工程流體力學課程應用化教學改革研究

李楠　張財紅

[摘 要] 針對“工程流體力學”課程在教學過程中存在的問題和挑戰，以提高學生素質、增強學生分析解決實際問題的能力、培養應用型人才為目標，從課程的教學思想、教學設計、教學方法和手段等方面入手進行改革，探討課程應用化教學改革的新思路。通過教學改革的實踐，學生的學習興趣、聽課效果、創新精神、實踐能力以及綜合素質等方面都有了很大的改善，保證了教學質量和教學效果。

[關鍵詞] 工程流體力學；應用化；教學改革；教學效果

[中圖分類號] G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）03-0081-04

0 引言

所謂課程的應用化教學改革，是指以課程教材為理論基礎，以回歸工程實際為應用背景，以建立學生的應用知識觀念、培養學生的應用知識途徑、提高學生的應用知識技能為目的，借助現代化的教學媒介，通過教學指導思想的轉變、教學手段和方法的革新、課程體系的完善、教與學的優勢互補等一系列舉措而對傳統教學模式進行的全面革新。

高等學校本科生課堂教學改革歷來都是提高教學水平和教學質量的重要工作之一。21世紀初，教育部出臺《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》，針對我國高等教育面對的新形勢，提出了12條加強本科教學工作、提高教學質量的措施和意見，根據新世紀學科發展趨勢和人才培養要求確立課程改革新理念，提出使用現代化教育技術提升教學水平，以及注重培養學生的創新精神和實踐能力。

“工程流體力學”課程作為一門基礎理論性強、應用領域廣泛的專業基礎課，是高等學校多個工程類專業必修的學科基礎課程，是公共基礎知識與專業知識相銜接的紐帶，在普通高校的教學中具有重要地位[1]。本課程不僅為本科學生后繼相關專業課程的學習提供必要的基礎知識，也為研究生日后從事流體方面科學問題的研究提供了堅實的理論基礎[2]，另外還為工程實際問題的解決提供技術支持。因此，開展“工程流體力學”課程的應用化教學改革、提高教學質量，具有很重要的現實意義，對于提高專業型、應用型人才的培養有著積極的作用。筆者從“工程流體力學”課程的特點出發，結合近年來的教學實踐經驗，從教學思想、教學設計、教學方法和手段等方面進行剖析，希望能為廣大“工程流體力學”課程教學工作者提供參考。

1 教學中所面臨的挑戰

“工程流體力學”課程是研究流體的力學運動規律及其應用的學科，是力學的一個分支。作為一門專業基礎課，其側重點在于生產生活上的實際應用，趨向于解決工程中出現的實際問題。但是，近年來，隨著流體力學學科發生深刻變化，在教學過程中主要面臨以下三方面挑戰。

首先，隨著對流體運動的認識加深，測量手段也更為先進，并且隨著計算機技術的飛速發展，對流體運動的分析和處理能力空前強大，與工程應用結合也更加緊密，與其它學科交叉滲透的領域迅速擴大，學科發展的強勁勢頭促使流體力學課程非改不可，老的課程體系、內容和形式已經不再適應課程要求，必須花大力氣進行課程改革。

其次，“工程流體力學”課程知識結構復雜、概念抽象、數學公式繁瑣，歷來被歸入教師難教、學生難學的課程[3]，并且目前很多學生的學習興趣集中在外語、計算機等熱門課程，對流體力學的關注度逐漸下降。而且本課程專業跨度較大，覆蓋了機械工程、能源動力、土木水利、環境化工、農業生產等學科領域，各個領域要求差別程度大，如何實現他們的統一，具有很大難度。

另外，近些年來各個學校“工程流體力學”課程課時連年壓縮，已減少到最低限，使得教學內容越來越簡單，有些學校干脆刪除了物理背景、力學建模和求解過程，只剩下干巴巴的結果和計算公式圖表，這種趨勢需引起注意，這是一種短視的做法，培養的學生只是現成公式的計算機器，面對書本上沒有講過的問題或工程實際中遇到的新問題將束手無策，也缺乏與科研人員溝通的能力，不能成為研發新產品的技術骨干，這樣培養出來的學生沒有創新能力，這種傾向不能代表流體力學課程教學改革的方向[4]。

因此，必須面對當前形勢，緊跟學科發展，端正指導思想，引進優質資源，運用先進手段，全面系統的進行課程應用化教學改革。

2 教學改革所采取的措施

2.1 教學指導思想的改革

錢學森指出從20世紀起除自然科學和工程技術外形成了技術科學領域，那么對應在流體力學領域則是除理論流體力學和實驗流體力學外形成偏重于實際應用的工程流體力學。他曾提出用技術科學思想和方法論對流體力學課程教學改革進行指導，但這種指導思想一直到現在也沒有在流體力學的相關課程教學過程中得到充分體現。

傳統的理論流體力學階段主要是揭示自然界的普適規律，把研究對象置于最單純的理想條件下，因為當時的認識條件有限，對真實流體沒辦法研究。而實驗流體力學又沒有理論支持，缺乏普適性，只是針對某一個具體問題。這些理論與實際脫節的現象嚴重限制了流體力學的發展。因此將理論流體力學與實驗流體力學結合起來的偏重于實際應用的工程流體力學是發展的必然，工程流體力學一頭連著理論流體力學，另一頭連著實驗流體力學，是一個關鍵性領域。工程流體力學是技術科學思想的典型代表，體現流體力學的基本理念和方法論，展示近代成果的流體力學課程在教學體系中占有不可替代的重要位置。

高等學校培養創新和應用型人才的思想與目標應和應用流體力學的理念相一致，創立工程流體力學本身就是一個創新，它的目的是“工程”，因此在此理念下對流體力學課程進行教學改革在培養人才方面處于重要地位。只有接受了工程流體力學指導思想的教育與訓練，才能使得在交流過程中彼此了解對方的意圖，才能相互溝通、緊密合作，創造出新的成果，推動技術科學不斷發展，這是課程堅實的指導思想和任務。

2.2 教學設計的改革

應用化課程教學，在教學過程中同樣也要以教師為實施主體，以學生為主要接受主體，這與傳統教學方式差別不大。除此之外，應用化教學的主要目標為“應用”，因此在教學過程中要突出學以致用，把課程教學特點與各類工程實際應用特性相結合。根據“工程流體力學”課程的指導思想，從體系、內容、要求和方法對該課程進行全方位的應用化教學設計和改革。在教學過程中所遵循的路線是：基礎理論→案例分析→工程應用。

1）注重工程流體力學基本理論與概念的授課。通過本課程的學習使學生掌握工程流體力學的基本概念和定理的本質及其數學表達式，并能正確運用這些規律及方程進行流體流動過程的分析計算。

2）授課過程中引入工程技術問題。這和理論流體力學或純粹的理論研究不一樣，要求授課老師必須熟悉并深入到工程問題當中去，與工程師、工人打成一片，了解實際問題，從中找到需解決、突破的重大核心問題，不能只面對抽象的基礎理論。

3）針對工程問題引導并培養學生建立物理和數學模型，提取主要因素，忽略次要因素，建立物理模型，采用數學方法對問題進行描述，進而建立數學模型，這是工程流體力學最重要的一步，既要用到基本理論，又要熟悉工程技術。

4）用應用數學方法進行模型求解，并與工程實際問題相比較或是與實驗室結果進行對比，檢驗理論結果。

5）將理論及計算結果應用于工程實際，這才是工程流體力學最終的目的。

2.3 教學方法與手段的改革

“工程流體力學”課程概念抽象、內容多，采用傳統板書授課方法既枯燥又費時，再加上課時的壓縮，使得傳統上課方式處于兩難境地。而唯一的出路是提高講課效率和調動學生自主學習的能力。

1）可以選擇內容豐富、易于閱讀的教材，在課上只講解重點，其它內容讓學生自學，并且借助多媒體的手段。這樣一來，公式和圖片可以直接展示，基本概念、機理性過程、物理意義等可以專門設計動畫演示，工程背景和實際應用可用于視頻播放。例如：講授緒論部分可以借助多媒體充分展示“工程流體力學”課程的魅力，吸引所有學生的注意力，使學生對流體力學產生很深的印象，去掉對流體力學的畏懼感，增強他們對本課程的親和力。借助多媒體手段還可以展示直接觀察不到的流體內部流動結構和規律，這是幫助學生理解基本概念、認識公式和定理的物理意義、提高學習興趣的重要手段。多媒體技術使得過去認為最難講清楚的知識點變得形象易學，這是傳統教學方法無法做到的。側重對學生進行素質教育，啟發學生的創造性思維，大量流動的實例、生動的插圖和動畫有利于提高學生的學習興趣，增加教學信息量。當然，在制作多媒體的時候，應該選擇一本規范的教材作為腳本，教案上的字符、術語、編號等盡量與教材一致，如果偏離較遠，本科生不易適應，將影響教學效果。其次還要有總體規劃，教案應符合教學規律。

2）發展網絡課程教學。網絡課程是課堂教學的延伸，是課外輔助教學，是提高學生自主學習能力的重要手段。網絡課程改變灌輸式教學模式，讓學生手握鼠標自己學習，創造一個自主學習的環境，既可以作為在校生配合課堂教學的輔助教材，也可以作為校外學生和工程技術人員的自學教材。網絡課程必須體現教學功能，體現課程指導思想，圍繞新內容體系和結構體系，實現各種教學功能。

3）進行教學實驗改革。教學實驗改革的主要目的是為了配合課堂教學，提高學生的動手能力和能力培養。“工程流體力學”課程實驗可以分為三類：基本實驗、綜合型實驗和自主研究型實驗。其中基本實驗有演示型、基本理論型、基本操作型，通過演示設備加強基本概念以及基本定理的驗證實驗，它是配合課堂教學的實驗項目。比如通過基本概念的定性演示，幫助學生建立正確的物理概念；通過基礎理論的定量測量，讓學生驗證基本公式，加強對基本理論的認識。通過學生自己做實驗來驗證所學知識的正確性，從而感受到學習的樂趣。綜合型實驗則是研制綜合性實驗裝置，通過測量手段、演示手段、儀器操作等方面的綜合訓練，提高學生的綜合實驗能力，這類實驗屬于帶有新測試技術的科研類實驗。基本實驗和綜合型實驗屬于教學環節的一部分，是所有學生都要參與的。而自主研究型實驗則是對學有余力或是學習比較好的學生開放的，學生可以通過上課、實驗或是日常生活發現的一些問題或規律，主動提出進行實驗，由學生自主設計、搭建和運行，教師做咨詢和輔導，從而共同完成。

2.4 立足于學生的應用化教學改革

學生始終是學習主體，因此對“工程流體力學”課程的應用化教學改革必須立足于學生，授課過程中既要考慮學生對基本概念、公式定理等基礎知識的理解與掌握，更要重視對學生科研實踐能力以及綜合應用知識能力的培養，使學生在以后的工作或學習中真正的做到學以致用。

首先是應用知識觀念的建立。應用知識觀念的建立是應用化教學改革的前提條件，在“工程流體力學”課程教學過程中，不僅要注重傳統知識的講授，還要有意識的在講課過程中把學生引入到工程實踐應用及整個學科的前沿知識中去，引導學生架起理論知識與實際應用之間的連通橋梁，培養學生學以致用的學習理念。

其次是應用知識途徑的培養。通過在教學過程中不斷地啟發、誘導學生，使學生的思維時刻處于活躍狀態。教師在講課過程中應做到把理論基礎知識與工程實際問題融會貫通，對于工程流體力學中的每一個重要知識點，都要有相應的專業工程問題作為應用例子，啟發學生從實際應用中提煉問題，培養他們的工程應用能力和創新思維。還要培養學生主動查找資料和參閱文獻的習慣，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，通過“工程流體力學”課程學習引導學生發現日常生活中的流體流動現象，指導學生應用“工程流體力學”知識去解釋或解決實際問題，使教師講授與學生自學相結合，理論知識與實踐能力相補充，充分調動學生的主觀能動性，把課堂的理論變為自身的知識，不僅學習到理論知識，還掌握了科學的學習方法和思維方式。

除此之外，還要注重應用知識技能的提高。學生在學習理論知識的同時，教師通過對例題和習題的講解，把簡單的數學模型推廣到復雜的工程實際問題中去，使學生在模型簡化和問題求解方面的能力得到提升。另外課堂教學過程中可以專門抽出一部分時間來采用分組的形式讓學生進行工程實踐專題討論，針對某些工程實際中遇到的流體力學問題展開討論，鼓勵學生暢所欲言，激發學生獨立思考能力，使學生把理論知識運用到工程實踐中，同時在知識的應用過程中完善思維方法和學習方法，在知識的學習、選擇、應用中發揮自身的思維力和創新性。此外在實驗教學改革中還可以通過基本實驗、綜合型實驗和自主研究型實驗的設計與實施培養學生獨立思考及動手操作的能力。

3 實踐效果

“工程流體力學”課程應用化教學改革已在本科教學中嘗試并應用，參與授課的學生有幾百人之多，在教學過程中既注重理論知識的學習與培養，又加大了應用實踐能力方面的鍛煉與提高。經過一系列的教學探索與實踐，極大地提高了學生探討問題的主動性和學習的積極性，培養了學生的綜合實踐能力和開拓創新精神，提高了學生的學習興趣和理論聯系實際的能力，取得了顯著成效。具體體現在以下幾個方面。

1）提高了學生的主動性和學習的積極性。在“工程流體力學”課程應用化教學改革之前，學生普遍反映本課程相關知識晦澀難懂，很難掌握，而且理論知識枯燥，很難產生興趣，因此學習過程中采用了應付考試、死記硬背的學習方式。而通過應用化的教學改革，利用興趣培養、問題引導等方法使得學生的課堂聽課率明顯增加，考試不及格現象明顯減少，學生認識到理論知識不僅有科學嚴謹的一面，同時還有豐富生動的一面。教學過程中引導學生帶著工程實踐問題去進行理論知識的學習，不僅活躍了課堂氣氛，也使學生探討問題的主動性和學習的積極性大大提高，這就使學習有了方向性、目的性，促使了學生主動積極的學習。

2）培養了學生的創新能力。通過“工程流體力學”課程應用化的教學改革，鼓勵學生大膽猜想，啟迪學生的創造性思維。經過教師引導，把學生的被動學習逐漸轉變為主動參與學習，從而激發學生的創新精神；利用教學方法改革，激發了學生的獨立思考能力，教學過程中通過引導學生自己發現問題、提出問題、解決問題這一系列過程鍛煉，學生在申報國家級、校級大學生創新項目中的積極性高漲，申報項目的數量從原來每年兩項左右迅速增加到十幾項，并且所申報項目質量也大幅度提高，學生的創新思想及創新意識有了很大的改善。

3）促進了理論與實際的相互結合。通過“工程流體力學”課程應用化的教學改革，學生在學習過程中認識到了理論聯系實際的重要性，通過對實際工程問題的理論化探討，學生更加懂得了理論來源于實踐并且還要指導實踐。課程應用化教學改革以后，學生利用假期時間主動參加社會實踐活動的次數明顯增多，從原來的每班一兩個社會實踐小組逐漸擴大到全班積極參與、人人爭先實踐。這樣一來，學生的思路開闊了，所學理論知識與工程實際問題融會貫通，從理論與實踐的結合中掌握了課程學習的重點和難點，明確了學習方向。

總之，“工程流體力學”課程進行應用化教學改革以來，學生的學習興趣、聽課效果、創新精神、實踐能力及綜合素質等方面都有了很大改善，學生對教師、教學的反饋良好，并給予了較高的評價。教師講授效率明顯提高，學生接受知識及掌握知識的效果顯著增加，從而保證了教學質量和教學效果，為學生后續專業課程學習打下了良好基礎。

4 結束語

應用型人才的培養不僅需要具有淵博專業知識和精湛專業技能的教師，還需要學生積極主動的參與到應用化課程改革過程中來，而學生的參與又離不開教師的正確引導。教師的講授與學生的參與這兩者相輔相成、互為補充，如果兩者能有效結合并落到實處，課程的應用化教學改革將有一個質的飛躍。承擔“工程流體力學”課程的教師，應當根據“工程流體力學”課程和現代大學生的特點以及工程實際的需要，結合本學校本專業的特點與實際，創造良好的教育環境與基礎，積極對本課程教學思想、方法、手段等方面進行改革，提高學生自主學習和知識綜合運用的能力，增強學生分析解決實際問題的能力，為新世紀應用型人才的培養奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]孫文策.工程流體力學（第四版）[M].大連：大連理工大學出版社，2012.

[2]趙斌，鐘曉暉，王洪利.強化研究生實踐能力與創新意識培養的探討[J].中國電力教育，2013（20）.

[3]劉宏升，孫文策，張博，王正.流體力學研究型教學法的研究與實踐[J].中國科教創新導刊，2009（31）.

[4]丁祖榮.用錢學森技術科學思想和方法論指導流體力學課程改革[C].第五屆全國力學史與方法論學術研討會，2011.