流體力學小專題討論提升課堂教學效果的研究

崔海航　張鴻雁　張志政　周宇　常志英

[摘 要]在工科院校中，現代教學的中心任務是如何激發學生的創造性思維與創造性能力。流體力學作為一門既具有基礎課性質又具有鮮明專業技術特點的課程，是實踐上述教學思想的理想平臺。針對流體力學的特點，國內外知名院校均有通過流體力學專題討論來提升學習效果的案例。開展流體力學小專題討論，要有針對性地確定專題討論的形式、時間和內容，將這一形式與課堂教學有機結合。實踐證明，該方式可以有效地提高學生學習流體力學的興趣，增進師生之間的交流，培養學生對實際問題的凝練、分析和闡述的能力。通過匯總優秀素材建立題材庫，可以充實教學資源。

[關鍵詞]教學效果 流體力學 專題討論 學習興趣

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）09-0106-03

一、流體力學教學的特點

高等教育不僅是知識的傳授，更為重要的是能力的培養。能力的培養不僅包括學習知識的能力，還包括將所學知識靈活加以運用，解決實際問題的能力。這些能力的培養很難依靠傳統的教學手段來獲得，需要不斷探索新型的課程教學體系。[1]

流體力學作為一門既具有基礎課程性質又具有鮮明專業技術特點的課程，是實踐上述教學思想的理想平臺。[2]流體力學以牛頓運動定律、質量守恒定律和熱力學基本定律為基礎，研究在力的作用下流體的狀態，流體與固壁、流體與流體、流體與其他運動形態間的相互作用，是力學的重要分支之一。一方面，流體力學與每個人的日常生活緊密相連；另一方面，流體力學覆蓋了眾多理工科專業領域，它所衍生出的研究方法正在向金融、管理等領域滲透，成為兼具深厚研究底蘊與前沿研究方向的學科。

二、一般工科院校流體力學教學的特點及存在的主要問題

以西安建筑科技大學為例，流體力學課程定位為建筑環境與設備工程、給水排水工程、環境工程、環境科學及土木工程等專業的主干課程，是進一步學習工程熱力學、傳熱學、河流動力學、流體輸配管網及其他專業課程的基礎，對后續專業課教學起著非常重要的作用。長期以來，因概念抽象、學生缺乏工程概念和工程背景，使得流體力學課程既難教也難學，要想讓學生將學到的知識與相關的實際問題結合起來尤為困難。

盡管流體力學具有悠久的歷史，豐富的內涵和外延，但是作為專業基礎課，流體力學為專業課服務的定位極大地限制了課程的教學時間。在學生素質參差不齊的情況下，使得培養學生扎實的基礎和拓寬知識面兩方面不能兼顧，顧此失彼。這一問題的存在不但限制了學生學習的積極性，也不利于培養學生在工程中分析問題和解決問題的能力。因此有必要對這一問題進行研究，找到解決問題的方法，改善流體力學教學的效果。

三、流體力學專題討論的教學形式

對流體力學教學途徑的探索和改革一直在開展，其中提高學生學習的興趣是改善教學效果的核心，而專題討論是有效的手段之一。現階段，不同學校的專題研討具有以下特點：第一，內容不局限于書本知識，而是更接近學術前沿，甚至是尚未完全成熟的理論；第二，討論專題不同但都保持一致的風格，既需要學生獨立思考，形成自己獨特的見解，又需要小團隊的協作精神；第三，研討內容的選擇更多地考慮了人的因素，討論題目大都是基于任課教師和學生的興趣。

哈佛大學率先在專題討論的教學模式上進行了嘗試。他們采用專門的新生研討課的形式，由教授直接面向一年級新生開設，至今已有50余年的歷史。通過新生研討課，學生的學習熱情得到提高，更為重要的是它為學生提供了濃厚的學術氣氛。一般情況下，新生研討課每年的主題都會發生變化或完全不同，而為了保證教授和學生之間的充分交流，學生人數一般會有所限制。

其他院校也有在不同課程中開展專題討論課的教學實踐。清華大學從2003年起就開始由流體力學的知名學者為新生開設了“智能流體及應用”的研討課，得到了新生的普遍歡迎和好評。麻省理工學院從1986年開始嘗試，每門研討課的學生為8至10人，每年有800至900名新生參加，主要在大一、大二學生中進行。加州伯克利分校的流體力學新生研討課則著眼于生活，更加注重應用，具有鮮明的特色。中國科學院力學研究所主要以流體力學史和經典流體力學問題的課前討論為主，面向碩士和博士研究生。這些嘗試都證明新穎的教學形式可以提高學生的興趣，使學生帶著問題進入正式課程的學習，增加學生學習的積極性，對學生具有非常正面的影響。

四、流體力學小專題討論的實施、效果分析及后續工作

在借鑒國外高校和國內知名院校經驗的基礎上，我們開展了課前小專題討論提高流體力學教學效果的改革嘗試。這一方式已在西安建筑科技大學環境與市政工程學院的不同專業進行了嘗試，其中在環境工程專業開展了兩輪嘗試，其余專業各開展了一輪嘗試。目前已匯總了學生的研討論題50余份，在此基礎上對實施過程進行分析，得到一些有益的結果，下面從小組人數、內容選擇、時間安排、討論形式、成績評定及教師作用五個方面進行闡述。

討論小組中學生的組成、人數是實施這一舉措的關鍵。在實施過程中我們嘗試了以自由組合、按學號分組等方法組建討論小組，每個小組學生的人數通常按照總課時和班級總人數來確定，每個組員分工負責、各司其職，例如分別負責資料收集、PPT制作和講解工作。根據上述原則，在不同的班級中，小組的成員人數在1至4人間變化。從討論效果可以看到，確定小組成員的人數是專題討論中的關鍵環節。當小組人數較少時，一般選題不夠深入，PPT的質量略顯粗糙；而當小組人數較多時，專題討論質量會上升，但會導致部分學生的參與流于形式。此外，討論課初始階段學生的示范作用非常重要，當這一階段專題討論的質量非常高時，往往能帶動和影響后續學生專題討論的質量，反之則起到不良的示范作用，因此很有必要在最初的實施過程里加以重點引導。在有多個行政班的情況下，還可以考慮穿插安排，在各個專業班級之間形成無形的競爭關系，這可以在一定程度上提高學生參與的積極性。

專題討論的時間安排在課前5～10分鐘為宜。這一安排的主要出發點是在不影響整體教學進度的情況下，將小規模的專題討論有機地融入課堂教學，而不需要額外安排時間，這是我們區別于以往其他院校專題討論課的最主要的方面。小專題討論以清楚闡述一個主題為原則，避免過大的論題造成時間的拖沓。學生課前預先準備好演示所需的硬件條件，可以有效提高時間的利用率。按照一次課2×50分鐘計算，每次10分鐘的小專題討論所占用的時間完全可以通過其他環節的調整獲得，不影響教學計劃的正常進行。

考慮到學生的知識面和授課進程，在討論內容方面以流體力學范圍內目標明確的小專題或流體力學史及流體力學經典問題為主。后者的選擇主要是考慮到課程初期學生對流體力學沒有認識或認識比較粗淺，可以通過國內外人物介紹和經典問題進行一段時間的過渡。在課程的中后期，學生的論題選題大都具有明確的針對性和時代氣息。從現有的選題來看，學生的選題非常靈活和廣泛，典型論題包括綠茵場上的流體力學、拳頭大的雨滴見過沒有、水旋石球、汽車阻力、高爾夫球效應等。選題內容與教材銜接緊密，其中有關邊界層繞流阻力問題所占比例最大，約為40%，其次依次為流體力學史、伯努利方程、湍流及虹吸現象等。需要特別指出的是，在實施過程中需要對工程問題與科學問題加以區分引導，這主要是考慮到工科院校學生對工程問題的關注程度較高，而忽略了基礎科學問題，教師有意識地引導將有助于彌補這一缺陷。

討論通過PPT的形式進行展示，學生講解后回答其他同學提出的簡短問題。在條件許可的情況下，多媒體的運用可以使得其他學生更好地接受所講述的內容，而且有助于鍛煉學生凝練問題和闡述問題的能力，為他們提供展示能力的機會。盡管如此，多媒體講述并不是唯一的選擇，實物演示和提問式互動都可以很好地提升問題的闡述效果。例如，在講述紙飛機的問題中，由于學生課前準備充分，將講述中所提到的九種紙飛機的疊法都以實物的形式呈現在課堂上，并分發到其他同學手中，依據實物講解其中紙飛機的穩定性、飛行距離等性能，效果突出。解答其他同學提出的問題是互相學習的過程，目前這一環節在實際討論中因為時間受限而不能過度展開，需要在今后的實施過程中加以改進。

教師的定位是這一舉措中的又一關鍵環節。任課教師通常需要對論題進行點評和拓展，并依據小專題討論的總體效果將其計入平時成績。教師在本方法中的引導尤為關鍵，這就要求教師具有較為寬廣的知識面，要詳細了解流體力學的發展史。教師應在平時不斷學習和積累相關的知識，加強對有關前沿內容的跟蹤和了解，并能夠積極地在基本的教學任務之外主動參與到本環節中來。同時，在教學中對所討論中涉及的內容進行再次強調，引導學生參與到課堂教學中來，提高他們學習的主動性。另外，討論課也為師生之間的交流提供了一個平臺，有利于加強師生間的溝通。最后，盡管學生對于討論課的熱情與討論課的成績評定沒有直接的關聯，但是計入平時成績仍是必要的手段。

五、結論與討論

流體力學作為物理學和力學的一部分，理論內涵豐富，同時又兼具工程問題的典型特點，是不同專業后續課程的基礎，它的研究方法和研究思想具有很大的普遍性，研究內容也在不斷地更新和發展。

通過引入小專題討論的形式，增強了學生學習流體力學課程的積極性，強化了學生創造性思維和能力的培養，使得學生在跨出校門或進入更高層次學習階段時具備很好的起點。從教學效果來看，該方法可以使學生更好地領會課程核心的內容，加深對伯努利方程、邊界層擾流阻力等重點、難點內容的理解，擴展了知識面，了解流體力學在新能源、環境、納米科技等新興領域中的應用。在實施過程中，大部分學生都熱情參與，表現出新時期大學生的特點。通過學生自選題、給定前沿問題或與專業相關的典型問題，可以使學生帶著問題進入正式課程的學習，有效避免了直接接觸復雜數學推導而帶來的枯燥感。

小專題討論方式仍有大量后續工作需要開展。首先，需要研究面向不同專業引入針對性小專題研討的可能性，確定小專題討論的合理規模、形式和不同專業的側重點，形成具有繼承性的教學傳統。其次，在后續工作中，需要對專題討論的素材進行整理，并針對部分學生繼續培養其科研興趣，或結合其他本科生教學活動，如本科生科研訓練項目和大學生創新性實驗計劃等，繼續對選題進行深入研究。最后，形成學生PPT課件集錦，供后續學生選題使用，或在課堂教學中進行相關引導。該方法的研究可以在有豐富內涵和歷史的大課時專業基礎課中加以推廣，如大學物理、固體力學等。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]