新形勢下流體力學課程教學改革的探索與實踐

詹水清

摘 要 流體力學是目前高等院校理工科專業(yè)普遍開設的本科生課程。該課程目前在教科書選擇、教學內容、教學理念、教學方法及手段等方面還存在一定的問題。本文結合實際教學經驗，提出提高教科書質量與改革教學內容、改進教學方法與提倡教學手段多樣性、完善各項教學制度與落實教學過程安排、改革課程作業(yè)與課程考核等措施，加強利用現(xiàn)代互聯(lián)網信息技術和數(shù)值計算與開發(fā)平臺，著重培養(yǎng)學生的科研精神和創(chuàng)新思維能力，全面提高學生的學習興趣與教學效果。

關鍵詞 流體力學 教學改革 探討 措施

Abstract Fluid mechanics is the undergraduate course for the majors of science and engineering in the present colleges and universities. There are certain problems in textbook selection， teaching content， teaching ideas and teaching methods and means. Based on the personal practical teaching experience， improving the quality of textbooks， reforming teaching contents， improving teaching method， advocating the diversity of teaching means， perfecting every teaching system， implementing teaching process and reforming coursework and curriculum assessment were proposed. We should make increased use of the internet and modern information technologies as well as the numerical methods and development platform. The students innovation ability and scientific research spirit can be trained and the students interest and the teaching effect can be effectively.

Keywords fluid mechanics； teaching reform； discussion； measure

流體力學是能源動力、航空航天、化工、環(huán)境、土木、暖通、機械、船舶與海洋工程等工科專業(yè)普遍開設的重要專業(yè)基礎課，應用非常廣泛，與多種不同工程類專業(yè)的結合非常密切，與其他學科的交叉滲透也更為廣泛深入。本課程的主要任務是系統(tǒng)介紹過程工程中有關流體的力學性質、流體力學的基本概念和觀點、基礎理論和常用分析及解決方法、有關的工程應用知識等，培養(yǎng)學生具有對與流體力學過程有關的問題及其工程應用的分析和解決能力。[1]但由于該課程理論性、系統(tǒng)性及邏輯性均較強，專業(yè)術語比較抽象，學生普遍缺乏對流體力學現(xiàn)象及知識的感性認識，認為該課程是諸多課程中比較難學的課程之一，且發(fā)現(xiàn)該課程的掛科率也是比較高的。

“十三五”期間，國內許多高校進行了新一輪專業(yè)的培養(yǎng)設置及調整，在去年舉行的高等學校流體力學教學專項研討會上，大多數(shù)與會者反映流體力學課程的學時被不斷壓縮，流體力學課程的存在地位及教學效果受到嚴重挑戰(zhàn)。因此，如何根據(jù)不同高校層次及不同專業(yè)和課程的特點和要求來調整教學內容、教學方法及手段等，切實不斷改善課程的教學效果，提高學生的培養(yǎng)質量，是新形勢下高校流體力學教學及科研工作者必須引起注意和重視的問題。

1 流體力學教學過程中存在的主要問題

筆記基于近年來的流體力學教學經驗，總結了若干流體力學教學過程中存在的主要問題：（1）有些流體力學教科書的理論內容過于陳舊，缺乏反映最新科技進展的新內容，或者與現(xiàn)代科技發(fā)展的聯(lián)系不太緊密；（2）課程教學方法沒有較好地根據(jù)不同教學章節(jié)或模塊進行合理選擇，也沒有突出以“學生為中心”的教學模式，學生的學習興趣和創(chuàng)新思維能力難以得到有效提升；（3）流體力學教學中沒有較好地利用現(xiàn)代互聯(lián)網信息技術所帶來的優(yōu)勢，相關計算機技術和數(shù)值計算方法的引入仍十分有限，不利于新形勢下流體力學教學過程的發(fā)展；（4）學生的實踐環(huán)節(jié)相對薄弱，不能適應學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求，學生的主動性和創(chuàng)造性發(fā)揮不夠，不能真正起到激發(fā)學生創(chuàng)造性思維的作用；（5）課后作業(yè)安排及課程考核制度有待完善。針對目前流體力學課程教學存在的主要問題，筆者以及所在教學團隊曾深入進行了教學過程改革的探索。

2 流體力學課程教學改革的探索與實踐

2.1 提高教科書質量、改革課程教學內容

教科書是學生獲得系統(tǒng)知識、進行學習的主要材料，它也是教師進行教學過程的主要依據(jù)，是理論與實際相聯(lián)系的基本途徑和最佳方式。[2]由于不同地區(qū)、不同層次及不同專業(yè)類型高校培養(yǎng)學生的模式和理念難免會有差別，因此教科書的合理選擇和課程教學內容的規(guī)劃顯得比較重要，要有針對性地選擇教材，不能盲目跟從。例如，筆者曾經執(zhí)教江蘇大學（重點本科學校）的材料、農業(yè)機械及環(huán)保設備等專業(yè)和江蘇大學京江學院（三本學校）的土木及安全工程專業(yè)的流體力學課程，發(fā)現(xiàn)這些不同本科層次、不同專業(yè)的學生的學習效果有明顯的區(qū)別，但學校要求使用相同的教科書，這樣是明顯不足的，以后應該選擇適合不同學校及專業(yè)的教科書。隨著科技教育的日新月異，有關流體力學知識的更新和發(fā)展非常迅速，而筆者發(fā)現(xiàn)仍有高校一直在使用編寫年代較久的教科書，部分教科書的設計內容可能難以跟上時代發(fā)展的步伐，因此高校從事流體力學教學及科研工作者門有必要不斷更新和提高流體力學知識基礎，編寫出更符合現(xiàn)代高等學校培養(yǎng)學生的優(yōu)秀參考教材。endprint

在合理選擇好教科書的基礎上，有關教學內容也應該加以改變。應該根據(jù)不同學校層次和不同專業(yè)的培養(yǎng)目標和需求，合理選擇適宜于學生成長發(fā)展的教學內容，但同時要保證該課程的系統(tǒng)性和完整性。任課教師也應該逐步摒棄趨于老化的、甚至是錯誤的知識內容，努力適當更新和引入適應于科技發(fā)展的知識信息，設計和規(guī)劃出合理的教學內容，并大膽進行嘗試，以保證取得良好的教學效果。

2.2 改進教學方法、提倡教學手段多樣性

教師如果想在有限的課堂時間內取得較好的教學效果，教學方法的選用與設計顯得尤為重要。在當前高校大學生的專業(yè)課程種類數(shù)量增加、專業(yè)基礎課學時被明顯壓縮的新形勢下，教學方法和教學手段的改革就變得十分迫切。筆者結合近幾年來的教學經驗，總結了以下若干觀點：

（1）針對不同的教學章節(jié)及模塊，選擇合適的教學方法。前面已經強調了流體力學的課程特點，如理論性強、概念抽象、方程比較多且推導復雜難懂等，因此可以針對這些課程內容特點，合理選用不同的教學方法。比如合理綜合選擇和使用現(xiàn)代多媒體技術與傳統(tǒng)板書教學手段，教師通過板書教學來形象生動地講述連續(xù)性方程、動量方程、不同形式的伯努利方程，解釋關鍵推導過程中的公式符號及物理概念與變換根據(jù)，還可以讓學生上講臺參與推導并進行解釋和闡述，有利于學生高效理解這些知識信息。同時，板書教學要注意占據(jù)的課時比例，稍不注意，沒有更多時間來詳細講述后面的有關教學內容，因此有必要取其長而避其短，采用現(xiàn)代多媒體教學手段來調動和激發(fā)學生的學習興趣和積極性，以應對新形勢下的教學學時縮短的挑戰(zhàn)。事實上，目前絕大部分教師都主要使用多媒體教學手段。通過豐富的圖例、逼近現(xiàn)實的動畫以及真實的實驗錄像來分析和講述流體力學中難懂的知識內容，如靜壓強分布、跡線與流線的差異、管內層流與湍流流動形態(tài)及其區(qū)別、管路中的水擊現(xiàn)象及其產生原因、孔口與管嘴出流的差異及其特性、邊界層的分離現(xiàn)象和圓柱繞流現(xiàn)象等，使抽象的知識內容變得直觀生動，更好地激發(fā)學生的積極性。

（2）以學生為中心組織教學過程、積極培養(yǎng)學生的學習興趣和綜合能力。在以往的教學理念中，幾乎都是以教師為中心的教師主動授課、學生被動學習的模式，課堂上學生主動并積極參與學習、討論和交流的氛圍嚴重不足，造成課堂教學氣氛沉悶、單調。[3]長此以往，學生學習效率低下，缺乏學習的自主性、能動性和創(chuàng)造性，不利于取得較好的課堂教學效果，這是傳統(tǒng)式教育在當今教學中所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。流體力學作為一門與日常生活、工業(yè)生產實際緊密結合的專業(yè)技術基礎課程，教師應該鼓勵學生多觀察和思考身邊的流體力學現(xiàn)象，多開展深入的教學互動，學會利用所學理論流體力學知識分析實際的問題。如可以在課堂上開辟學習方法及經驗交流區(qū)、疑點問題討論區(qū)、經驗沙龍區(qū)。討論高爾夫球表面為什么是粗糙的？汽車的阻力主要是來自前部還是尾部？游泳運動員在不同溫度的水中的游泳效果是否有差異等等。針對所教授的不同學科專業(yè)以及不同的教學章節(jié)內容，鼓勵教師多介紹和引入與流體力學理論及應用的近期重大意外事件、重大自然災害事件或者重大科技創(chuàng)新事件等。近幾年，發(fā)現(xiàn)江蘇大學能源與動力工程學院經常學生申請并授權實用新型專利或撰寫高檔次論文，學生的學習積極性和創(chuàng)新思維能力得到了明顯的提高。這種“以學生為中心”的教學模式大大提高了學生的基礎理論學習和實踐能力，進而提高了對流體力學技術的應用能力，真正達到了學以致用的效果。

（3）積極發(fā)揮現(xiàn)代互聯(lián)網信息技術在教學過程中的作用。當今國內的互聯(lián)網信息技術發(fā)展非常迅速，它對當今的高校生活及教學科研等都產生了很大的影響。現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展使得學生獲取、學習理論知識的方式發(fā)生重大變革，教師和學生均可以超越時空，及時、便捷地獲得與課程相關的信息和知識?，F(xiàn)在許多高校學校嘗試提供多樣性的教學環(huán)境和資源來對現(xiàn)有的課堂教學資源進行補充，如江蘇大學開設流體力學842T精品課程網絡建設平臺、大規(guī)模線上線下共享課程平臺、MOOCs/SPOC翻轉課堂與微課資源開發(fā)平臺等，實現(xiàn)了課堂教學與網絡平臺的有機結合，較大程度豐富和充實了傳統(tǒng)的課堂教學內容，激發(fā)了學生的學習興趣，學生掌握流體力學基本理論的能力得到大幅度提升。另外，隨著現(xiàn)代網絡通訊設備及軟件資源的深度開發(fā)和應用，互聯(lián)網查詢與網絡聊天逐漸占據(jù)了人們特別是高校大學生的日常學習及生活的部分空間，給課堂教學帶來明顯的影響。筆者在前幾年對所帶流體力學相關班級的課堂上玩手機的情況進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有一半以上的學生在課堂上玩QQ聊天、微信聊天、看網絡視頻等，一定程度上影響了課堂教學紀律和教學效果。但是大學生上課玩手機的現(xiàn)象不能輕易要求杜絕，相反我們應該善加利用和控制。學生可以根據(jù)自己的實際需求，隨時隨地充分利用學校的網絡資源和知識資源進行自主學習和協(xié)作學習。如筆者曾在每個學期開始就主動要求加入授課班級的QQ群及微信群，借助于這些群交流平臺設置一些開放探索性的流體力學問題，還經常轉發(fā)一些能夠開拓學生視野的與課堂教學有關的視頻資料信息，有利于培養(yǎng)學生的科研興趣、提高學生的分析及解決問題的能力。

（4）在教學過程中積極開展CFD模擬學習與探索。近年來，隨著現(xiàn)代計算機技術及數(shù)值計算方法的高速發(fā)展，計算流體力學（CFD）數(shù)值計算方法受到普遍重視，已有許多高校研究生課堂中開設了相關的課程，但缺乏針對本科生流體力學講授過程中的思考、學習以及使用。[4]CFD方法能夠較好克服理論和實驗流體力學方法的局限性，給學生展示更多的流體力學規(guī)律和細節(jié)特征，有助于加深相關教學內容的理解和掌握。與本人所在的流體力學教研室其他老師的教學方法相比，筆者引入了較多的CFD模擬軟件、計算方法及其簡單應用的教學內容，如將課程內容接近的相關實例進行網格建模、參數(shù)條件設置及計算等，并將CFD模擬結果與理論結果進行對比和分析，還要求學習成績較好的同學積極參與討論和現(xiàn)場演示。筆者還將自身多年來積累的CFD模擬經驗分享給有需要的同學們，獲得較好的評價。該方法有助于學生理解和 （下轉第137頁）（上接第123頁）掌握更多的流體力學規(guī)律，能夠增強學生的學習興趣和科研創(chuàng)新能力，為將來繼續(xù)深造、工作及學習等有一定的幫助。endprint

2.3 完善各項教學制度、落實實際的教學過程安排

高質量的教學過程依賴于健全細密、行之有效的教學制度保障，這些教學制度覆蓋了從課程開發(fā)到課程評估改進的各個環(huán)節(jié)，應該是一個閉環(huán)體系。例如，課程開發(fā)及付諸實踐的程序性規(guī)定和制度必須有章可循，不能變成教師個人的隨意行為；課程教案的確定和評判需要集體組織討論；課程教學大綱的審定和執(zhí)行要有一定的標準和程序等等。例如，我們流體教研室的10位老師堅持雙周周三下午組織和舉行流體力學課程教學方法、教學經驗和體會的交流活動，特別是邀請新進的年輕教師進行現(xiàn)場教學演示，其他教學經驗豐富的教授們進行點評和指導，不同教學層次的教師們彼此深入交流教學心得，極大地促進了青年教師們的教學水平的發(fā)展。

2.4 課后作業(yè)和課程考核的改革

教師布置課后作業(yè)既是考察學生掌握課堂知識的憑證和學習效果的標準，也是學生深入學習理論知識、再次思考并解決問題的好途徑。[5]在作業(yè)方面，除了布置常規(guī)的計算題、簡答題及判斷題等之外，可以設置一些開放式作業(yè)，作業(yè)的主題內容要與所學流體知識相關的工程應用實例結合起來，激發(fā)學生的積極性和探索性，訓練學生主動查找、閱讀、總結文獻的能力，為將來的科研打下良好基礎。在課程考核方法，課程考試試題內容應該與規(guī)定的教學目標、教學內容及要求緊密聯(lián)系，注重內容的應用性、靈活性和綜合性；盡量豐富試題類型，減少學生死記硬背一些公式、函數(shù)及方程等，多引入開放性和體現(xiàn)自由發(fā)揮及創(chuàng)新能力的考試題目，增強學生學習和分析問題的能力，提高和培養(yǎng)學生的歸納和總結能力。還可以設置一些額外的附加題目，如撰寫短小的科技論文，以考核學生對知識的掌握能力。

參考文獻

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[5] 陶海升.流體力學課程教學與課程考核改革的實踐[J].教育教學論壇，2015（17）：91-93.endprint