問題和工程案例為導向的工程流體力學課堂教學改革

張土喬 張燕 邵煜 周永潮

摘要：針對“工程流體力學”課程在課堂教學中存在的問題，以及互聯網+時代面臨的沖擊和挑戰，提出基于問題和工程案例為導向的課堂創新教學，實現以教為主向以學為主轉變，以課堂為主向課內外結合為主轉變，以過分重視結果為主向過程和結果結合為主轉變，以學生為中心，激發學生的學習興趣，培養學生去發現問題、解決問題的能力，提高學生分析和解決具體實際工程問題的能力，從而提高教學質量，培養知識、能力和素質相結合的拔尖創新人才。

關鍵詞：工程流體力學；問題；工程案例；課堂教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0105-03

一、引言

習近平總書記在考察大學時提出：“兩個一百年奮斗目標的實現、中華民族偉大復興中國夢的實現，歸根到底靠人才、靠教育。”“……做到知行合一、學以致用，為將來走上社會，投身特區和國家建設做好思想品德、學識修養、能力才干等多方面的儲備。”可見人才培養的重要性。人才培養是高校最主要、最中心的任務，而課程在人才的培養中占最主要的位置，高校提高人才培養的核心點就是提高課程的質量，而課程最主要表現在教學方法上，所以教學方法是高校人才培養的靈魂。然而，在傳統的課堂教學中，基本上是以教師為中心，老師負責教（主動輸出），學生負責學（被動輸入），很難激發學生的學習興趣和主動性，導致學生很大程度上喪失了主動發現問題和解決問題的能力。尤其是在信息化高速發展的今天，學生的個性化、學習需求的多樣性以及知識傳播方式的多樣化，導致這種傳統的教學方式的缺陷暴露明顯[1]：“低頭族”現象、團隊合作意識薄弱、發現問題和解決問題的能力弱等。因此，課堂教學改革迫在眉睫，要改變傳統教學中‘我講你聽的灌輸模式，需要將重心轉移到學生的能力與素質的培養上，給予學生更多的個性化幫助，激發學生的學習興趣，培養學生主動去發現問題，主動去探索問題、解決問題，培養學生獨立思考和創新思維。因此，本文結合工程流體力學課程的特點，結合工程案例和自然現象，提出以問題和目標為導向的學生為中心的課堂創新教學，激發學生的學習興趣，提高學生課堂的抬頭率和參與度，培養學生發現問題和解決問題的能力，以及團隊合作的意識。

二、工程流體力學課堂教學改革的基礎

（一）工程流體力學課程特點

工程流體力學（水力學）是水利、土木、環境類等專業的重要技術基礎課，在諸多工程技術領域中有著廣泛的應用。古典理論、經驗性內容多，概念抽象，對數學基礎和抽象思維要求較高，學生的普遍反映是學習流體力學較難。通過網絡信息，綜合利用錄像、動畫、圖片及計算機技術可使其抽象的概念具體化、形象化，一定程度上可以為更好地學習該課程服務。然而，由于學生缺乏相應的工程概念和實踐知識，學生對本課程仍然沒有多大興趣，吸引力不夠。與此同時，工程流體力學又是一門應用廣泛的課程，日常生活現象和工程實踐處處滲透著流體力學知識，所以可以結合日常現象和工程實際，提出問題，循序漸進、引人入勝，加深學生對流體力學的印象與認識，讓學生感到可以掌握其中的理論，體會到理解和解決實際問題后的喜悅，激發學習的興趣，同時使工程流體力學在教學中更接近于工程實際，真正做到理論和實踐相結合。

（二）工程流體力學教學資源的多樣化

教育技術的開發與應用，已經滲透到教育教學的各個學科，對教育教學產生了巨大的影響[2]，近年來，以慕課（MOOC）為代表的國內外在線開放課程[3]，將信息技術與教育教學緊密融合，形成新的知識傳授模式，一定程度上迎合了現代大學生追求個性、追求新穎的心理，具有較大的吸引力。也就是說教師（課堂）不是學生獲取知識的唯一來源，學生可以通過社會教學資源（視頻公開課、資源共享課、在線開放課程MOOC等）、校內教學資源（校內網絡資源精品課程、力學實驗教學中心、求解器等）等多個方面獲得相應的知識。這些源源不絕的教學素材能幫助老師提供給學生更豐富更互動且更開放的學習資源，實現傳統課堂與慕課等相結合的課堂教學模式，從而提高課堂教學質量。

三、課堂教學改革主要內容

（一）以工程案例、問題為導向

很多日常自然現象和工程實踐都滲透著工程流體力學的知識。因此，我們可以充分利用這一特點，在教學上可以使用多媒體，將世界上一些著名的工程和現象展現給學生。如大的工程可包括三峽工程、南水北調工程、港珠澳大橋工程等，小的現象可包括飲水機、醫院的點滴、雞尾酒、足球中香蕉球等，都滲透著流體力學的知識。典型工程案例—應用背景的提出，激發學生學習的興趣，激發學生課后閱讀，尋找答案，提高解決問題的能力。同時結合科研項目，實現教學和科研的深度融合，將工程實際問題轉化為流體力學問題，將工程和科研的思路、方式方法傳授給學生，將科研的成果融合進教學，提高學生分析和解決具體實際工程問題的能力，從而提高教學質量，培養拔尖創新性人才。

適當增加學生課后的閱讀量，充分利用好輔助教學資源，推動學生上有關網站學習；尋找生活實例，解決實際問題。課后布置小團體大作業，學生組成學習小組，自主選擇一工程案例或日常生活中的一流體力學現象，鼓勵學生結合動手設計、開展實驗、查閱文獻等手段，對其進行理論探討與分析，撰寫研討論文，制作PPT，并在課堂上進行匯報探討，讓學生從理論中或試驗中來解決所提出的實際生活、工程中的流體力學問題，更全面理解流體力學的含義，變被動學習為主動學習，提高學生發現問題和解決問題的能力。同時提高學生的自主學習能力與撰寫研究報告的能力，增強學生團體合作精神和創新意識。

（二）教學環節立體推進

愛因斯坦說過，發現問題比解決問題更重要。產生問題越多，越能激發學生產生探索問題的主觀能動性，越能激發學生學習的主動性、創造性。探索以問題為導向的教學方法，形成“現實問題研討—學生主動參與—啟發式解答”的課堂教學模式。如首先讓同學們思考為什么高爾夫球是有凹坑的，火車站站臺上為什么要設置站臺線，龐大的飛機為什么能飛起來，乒乓球中的削球是如何產生的等問題，可以用哪些流體流體力學知識點來解釋？激發學生濃厚的學習興趣，提高自主學習的廣度與深度；將教學的啟發與學生獨立思考結合起來，加強師生之間互動，學生之間的互動，鍛煉學生的思維能力和獨立解決問題的能力，極大地提高了學生學習的興趣和積極性。同時，學生在對問題的探求中找到知識之間的橫縱聯系，使學到的知識能真正應用。

前面提到，知識不是只有老師有，但老師有好的方法來理解掌握知識，老師的作用是告訴學生方法，主要知識點、知識點之間的相關性。學習金字塔模型告訴我們，在相同的情況下，主動學習時學習內容的留存率要大于被動學習時的學習內容留存率。所以，為了提高課堂教學質量，課堂教學環節實現立體推進：問題提出—課堂內容講授—問題討論—內容講授—例題、習題交叉進行，交叉進行交流、講授、討論、例題、講授、習題等教學各環節有助于知識點的深入理解和掌握，尤其是交流討論能對學生的需要做出敏感反應，因而變得積極投入學習。所以教學過程中要重視各環節的交叉立體推進；重視交流討論，要求學生提問、探求、反應；重視習題、作業，并做到循序漸進：復述（重復上課的內容）—糾錯反饋（分析、實現）—檢驗（綜合習題）。

（三）加強與學生之間的交流互動

如果課堂中僅僅是信息的傳輸，那么課堂教學和視頻毫無區別。單向交流的課堂中學生得到的只是信息，而不是知識，知識需要學生對信息再加工。學生層次是不一樣的，學生之間可以互相幫助，提供相應的平臺進行互相討論可提高教學效果。除了在課堂上加強互動，提高教學質量的同時，我們通過建立QQ群、微信群延伸到課堂外的交流，老師學生之間可以對課堂上的教學點進行更深層次的交流，也可對學生遇到的問題、疑惑讓其他學生解答。在討論過程中往往會形成學生互相解答問題的現象，這不僅讓提問題的學生得到了幫助，同時也加深了其他同學對這一知識點的理解，起到一舉多得的作用。也鼓勵、激勵學生多提出問題，遇到共性的問題，在下一次課堂上可及時反饋講解，從而激發學生學習的興趣和參與教學的積極性。

（四）重視過程評價

課程考評體系一定程度上也影響著學生學習的積極性和課程的教學質量。成績仍然是學生學習期間最關注的內容之一。然而目前的成績考核形式上仍以傳統的期末閉卷筆試為主，且所占的比例很大，導致一些存在僥幸心理，想通過期末臨時抱佛腳對付通過的學生存在，這也一定程度上影響著學生平時學習積極性不高。考試不是目的，而是手段。在課堂教學中，重視平時表現在評分中的比重，比如在批改常規作業過程中發現的共性問題時，進行及時梳理，提供習題解題過程和專門討論的時間。盡可能及時地進行學習情況的檢驗，經常給出階段性分數，盡可能迅速地做出反饋。而在成績考評中，可考慮平時成績占總成績的40%以上（比如常規作業10%、平時課堂討論表現10%、平時小測驗10%、小組大作業10%以上），期末卷面成績占總成績的60%以下。學生就無法將希望全部寄托在期末的“臨陣磨槍”上，而意識到要重視平時的學習，從而也提高了學生學習的積極性。

（五）課堂教改初步成效

到目前為止，已經開展了3個學年的課堂教學改革嘗試，學生們通過調研、理論分析、設計實驗與實驗結果分析等步驟來解決工程實際問題和生活中自然現象，培養學生解決實際問題的能力與合作精神。例如，有的同學利用紙杯、發射臺、橡皮筋等簡單易得的材料模擬了滑翔機的運動，借助于高速相機拍攝記錄了運動過程，利用繞流阻力等流體力學知識，就馬格努斯滑翔機問題進行詳細的匯報探討；有的同學從啤酒試驗出發，并將空化現象推廣到整個液體（主要是水），最終闡述空化理論的機理及其應用的研究進展；還有的同學就附壁效應、喂食魚缸等日常生活現象展開了討論……這一過程大大激發了學生學習流體力學的積極性，并加強了自身的實驗動手能力和科研能力。學生普遍反饋良好，有的學生在學習心得上寫道：“這次經歷拓寬了我的眼界……這是我在課堂上和平時的生活經驗中無法獲取到的一種技術經驗”“……對于學生的研究性精神以及拓寬學生對課外知識的了解有很大的促進作用……”“我們不僅開闊了視野，了解到了許多常識以及其他一些在課堂上我們所學習不到的東西，而且增強了小組成員之間的凝聚力與合作精神，使成員之間學會一種相互分享相互配合的做法”。

四、結語

工程流體力學課堂教學改革是基于問題、工程案例為導向的創新教學，實現以教為主體向以學為主轉變，以課堂為主向課內外結合為主轉變，以過分重視結果（期末分數）為主向過程和結果結合為主轉變，以學生為中心，調動學生學習興趣和學習積極性，培養學生發現問題、解決問題等能力，實現創新人才的培養。

參考文獻：

[1]李曉亮.移動智能終端對高校課堂教學的影響及對策研究[J].高教論壇，2013，（11）：67-69.

[2]石青輝.“互聯網+”背景下高校學生的學習行為特點與課堂教學改革[J].教育教學論壇，2018，（8）：143-145.

[3]索向峰，韓雪，姜坤.基于MOOC推進大學課堂教學改革策略研究[J].數碼世界，2018，（3）：85-86.