《流體力學T》課程研究性教學的探索與實踐

張磊　吳正人

摘要：《流體力學T》是面向能源與動力工程專業卓越工程師計劃班級開設的專業基礎必修課。本文積極地進行了研究性教學的探索與實踐，通過完善課堂教學設計，進行翻轉課堂及引入數值模擬技術等方法，明顯提高了教學質量，改善了學生的學習效果，增強了學生解決問題的能力。

關鍵詞：流體力學；教學設計；翻轉課堂；數值模擬技術

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0145-02

一、引言

1.課程的性質、內容和目標。《流體力學T》是華北電力大學面向能源與動力工程專業卓越工程師計劃班級的一門重要的專業基礎課，共72學時。《流體力學T》的內容主要包括基礎理論知識，如：流體基本概念、流體靜力學、流體運動學、流體動力學、相似定理和量綱分析法，以及專題，如：流體的旋渦運動、不可壓縮流體平面勢流、邊界層理論、氣體動力學。根據華北電力大學2017版培養方案對能源與動力工程專業人才的培養目標，凝練了《流體力學T》的課程目標，使學生能系統、全面地掌握流體力學的基本概念、基本理論和分析問題的基本方法，從宏觀角度研究由于外界原因所引起的流體的平衡規律或運動規律，培養學生應用流體力學知識分析、解決實際問題的能力，為后續專業課程的學習打下扎實的理論基礎。因此，學生學習《流體力學T》之后，最核心的任務是要在構建流體力學經典理論框架下，能夠具有解決實際問題的能力。

2.實踐課堂和學生情況。在2016—2017學年第二學期的《流體力學T》課堂進行了研究型教學改革與實踐，該課堂為2015級教育部卓越工程師計劃實踐班課堂，共30名學生。該課堂的學生基礎比較好，學習積極主動，能夠很好地參與到研究型教學活動中，保證了研究型教學改革的順利實施。教學方式為參與式、交互式及講授式；教學場地的課桌可以靈活轉換擺放方式，可以6人組合為一圓桌，便于同學們討論交流。

二、研究型教學的實施過程及成效

在研究型教學改革過程中，主要做了以下工作：

1.精心完善教學設計，保障課堂教學效果。教學設計是根據課程標準的要求和教學對象的特點，將教學諸要素有序安排，確定合適的教學方案的設想和計劃。主要包括教學目標、教學重點、教學難點、教學方法、教學步驟與時間分配等環節[1]。賴格盧特認為：“教學設計是一門涉及理解與改進教學過程的學科。任何設計活動的宗旨都是提出達到預期目的最優途徑，因此，教學設計主要是關于提出最優教學方法的處方的一門學科，這些最優的教學方法能使學生的知識和技能發生預期的變化。”梅里爾等人認為：“教學是一門科學，而教學設計是建立在這一科學基礎上的技術，因而教學設計也可以被認為是科學型的技術。”肖剛定義教學設計：“教學設計是一個系統設計并實現學習目標的過程，它遵循學習效果最優的原則嗎，是課件開發質量高低的關鍵所在。”盡管上述表述不同，但其核心目的是相同的，均是為了提高教學效率和教學質量，使學生在一定的時間內能夠學到更多的知識，更大幅度地提高學生各方面的能力，從而使學生獲得良好的發展[2]。因此，教學設計對于保證課堂教學質量至關重要。我們對每次課都進行了認真的教學設計，首先從“為什么學”入手，確定本次課的學習目的，學習目的中既有知識方面的要求，也有能力方面的要求，例如在理想流體的伯努利方程一節，我們設置的教學目的是：熟悉歐拉積分式和伯努利積分式；掌握理想流體的伯努利方程；具有應用理想流體伯努利方程解釋生活現象的能力。根據授課內容，要確定本次課的授課重點和授課難點，我們認為授課重點是本次課的主要教學內容，最終要落腳到核心知識點的理解和應用上，而授課難點不一定是授課重點，是學生在本節課中難以理解和接受的地方，要根據教學的環境、學生的認知能力、理解能力、接受能力精心設計。要進行詳細的教學步驟設計，我們通常采用問題驅動式的教學來激發學生學習的主動性。在知識點講授時，采用“提出問題—分析問題—解決問題”的模式，引導學生由實例過渡到基礎知識的掌握上，最終提高學生應用基礎知識解決實際問題的能力。其中，提出問題非常重要，我們在每次課會精選一些生活中或工程中的實例，引出教學內容。例如，繞圓柱體有環量的流動一節，如果按照常規的講法是在上一節介紹繞圓柱體無環量流動的基礎上，疊加上渦流的勢函數和流函數，之后進行推導，得到繞流升力，最后講應用。在講授的過程中多是枯燥的數學表達式，學生學習興趣較差。因此，我們在講課時，首先播放貝克漢姆經典的“香蕉球”視頻，然后提問，如何才能踢出“香蕉球”，由此吸引學生興趣，展開分析，并與上次課介紹的流體繞圓柱體無環量的流動合力為零進行比較，說明此時疊加上渦流會有繞流升力的出現，引導同學們利用上節課的方法進行推導。

2.進行翻轉課堂，學生深度參與。翻轉課堂，重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。根據課堂內容，我們挑選了部分章節進行翻轉課堂教學改革。不再占用課堂的時間來講授，需要學生在課前完成自主學習，他們可以看教材、視頻講座，充分利用網絡資源，或與別的同學討論。例如在將緒論篇中流體力學的實際應用、流體參數測量、相似原理及量綱分析法、數值模擬大作業等，均采用課下同學們查閱大量資料，積極主動學習，課上進行小組討論答辯，匯報交流的方式。

3.引入數值模擬技術，提高教學效果。流體力學的主要研究方法包括三種：理論研究、實驗研究和數值模擬研究。目前教材中涵蓋了前兩種方法。隨著計算機技術的發展，數值模擬技術的應用越來越廣泛，因此，在教學內容中引入了數值模擬技術，介紹計算流體力學的基本知識及商業軟件Fluent的功能和案例。課下同學們按照參考書學習軟件功能和案例操作。

將30位同學分為5組，分別布置了研究項目，如表1所示。

同學們經歷了課下學習軟件、幾何建模、數值模擬、結果整理、總結報告、PPT制作、小組答辯的過程。通過引入數值模擬技術，同學們有以下收獲：鍛煉了自學、動手及團隊合作能力；數值模擬結果具有直觀性，通過流場展示更好地理解課本中講授的理論結果；具有利用fluent軟件解決實際問題的能力；鍛煉了結果整理、論文書寫規范化的能力。部分同學在課后以該軟件為基礎，積極參加了大學生創新創業項目和全國節能減排大賽。

三、結語

《流體力學T》課程采用問題驅動的研究型教學法，吸引了學生興趣，提高了課堂聽課質量；通過采用翻轉課堂的方式，使同學們課下能夠積極主動地參與到學習過程中，變被動學習為主動學習；通過引入數值模擬技術，使得同學們更好地理解教材理論知識，解決實際問題的過程使學生的收獲感、滿足感更強，在過程中鍛煉了分析問題、解決問題、動手操作和團隊合作的能力及表達能力。

參考文獻：

[1]曾文婕.課堂教學設計[M].北京師范大學出版社，2012.

[2]方展畫.高等教育學[M].浙江大學出版社，2000.