启发式教学在《流体力学》课程教学中的应用探索

2020-12-29韩洪兴

高教学刊 2020年27期

韩洪兴

摘要：《流体力学》作为解决各类实际流体及工程问题不可或缺的知识，已成为理工类专业人才培养过程中非常重要的一门专业课程。为了促进大中专院校理工科学生对《流体力学》内容的掌握，激发学生的学习兴趣，提高人才培养质量和教学效率，充分发挥教学技能和教学改革的优势，将启发式教学法适时适景地融入《流体力学》的课程教学中。具体实施方案为：（1）调动学生的积极性，强调学习主体的积极参与;（2）启发学生独立思考和发散思维，开发学生的逻辑思维和创新能力;（3）启发学生掌握具有活力的知识体系，将系统知识的学习与智力相融合，养成独立解决问题的能力;（4）体现多角色课堂，发扬民主教学，引导师生双向交流，营造和谐友善的课堂环境。

关键词：启发式教学法;流体力学;课程教学;理工专业

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）27-0084-04

Abstract： As an indispensable knowledge to solve all kinds of practical fluid and engineering problems， fluid mechanics has become a very important professional course in the training process of science and engineering professionals. In order to promote the students of science and engineering in colleges and universities to master the content of fluid mechanics， stimulate their interest in learning， improve the quality of personnel training and teaching efficiency， give full play to the advantages of teaching skills and teaching reform， the heuristic teaching method integrated into the course teaching of fluid mechanics become very important in a timely and appropriate way. The specific implementation programme is：（1）Mobilize the enthusiasm of students and emphasize the active participation of learning subjects; （2）Inspire students to think independently and divergent，

develop students' logical thinking and innovation ability; （3）Inspire students to master a dynamic knowledge system， integrate

systematic knowledge learning with intelligence， and develop the ability to solve problems independently; （4）Reflect multi role

classroom， carry forward democratic teaching， guide two-way communication between teachers and students， and create a harmonious and friendly classroom environment.

Keywords： heuristic teaching method; Fluid Mechanics; curriculum teaching; science and engineering in higher education

一、啟发式教学

启发式教学指教师在教学过程中根据教学任务、教学大纲、教学环境以及学生群体的年龄、心理、学习的客观规律等因素，从学生的实际情况出发，采用灵活多变的方式，以启发学生的创新思维为主导，调动学生的学习主动性和积极性，有效地参加教学活动，促使他们生动活泼地、高效率地进行学习活动的一种教学指导思想[1-3]。启发式教学的核心问题在于正确有效地处理教与学的相互关系[4-5]。这不仅反应了教学规律，也反应了心理因素以及师生文化知识水平的灵活应用程度[6-9]。近年来，随着我国现代电子科技水平的不断提高，以及教育技术水平的改善，启发式教学得到了长足发展[10-11]。现代教育教学研究在辩证唯物主义的理论指导下，启发式教学理念批判地继承了传统教学优点，结合自身教学特点，使现代教育学和心理学不断完善[12-13]。新课标和国家教学法改革中的许多创造性见解多源于启发式教学的启示。启发式教学目的明确，教学效果优良，实施方式简单，教学成本经济，在教学活动中具有广泛的应用。启发式教学是现代教育研究中的一个重要研究方向。在高等教育全面改革的大环境下，采用启发式教学能够积极引导学生自主学习，敢于创新，充分发挥学生各自特长，调动学习的热情，对促进师生身心的健康发展具有较大的研究价值。

在启发式教学中，教师围绕确定的主题，寻找对教学内容和目标有用的资源，给予学生一定的情景，启发学生主动联想，自主构建和解决问题的方案。学生在构建解决问题的方案中，要充分体现自主性和能动性，自主地探索答案，提出新的学习方式。教师的任务不仅是传播真理，授业解惑，更重要的是授人以渔，让学生带着好奇和疑问去寻找学习新知识和开拓新领域的方法。通过教师引导，团队合作，学生成为自主学习的主体。启发式教学强调知识的铺垫和自主学习的能动性。通过教师的引导，充分发挥主观能动性，从而取得理想的教学效果。

在实施方式多样化上，启发式教学法可根据不同的课程及教学内容做相应的调整。启发式教学的目的是使学生真正融入课堂，提高学习兴趣和动力。在具体教学活动中，可综合多媒体教学手段，采用图形启发、案例启发、问题启发、目的启发等教学策略来实施启发式教学。在教学手段上，可引入动画演示、教学模拟、情景对话、环境还原等方式，激发学生的求知欲，调动学生积极性，有效地开展课堂教学活动。启发式教学法可分为讨论式启发教学法、实践式启发教学法、角色互换式启发教学法和问题式启发教学法等。在讨论启发式教学法中，表现形式多样，可在课堂设置问题，让学生积极思考，然后展开讨论。在整个讨论过程中，教师要扮演好自己的角色做好点评;在实践式启发教学法中，更加侧重情景引入，让学生有身临其境的感受，将自己所学知识应用到实际问题的需求;在角色互换式启发教学法中，鼓励学生走上讲台开展知识交流，理解相互换位思考;在问题式启发教学法中，更加注重问题引入，在授课过程中，问题启发主要以两种形式进行，一种是教师提问，主要是在课堂上提出问题，激发学生积极思考，提高学生对课程内容的理解和识记。另一种是学生提问，在课前提出问题让学生带着疑问走进课堂，激发求知欲。启发式教学适用于课堂教学的始终，激发学生的学习兴趣和学习潜能，以学生为主体进行教学，在理工科高等教育课程教学实施过程中，能够落实学生的主体地位，具有非常积极的教学效果。

二、理工专业《流体力学》的课程特点

《流体力学》是理工科专业力学的一个重要分支，重点研究流体在各种外力作用下，流体本身处于静止状态或运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律的一门科学，是高等教育理工专业必修的一门专业课程。在《流体力学》课程中，主要涉及到流体静力学、流体运动学、流体动力学基础、平面无旋流动、量纲分析和相似原理、流体阻力和水头损失、孔口出流和有压管流、明渠流动、堰流、渗流以及一维气体动力学基础等内容[14-17]。在国内高校土木工程专业中，《流体力学》的理论教学课时主要集中在30-60学时，所涉及的研究方法有现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算等。《流体力学》作为解决各类实际工程问题不可或缺的知识，已成为理工类专业人才培养过程中非常重要的一门专业课程。为了促进大中专院校理工科学生对《流体力学》内容的掌握，激发学生的学习兴趣，提高人才培养质量和教学效率，充分发挥教学技能和教学改革的优势，将启发式教学法适时适景地融入《流体力学》课程教学中，具有非常重要的意义。

若想获得优良的教学效果，《流体力学》的教与学存在诸多可以完善的环节。比如强调数学知识在《流体力学》教学中的引导作用，构筑基础数学知识与《流体力学》课程的有机结合;强化学生对《流体力学》概念、过程的掌握和理解，加深对《流体力学》中基本规律的认知和把握;引入有关《流体力学》的工程案例分析，强化学生对基础知识的理解和应用等。由于《流体力学》的课程内容稍显枯燥，研究方法过于专业，相关工程案例分析形式单一，教师多是任务型教学，学生大多是被动学习，启发式教学法在该课程中具有非凡的教学意义。

三、启发式教学在《流体力学》课程中的应用

启发式教学强调主体的积极参与，学生是学习的主体，教师要充分调动学生的学习积极性，提高学生的主体认识，将教师引导和学生积极性相结合，保障启发式教学课堂的有效开展。在《流体力学》课堂教学环节中，教师要改变传统的输灌式教学模式。输灌式教学模式往往会导致“教师台上一站，下面睡倒一片”的局面。由于《流体力学》课程内容过于专业，教师若不在教学方法和教学技能上深入研究和实时改革，必将走入传统的教学模式，接受教学效果和教学效率的严峻考验。在调动学生积极性方面，《流体力学》授课教师要首先考虑学生的基础知识掌握程度，全面考虑是否具备了学习这门课的必要基础知识，要给学生一种“听得懂、学得会、能掌握、会应用”的上课理念。如果学生不具备上这门课的必要基础知识，授课教师要做到“由繁至简”，且在授课之余，补充必要的基础知识，让学生充分感受到该课程难度适宜，授课教师为其“量身打造”，树立主体意识，有效地参与到教学活动中。

启发式教学除了强调学习主体的积极参与，还强调系统知识的学习与智力的融合。如果课本知识仅停留在书本层面，则认为该知识是无活力的知识，无生命力的知识。在培养系统知识的学习与智力融合这一技能时，《流体力学》授课教师在保护学生学习积极性的前提下，要对学生的智力情况有一个初步掌握。根据课堂讲授情况、学生互动情况和课下反馈等情况，进行综合分析，树立“先掌握系统知识，后发展融合”的教育理念。

在启发式教学的开展过程中，要激发学生内在的学习动力，授课教师也要从《流体力学》课程的知识体系、方法原理和教学方式等进行规划设计，实现内在动力与学习的责任感相结合。授课教师要从多角度、多层面培养学生发现、分析和解决实际流体问题的能力，进而实现理论知识和实践经验融合。

四、启发式教学在《流体力学》课程中的应用举例

《流体力学》涉及较多物理量，对物理量的分析和识记是课程学习非常重要的一部分。以《量纲分析和相似原理》章节为例，介绍各个教学环节的启发式教学技术的引入和操作技巧。

在《流体力学》课程中，建立流体运动基本方程，求解工程中的实际问题。但是，对于较为复杂的工程问题，需要结合理论方法、数值方法和试验方法进行分析，解决实际工程问题。量纲分析和相似原理借助量纲分析和相似原理建立了各物理量之间的联系，为进一步解决工程实际问题提供了有用的指导，那么什么是量纲？量纲又是如何定义的？

学生带着这些疑问，教师带领学生回顾了物理量的基本概念。在《流体力学》中，涉及很多物理量，如时间、质量、长度、速度、压强和力等。这些物理量主要有两种因素构成，一种因素是某个物理量的物理属性或类别;另一种因素是度量某个物理量的属性而规定的度量标准。例如长度，物理属性是线性几何量，度量单位分别为，微米（um）、毫米（mm）、厘米（cm）、分米（dm）、米（m）和光年等不同标准。长度本质属性是什么呢？我们将物理量的属性称为量纲，不因人为因素而变化。常用的量纲有：质量（M）、长度（L）和时间（T），若以dimq代表物理量q的量纲，则速度V的量纲为：dimV=LT-1。同理，加速度？琢的量綱为：dim？琢=LT-2。什么称为基本量纲那？我们将无任何联系且相互独立的量纲称为基本量纲。在国际标准的量纲中，包括7个基本量纲，分别为时间、长度、质量、电流、热力学温度、发光强度和物质的量。在实际应用中，为了应用方便，普遍采用M-L-T-Θ基本量纲系，即选取质量M、长度L、时间T、温度Θ为基本量纲。何为导出量纲？由基本量纲导出的量纲称为导出量纲，如面积S的量纲，dimS=L2，力F的量纲dimF=MLT-2，黏度？滋的量纲为：dim？滋=ML-1T-1等。在物理量q的量纲中，可采用3个基本量纲的指数乘积形式表示：dimq=M？琢LβTγ。物理量q的性质取决于量纲指数。当α=0，β≠0，γ=0时，q为几何量;当α=0，β≠0，γ≠0时，q为运动学量;当α≠0，β≠0，γ=0时，q为动力学量。上述公式称为量纲公示。除了基本量纲和导出量纲，还有一种不具量纲的量。不具量纲的量称为无量纲量。

无量纲量和与量纲有联系吗？又有什么联系呢？在量纲公式中dimq=M？琢LβTγ，当α=0，β=0，γ=0时，dimq=1，此时物理量q的量纲为无量纲量，纯数1表示。无量纲由几个有量纲物理量相乘除使组合量的量纲指数为零得到，或两个相同量纲的物理量相比得到。以压管流为例，由断面平均流速v、管道直径d、流体运动黏度λ组合的管压流的量纲为：dimRe=dim■=■=1。Re是由3个有量纲量乘除得到的无量纲量。依据无量纲量的定义，可看出无量纲量具有以下特点：

1. 客观性

有量纲的物理量均有单位，度量单位选取不同，数值也不同。若将有量量纲作为过程的自变量，计算出的因变量数值随着自变量选取单位的不同而不同。因此，要消除主观因素对运动方程计算结果的影响，需要将各项物理量组合为无量量纲。

2. 不受规模和运动数量的影响

无量量纲是常数，其数值大小与度量单位无关，不受运动规模和数量的影响。在模型试验中，需要同时满足各自独立的相似准则，几何尺寸，常采用无量量纲作为模型和原型处理的判据。

3. 无量量纲可进行超越函数运算

有量量纲仅能做些简单的代数运算，如指数、双曲线、三角函数、对数和反对数等函数运算，而无量量纲化后才能进行超函数运算。

五、结束语

在《流体力学》课堂讲授环节，改变传统的教学模式，充分融入启发式教学法，取得优良的教学效果，需要从以下几个方面入手实施：1. 调动学生的积极性，强调学习主体的积极参与;2. 启发学生独立思考和发散思维，开发学生的逻辑思维和创新能力;3. 启发学生掌握具有活力的知识体系，将系统知识的学习与智力相融合，养成独立解决问题的能力;4. 体现多角色课堂，发扬民主教学，引导师生双向交流，营造和谐友善的课堂环境。

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