面向實踐應用與創新能力培養的教學模式探索

［摘 要］工程流體力學課程教學中，針對偏重理論教學、實踐應用薄弱、創新能力培養受限等現實問題，課程組提出一種以實踐應用為核心、創新能力培養為導向的教學模式。該模式采用“一主線、兩平臺、三層次”的教學框架，旨在通過緊密聯結理論與實踐，利用項目驅動和啟發式教學方法、虛擬仿真技術及人工智能等多元化教學手段，激發學生的創新思維，提高其實踐應用和創新能力，為工程流體力學課程的教學革新提供新思路，也為其他工程類課程的教學改革提供參考和借鑒。

［關鍵詞］工程流體力學；實踐應用；創新能力；教學模式；教學改革

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）23-0068-05

隨著科技的快速發展和社會的不斷進步，在新工科的大背景下，社會對工程人才的培養提出了更為嚴苛的要求，需要高校培養出既具備扎實專業基礎，又具備較強實踐能力和創新意識的人才，以滿足企業解決復雜工程問題的需求[1-2]。當前，教學理念正經歷深刻的變革，課程教學模式也隨之轉變。因此，高等教育必須不斷探索和實施新的教學模式，以適應社會對人才的需求變化[3]。鑒于工程流體力學這門課程內容涉及面廣，且具有較強的實踐性和應用型特點，傳統的教學模式往往難以激發學生的學習興趣[4-5]。圍繞以實踐應用為核心、創新能力培養為導向的教學理念，課程組充分利用先進的教學技術與手段，改進教學方法，旨在提升課程教學質量，實現理論與實踐的深度融合。課程組將結合能源動力類及給排水科學與工程專業工程流體力學課程教學，探討課程教學新模式的構建與實施策略。

一、課程基本情況

工程流體力學作為蘭州理工大學能源動力類及給排水科學與工程專業的專業基礎課程，其理論深度與實踐性特質廣受關注。工程流體力學作為力學領域的重要分支，主要研究流體的平衡、運動規律以及流體與固體壁面、流體與流體之間的相互作用。課程內容綜合了高等數學、大學物理、材料力學等多學科知識，不僅涵蓋了流體力學的基礎理論知識，如流體靜力學、流體動力學等，還涉及流體力學在工程實踐中的應用，如明渠恒定均勻流動、滲流等。通過該課程的學習，培養學生具備解決流體裝備及系統中復雜流動問題的能力。此外，學生可通過課程實驗觀察流體的運動現象，理解其實際應用，提升自身實踐能力和團隊合作能力[6]。

由此可見，工程流體力學作為一門綜合性較強的課程，為解決實際工程問題提供了有效的手段，是培養高素質工程技術人才的重要課程之一。然而，該課程理論性和系統性強，涉及知識面廣，概念抽象，理論公式推導繁多，加之其較大的專業跨度，在一定程度上加大了教師授課的難度，不利于學生對工程流體力學知識的理解和掌握。因此，如何在教學過程中改進教學方法，從而提升教學質量，提高學生的學習主動性、實踐性、創新性等，成為目前亟待解決的問題。

二、教學現狀及存在的問題

（一）理論與實踐脫節

工程流體力學內容包含眾多抽象的概念和復雜的理論模型，如流體靜力學、流體運動學、湍流理論、宏觀尺度流體機械、明渠流動等。這些理論知識往往難以直觀理解，需要學生具備較強的數學和物理基礎。然而，在實際教學過程中，由于課時限制和教學方法的局限性，教師無法充分講解上述復雜的概念及理論，還易使學生對理論知識感到乏味。此外，在理論教學中，教師過于注重對理論知識的講解和公式的推導，忽視了對實際工程背景的分析，致使理論與工程實際脫節。

（二）缺乏實踐環節

實驗教學是工程流體力學教學中的一部分（目前該課程總學時56，其中理論學時42、實驗學時14），實驗涉及沿程水頭損失、動量方程、文丘里管等，內容相對較少。目前學校的實驗條件有限，實驗設備陳舊，難以滿足學生的實踐需求。這導致學生對理論知識的理解和掌握停留在表面，缺乏與實際工程問題相結合的綜合性和創新性實踐。

（三）教學方法和手段單一

在工程流體力學教學過程中，教師往往采用傳統的講授式教學模式，過度依賴多媒體課件，板書較少。例如在講授流線與跡線、孔口與有壓管道流動時，教師大多從基本概念方面進行講解，結合日常生活中用到的一些知識幫助學生理解。然而，由于缺乏多樣化的教學方法和教學手段，這樣的教學方式難以激發學生的學習興趣和積極性，也無法滿足不同學生的學習需求。

（四）缺乏與現代技術相結合的教學方法

隨著現代技術的日新月異，諸多前沿教學手段和技術正逐步融入教育領域。然而，在工程流體力學的教學實踐中，這些現代技術的運用尚顯不足，未能廣泛且深入地發揮其潛力，使得教學內容和方法略顯陳舊，難以與當代學生的學習期望和習慣相契合。此外，教學評價體系偏重對理論知識方面的考核，而對學生實踐能力和創新能力的評價不足。

（五）忽視學生個體差異

工程流體力學作為能源動力類及給排水科學與工程專業的專業基礎課程，其面對的學生群體擁有不同的專業背景和理解能力。其中，部分學生已具備一定的流體力學知識基礎，而另一部分學生專業基礎較為薄弱。此外，學生個體的學習風格各異，如視覺型、聽覺型、實踐型等，然而，當前的教學方法未能充分考慮學生的個體差異，采用統一的教學內容和進度安排，導致學生學習效果兩極分化：部分學生因教學進度過快而感到難以跟進，部分學生則因教學內容過于簡單而覺得缺乏挑戰。

三、教學改革策略

基于上述學情，課程組緊緊圍繞新工科背景，提出以下改革措施。

（一）強化理論與實踐的結合

工程流體力學課程教學改革聚焦工程背景，需實施多元化、多層次、多模塊的教學內容設計。為充分適應新工科建設需求，通過探索宏觀尺度流體機械、流體裝備及給排水系統等方面的流動問題，將課程教學與專業領域內的工程問題和學科前沿相結合，增強課程的創新性、高階性和挑戰度，以全面提升學生的科學素養和實踐能力，如圖1所示。因此，必須從理論和實踐教學方面進行改革，將理論與實踐教學緊密結合，確保學生掌握相關領域的知識，且具備良好的實踐素養。

工程流體力學課程教學內容主要有七章，涉及流體的基本概念、流體靜力學/動力學、管內流動、明渠恒定均勻流動、滲流等。為了讓學生在有限的學時內有效掌握基本知識、原理及工程應用，應從以下幾個方面對教學內容進行重點改革：（1）梳理課程框架，構建“高階”課程體系，以體現課程的高端性和系統性。結合每章節的課時安排，繪制出各章、各節之間的思維導圖，基于學生基礎優化教學內容，建立所學理論知識與工程實際應用之間、不同學科之間的聯系，從而培養學生的實踐能力、知識遷移能力以及自我學習能力。（2）明確工程導向型課程設計。結合當前企業的實際需求，在理論教學中穿插實際工程案例，引導學生自主探索、分析并解決實際問題。借助小組討論、角色扮演等教學方法，激發學生的積極性和創造力，同時培養其團隊協作和解決問題的能力。（3）引入前沿科技，關注流體力學領域的最新發展，并將已有的科研成果納入教學內容，使教學內容更加貼近工程實際，激發學生的學習興趣和創新意識。

流體力學實驗部分包括動量方程、沿程水頭損失、文丘里管等，然而理論課程的講授與實驗過程不同步，加之部分實驗設備過于陳舊，導致學生在實驗過程中只是機械地記錄數據，對理論知識理解的深度不夠。因此，在實踐教學方面，首先是要保證理論教學與實驗同步。其次是要完善實驗條件，如建設流體力學開放型實驗室，為學生提供先進的實驗設備和資源，使學生能更加深入地理解流體力學的基本原理和方法。及時更新實驗內容，設計具有創新性和挑戰性的綜合實驗項目，讓學生在實驗中鍛煉實踐能力和創新思維。最后是要與企業合作，為學生提供實習實訓機會，讓學生親身體驗工程流體力學中重點知識的應用和實踐，提高其實際操作能力。

（二）采用“一主線、兩平臺、三層次”的教學框架

“一主線、兩平臺、三層次”的教學框架如圖2所示。具體而言，“一主線”即明確以提升學生解決實際工程問題的能力為主線，貫穿整個教學過程，要求教學內容、教學方法和評估方式都圍繞這一主線展開。“兩平臺”包括理論和實踐教學平臺，為學生提供豐富的實踐資源和靈活的學習空間。理論教學平臺注重基礎知識的傳授，實踐教學平臺則強調知識的應用和創新能力的培養。例如在講解判斷流體流態時，首先講授判斷流態的理論公式，如雷諾數的計算方法及其在流體力學中的應用，然后利用多媒體教學資源，動態展示流體在不同流態下的速度分布等，幫助學生直觀地理解流態形狀，最后設計實驗讓學生親自操作，使其了解可以通過調整流速、流體性質等參數改變雷諾數，由此觀察流態的變化。上述過程結合了“兩平臺”的優勢，體現了知識體系的完整性以及學生體驗的豐富性。“三層次”則是指基礎課程學習、綜合實踐應用到創新能力培養三個逐級遞進的教學層次，確保學生既能扎實掌握流體力學基本原理，又能熟練運用知識解決實際問題，并具備探索未知、創新求變的能力。其中，基礎課程學習主要側重于基礎知識的傳授和基本技能的培養；綜合實踐應用旨在讓學生掌握一定的流體力學基礎知識后，引導學生開展綜合性的實踐應用；創新能力培養是基于前面兩層次，進一步培養學生的創新能力，可通過鼓勵學生參與科研項目、創新競賽、創業實踐等方式進行。

（三）采用多樣化的教學方法

如前所述，工程流體力學教學中，教師大多采用傳統的講授式教學方法。而這種教學方法往往比較單一，即教師單方面地輸出知識，學生在此過程中往往處于被動接受的狀態。這種教學方法缺乏互動性與啟發性，難以有效激發學生的學習興趣與主動性。因此，教師應當采取新型的教學方法及手段，由此激發學生的學習興趣。

（1）項目驅動式和啟發式教學。項目驅動式教學是一種以學生為中心的綜合性教學方法，它強調學生通過參與實際項目以掌握基本知識和技能[7-8]。在項目驅動式教學中，學生在教師的指導下完成項目的學習、訓練以及總結，從而培養學生的綜合能力和實踐技能。啟發式教學旨在引導學生通過聯想、分析相關的技術問題，培養學生的創造性思維。在工程流體力學課程的講授過程中，要想充分利用上述兩種教學方法，可從以下方面開展：針對企業需求，設計出相應的教學內容，開展校企合作。例如，某企業遇到這樣一個問題——某種流體經過多段彎管后壓降損失很大，企業想得出量化的結果，需采取什么措施以優化管道管路、減少損失。針對上述問題，教師需要引導學生探討如何將工程流體力學中所學的理論知識應用于工程實際（流阻損失、水頭損失、管道流動等），即基于前期所學知識進行思考，并不斷總結與提升，從簡單過渡到復雜。同時，要求學生全程參與項目的規劃、設計、實施和評估。學生可以分組合作，模擬真實的工程環境，從項目立項、資金申請、團隊組建、實驗設計到成果展示，全程參與，體驗完整的項目流程。對于在項目開展過程中有新想法的學生，教師應當鼓勵其展開聯想，深入分析并勇于提出問題，旨在培養學生的創造性思維，并鼓勵其參加各種創新創業類大賽[9]。

（2）結合現代技術進行教學。隨著現代技術的發展，許多新的教學手段和技術被引入課程教學中。因此，針對工程流體力學中的教學重點，例如靜止液體對曲面/平面的作用力等內容，教師可利用多媒體課件、視頻、動畫等教學資源，通過在線發布的方式供學生自主學習和復習，學生還可以隨機參與有獎競答，從而有效提高教學效果。教師還可以通過多媒體展示復雜的流體力學現象和工程實例，幫助學生更好地理解和掌握相關理論知識點。同時，對于一些較難理解和掌握的原理，可引入虛擬仿真技術，用于模擬復雜的流體流動現象，如管道流動、流體與固體壁面的相互作用、邊界層理論、紊流運動等，讓學生在虛擬環境中進行實驗操作和數據采集，提高教學的互動性和趣味性。教師還可以引導學生利用AI技術解決流體力學問題，如通過訓練神經網絡模型來預測流體流動狀態、優化設計方案等，這不僅可以提高學生的編程和數據處理能力，還能培養學生的創新思維和解決問題的能力。可借助大數據分析等技術手段，跟蹤和評估學生的學習情況，為個性化教學提供數據支持。

（四）關注學生個體差異

針對工程流體力學課程教學過程中存在的學生之間差異明顯、學習效果兩極化、個別學生因教學進度過快而產生倦怠情緒等問題，可采取以下方式予以解決：

一是教學策略差異化。根據學生的專業基礎、興趣和學習能力，實行差異化教學策略。針對基礎薄弱的學生，建立課外輔導和答疑機制；針對能力較強的學生，則提供更具挑戰性的任務和進階課程，以滿足其學習需求。二是學習計劃個性化。充分尊重學生的獨特性和發展潛力，為學生制訂個性化的學習計劃。通過問卷調查、課堂互動等方式，分析學生的學習狀態、興趣偏好等，針對不同接受能力的學生，制訂個性化的學習計劃，發掘其潛能。三是教學及指導層次化。采用層次化教學方法，根據學生平時的課堂表現、性格特點，將學生分成不同的學習層次，為不同層次的學生提供特定的教學內容和指導。同時關注學生的個性化需求，通過線上線下輔導、小組討論等方式，為學生提供有針對性的支持和幫助，并鼓勵學生參加學術競賽等。

（五）設計教學評價體系

完善教學評價體系是提高教學質量、促進學生全面發展的關鍵環節。應根據工程流體力學的教學目標，優化評價標準，設計多元化的評價體系，包括課堂參與度、實驗成績、線上答題、期末考試、態度和價值觀等多個維度，全面評價學生的學習狀態和效果。同時，根據實際教學情況，豐富評價方法，及時關注學生的學習過程，通過課堂觀察、作業分析、項目參與度評估等方式，進行形成性評價。目前，工程流體力學課程總成績計算方式為百分制，期末成績占70%（閉卷考試），平時成績占20%，實驗成績占10%。應加大實踐成績的占比，鼓勵學生開展實踐學習。在其他方面，還可鼓勵學生進行自我評價、同學互評，幫助學生進行自我反思，認識自己的優點與不足。還可建立反饋機制，使教師能及時了解學生的學習情況和需求，調整教學內容和方法。通過全面、客觀、科學的評價，激發學生的主觀能動性，提高學生的自主學習能力、工程實驗能力以及創新能力。

通過以上改進措施的實施，未來的工程流體力學教學將更加注重理論與實踐的結合、教學方法的多樣化和創新性，加大對實踐教學以及學生個體差異的關注，不斷完善教學評價體系。這對于提升學生的學習效果與實踐能力具有重要意義，為打造兼具創新精神與工程實踐能力的卓越人才奠定穩固基石。

四、結論

工程流體力學不僅是高等院校能源動力類及給排水科學與工程專業不可或缺的專業基礎課程，更是培育工程技術人才的關鍵課程。該課程涵蓋的知識點具有較強的實用性，在我國航空航天、高鐵、橋梁以及深海探索等多個尖端工程領域都發揮著舉足輕重的作用。本文針對教學過程中存在的理論與實踐脫節、教學方法單一、忽視學生差異等問題，構建了以實踐應用為核心、創新能力培養為導向的教學模式，搭建了“一主線、兩平臺、三層次”的教學框架，開展了項目驅動式和啟發式教學方法探索，根據學生的個性差異，設計了教學評價體系，突出了對學生實踐應用能力和創新能力的培養。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3］ 朱仁慶，孫士艷，王樹齊，等.“以學習為中心”的課程教學模式探索與實踐：以船舶與海洋工程流體力學教學為例[J].大學教育，2023（18）：65-68.

[4］ 唐群國，陳晶田，譚瓊.基于CFD的探究性學習在“工程流體力學”教學中的應用[J]. 大學教育，2020（6）：7-9.

[5］ 許恒杰，毛文元，鄧強國，等.新工科背景下的《工程流體力學》課程思政教學探索[J]. 云南化工，2023，50（5）：195-197.

[6］ 閆小康.高校《工程流體力學》課程教學中的思政建設[J]. 高教學刊，2020（36）： 185-188.

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[8］ 王芳，劉中秋，李寶寬.新工科背景下PBL教學模式在工程流體力學課程中的實踐[J]. 化工高等教育，2021，38（4）：52-55.

[9］ 裴翠祥，吳堅.面向創新與實踐能力培養的電阻應變測量技術實驗教學探索[J]. 科教導刊，2023（30）：50-53.

［責任編輯：蘇祎穎］