xué)資源，通過在線發(fā)布的方式供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，學(xué)生還可以隨機(jī)參與有獎競答，從而有效提高教學(xué)效果。教師還可以通過多媒體展示復(fù)雜的流體力學(xué)現(xiàn)象和工程實例，幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)理論知識點。同時，對于一些較難理解和掌握的原理，可引入虛擬仿真技術(shù)，用于模擬復(fù)雜的流體流動現(xiàn)象，如管道流動、流體與固體壁面的相互作用、邊界層理論、紊流運動等，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)采集，提高教學(xué)的互動性和趣味性。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生利用AI技術(shù)解決流體力學(xué)問題，如通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測流體流動狀態(tài)、優(yōu)化設(shè)計方案等，這不僅可以提高學(xué)生的編程和數(shù)據(jù)處理能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力?？山柚髷?shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，跟蹤和評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為個性化教學(xué)提供數(shù)據(jù)支持。

（四）關(guān)注學(xué)生個體差異

針對工程流體力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的學(xué)生之間差異明顯、學(xué)習(xí)效果兩極化、個別學(xué)生因教學(xué)進(jìn)度過快而產(chǎn)生倦怠情緒等問題，可采取以下方式予以解決：

一是教學(xué)策略差異化。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)、興趣和學(xué)習(xí)能力，實行差異化教學(xué)策略。針對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，建立課外輔導(dǎo)和答疑機(jī)制；針對能力較強(qiáng)的學(xué)生，則提供更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)和進(jìn)階課程，以滿足其學(xué)習(xí)需求。二是學(xué)習(xí)計劃個性化。充分尊重學(xué)生的獨特性和發(fā)展?jié)摿?，為學(xué)生制訂個性化的學(xué)習(xí)計劃。通過問卷調(diào)查、課堂互動等方式，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、興趣偏好等，針對不同接受能力的學(xué)生，制訂個性化的學(xué)習(xí)計劃，發(fā)掘其潛能。三是教學(xué)及指導(dǎo)層次化。采用層次化教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)生平時的課堂表現(xiàn)、性格特點，將學(xué)生分成不同的學(xué)習(xí)層次，為不同層次的學(xué)生提供特定的教學(xué)內(nèi)容和指導(dǎo)。同時關(guān)注學(xué)生的個性化需求，通過線上線下輔導(dǎo)、小組討論等方式，為學(xué)生提供有針對性的支持和幫助，并鼓勵學(xué)生參加學(xué)術(shù)競賽等。

（五）設(shè)計教學(xué)評價體系

完善教學(xué)評價體系是提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)根據(jù)工程流體力學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計多元化的評價體系，包括課堂參與度、實驗成績、線上答題、期末考試、態(tài)度和價值觀等多個維度，全面評價學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和效果。同時，根據(jù)實際教學(xué)情況，豐富評價方法，及時關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，通過課堂觀察、作業(yè)分析、項目參與度評估等方式，進(jìn)行形成性評價。目前，工程流體力學(xué)課程總成績計算方式為百分制，期末成績占70%（閉卷考試），平時成績占20%，實驗成績占10%。應(yīng)加大實踐成績的占比，鼓勵學(xué)生開展實踐學(xué)習(xí)。在其他方面，還可鼓勵學(xué)生進(jìn)行自我評價、同學(xué)互評，幫助學(xué)生進(jìn)行自我反思，認(rèn)識自己的優(yōu)點與不足。還可建立反饋機(jī)制，使教師能及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。通過全面、客觀、科學(xué)的評價，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實驗?zāi)芰σ约皠?chuàng)新能力。

通過以上改進(jìn)措施的實施，未來的工程流體力學(xué)教學(xué)將更加注重理論與實踐的結(jié)合、教學(xué)方法的多樣化和創(chuàng)新性，加大對實踐教學(xué)以及學(xué)生個體差異的關(guān)注，不斷完善教學(xué)評價體系。這對于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與實踐能力具有重要意義，為打造兼具創(chuàng)新精神與工程實踐能力的卓越人才奠定穩(wěn)固基石。

四、結(jié)論

工程流體力學(xué)不僅是高等院校能源動力類及給排水科學(xué)與工程專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課程，更是培育工程技術(shù)人才的關(guān)鍵課程。該課程涵蓋的知識點具有較強(qiáng)的實用性，在我國航空航天、高鐵、橋梁以及深海探索等多個尖端工程領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文針對教學(xué)過程中存在的理論與實踐脫節(jié)、教學(xué)方法單一、忽視學(xué)生差異等問題，構(gòu)建了以實踐應(yīng)用為核心、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)模式，搭建了“一主線、兩平臺、三層次”的教學(xué)框架，開展了項目驅(qū)動式和啟發(fā)式教學(xué)方法探索，根據(jù)學(xué)生的個性差異，設(shè)計了教學(xué)評價體系，突出了對學(xué)生實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 林鍵.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017，38（2）：26-35.

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［責(zé)任編輯：蘇祎穎］