流體力學課程教學改革策略研究

鄭 強

1 概述

流體力學是一門理論性和實踐性都較強的課程,概念抽象、方程繁瑣,對學生高等數學知識及綜合分析和處理問題的能力要求較高。在教學過程中,筆者發(fā)現學生普遍缺乏對流體運動的感性認識,不清楚流體力學有什么用,缺乏學好流體力學的動力。如不及時加以引導,提高學生對流體力學的認同感,很可能導致其在學習中產生畏難或厭學情緒,影響教學進程和專業(yè)培養(yǎng)的質量。在全面推進素質教育,加強創(chuàng)新教育的教學改革進程中,如何針對流體力學課程特點,從教學內容、教學方法和教學手段等方面對流體力學教學改革進行深入探析,構建一套新的流體力學教學模式具有非常重要的意義。

2 重組教學內容,優(yōu)化教材結構

流體力學課程體系可分為基本理論和試驗知識、基本應用、與教學內容相關的發(fā)展歷史與前沿、與其他學科的交叉內容、與工程實際的滲透和應用等等模塊。模塊式教材結構的優(yōu)點在于:有利于根據各學科專業(yè)的不同需求選擇學習內容;每個模塊的學時數較少,教學目標明確,容易實現,可以調動學生的學習積極性,提高學習效率;模塊之間既具有相對的獨立性,又存在有機聯系,在滿足各科專業(yè)不同教學層次需要的情況下,可保證該課程的系統(tǒng)性和完整性;有利于學分制的實施[1]。

目前國內流體力學課程體系貫穿靜止流體→理想運動流體→實際運動流體;一元流體→二元流體→三元流體這兩條主線。各部分先從建立微分方程入手,然后在特定條件下進行積分得到相應的能量方程。這種體系的特點是由簡到繁、由易到難,學生易于接受,但交叉重復內容較多,章節(jié)跨度較大,學時要求相對過多。基于模塊式教材結構,可以構建新的更易于教和學的課程體系:即在講授流體運動學基礎、動力學基礎時,先從三元不可壓縮粘性流體流動的基本方程入手,使學生在本門課程開始就接觸到流體動力學的總的輪廓和最基本的理論方程,后面的理想流體動力學及一元流體動力學問題作為其特殊情況處理,將理想流體、一元流動的條件代入有關方程,即可得到理想流體、一元流動的動力學方程。這種體系的特點是由一般到特殊,條理清楚。教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學及理想流體動力學問題,就可略去大量的公式推導過程,教材篇幅相對較少,所需學時較少,內容組織層次感較強,講起來更加引人入勝和重點突出,教學過程相對簡化[2]。

3 通過直觀工程實例,激發(fā)學生的學習積極性

流體力學課程的授課階段,任課教師在完成教學內容的同時,應結合專業(yè)目標盡可能多地介紹流體力學廣泛的工程應用背景,引導學生提高自主學習流體力學的興趣和積極性。在流體力學教學中適當地穿插講述一些發(fā)生在我們身邊的重大事故、重大災害和重大建設項目的實例,對學生認識流體力學對于工程建設和工業(yè)生產的重要性、培養(yǎng)嚴謹的科學作風很有幫助。在講述空氣動力學中機翼升力隨攻角的變化時可以介紹1998年華航空難事件;在講述流體靜力學理論時可以穿插1979年“渤海二號”鉆井船翻沉事件,使學生得以深刻理解浮體在流體中的穩(wěn)定性條件;在講述流體中渦旋的產生和發(fā)展變化時可以介紹9711號臺風預報實例;在講述流體靜力學中液體作用在曲面的總壓力計算時可以介紹1993年青海溝后水庫垮壩事件等[4]。

4 多媒體教學與傳統(tǒng)的教學方法相結合

4.1 傳統(tǒng)教學模式的特點

傳統(tǒng)教學模式是使用傳統(tǒng)的教學手段(語言、文字、圖表、表格、掛圖、標本、模型等),完成特定教學內容的一種課堂教學形式。其特點是教師口授、板書,學生耳聽、筆記。傳統(tǒng)教學模式有一整套相對成熟的教育理論,積累了豐富的教學經驗。在傳統(tǒng)教學中,通過教師形象、生動的講述,學生易于接受,教師能根據學生及時的信息反饋,了解學生對所學知識的理解程度,并據此調整教學策略以達到預期的教學目的。這種教學模式有利于教師主導作用的發(fā)揮,教師可以根據學生的具體情況提問,因人而異,突出重點與難點,靈活講解;有利于教師的組織管理和教學過程的調控;對教學環(huán)境的要求比較低。傳統(tǒng)式教學以教師為主體,在整個教學過程中,學生都始終處于被動的知識接受者的地位,學生學習的主動性被忽視,甚至被壓抑,從而大大降低了教學效率。它片面注重現成知識的傳授功能,忽視了探索和創(chuàng)新知識的功能。與此同時,由于教學學時縮短,如何在有限的時間內,讓學生學到更多更豐富的知識,這是傳統(tǒng)式教育在當今教學中所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)[5]。

4.2 多媒體教學模式的特點

多媒體教學是指在課堂教學過程中,引入以多媒體計算機系統(tǒng)為核心的,集圖、文、聲、像全方位信息處理功能的智能化教學系統(tǒng),根據信息傳播理論和教學過程的規(guī)律而設計、實施和評價的,通過形聲媒體和軟件的運用,調控著教學的全過程的新型教學方式。多媒體教學具有傳統(tǒng)教學方式無法替代的優(yōu)勢:采用多媒體教學技術,增強了教師與學生交流,可以充分發(fā)揮學生學習的積極性;用信息的多維化來滿足思維的多維化;多媒體教學使教學方式形象生動,有利于培養(yǎng)學生的思維能力、想象能力和創(chuàng)造能力;多媒體及網絡技術可以使教學信息雙向化;多媒體教學信息量大,有效提高了教學效率,解決了課程設置與學時的矛盾;多媒體教學對教學資源的傳播和再利用起到了積極作用[6]。

4.3 注重傳統(tǒng)教學模式與多媒體教學模式有機結合

考慮到多媒體技術授課和傳統(tǒng)的授課方法各自的優(yōu)缺點,在流體力學教學過程中應將兩種教學方法有機結合起來,取長補短,相輔相成。

流體力學教學中讓學生認識流動的物理本質,是一件首要的、基礎性的任務。學生如果沒有親眼見到流體運動中的動態(tài)過程,單憑教師的講解是很難建立清晰的物理概念的,若在此時就介紹抽象的概念、復雜的流動方程,學生是無法接受的。利用多媒體手段,可以將流體力學里面那些很難用語言描述的流動圖像,如流體繞流、流體由層流向紊流的轉化、勢流、流場、波的傳播、流線的概念、跡線的概念、拉格朗日描述和歐拉描述形象生動地顯現出來,可以幫助學生建立清晰的物理概念,縮短認識過程。其次,對于水靜壓強分布圖、水頭線、莫迪圖、射流流場等相關內容,教師需占用大量時間寫板書表述,有些甚至不易通過寫板書表述,采用多媒體手段表達后,不但可以提高教學效率,幫助學生很好地理解課程的難點,還可激發(fā)學生學習的積極性,從而為教學質量的穩(wěn)定與提高提供了保障[2]。

傳統(tǒng)的授課方法在公式推導、例題講解過程中占有優(yōu)勢。重要公式推導,重點、難點、概念的闡釋,用板書的形式來講授更加符合人們的邏輯思維習慣。教師通過在黑板上的推導過程,介紹思路和方法,留給學生足夠的時間思考、琢磨和消化,能夠促進學生思維的開拓與參與意識,并使其牢固地掌握做題的方法和步驟。如果單一采用多媒體手段進行教學,可能導致學生出現思考不足、理解不透、學習困難、興趣下降等現象[7]。

5 結語

深入的教育體制改革為課程教學改革提供了廣闊的天地。作為一門古老而又新興的學科,面對機遇和挑戰(zhàn),流體力學課程教學工作的改革勢在必行。為了有效地實施素質教育,培養(yǎng)知識型高技能人才,激發(fā)學生的思維與創(chuàng)造力,我們應以教學效果為目標,根據教學內容的需要,從教學方法和教學手段等方面著手,對流體力學的教學進行一些初步的探索和有益的嘗試。

[1] 杜廣生.高校工科流體力學教學改革探析[J].山東工業(yè)大學學報(社會科學版),1998,45(2):80-81.

[2] 辛軍哲.在流體力學課程中實踐啟發(fā)式教學的幾點體會[J].高等建筑教育,2004,13(2):51-53.

[3] 李建強.流體力學在工程建設中的應用[J].華東交通大學學報,2001,18(3):66-67.

[4] 嚴宗毅,鄭桂珍.在流體力學教學中通過重大事件實例教書育人[J].力學與實踐,2002,24(4):68-69.

[5] 張春玲.利用多媒體技術提高整體教學效率與效果的研究[D].南昌:南昌大學,2007.

[6] 韓 芳.高等院校多媒體教學質量保障研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[7] 楊小林,楊開明,嚴 敬,等.流體力學課程教學改革探析[J].高等教育研究,2006,22(2):47-48.