新工科建設背景下“礦山流體力學”課程教學改革

粟登峰，陳星明，朱 強

（西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

引言

為主動應對世界新一輪科技革命與產業變革，教育部自2017年2月以來積極推進新工科建設，以期培養具有較強工程實踐能力、創新能力和國際競爭力，能夠引領未來技術和產業發展的高素質復合型人才。先進的教育理論及前沿的教學內容都必須通過合理的教學目標、靈活的課程內容和科學的課程實施呈現。因此，建設和發展新工科的基礎和核心在于學科體系中課程教學的改革［1-4］。“礦山流體力學”是采礦工程專業的一門專業必修課程，是采礦工程核心專業課程（“礦井通風”“礦山機械”）的先修理論課程，在專業課程體系中有著舉足輕重的地位。“礦山流體力學”課程教學內容包含工程流體力學，是四大力學的重要分支，它主要研究流體的平衡和運動規律，是一門理論性非常強的課程，同時，它又具有學科交叉、知識融合的特點。要求學生將流體力學的基本知識與采礦工程中的相關內容相結合，能夠運用流體力學的知識分析、解決采礦工程中的相關科學問題。因此，如何實現流體力學理論知識與采礦工程實踐應用的有機結合是新工科建設背景下“礦山流體力學”課程改革的重要任務。本文以“礦山流體力學”課程為例，針對目前課程教學中存在的突出問題，根據新工科建設的目標和要求，同時結合采礦工程專業的實際情況，對課程教學進行了改革。

一、“礦山流體力學”教學中存在的問題

本課程核心內容主要包括流體靜力學、流體運動學和流體動力學基礎、黏性流體運動及其阻力計算、相似原理及量綱分析四大部分，具有課程內容理論性強、涉及領域廣、公式推導復雜、與物理數學知識聯系緊密等特點。根據筆者的分析，“礦山流體力學”教學實踐中主要存在以下三個問題。

（一）課程內容新穎且抽象，與專業實踐結合程度不夠，學生學習積極性低

對于采礦工程專業的學生而言，“礦山流體力學”是一門全新的力學課程。課程中許多概念、原理較為抽象，且公式推導較為晦澀難懂，容易使學生從接觸該門課程開始就產生畏難情緒，嚴重影響學習效果。此外，根據培養方案要求，本專業在大四學年才會開設“礦井通風”等后續相關專業課程，而在“礦山流體力學”課程教學過程中，部分教師僅僅講授相關理論知識及簡單工程應用，未能對課程內容進行合理的延伸并與專業實踐有機結合。因此，學生難以體驗到學以致用的樂趣，學習興趣難以得到激發，學習效果較差。

（二）教學方法不夠靈活，課堂氣氛沉悶，學生思維活躍度不高

“礦山流體力學”課程內容較為晦澀難懂，如果教師的教學方法不能充分活躍課堂氣氛，將會進一步降低學生的學習積極性，影響課堂教學效果。雖然多媒體技術的出現促進了課堂教學模式的變革，但是實踐表明，對于本課程這類理論性較強、公式推導較復雜的課程而言，單純地采用多媒體教學或者傳統的板書+口授等較為單一的教學方法均難以取得較好的教學效果［5-6］。

（三）課程考核方式過于單一，難以滿足新工科人才培養要求。

目前，“礦山流體力學”課程考核方式仍然以期末考試和平時作業為主。其中，平時作業主要由教材課后習題及部分學校考研真題組成，由于“礦山流體力學”是大部分工科專業的基礎課程，與其相關的網絡教學資源非常豐富。因此，學生在完成平時作業時往往會直接抄襲網絡相關答案，并且這種抄襲行為容易“傳染”給周圍自制力較差的學生，使得教師無法對學生基礎知識的掌握情況做出科學合理的評價。此外，部分學生平時積累不足，且大學課程存在考試之前教師“劃重點”的現象，促使部分學生往往把精力集中于考前突擊復習、背資料等，從而忽略了平時對理論知識的積累［7-8］。同時，由于考試時間限制，在考試試卷中很難將與工程應用相關的考題安排在期末考試當中。因此，傳統的期末考試只能在一定程度上考查學生對課程基本知識的掌握程度，難以真實反映出學生的知識運用能力及創新能力，無法滿足新工科人才培養的要求。

二、“礦山流體力學”教學改革舉措

針對課程教學中存在的問題，根據新工科建設對人才培養提出的目標和要求，同時結合西南科技大學采礦工程專業學生的實際情況，從優化課程教學內容及教學設計、調整課程授課模式及教學方法、完善課程考核評價方式三個方面進行了改革。

（一）優化教學內容及教學設計

興趣是最好的老師。只有當一個人對所做的事情產生了濃厚的興趣之后，才能夠鍥而不舍地堅持下去。因此，對于“礦山流體力學”這種理論性較強的課程需要首先對教學內容進行科學合理的優化才能充分調動學生的積極性，變“要我學”為“我要學”“我應該學”。具體的改革舉措主要體現在以下三個方面。

1.重視緒論講解，引導學生樹立正確的學習觀。由于采礦工程專業大三學年學生在之前所學力學課程當中的研究對象均是固體，相對而言，流體雖然在生活中很常見，但從學生認知的角度來說，它仍然是一種較新的物質，因此“礦山流體力學”也是一門全新的課程。為此，需要在第一堂課上引導學生對“礦山流體力學”建立良好的印象、避免學生從一開始即產生畏難情緒，影響后續課程學習效果。在講解課程緒論部分內容時引入一些優秀工程案例，讓學生充分認識到流體力學在我國重大工程以及采礦工程實踐活動中的重要地位，在提高學生學習主動性的同時培養學生的愛國主義情懷，引導學生樹立正確的學習觀。

2.積極引入專業案例，實現理論與實踐的有機協同。“礦井通風與礦山機械”是“礦山流體力學”的后續專業課程，因此，為了達到課程理論教學與專業實踐有機協同的目的，除了講授本課程的基本理論知識外，還需要適時、由淺入深地講解與礦井通風與礦山機械相關的典型工程應用實例分析內容。如在講授帕斯卡原理時，可以增加液壓傳動機械工作原理部分內容；在講解流體運動連續性方程及伯努利方程時，可以引入礦井通風與礦山排水相關案例分析內容；在講解黏性流體運動時，可以增加礦井通風阻力部分內容。

3.緊跟學科步伐，促進礦山流體力學前沿知識普及。當今科技發展日新月異，各專業、各學科都在快速發展，隨著采礦工程不斷向深部發展，與之相關的礦山流體力學前沿知識也變得更加先進。因此，教師可以通過講座或邀請校外專家，為學生普及深部開采中的相關流體力學知識，如“深部礦井通風中的相關流體力學問題”“深凹露天礦開采中流體力學問題”等，幫助學生及時了解礦山流體力學前沿知識，開闊學生視野。

（二）調整課程授課模式及教學方法

對于“礦山流體力學”這種理論性較強且教學內容晦澀難懂的課程而言，需要采取多樣化的教學方法，培養學生主動思考、善于思考的能力，讓其真正體會到學有所成、學以致用的快樂。

1.加強板書、多媒體教學與信息化教學有機融合。“礦山流體力學”教學內容晦澀難懂，為了能夠盡可能地吸引學生的注意力，提高學生的課堂參與度，在教學過程中必須加強板書、多媒體教學與信息教學三種教學手段的有機融合。

對于礦山流體力學基本概念、基本知識點等內容，應以多媒體教學為主。對于晦澀難懂的公式推導，則應采用以板書+口授為主、多媒體展示為輔的教學方法。即用生動形象的多媒體展示分析對象，對應每一步均以板書進行講解，做到動靜結合，讓學生的思路能夠完全跟上教師的節奏。對于一些工程應用案例，則可以借鑒網絡資源或者自行制作PPT動畫等信息化手段加以講解，將復雜問題簡單化，使教學內容變得更加通俗易懂。

2.采用對比教學法，引發學生思想共鳴，加深理解。由于研究對象性質的不同，流體力學與固體力學之間存在一定差異，但是二者也存在一些相似的地方。因此，在進行“礦山流體力學”課堂教學時，應當適時采用對比教學法，為學生介紹流體力學與固體力學的差別，在引起學生思想共鳴的同時加深其對礦山流體力學知識的理解。例如，流體與固體雖然性質不一樣，但是在進行分析研究時均采用了連續介質假說。二者在推導公式時，均利用泰勒公式來估算距離一個已知函數的點、一定距離的未知點的函數值等相關微積分知識。

3.采用案例教學和啟發教學方法，引導學生主動思考。為幫助學生深入理解流體力學基本知識，深入理解流體力學在采礦工程中的應用，在講授完每一章節課程內容后，需要通過案例教學法和啟發式教學法引導學生對具體工程應用實例進行分析和總結，引導學生主動凝練工程應用實例中流體力學的共性知識點，培養學生舉一反三的思維能力。采礦工程專業學生人數一般較少，因此將學生分為若干小組，課后由各小組針對某一具體工程應用案例自行查閱相關資料，對具體工程案例中的流體力學問題進行分析，并在課堂中進行匯報，同時回答教師與同學的提問，隨后由授課教師進行點評并引導學生進行總結，最后再完成案例分析總結報告。

4.實踐教學與理論教學協同開展、逐級遞進。在“礦山流體力學”教學課程中，改變實踐教學課程傳統集中安排的方式，在理論知識講授完成之后即安排相應實驗課程，使學生不但能夠及時將所學的理論知識在實驗課程中進行驗證，還能夠通過實驗課程的一些感性認識幫助學生更加深刻地理解理論知識。此外，為了加強與后續課程的銜接，培養學生的創新能力，除了開設一些經典的驗證性實驗外，還需要開設一些由學生自主進行的與礦井通風、礦山流體機械相關的創新性實驗（選做）。讓實踐教學在時間上與理論教學同步，在內容上由淺入深、由易到難，最終實現實踐教學與理論教學協同開展、逐級遞進。

（三）完善課程考核評價方式

“礦山流體力學”是一門應用性極強的課程，對于這類課程如果僅考查學生對基本知識的掌握情況以及部分工程應用，則難以滿足新工科背景下研究型人才、應用型人才的培養需求［9-11］。因此，迫切需要對現在的課程考核評價方式進行改革。

1.加強過程考核，注重對學生知識運用能力的考查。由于時間限制，很難在規定的考試時間內檢驗學生的知識運用能力。因此，需要在課下對學生知識運用能力及創新能力進行考查。在實踐教學過程中重點考查學生的積極性、動手能力、團隊協作能力、對實驗過程中出現問題的分析和應變能力以及對創新性實驗的設計及完成情況（額外加分項）。在采礦工程應用案例分析部分，則對學生分析與解決問題的思路、課堂匯報時面對教師提問表現出來的對知識的駕馭能力進行考查，并結合學生提交的總結報告予以綜合評定。

2.優化結構評分，注重學生綜合能力的考查。改變將期末考試成績作為核心指標的傳統考評方法，優化結構評分細則，加強對學生日常學習狀態、個人表達能力、團隊協作能力、知識運用能力及創新能力的全方位考查，以適應新工科人才培養的要求。綜合測評時，平時作業成績占比7.5%，課堂提問占比7.5%，工程案例分析、匯報及總結占比20%，實驗成績占比15%，期末考試成績占比50%。

結語

力學類課程是采礦工程專業的基礎理論課程，其中，“礦山流體力學”因其概念抽象、公式推導復雜等特點歷來被認為是講授難度較大的課程之一。本文以西南科大采礦工程專業“礦山流體力學”課程教學為例，針對目前教學中存在的問題，根據新工科時代人才培養的要求，并結合采礦專業學生的實際情況，分別從課程教學內容與教學設計、課程授課模式及教學方法、考核評價方式三個方面進行了改革，極大地提高了學生的學習熱情，使課堂氣氛更加活躍，學生的知識運用能力及自主創新能力均得到了提升，取得了良好教學效果，為新工科人才培養奠定了堅實基礎。