流体力学课程教学改革策略研究

郑 强

1 概述

流体力学是一门理论性和实践性都较强的课程,概念抽象、方程繁琐,对学生高等数学知识及综合分析和处理问题的能力要求较高。在教学过程中,笔者发现学生普遍缺乏对流体运动的感性认识,不清楚流体力学有什么用,缺乏学好流体力学的动力。如不及时加以引导,提高学生对流体力学的认同感,很可能导致其在学习中产生畏难或厌学情绪,影响教学进程和专业培养的质量。在全面推进素质教育,加强创新教育的教学改革进程中,如何针对流体力学课程特点,从教学内容、教学方法和教学手段等方面对流体力学教学改革进行深入探析,构建一套新的流体力学教学模式具有非常重要的意义。

2 重组教学内容,优化教材结构

流体力学课程体系可分为基本理论和试验知识、基本应用、与教学内容相关的发展历史与前沿、与其他学科的交叉内容、与工程实际的渗透和应用等等模块。模块式教材结构的优点在于:有利于根据各学科专业的不同需求选择学习内容;每个模块的学时数较少,教学目标明确,容易实现,可以调动学生的学习积极性,提高学习效率;模块之间既具有相对的独立性,又存在有机联系,在满足各科专业不同教学层次需要的情况下,可保证该课程的系统性和完整性;有利于学分制的实施[1]。

目前国内流体力学课程体系贯穿静止流体→理想运动流体→实际运动流体;一元流体→二元流体→三元流体这两条主线。各部分先从建立微分方程入手,然后在特定条件下进行积分得到相应的能量方程。这种体系的特点是由简到繁、由易到难,学生易于接受,但交叉重复内容较多,章节跨度较大,学时要求相对过多。基于模块式教材结构,可以构建新的更易于教和学的课程体系:即在讲授流体运动学基础、动力学基础时,先从三元不可压缩粘性流体流动的基本方程入手,使学生在本门课程开始就接触到流体动力学的总的轮廓和最基本的理论方程,后面的理想流体动力学及一元流体动力学问题作为其特殊情况处理,将理想流体、一元流动的条件代入有关方程,即可得到理想流体、一元流动的动力学方程。这种体系的特点是由一般到特殊,条理清楚。教师在讲完一般形式的方程组后再来讲具体一元流体动力学及理想流体动力学问题,就可略去大量的公式推导过程,教材篇幅相对较少,所需学时较少,内容组织层次感较强,讲起来更加引人入胜和重点突出,教学过程相对简化[2]。

3 通过直观工程实例,激发学生的学习积极性

流体力学课程的授课阶段,任课教师在完成教学内容的同时,应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景,引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。在流体力学教学中适当地穿插讲述一些发生在我们身边的重大事故、重大灾害和重大建设项目的实例,对学生认识流体力学对于工程建设和工业生产的重要性、培养严谨的科学作风很有帮助。在讲述空气动力学中机翼升力随攻角的变化时可以介绍1998年华航空难事件;在讲述流体静力学理论时可以穿插1979年“渤海二号”钻井船翻沉事件,使学生得以深刻理解浮体在流体中的稳定性条件;在讲述流体中涡旋的产生和发展变化时可以介绍9711号台风预报实例;在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时可以介绍1993年青海沟后水库垮坝事件等[4]。

4 多媒体教学与传统的教学方法相结合

4.1 传统教学模式的特点

传统教学模式是使用传统的教学手段(语言、文字、图表、表格、挂图、标本、模型等),完成特定教学内容的一种课堂教学形式。其特点是教师口授、板书,学生耳听、笔记。传统教学模式有一整套相对成熟的教育理论,积累了丰富的教学经验。在传统教学中,通过教师形象、生动的讲述,学生易于接受,教师能根据学生及时的信息反馈,了解学生对所学知识的理解程度,并据此调整教学策略以达到预期的教学目的。这种教学模式有利于教师主导作用的发挥,教师可以根据学生的具体情况提问,因人而异,突出重点与难点,灵活讲解;有利于教师的组织管理和教学过程的调控;对教学环境的要求比较低。传统式教学以教师为主体,在整个教学过程中,学生都始终处于被动的知识接受者的地位,学生学习的主动性被忽视,甚至被压抑,从而大大降低了教学效率。它片面注重现成知识的传授功能,忽视了探索和创新知识的功能。与此同时,由于教学学时缩短,如何在有限的时间内,让学生学到更多更丰富的知识,这是传统式教育在当今教学中所面临的严峻挑战[5]。

4.2 多媒体教学模式的特点

多媒体教学是指在课堂教学过程中,引入以多媒体计算机系统为核心的,集图、文、声、像全方位信息处理功能的智能化教学系统,根据信息传播理论和教学过程的规律而设计、实施和评价的,通过形声媒体和软件的运用,调控着教学的全过程的新型教学方式。多媒体教学具有传统教学方式无法替代的优势:采用多媒体教学技术,增强了教师与学生交流,可以充分发挥学生学习的积极性;用信息的多维化来满足思维的多维化;多媒体教学使教学方式形象生动,有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力;多媒体及网络技术可以使教学信息双向化;多媒体教学信息量大,有效提高了教学效率,解决了课程设置与学时的矛盾;多媒体教学对教学资源的传播和再利用起到了积极作用[6]。

4.3 注重传统教学模式与多媒体教学模式有机结合

考虑到多媒体技术授课和传统的授课方法各自的优缺点,在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来,取长补短,相辅相成。

流体力学教学中让学生认识流动的物理本质,是一件首要的、基础性的任务。学生如果没有亲眼见到流体运动中的动态过程,单凭教师的讲解是很难建立清晰的物理概念的,若在此时就介绍抽象的概念、复杂的流动方程,学生是无法接受的。利用多媒体手段,可以将流体力学里面那些很难用语言描述的流动图像,如流体绕流、流体由层流向紊流的转化、势流、流场、波的传播、流线的概念、迹线的概念、拉格朗日描述和欧拉描述形象生动地显现出来,可以帮助学生建立清晰的物理概念,缩短认识过程。其次,对于水静压强分布图、水头线、莫迪图、射流流场等相关内容,教师需占用大量时间写板书表述,有些甚至不易通过写板书表述,采用多媒体手段表达后,不但可以提高教学效率,帮助学生很好地理解课程的难点,还可激发学生学习的积极性,从而为教学质量的稳定与提高提供了保障[2]。

传统的授课方法在公式推导、例题讲解过程中占有优势。重要公式推导,重点、难点、概念的阐释,用板书的形式来讲授更加符合人们的逻辑思维习惯。教师通过在黑板上的推导过程,介绍思路和方法,留给学生足够的时间思考、琢磨和消化,能够促进学生思维的开拓与参与意识,并使其牢固地掌握做题的方法和步骤。如果单一采用多媒体手段进行教学,可能导致学生出现思考不足、理解不透、学习困难、兴趣下降等现象[7]。

5 结语

深入的教育体制改革为课程教学改革提供了广阔的天地。作为一门古老而又新兴的学科,面对机遇和挑战,流体力学课程教学工作的改革势在必行。为了有效地实施素质教育,培养知识型高技能人才,激发学生的思维与创造力,我们应以教学效果为目标,根据教学内容的需要,从教学方法和教学手段等方面着手,对流体力学的教学进行一些初步的探索和有益的尝试。

[1] 杜广生.高校工科流体力学教学改革探析[J].山东工业大学学报(社会科学版),1998,45(2):80-81.

[2] 辛军哲.在流体力学课程中实践启发式教学的几点体会[J].高等建筑教育,2004,13(2):51-53.

[3] 李建强.流体力学在工程建设中的应用[J].华东交通大学学报,2001,18(3):66-67.

[4] 严宗毅,郑桂珍.在流体力学教学中通过重大事件实例教书育人[J].力学与实践,2002,24(4):68-69.

[5] 张春玲.利用多媒体技术提高整体教学效率与效果的研究[D].南昌:南昌大学,2007.

[6] 韩 芳.高等院校多媒体教学质量保障研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[7] 杨小林,杨开明,严 敬,等.流体力学课程教学改革探析[J].高等教育研究,2006,22(2):47-48.