《流体力学T》课程研究性教学的探索与实践

张磊　吴正人

摘要：《流体力学T》是面向能源与动力工程专业卓越工程师计划班级开设的专业基础必修课。本文积极地进行了研究性教学的探索与实践，通过完善课堂教学设计，进行翻转课堂及引入数值模拟技术等方法，明显提高了教学质量，改善了学生的学习效果，增强了学生解决问题的能力。

关键词：流体力学；教学设计；翻转课堂；数值模拟技术

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）26-0145-02

一、引言

1.课程的性质、内容和目标。《流体力学T》是华北电力大学面向能源与动力工程专业卓越工程师计划班级的一门重要的专业基础课，共72学时。《流体力学T》的内容主要包括基础理论知识，如：流体基本概念、流体静力学、流体运动学、流体动力学、相似定理和量纲分析法，以及专题，如：流体的旋涡运动、不可压缩流体平面势流、边界层理论、气体动力学。根据华北电力大学2017版培养方案对能源与动力工程专业人才的培养目标，凝练了《流体力学T》的课程目标，使学生能系统、全面地掌握流体力学的基本概念、基本理论和分析问题的基本方法，从宏观角度研究由于外界原因所引起的流体的平衡规律或运动规律，培养学生应用流体力学知识分析、解决实际问题的能力，为后续专业课程的学习打下扎实的理论基础。因此，学生学习《流体力学T》之后，最核心的任务是要在构建流体力学经典理论框架下，能够具有解决实际问题的能力。

2.实践课堂和学生情况。在2016—2017学年第二学期的《流体力学T》课堂进行了研究型教学改革与实践，该课堂为2015级教育部卓越工程师计划实践班课堂，共30名学生。该课堂的学生基础比较好，学习积极主动，能够很好地参与到研究型教学活动中，保证了研究型教学改革的顺利实施。教学方式为参与式、交互式及讲授式；教学场地的课桌可以灵活转换摆放方式，可以6人组合为一圆桌，便于同學们讨论交流。

二、研究型教学的实施过程及成效

在研究型教学改革过程中，主要做了以下工作：

1.精心完善教学设计，保障课堂教学效果。教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划。主要包括教学目标、教学重点、教学难点、教学方法、教学步骤与时间分配等环节[1]。赖格卢特认为：“教学设计是一门涉及理解与改进教学过程的学科。任何设计活动的宗旨都是提出达到预期目的最优途径，因此，教学设计主要是关于提出最优教学方法的处方的一门学科，这些最优的教学方法能使学生的知识和技能发生预期的变化。”梅里尔等人认为：“教学是一门科学，而教学设计是建立在这一科学基础上的技术，因而教学设计也可以被认为是科学型的技术。”肖刚定义教学设计：“教学设计是一个系统设计并实现学习目标的过程，它遵循学习效果最优的原则吗，是课件开发质量高低的关键所在。”尽管上述表述不同，但其核心目的是相同的，均是为了提高教学效率和教学质量，使学生在一定的时间内能够学到更多的知识，更大幅度地提高学生各方面的能力，从而使学生获得良好的发展[2]。因此，教学设计对于保证课堂教学质量至关重要。我们对每次课都进行了认真的教学设计，首先从“为什么学”入手，确定本次课的学习目的，学习目的中既有知识方面的要求，也有能力方面的要求，例如在理想流体的伯努利方程一节，我们设置的教学目的是：熟悉欧拉积分式和伯努利积分式；掌握理想流体的伯努利方程；具有应用理想流体伯努利方程解释生活现象的能力。根据授课内容，要确定本次课的授课重点和授课难点，我们认为授课重点是本次课的主要教学内容，最终要落脚到核心知识点的理解和应用上，而授课难点不一定是授课重点，是学生在本节课中难以理解和接受的地方，要根据教学的环境、学生的认知能力、理解能力、接受能力精心设计。要进行详细的教学步骤设计，我们通常采用问题驱动式的教学来激发学生学习的主动性。在知识点讲授时，采用“提出问题—分析问题—解决问题”的模式，引导学生由实例过渡到基础知识的掌握上，最终提高学生应用基础知识解决实际问题的能力。其中，提出问题非常重要，我们在每次课会精选一些生活中或工程中的实例，引出教学内容。例如，绕圆柱体有环量的流动一节，如果按照常规的讲法是在上一节介绍绕圆柱体无环量流动的基础上，叠加上涡流的势函数和流函数，之后进行推导，得到绕流升力，最后讲应用。在讲授的过程中多是枯燥的数学表达式，学生学习兴趣较差。因此，我们在讲课时，首先播放贝克汉姆经典的“香蕉球”视频，然后提问，如何才能踢出“香蕉球”，由此吸引学生兴趣，展开分析，并与上次课介绍的流体绕圆柱体无环量的流动合力为零进行比较，说明此时叠加上涡流会有绕流升力的出现，引导同学们利用上节课的方法进行推导。

2.进行翻转课堂，学生深度参与。翻转课堂，重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。根据课堂内容，我们挑选了部分章节进行翻转课堂教学改革。不再占用课堂的时间来讲授，需要学生在课前完成自主学习，他们可以看教材、视频讲座，充分利用网络资源，或与别的同学讨论。例如在将绪论篇中流体力学的实际应用、流体参数测量、相似原理及量纲分析法、数值模拟大作业等，均采用课下同学们查阅大量资料，积极主动学习，课上进行小组讨论答辩，汇报交流的方式。

3.引入数值模拟技术，提高教学效果。流体力学的主要研究方法包括三种：理论研究、实验研究和数值模拟研究。目前教材中涵盖了前两种方法。随着计算机技术的发展，数值模拟技术的应用越来越广泛，因此，在教学内容中引入了数值模拟技术，介绍计算流体力学的基本知识及商业软件Fluent的功能和案例。课下同学们按照参考书学习软件功能和案例操作。

将30位同学分为5组，分别布置了研究项目，如表1所示。

同学们经历了课下学习软件、几何建模、数值模拟、结果整理、总结报告、PPT制作、小组答辩的过程。通过引入数值模拟技术，同学们有以下收获：锻炼了自学、动手及团队合作能力；数值模拟结果具有直观性，通过流场展示更好地理解课本中讲授的理论结果；具有利用fluent软件解决实际问题的能力；锻炼了结果整理、论文书写规范化的能力。部分同学在课后以该软件为基础，积极参加了大学生创新创业项目和全国节能减排大赛。

三、结语

《流体力学T》课程采用问题驱动的研究型教学法，吸引了学生兴趣，提高了课堂听课质量；通过采用翻转课堂的方式，使同学们课下能够积极主动地参与到学习过程中，变被动学习为主动学习；通过引入数值模拟技术，使得同学们更好地理解教材理论知识，解决实际问题的过程使学生的收获感、满足感更强，在过程中锻炼了分析问题、解决问题、动手操作和团队合作的能力及表达能力。

参考文献：

[1]曾文婕.课堂教学设计[M].北京师范大学出版社，2012.

[2]方展画.高等教育学[M].浙江大学出版社，2000.