工程流体力学课程应用化教学改革研究

第３７卷第３期　教学研究　Ｖｌ０１．３７　ＮＯ．３　２０１４年５月　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｍａｖ　２０１４　工程流体力学课程应用化教学改革研究　李楠张财红　（燕山大学车辆与能源学院，河北秦皇岛０６６００４）　［摘要］　针对“工程流体力学　课程在教学过程中存在的问题和挑战，以提高学生素质、增强学生分析　解决实际问题的能力、培养应用型人才为目标，从课程的教学思想、教学设计、教学方法和手段等方面入手进　行改革，探讨课程应用化教学改革的新思路。通过教学改革的实践，学生的学习兴趣、听课效果、创新精神、　实践能力以及综合素质等方面都有了很大的改善，保证了教学质量和教学效果。　［关键词】　工程流体力学；应用化；教学改革；教学效果　［中图分类号】　Ｇ６４２．０　［文献标志码】　Ａ　【文章编号］　１００５—４６３４（２０１４）０３－００８１－０４　０　引言　对于提高专业型、应用型人才的培养有着积极的作　用。笔者从“工程流体力学”课程的特点出发，结　所谓课程的应用化教学改革，是指以课程教材　合近年来的教学实践经验，从教学思想、教学设　为理论基础，以回归工程实际为应用背景，以建立　计、教学方法和手段等方面进行剖析，希望能为广　学生的应用知识观念、培养学生的应用知识途径、　大“工程流体力学”课程教学工作者提供参考。　提高学生的应用知识技能为目的，借助现代化的教　学媒介，通过教学指导思想的转变、教学手段和方　１教学中所面临的挑战　法的革新、课程体系的完善、教与学的优势互补等　“工程流体力学”课程是研究流体的力学运动　一系列举措而对传统教学模式进行的全面革新。　规律及其应用的学科，是力学的一个分支。作为一　高等学校本科生课堂教学改革历来都是提高　门专业基础课，其侧重点在于生产生活上的实际应　教学水平和教学质量的重要工作之一。２ｌ世纪初，　用，趋向于解决工程中出现的实际问题。但是，近　教育部出台《关于加强高等学校本科教学工作提高　年来，随着流体力学学科发生深刻变化，在教学过　教学质量的若干意见》，针对我国高等教育面对的　程中主要面临以下三方面挑战。　新形势，提出了１２条加强本科教学工作、提高教　首先，随着对流体运动的认识加深，测量手段　学质量的措施和意见，根据新世纪学科发展趋势和　也更为先进，并且随着计算机技术的飞速发展，对　人才培养要求确立课程改革新理念，提出使用现代　流体运动的分析和处理能力空前强大，与工程应用　化教育技术提升教学水平，以及注重培养学生的创　结合也更加紧密，与其它学科交叉渗透的领域迅速　新精神和实践能力。　扩大，学科发展的强劲势头促使流体力学课程非改　“工程流体力学”课程作为一门基础理论性强、　不可，老的课程体系、内容和形式已经不再适应课　应用领域广泛的专业基础课，是高等学校多个工程　程要求，必须花大力气进行课程改革。　类专业必修的学科基础课程，是公共基础知识与专　其次，“工程流体力学”课程知识结构复杂、　业知识相衔接的纽带，在普通高校的教学中具有重　概念抽象、数学公式繁琐，历来被归入教师难教、　要地位　。本课程不仅为本科学生后继相关专业课　学生难学的课程　，并且目前很多学生的学习兴趣　程的学习提供必要的基础知识，也为研究生日后从　集中在外语、计算机等热门课程，对流体力学的关　事流体方面科学问题的研究提供了坚实的理论基　注度逐渐下降。而且本课程专业跨度较大，覆盖了　础　，另外还为工程实际问题的解决提供技术支　机械工程、能源动力、土木水利、环境化工、农业　持。因此，开展“工程流体力学”课程的应用化教　生产等学科领域，各个领域要求差别程度大，如何　学改革、提高教学质量，具有很重要的现实意义，　实现他们的统一，具有很大难度。　【收稿日期］　２０１３一ｌ１—０７　［作者简介］　李楠（１９８２一），男，河北石家庄人。讲师，博士，主要研究方向为工程热物理、能源的开发和利用。　８２　教学研究　另外，近些年来各个学校“工程流体力学”课　程课时连年压缩，已减少到最低限，使得教学内容　越来越简单，有些学校干脆删除了物理背景、力学　建模和求解过程，只剩下干巴巴的结果和计算公式　图表，这种趋势需引起注意，这是一种短视的做　法，培养的学生只是现成公式的计算机器，面对书　本上没有讲过的问题或工程实际中遇到的新问题　将束手无策，也缺乏与科研人员沟通的能力，不能　成为研发新产品的技术骨干，这样培养出来的学生　没有创新能力，这种倾向不能代表流体力学课程教　学改革的方向　。　因此，必须面对当前形势，紧跟学科发展，端　正指导思想，引进优质资源，运用先进手段，全面　系统的进行课程应用化教学改革。　２教学改革所采取的措施　２．１教学指导思想的改革　钱学森指出从２０世纪起除自然科学和工程技　术外形成了技术科学领域，那么对应在流体力学领　域则是除理论流体力学和实验流体力学外形成偏　重于实际应用的工程流体力学。他曾提出用技术科　学思想和方法论对流体力学课程教学改革进行指　导，但这种指导思想一直到现在也没有在流体力学　的相关课程教学过程中得到充分体现。　传统的理论流体力学阶段主要是揭示自然界　的普适规律，把研究对象置于最单纯的理想条件　下，因为当时的认识条件有限，对真实流体没办法　研究。而实验流体力学又没有理论支持，缺乏普适　性，只是针对某一个具体问题。这些理论与实际脱　节的现象严重限制了流体力学的发展。因此将理论　流体力学与实验流体力学结合起来的偏重于实际　应用的工程流体力学是发展的必然，工程流体力学　一头连着理论流体力学，另一头连着实验流体力　学，是一个关键性领域。工程流体力学是技术科学　思想的典型代表，体现流体力学的基本理念和方法　论，展示近代成果的流体力学课程在教学体系中占　有不可替代的重要位置。　高等学校培养创新和应用型人才的思想与目　标应和应用流体力学的理念相一致，创立工程流体　力学本身就是一个创新，它的目的是“工程”，因　此在此理念下对流体力学课程进行教学改革在培　养人才方面处于重要地位。只有接受了工程流体力　学指导思想的教育与训练，才能使得在交流过程中　彼此了解对方的意图，才能相互沟通、紧密合作，　创造出新的成果，推动技术科学不断发展，这是课　程坚实的指导思想和任务。　２．２教学设计的改革　应用化课程教学，在教学过程中同样也要以教　师为实施主体，以学生为主要接受主体，这与传统　教学方式差别不大。除此之外，应用化教学的主要　目标为“应用”，因此在教学过程中要突出学以致　用，把课程教学特点与各类工程实际应用特性相结　合。根据“工程流体力学”课程的指导思想，从体　系、内容、要求和方法对该课程进行全方位的应用　化教学设计和改革。在教学过程中所遵循的路线　是：基础理论一案例分析一工程应用。　１）注重工程流体力学基本理论与概念的授课。　通过本课程的学习使学生掌握工程流体力学的基　本概念和定理的本质及其数学表达式，并能正确运　用这些规律及方程进行流体流动过程的分析计算。　２）授课过程中引入工程技术问题。这和理论　流体力学或纯粹的理论研究不一样，要求授课老师　必须熟悉并深入到工程问题当中去，与工程师、工　人打成一片，了解实际问题，从中找到需解决、突　破的重大核心问题，不能只面对抽象的基础理论。　３）针对工程问题引导并培养学生建立物理和　数学模型，提取主要因素，忽略次要因素，建立物　理模型，采用数学方法对问题进行描述，进而建立　数学模型，这是工程流体力学最重要的一步，既要　用到基本理论，又要熟悉工程技术。　４）用应用数学方法进行模型求解，并与工程　实际问题相比较或是与实验室结果进行对比，检验　理论结果。　５）将理论及计算结果应用于工程实际，这才　是工程流体力学最终的目的。　２－３教学方法与手段的改革　“工程流体力学”课程概念抽象、内容多，采　用传统板书授课方法既枯燥又费时，再加上课时的　压缩，使得传统上课方式处于两难境地。而唯一的　出路是提高讲课效率和调动学生自主学习的能力。　１）可以选择内容丰富、易于阅读的教材，在　课上只讲解重点，其它内容让学生自学，并且借助　多媒体的手段。这样一来，公式和图片可以直接展　第３期　李楠张财红工程流体力学课程应用化教学改革研究　８３　示，基本概念、机理性过程、物理意义等可以专门　设计动画演示，工程背景和实际应用可用于视频播　放。例如：讲授绪论部分可以借助多媒体充分展示　“工程流体力学”课程的魅力，吸引所有学生的注　意力，使学生对流体力学产生很深的印象，去掉对　流体力学的畏惧感，增强他们对本课程的亲和力。　借助多媒体手段还可以展示直接观察不到的流体　内部流动结构和规律，这是帮助学生理解基本概　念、认识公式和定理的物理意义、提高学习兴趣的　重要手段。多媒体技术使得过去认为最难讲清楚的　知识点变得形象易学，这是传统教学方法无法做到　的。侧重对学生进行素质教育，启发学生的创造性　思维，大量流动的实例、生动的插图和动画有利于　提高学生的学习兴趣，增加教学信息量。当然，在　制作多媒体的时候，应该选择一本规范的教材作为　脚本，教案上的字符、术语、编号等尽量与教材一　致，如果偏离较远，本科生不易适应，将影响教学　效果。其次还要有总体规划，教案应符合教学规律。　２）发展网络课程教学。网络课程是课堂教学　的延伸，是课外辅助教学，是提高学生自主学习能　力的重要手段。网络课程改变灌输式教学模式，让　学生手握鼠标自己学习，创造一个自主学习的环　境，既可以作为在校生配合课堂教学的辅助教材，　也可以作为校外学生和工程技术人员的自学教材。　网络课程必须体现教学功能，体现课程指导思想，　围绕新内容体系和结构体系，实现各种教学功能。　３）进行教学实验改革。教学实验改革的主要　目的是为了配合课堂教学，提高学生的动手能力和　能力培养。“工程流体力学”课程实验可以分为三　类：基本实验、综合型实验和自主研究型实验。其　中基本实验有演示型、基本理论型、基本操作型，　通过演示设备加强基本概念以及基本定理的验证　实验，它是配合课堂教学的实验项目。比如通过基　本概念的定性演示，帮助学生建立正确的物理概　念；通过基础理论的定量测量，让学生验证基本公　式，加强对基本理论的认识。通过学生自己做实验　来验证所学知识的正确性，从而感受到学习的乐　趣。综合型实验则是研制综合性实验装置，通过测　量手段、演示手段、仪器操作等方面的综合训练，　提高学生的综合实验能力，这类实验属于带有新测　试技术的科研类实验。基本实验和综合型实验属于　教学环节的一部分，是所有学生都要参与的。而自　主研究型实验则是对学有余力或是学习比较好的　学生开放的，学生可以通过上课、实验或是日常生　活发现的一些问题或规律，主动提出进行实验，由　学生自主设计、搭建和运行，教师做咨询和辅导，　从而共同完成。　２．４立足于学生的应用化教学改革　学生始终是学习主体，因此对“工程流体力　学”课程的应用化教学改革必须立足于学生，授课　过程中既要考虑学生对基本概念、公式定理等基础　知识的理解与掌握，更要重视对学生科研实践能力　以及综合应用知识能力的培养，使学生在以后的工　作或学习中真正的做到学以致用。　首先是应用知识观念的建立。应用知识观念的　建立是应用化教学改革的前提条件，在“工程流体　力学”课程教学过程中，不仅要注重传统知识的讲　授，还要有意识的在讲课过程中把学生引入到工程　实践应用及整个学科的前沿知识中去，引导学生架　起理论知识与实际应用之间的连通桥梁，培养学生　学以致用的学习理念。　其次是应用知识途径的培养。通过在教学过程　中不断地启发、诱导学生，使学生的思维时刻处于　活跃状态。教师在讲课过程中应做到把理论基础知　识与工程实际问题融会贯通，对于工程流体力学中　的每一个重要知识点，都要有相应的专业工程问题　作为应用例子，启发学生从实际应用中提炼问题，　培养他们的工程应用能力和创新思维。还要培养学　生主动查找资料和参阅文献的习惯，培养学生提出　问题、分析问题和解决问题的能力，通过“工程流　体力学”课程学习引导学生发现日常生活中的流体　流动现象，指导学生应用“工程流体力学”知识去　解释或解决实际问题，使教师讲授与学生自学相结　合，理论知识与实践能力相补充，充分调动学生的　主观能动性，把课堂的理论变为自身的知识，不仅　学习到理论知识，还掌握了科学的学习方法和思维　方式。　除此之外，还要注重应用知识技能的提高。学　生在学习理论知识的同时，教师通过对例题和习题　的讲解，把简单的数学模型推广到复杂的工程实际　问题中去，使学生在模型简化和问题求解方面的能　力得到提升。另外课堂教学过程中可以专门抽出一　部分时间来采用分组的形式让学生进行工程实践　专题讨论，针对某些工程实际中遇到的流体力学问　题展开讨论，鼓励学生畅所欲言，激发学生独立思　教学研究　２０１４　考能力，使学生把理论知识运用到工程实践中，同　时在知识的应用过程中完善思维方法和学习方法，　在知识的学习、选择、应用中发挥自身的思维力和　创新性。此外在实验教学改革中还可以通过基本实　验、综合型实验和自主研究型实验的设计与实施培　养学生独立思考及动手操作的能力。　３实践效果　“工程流体力学”课程应用化教学改革已在本　科教学中尝试并应用，参与授课的学生有几百人之　多，在教学过程中既注重理论知识的学习与培养，　又加大了应用实践能力方面的锻炼与提高。经过一　系列的教学探索与实践，极大地提高了学生探讨问　题的主动性和学习的积极性，培养了学生的综合实　践能力和开拓创新精神，提高了学生的学习兴趣和　理论联系实际的能力，取得了显著成效。具体体现　在以下几个方面。　１）提高了学生的主动性和学习的积极性。在　“工程流体力学”课程应用化教学改革之前，学生　普遍反映本课程相关知识晦涩难瞳，很难掌握，而　且理论知识枯燥，很难产生兴趣，因此学习过程中　采用了应付考试、死记硬背的学习方式。而通过应　用化的教学改革，利用兴趣培养、问题引导等方法　使得学生的课堂听课率明显增加，考试不及格现象　明显减少，学生认识到理论知识不仅有科学严谨的　一面，同时还有丰富生动的一面。教学过程中引导　学生带着工程实践问题去进行理论知识的学习，不　仅活跃了课堂气氛，也使学生探讨问题的主动性和　学习的积极性大大提高，这就使学习有了方向性、　目的性，促使了学生主动积极的学习。　２）培养了学生的创新能力。通过“工程流体　力学”课程应用化的教学改革，鼓励学生大胆猜　想，启迪学生的创造性思维。经过教师引导，把学　生的被动学习逐渐转变为主动参与学习，从而激发　学生的创新精神；利用教学方法改革，激发了学生　的独立思考能力，教学过程中通过引导学生自己发　现问题、提出问题、解决问题这一系列过程锻炼，　学生在申报国家级、校级大学生创新项目中的积极　性高涨，申报项目的数量从原来每年两项左右迅速　增加到十几项，并且所申报项目质量也大幅度提　高，学生的创新思想及创新意识有了很大的改善。　３）促进了理论与实际的相互结合。通过“工　程流体力学”课程应用化的教学改革，学生在学习　过程中认识到了理论联系实际的重要性，通过对实　际工程问题的理论化探讨，学生更加懂得了理论来　源于实践并且还要指导实践。课程应用化教学改革　以后，学生利用假期时间主动参加社会实践活动的　次数明显增多，从原来的每班一两个社会实践小组　逐渐扩大到全班积极参与、人人争先实践。这样一　来，学生的思路开阔了，所学理论知识与工程实际　问题融会贯通，从理论与实践的结合中掌握了课程　学习的重点和难点，明确了学习方向。　总之，“工程流体力学”课程进行应用化教学　改革以来，学生的学习兴趣、听课效果、创新精　神、实践能力及综合素质等方面都有了很大改善，　学生对教师、教学的反馈良好，并给予了较高的评　价。教师讲授效率明显提高，学生接受知识及掌握　知识的效果显著增加，从而保证了教学质量和教学　效果，为学生后续专业课程学习打下了良好基础。　４结束语　应用型人才的培养不仅需要具有渊博专业知　识和精湛专业技能的教师，还需要学生积极主动的　参与到应用化课程改革过程中来，而学生的参与又　离不开教师的正确引导。教师的讲授与学生的参与　这两者相辅相成、互为补充，如果两者能有效结合　并落到实处，课程的应用化教学改革将有一个质的　飞跃。承担“工程流体力学”课程的教师，应当根　据“工程流体力学”课程和现代大学生的特点以及　工程实际的需要，结合本学校本专业的特点与实　际，创造良好的教育环境与基础，积极对本课程教　学思想、方法、手段等方面进行改革，提高学生自　主学习和知识综合运用的能力，增强学生分析解决　实际问题的能力，为新世纪应用型人才的培养奠定　坚实的基础。　参考文献　【１］孙文策．工程流体力学（第四版）【Ｍ】．大连：大连理工大学出　版社，２０１２．　［２】赵斌，钟晓晖，王洪利．强化研究生实践能力与创新意识培养　的探讨［Ｊ】．中国电力教育，２０１３（２０）．　［３】刘宏升，孙文策，张博，王正．流体力学研究型教学法的研究　与实践［Ｊ］．中国科教创新导刊，２００９（３１）．　［４］丁祖荣．用钱学森技术科学思想和方法论指导流体力学课程改　革［ｃ］．第五届全国力学史与方法论学术研讨会，２０１１．