《工程流体力学》课程教学探讨分析

2020-03-03杨日丽王玉风张光生

陇东学院学报 2020年5期

杨日丽，王玉风，余岚，张光生

(陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳 745000)

《工程流体力学》是安全工程专业一门重要的专业基础课，在本科第三学期开设。该课程根据质量守恒定律、动能定理、动量定理和能量守恒定律等基础理论来分析流体平衡及运动规律，并根据相似理论及量纲分析法开展模型实验，进而为学习后续《工程热力学与传热学》《矿井通风》《矿井灾害防治技术》等课程以及工程实际问题的解决提供技术支持。本文针对陇东学院安全工程专业《工程流体力学》课程建设现状，对课程特点、理论教学、实验教学和教学方法等教学过程中存在的问题及改革建议进行了梳理总结。

1 课程特点

从课程内容、课程教学及人才培养目标实现、教学硬软件要求等方面对该课程特点进行了简单说明。

1.1 教学内容多，对数学、力学基础要求较高

《工程流体力学》的教学内容分别为绪论、流体静力学、一元流体动力学基础、流动损失和能量损失、孔口管嘴管路流动、绕流运动、相似性原理和量纲分析。涉及的运动学参数包括压强、应力、流速、流量和水头损失等，教学内容庞杂，理论性强，尤其对学生的数学、力学功底要求较高，部分概念抽象，大部分初学者感觉学习有一定的困难。

1.2 应用广泛，需要了解大量相关工程背景

本课程应用广泛，而在不同的应用场合又有着不同的力学现象，要深入理解本课程，要求学生对工科所属专业的相关工程背景有所了解，对学生的综合分析和处理问题的能力要求较高。

1.3 对教师教学水平要求较高

该课程涉及知识面较广，要求教师要有较多的知识储备，要有较丰富的实践经验。如果任课教师科研、社会经历少，素材积累少，仅靠吃透课本很难吸引学生的学习热情，甚至会使学生产生畏惧心理，教师本人也会觉得吃力[1-3]。故该课程历来被认为是教师难教、学生难学的课程之一。因此，寻求更合理有效的教学方法，调动学生学习热情，对提高教学质量、创新能力提升至关重要。

2 教学过程中存在的问题

结合近几年的教学实践，从教材内容章节设置与课程目标实现达成度、教学方法及手段、课程考核及评价等方面对其存在的问题进行了梳理。

2.1 教学内容过多、缺乏理论体系模块化、课堂内容层次化

该课程涉及理想流体和粘性流体的静力学、运动学和动力学，覆盖基础理论知识和工程实践，内容繁多、尺度跨度大、概念抽象、知识点分散。传统课堂教学多遵循章节顺序，对课程内容的系统性和逻辑性关注不足，这就容易导致学生难以形成对流体力学整体知识的系统认识，学习过程和学习成果呈碎片化，“专篇专练”效果还可以，待到课程综合考核时往往出现“张冠李戴”，更谈不上能养成工程应用能力。另外，该课堂内容多以呈现基础理论讲授为主，对知识进展、应用实践等不同层次、不同维度的目标实现与要求仍有一定差距。

2.2 过分强调教学手段多样化，忽略课堂教学质量

在“新工科”教学背景下，教育部对工科教育教学改革提出了新的方向[4-5]。新型的教学方式雨后春笋般地涌现：MOOC、SPOC、MOOC+ SPOC、互联网+、翻转课堂式、分层次教学、云课堂、雨课堂等。随着这些教学方式和教学手段的更新和使用，确实在课堂教学中起到调动学生学习热情、丰富教学资源、呈现多种教学手段等方面起到一定积极作用。但是针对《工程流体力学》课程性质和内容来讲，更需关注的是学生对所学知识的原理掌握程度及应用，即学习效果。若过分强调教学信息技术手段的多样化，往往会适得其反。比如在流体动力学中伯努利方程的推导：需要根据动能定理来分析实际流体在运动的过程中能量的转化及满足的规律，前期情景描述、受力分析、各种形式能量的表达等环节都需要学生的参与互动，可能选择传统板书的形式更便于学生接受和理解。

2.3 教学考核方式不合理、教学评价模糊

该门课程与大多数课程考核一样，均是基于“30%平时成绩(10%实验成绩+20%平时成绩)+70%期末成绩”考核评价。其中缺乏学习过程中的考核评价(比如实验设计、创新、查阅文献、小组讨论发言情况等)。当然这也与课程教学方式息息相关，不同教学方式或采取的教学手段不一样，考核可能不尽相同。但总之一点，要在考核体系中尽量将不同教学环节及所占权重应充分合理地体现出来。

目前高校教学质量评价考核基本上是分两部分：一部分来自所授课班级学生对任课教师教学准备(备课扎实程度)、教学实施(课程引入情况、教学手段是都得当、学生课堂参与度、课后辅导等)、教学效果(学生对课堂满意度、教学效果)评价等；而另一部分来自同行或者教学督导通过听评课等方式做出评价。由于教学质量评价采取的随机方式、样本容量有限，考核评价机制、操作不规范等原因，教学考核基本上是浮于“走过程”，对评价结果的统计仅仅是停留在纸上统计，对教学过程中出现的短板、不足问题未能反馈、作用于相关授课教师，这种非闭环式的反馈对促进教学改革显然形式大于效果。

3 教学改革研究重点及做法

结合当前该课程存在的问题，为了实现精准教学改革，建议从整合教学资源、采取模块化教学方式、注重以提高教学质量为导向的多种混合式教学手段的使用、借助小程序或功能性专业软件丰富实验教学等多项举措继续加强课程改革。

3.1 精选内容、注重模块化教学

“师者，传道授业解惑。”教师在教学过程中扮演着很重要的角色。不仅仅是按照教材章节对知识进行讲授，更重要的是充分发挥教师对课程内容整体构建、对于知识点与知识点的相互关联和逻辑认知，充分把握课程的整体脉络和逻辑分析，帮助学生融会贯通。

尤其对于《工程流体力学》来讲，虽然内容繁杂，但按照模块化教学，教学内容体系很明确，主要分为流体静力学、流体运动学、流体动力学、相似原理与量纲分析四个模块。其中相似原理与量纲分析可以作为单独的一个模块，对不同工程背景下的流体流动均适用。所以通用内容就按照三个模块进行分析。而三个不同的模块之间仍有互通之处，比如：整本教材其实就是围绕定常流能量方程(伯努利方程)展开的，适用于定常流流动各种能量的转化，研究速度、压强、水头损失的变化和转化，而流体静力学则可看作是流速、水头损失均为零的特殊的定常流流动。

3.2 结合学情，整合优质资源

随着网络课程平台的建设，网上有大量教学资源[6-7]，比如中国大学MOOC平台、爱课程、国家精品课程、国家实验室虚拟平台等，而与《工程流体力学》相关的资源更是充足丰富。不同学校专业设置不同，可能对课程目标要求不尽相同。

陇东学院作为甘肃省一所普通二本院校，从师资、教学资源、学情和实验室建设来讲与其他高校有着很大的区别，所以在引进资源时要充分考虑课程目标的设置和学生的学情基础，根据课程本身建设的需要引进合适的优质资源，切忌盲目追求复杂化、全盘引进，“即符合自身即是最优质的”。

3.3 注重板书、辅以多样性教学手段促进学生参与度

该课程作为一门专业基础课，很多新内容是按照相关理论进行推导的，教学目标是要学以致用、解决工程实际问题，所以对其适用条件及推导过程要尽可能地达到完全理解是非常有必要的。而不管采取什么样的教学手段，在推导过程中尽可能配以板书设计，达到思路清晰，同时给予学生一定的思考时间缓冲，教学效果可能会更优。当然，对于教学组织整个过程中，比如课前预习、课程相关资源分发、小组讨论交流等方面采取不同的教学手段，对课堂氛围、课堂教学参与度等方面都会起到一定的积极作用。

3.4 丰富实验教学手段，激发学生实验兴趣

实验教学是《工程流体力学》重要的一部分。目前陇东学院安全工程专业在课程设置中设置了16个课时的实验教学，主要包括8个实验：流体静力学验证实验、定常流伯努利方程实验、文丘里流量计测流量、雷诺实验、沿程阻力实验、局部阻力实验、水泵特性曲线实验和双泵串并联实验。虽然这些实验均可以如期开设，但大多数都是一些演示行动验证实验，对学生能力提升略显不够。同时实验教学也可以借助部分软件对一些流体遇到障碍物进行模拟，比如：手机风洞模拟软件(windtunnelfree)，可以对边界层分离现象、流体绕过圆柱体的流动、卡门涡流、机翼升力和阻力等模拟压强、流速等参数的分布，更形象直观。

3.5 拓展实践教学环节，促进创新能力提升

学生在理论知识的基础上，分别利用传统实验和CFD模拟两种办法对同一项目进行实验，在用理论结果支持实验结果的同时，利用模拟软件验证实验的结果。CFD模拟软件具有强大的数据计算功能，学生在模拟结束时，可以获取大量所需数据，省去大量的计算时间。在进行基础实验的基础上，拓展思维，研究其他因素的影响。通过流体力学实验平台的模拟计算，也可对实验平台进行优化设计等。学生在实验过程中拓展了学术思维，提高了建模能力、分析能力、思辨能力以及在遇到流体力学相关工程案例时开辟了新的思路，同时可以孵化和培育一些创业创新项目，锻炼和提升学生实践创新能力。

3.6 建立多元化、多维度的考评体系

打破传统的“三七分”的课程考核原则，随着信息化教学方式的变革大势所趋，在赋予合理权重的基础上，采取“线上、线下、期中、期末、章节小测验、讨论参与度、实验预习、实验操作规范化等”实施全“过程透明化”[8]的综合考核；也可以根据对课程达成目标的要求，实施“知识能力培养、实践能力、团队协作能力”[9]三个不同维度的考核，或是按照丰富平时成绩考核的形式，引入代偿机制等措施[10]，建立高效且公平的平时考核体系。而对教师教学评价可借鉴“360度绩效考评法”[11]，即两层级(校级评价与院级评价)、两种方式(量表评价与网评)、五个主体(教学督导员、大学生评教员、学生、行政干部、同行)等。

3.7 提升教师自身综合素质

结合我校师资情况，大多教师都是从学校到学校，从学生到讲台，没有经过太多的教学培训，没有太多的工程实践经验。教师与教师之间课程心得交流少、不注重教学进修及自身教学能力提升，上述问题对课程建设均会造成一定的影响。因此，可通过以下途径提升教师自身综合素质。

3.7.1 借助科研，促进教学

教学是科研的基础，科研是教学的发展和提高。教学与科研相结合是提高教师学术水平与教学水平的基本途径。教师只有通过对本专业及有关学科的科研活动，才能加深对本专业、本学科的理解和认识，从而获得最新、最先进的科学知识，由此丰富教师的知识结构。而教师知识结构的改善、学术水平的提高，使教师在教学过程中思路开阔，能站在新的高度对教学内容进行取舍更新，丰富教学内容,对学生进行生动的、灵活的教学。再者，积极进行科学研究的教师，在教学中会比较自然地用科研所必要的实践精神和创造精神感染学生，使学生受到鼓舞，得到启迪，更快地步入学习之中。

3.7.2 充分发挥教学督导员的作用

各大学为提高本科教学质量，基本都设立教学督导组，对教师授课情况进行督促检查，这是一个很好的举措。一般教学督导员都是选派具有丰富教学经验的老教师，他们责任心强，能认真履行自己的责任。故此应利用督学教学经验丰富的特点，组织他们给青年教师上课，以学习班的方式定期培训，从教学内容到教学方法，从教案设计到教学组织，全方位培养，提高教师的教学水平。