浅谈新工科背景下车辆工程专业流体力学课程教学改革实践

刘海涛 卢毓俊 李萍

摘 要：在世界快速变革的新形势下，国家以“新工科”建设为契机推动高等教育的改革，以适应国家经济社会发展的需求。在此背景下，针对车辆工程专业流体力学课程存在的教学模式单一、理论教学抽象不易理解、与专业前沿方向和工程应用脱节等问题，从转变教学理念、强化专业与工程应用背景以及多元化授课模式设计三个方面对流体力学课程教学进行了立体化改革，旨在使流体力学课堂教学面貌一新，有效提升学生学习热情及学习效率。

关键词：新工科；车辆工程；流体力学；改革实践

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2018）26-0006-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.26.002

随着当前世界形势的快速发展，各个国家都在积极应对高等教育体系改革，以适应新时期、新形势下的社会发展需求[1-2]。中国提出了“新工科”的计划，其目的在于引导高等工程教育的改革，更好地适应国家经济社会发展的需求[3]。随着新工科研究与实践项目的启动实施，新工科成为当前高等工程教育的前沿领域[4]，而推动工程教育改革的基础和核心还是在于学科体系中具体课程的改革。流体力学是车辆工程专业的学科基础课，是后续专业课程的核心基础课程之一，在课程体系中具有重要地位[5]。然而，流体力学是一门理论性非常强的基础性学科，在机械专业开设课程时需要强调工程应用背景及解决实际工程问题的能力。因而如何在新工科背景下构建与工程应用相衔接的经典理论教学内容、积极开展教学模式创新、培养学生学习的积极性和主动性、处理好教与学的关系，成为流体力学课程改革的首要任务。

一、流体力学教学中存在的问题分析

流体力学是一门理论性较强的基础课程，学生们学习这门课程时存在许多问题和难点，主要表现在以下几个方面。

第一，流体力学需要较强的抽象思维能力，流体表现出来的性质与生活中积累的直观经验会存在差异，难以从实际生活中建立直观经验和感受。

第二，授课形式单一，对现代教学工具的应用不足，不利于学生学习兴趣的培养。

第三，课程内容与专业前沿研究以及工程应用脱节，难以让学生体会课程的重要性，不能适应新形势下工程教育的发展。

二、流体力学教学改革举措

针对现今教学过程中存在的问题，并结合新工科提出的目标和要求，从转变教学理念、强化课程专业及工程背景、多元化授课模式设计三个方面对流体力学教学进行了“立体化”改革。课程教学改革思路框架图如图1（见附图）所示。

（一）以学生为中心的教学理念的转变

传统授课方式较为死板，课堂教学完全是以教师为中心。而如今学生思维活跃，但注意力很难长时间保持在同一件事物上，所以传统的“满堂灌”的教学方法不再适用于如今的课堂教学。改变这种现状的关键是将以学生为中心的教学理念贯穿到平时的教学之中。具体的教学改革可从以下三个方面开展。

第一，充分增加互动环节，将被动学习转变为主动学习。如在讲解流体性质时，让学生从生活经验出发总结流体的特征，既能增加学生对流体的观察和分析能力，也有助于培养学生对流体的感性认识。

第二，采用小组讨论的参与式教学模式，将课程的主动权交回到学生手中。比如在讲解圆管内的层流的时候（模型及推导相对简单），让学生分组讨论流体的数学建模过程，根据前面课程里面讲解的理论方法，完成流动模型的建立及特性分析。

第三，翻轉课堂，将学生变为教师。本课程结课前会留出两节课的时间，用于学生讲解自己所完成的大作业，而教师与其他学生对其所做的作业进行评价。学生要进行课程讲解，需要回顾课程内容，查阅相关资料，用自己的方法去解决大作业中的关键问题。

第四，遵从学习规律，在每堂课的中间安排一道与当日教学内容相关的小习题，让学生切换思路，由被动接受知识到主动思考，提高课堂教学效率和学生的参与度，从而使学生保持思维和注意力的活跃度。

（二）加强课堂导入建设，强化课程的工程背景以及与专业的联系

由于流体力学课程理论性非常强，课程内容多以概念理解和公式推导为主，学生在学习过程中很难体会实际工程中的用处，尤其是对于以应用为导向的车辆工程专业。因而，通过加强课堂的导入建设，强化课程的工程背景以及与专业的联系，主要从以下两个方面进行。

第一，从流体力学的科学史讲解流体力学与工程之间的关系。从公元前3世纪阿基米德撰写最早的学术论文《论浮体》，18世纪牛顿、欧拉等建立流体力学基础理论，19世纪纳维和斯托克斯建立黏性流体力学理论方程，到20世纪普朗特建立边界层理论以及近代冯·卡门、钱学森等人建立高速空气动力学的理论基础，从流体力学科学史发展的脉络可以分析出流体理论的发展都是由实际工程应用需求推动的，因而流体力学的发展离不开实际工程应用背景，而流体力学理论的发展又极大地促进了工程应用的发展。分析流体力学的科学史可以使学生对流体力学的发展脉络有一个整体的认识，辩证地认识理论与工程应用的关系，从而在理论学习过程中学会从工程应用的角度思考问题，提升学习的兴趣和积极性。

第二，从流体力学的典型工程应用讲解流体力学与工程之间的关系。流体力学是在实际工程应用的基础上发展起来的，选用典型的工程应用案例可以更加有效地展现流体与工程的关系。比如液力传动装置为什么连接一根软管就可以传递动力，光滑的高尔夫球和带凹坑的高尔夫球哪个飞得更远，地面车辆的阻力是来自于车的前端还是后端，车辆外形的变化经历了怎样的发展过程，这些问题的教学配图如图2（见附图）所示。这些实际工程应用的案例背后有着深刻的流体力学原理，提出这些案例可以吸引学生的注意，增强学习的主动性。

（三）多元化授课模式的设计

随着技术的发展，现在有丰富的教学手段及教学素材供上课选用。PPT授课和板书两种教学模式可以交叉融合，发挥各自的特点和长处。PPT课件可将流体的特征、性质以及力学原理以生动形象的方式展现给学生。比如可在教学PPT课件中插入精美的图片，以展现流体本身的性质特点以及与工程、社会等方面的联系。在教学课件中同时也可插入大量的动图，用形象的动画表示流体的运动形态、特性以及变化过程，从而帮助学生建立形象具体的直观感受。PPT中大量使用动图，一方面可以有效地辅助学生理解知识点；另一方面可以使PPT美观绚丽，有效吸引学生的眼球。为了活跃课堂气氛，在课堂教学中也会穿插使用一些视频资料，通过视频中的实际案例，加深学生对流体知识点的感性认识。而在讲解较难的流体动力学部分时，引用网络上的MOOC教程中的视频资料，将网络名师的讲解引入课堂中，能让学生从多个角度去理解流体动力学的建模分析过程。

三、结语

针对现今流体力学课堂教学过程中存在的问题，结合“新工科”提出的目标和要求，对整个流体力学教学体系进行了“立体化”改革。在教学理念上从以教师教为中心逐渐过渡到以学生学为中心，通过课堂互动、小组讨论、翻转课堂以及科学设计课堂教学节奏等手段，培养了学生学习的积极性和主动性。通过流体力学科学史以及典型工程应用案例的深入分析，让学生了解流体力学理论与工程应用的关系以及与专业发展方向的联系，有效把握学习的方向和目标。采用多元化授课模式，通过精美的图片、动图以及视频资料，构造多层次、多元化的学习空间，使抽象问题具体化，辅助学生更好地理解流体力学背后的原理。

通过以上三个方面的立体改革，使得流体力学课堂教学面貌一新，课堂气氛活跃，极大地提高了教师的教学效率和学生的学习热情，同时也使得学生主动学习的能力、分析解决工程实践问题的能力都得到综合提升。另外，该课程改革中所实践的方法也为其他课程的教学提供了一定的参考。

参考文献：

[1] 林健.深入扎实推进新工科建设——新工科研究与实践项目的组织和实施[J].高等工程教育研究，2017（5）：18.

[2] 曹霞，王波，张红剑.新工科背景下数字信号处理课程的改革[J].学园，2017（25）：23.

[3] 周崇松，刘卉，何笃贵等.新工科背景下《计算机在专业中的应用》课程教学改革实践[J].山东化工，2017（16）：180.

[4] 顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）：1.

[5] 刘全忠，王洪杰，宫汝志.关于工程流体力学课程教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2014（4）：41.