流體力學教學改革與應用

宮偉力++彭巖巖

摘 要：流體力學是工程力學專業的核心基礎課程，也是一門理論性與應用性都很強的課程。教學改革要求教師必須注意改革傳統的教學方式，從灌輸式教學方式向互動啟發式教學方式轉變。這種轉變不僅有助于提高教師的教學技巧，而且也有利于調動學生的學習積極性，提高他們自主學習能力，為他們終生學習打下牢固的基礎。從流體力學教學實際出發，闡述互動啟發式教學方式運用的方法和成果。教學改革后提高了教學效率，學生最終能夠學以致用。

關鍵詞：流體力學 教學改革 互動啟發式教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（b）-0030-02

近年來，作為在新的歷史時期全面推進我國高校人才培養模式改革的重要舉措，中國礦業大學（北京）大力開展全面建設研究型本科教育教學體系，加強學生創新能力的培養，落實“創新教學環節”的教學改革研究。“創新教學環節”由創新方法類課程、創新實踐活動組成。包括科研導論課、科研技能實踐、以及大學生創新訓練項目等等。然而，大學本科生在校的大多數學習時間還是以課堂為主，如何對課堂教學進行改革，以適應研究型本科教育教學體系的需要，是本文探討的問題。

1 流體力學課程的指導思想及定位

流體力學是工程力學專業的核心基礎課程，為后續課程提供必要的基礎知識和應用工具。因此，牢固掌握流體力學課程的基本內容，熟練運用該課程的基本方法，透徹理解其基本思想，是打開力學專業階段學習的關鍵。對于流體力學這門課的普遍認識是，老師們難教，學生們難學。究其原因，是因為學生在中學沒有接觸過流體方面的知識，是“懵懂無知”的狀態；而到了大學，一開始就要接觸流體的性質、模型、運動學和動力學的概念，是“被動接受”的狀態。這對于大學生來說勢必會感覺很難，從上課聽不懂，習題不會做到上課不想聽，習題抄答案，形成惡性循環，而教師的灌輸式教學更使得這門課預期達到的教學目標難以實現。學生的基礎沒有打好，對于后續課程的學習勢必產生不良影響。如何使學生在學習過程中既能獨立思考，又能積極響應教師的互動提示，進行有效的互動，這是提高教學效果的關鍵所在。

以學生為主體、教師為主導的互動式教學思想[1]在教學工作中逐步得到鞏固和落實，在教學方法的改革上取得了可喜成績。但是，要真正實現“教以學為本”[2]，還需要不斷在教學思想、教學方法、課堂結構等諸多方面進行創新性的探索與研究。作者近年來一直從事流體力學課程的教學工作，對如何讓學生學好這門課進行了一定的研究。作者認為，啟發式教學[3]對于流體力學難教、難學這一問題是一有益的解決方案。通過在課堂上與學生互動以及在適當的時候對學生進行啟發，能夠改變流體力學課堂沉悶，學生不想聽講的氛圍，同時對培養學生的力學修養與力學能力大有裨益。教師在教學過程中切實重視、真正確立學生在學習過程中的主體地位，通過學生自悟、質疑、寫練的同時，加強學生主體之間的信息交流，以及教師的適時點撥啟導，構建“互動啟發式”這一課堂教學結構體系，能更好地讓學生學會學習，逐步提高學習修養。

作者針對上述問題，參考了國內外教學資料，結合多年教學經驗，并以工程力學08級的“流體力學”教學為研究對象，成立了“巖爆研究大學生創新小組”。小組成員利用課余時間，參加重點實驗室的科研活動，在北京市學會第17屆學術年會上了表了三篇論文[4～6]。小組成員的學習熱情、學習成績、研究水平得到了很大的提高。由此可見“互動啟發式”教學適應教學改革的需要。“互動啟發式”教學方式改變了過去那種學生被動接受的狀況，它要求教師的教學必須以調動學生的積極性為主，學生是主動的參與教學，而不是被動的去記憶。作者在教學中發現，互動啟發式教學方式是教師學生“雙贏”的教學方式，它促進了師生間的情感交流，調節了課堂氣氛，是符合大學教學大綱的新選擇。

2 流體力學的基礎性、前沿性和時代性

《流體力學》課程是計算流體力學、多相流動、非牛頓流體力學的基礎性理論。同時，本門課程對于許多理論性較強的學科，如工程熱力學、傳熱學、應用數學、應用物理學、流固耦合、滲流力學等，都是必不可少的基礎理論課。《流體力學》課程中的許多專題：如邊界層理論、湍流、渦動力學、水波動力學、氣體動力學等都是發展迅速的前沿學科。當前，隨著環境和資源探測要求的增長與技術進步，出現了許多或以流體力學為基礎、或與流體力學相交叉的新學科，如CCS（碳固存）、煤巖中的瓦斯流動、多場耦合、多相流及非牛頓流體力學；特別是隨著高超音速飛行器和運載工具、超靜音潛艇、以及現代武器系統的發展，為流體力學學科提出了更多的新問題，也為學習《流體力學》的學生提供了廣闊的發展空間。

3 流體力學教學改革的嘗試和成效

在教學中努力踐行“研究型學習”[7]與“創新型人才”[8]的培養。開展“互動啟發式”教學法改革，培養學生積極思考、研究型學習、創新型思維的能力。在平時成績考核中，增加了“研究報告”一項，指導并鼓勵學生針對書中的重點、難點問題進行深入研究，在創新教育理念與研究性教學相融合上做出了有益的實踐。

3.1 教學方式的改革

《流體力學》課程的特點是：理論性很強，對學生的數學基礎要求較高。例如，除了需要了解一般張量變換和指標運算的規則外，還需要了解張量場論、曲線坐標系下的張量微分學、微分幾何中關于點、線、面間的拓撲關系；以及由Gaussian定理、Stokes定理、標量勢、矢量勢、Helmholtz張量分解定理、向量場的梯度來表示流體力學的求解域，需要了解它們的幾何意義以及在流場幾何描述中的應用。另外，在對不同流動現象的偏微分方程定解問題的求解中，需要講解有關的數學物理方法的背景知識，如解波動方程的行波法、求解渦旋場中的格林函數法等。僅采用PPT教學，難以表達在定理推導或偏微方程求解中的思辨、引證與推理過程。

因此，將傳統“板書式”教學與現代教育技術相結合，各種方法互為補充，探索啟發式教學法的創新，采用了以下的教學方法與教學手段：endprint

（1）對于建立流體力學基本方程組或偏微分程求解過程中的數學推導，采用板書講解為主，PPT為輔的教學方法。由于多數學生的張量場論與張量微分學的基礎較薄弱，在從這些定理出發建立流體力學基本方程的教學中，需要進行較長時間的數學推導，很容易造成學生的疲勞。采用傳統的“問-答”為主的“啟發式”教學法，往往得到“啟發”的只是部分基礎較好的同學，多數學生很少能主動響應，容易形成流體力學“難以學懂”的印象。

針對上述問題，創造性地設計了“互動啟發式”教學法。所謂“互動啟發式”教學，就是在設置啟發問題過程中，對被啟發對象的思維過程施加以強烈的影響，激發學生深入思考的方法。具體是，在理論學習、定理推導、或典型例題講解過程中，由老師首先進行提綱式講解，針對教材中的重點且難點問題，要求學生進行一定時間（5～7 min）的課堂練習作業，啟發學生提出問題。最后，再由老師進行板書講解的“講解—學生練習-提問—再講解”的課堂教學過程。

“互動啟發式”教學法實施的關鍵，是由教師對講解的問題進行綱要式分析，給出主要思路并交待相關背景知識，對其中的關鍵問題設置疑問點；在學生進行5～7分鐘的課堂練習過程中進行巡查，發現學生遇到的難點并適時提問，最后，有重點地進行分析與講解。在這一過程中，給學生提供了一個獨立思考的機會、創造了一個平等、自由的提問環境，使學生可以毫無顧慮地與老師交流，也便于老師及時發現問題。老師在學生達到思維臨界點時的講解，學生的印象深刻，可以達到事半功倍的效果。

（2）對于流體力課程中應用型專題和涉及實際物理現象較多的章節，采用PPT或錄像為主的現代化教學方法。這樣，可以在有限的課時內，在使學生充分掌握書中的理論知識的同時，對相關的物理現象有感性認識，加深對理論知識理解，以激發學生的科學探索精神，提高學生的學習興趣。為此，通過課程建設，編制了實驗錄像。實驗錄像介紹流體力學理論的背景知識，如有關流體粘性、壓縮性、靜力學實驗、伯努利方程實驗、雷諾實驗、邊界層流動等，利用PPT等現代化教學方法在課堂教學中加以運用。

（3）耐心、細致的課后輔導。對于在課堂上提出問題的學生，無論問題對錯、難易，在回答問題前，首先用“這是一個很好的問題，……”“你的問題很重要，……”等加以鼓勵，然后再回答問題；對勤于思考的同學加以表揚。

（4）改革考試的形式和內容，促進教學質量的提高。教學實踐中，對期末考試進行改革：平時成績定量化計分制；要求每位同學選擇教科書中的一個專門問題進行研究，提交一份專題研究報告；在期末考試卷面成績出題中與評分中，強調解題的分析過程。通過上述方法，在考試內容上，將知識測試與創新能力測試相結合。

3.2 教學改革效果

自我校工程力學專業開設《流體力學》課程以來，作者一直致力于以創新型人才培養、研究型學習方法建立為目標的教學改革，在不斷提高自身理論水平的同時，提出了“互動啟發式”教學方法并在教學實踐中加以運用。學校教學督導組的資深老師多次聽課，都給予了很高的評價。在授課中注重板書推演、思辨清晰、嚴謹、通俗易懂，在課后熱情輔導同學們的學習與創新研究活動。作者的授課及輔導受到同學們的廣泛歡迎。

4 課程特色

力學專業《流體力學》課程理論性強、對張量分析、場論、數學物理方法與特殊函數等數學基礎知識要求高。作者在不斷提高自身的理論水平、積極開展教學研究與改革的基礎上，形成了以下課程特色：

（1）在建立流體力學基本方程組與求解流場數學模型過程中，板書推演思辨清晰、嚴謹、通俗易懂，對所需的張量、場論、數學物理方法背景知識可進行詳細分析或精講。為使理論分析連續、易于啟發學生的思維，撰寫了近60萬字的背課筆記/授課講義，在板書推導中，多數情況下可以脫稿講解。

（2）采用“互動啟發式”教學方法，在課堂上形成與學生間的良好互動，啟發學生的自主思維、深入思考，以達到深入理解復雜數學、力學理論的目標。“互動啟發式”教學方法不斷充實完善，形成了包括課堂的即時啟發教學、平時的考察輔導與期末考試互相支持的系統方法。為研究型學習與創新型人才培養提供了有力保障。該方法得到了越來越多的認同。工程力學系的同仁，如黎立云教授、祝捷副教授等老師都采用了“互動啟發式”教學法，并形成了自己的特色，取得了很好的教學效果。

（3）強調“研究型”學習方法。在平時的作業中，要求學生將每一道習題當作一個“模型科學問題”，以論證與推演過程是否合理來評價學生作業的優良等級。對學生的作業認真評分并計入平時成績。允許作業成績不理想的同學可以重作，重新評分。另外，要求學生在課程結束前，選擇書中的問題提交一個研究報告，老師給予輔導、評分，并計入平時成績。以上措施在培養學生的研究型學習方法上起到了十分重要的作用。

（4）積極引導、支持學生開展創新科研活動。指導學生針對教學中的重點和難點開展解題方法、教學方法的研究，并將結果撰寫成研究報告或教改論文。在授課期間，對有學生要求給予科研的學術指導，總是熱情響應。

5 流體力學教學工作的展望

（1）繼續充實、完善習題庫、多媒體課件、實驗錄像等教學資源，實現優質教學資源共享。

（2）以創新型人才培養、研究型學習方法為目標，繼續開展教學方法的研究，不斷完善“互動啟發式”教學方法的內涵。

（3）現有的力學專業《流體力學》教材或深度不夠、或難于自學。準備在多年流體力學教學積淀與撰寫的講義的基礎上，出版一部通俗易懂、學術水平高、具有礦業特色的流體力學教材。

（4）目前的張量分析、場論的教材大都比較抽象，受眾較少。準備集自己多年在微分幾何、張量與場論理論的學習心得，在撰寫的講義基礎上，出版一部側重于講解張量、場論主要定理幾何意義及其在流場描述應用的學術論著，作為力學專業《流體力學》課程的參考教材。

（5）跟蹤國際上最新研究成果、發表高水平科研與教改論文，提高自身素質，促進教學水平的提高。

6 結語

用“互動啟發式教學”法進行教學，不但能使學生順利地接受新知識，而且教給學生利用已有的知識通過歸納總結去認識新知識的一種有效的學習方法，這就給了學生一雙點石成金的手。同時，由于采用對比、比喻等方法，引進一些生動活潑、通俗易懂、典型直觀的事例，不僅使教學雙邊活動有聲有色，而且在重溫舊課時輕松愉快的認識和掌握深奧、抽象、復雜的概念和規律，起到事半功倍的效果。“互動啟發式教學”是傳授知識、啟迪思維提高教學質量的重要手段，是一種行之有效的、科學的教學方法。

總而言之，作為大學教師，為了改革傳統的教學模式，必須在了解自己學生的基礎上采取相應的教學策略和教學方式。互動啟發式教學方式克服了傳統教學方式的不足，調動了學生的積極性和主動參與性，它是大學教學改革的必然要求，應該堅持并努力完善這種教學方式，使教學真正做到學以致用。

參考文獻

[1] 陸以理.探索交流互動式的教學方法[J].寧波高等專科學校學報，1999（3）：18-20.

[2] 季哲.以學為本的課堂教學系統的研究[D].華東師范大學，2012.

[3] 劉慧.啟發式教學思想新論：內涵和特點[J].天津職業院校聯合學報，2009（4）：50-52.

[4] 胡安琪，宮偉力.湍射流理論與紅外熱成像及數值模擬研究[C]//北京力學會第17屆學術年會論文集.2011：43-44.

[5] 陳滔，杜帥，馮旭偉，等.軟巖巷道的變形過程紅外熱像的混沌分析[C]//北京力學會第17屆學術年會論文集.2011：496-498.

[6] 宮偉力，馮旭偉，胡安琪，等.巖爆瓦斯滲流真三軸物理模擬實驗研究[C]//北京力學會第17屆學術年會論文集.2011：246-247.

[7] 范天成.研究型學習方式內涵與價值探析[J].教育探索，2006（7）：14-15.

[8] 郭世田.當代中國創新型人才發展問題研究[D].山東大學，2012.endprint