新形势下流体力学课程教学改革的探索与实践

摘 要 流体力学是目前高等院校理工科专业普遍开设的本科生课程。该课程目前在教科書选择、教学内容、教学理念、教学方法及手段等方面还存在一定的问题。本文结合实际教学经验，提出提高教科书质量与改革教学内容、改进教学方法与提倡教学手段多样性、完善各项教学制度与落实教学过程安排、改革课程作业与课程考核等措施，加强利用现代互联网信息技术和数值计算与开发平台，着重培养学生的科研精神和创新思维能力，全面提高学生的学习兴趣与教学效果。

关键词 流体力学 教学改革 探讨 措施

Abstract Fluid mechanics is the undergraduate course for the majors of science and engineering in the present colleges and universities. There are certain problems in textbook selection， teaching content， teaching ideas and teaching methods and means. Based on the personal practical teaching experience， improving the quality of textbooks， reforming teaching contents， improving teaching method， advocating the diversity of teaching means， perfecting every teaching system， implementing teaching process and reforming coursework and curriculum assessment were proposed. We should make increased use of the internet and modern information technologies as well as the numerical methods and development platform. The students innovation ability and scientific research spirit can be trained and the students interest and the teaching effect can be effectively.

Keywords fluid mechanics； teaching reform； discussion； measure

流体力学是能源动力、航空航天、化工、环境、土木、暖通、机械、船舶与海洋工程等工科专业普遍开设的重要专业基础课，应用非常广泛，与多种不同工程类专业的结合非常密切，与其他学科的交叉渗透也更为广泛深入。本课程的主要任务是系统介绍过程工程中有关流体的力学性质、流体力学的基本概念和观点、基础理论和常用分析及解决方法、有关的工程应用知识等，培养学生具有对与流体力学过程有关的问题及其工程应用的分析和解决能力。[1]但由于该课程理论性、系统性及逻辑性均较强，专业术语比较抽象，学生普遍缺乏对流体力学现象及知识的感性认识，认为该课程是诸多课程中比较难学的课程之一，且发现该课程的挂科率也是比较高的。

“十三五”期间，国内许多高校进行了新一轮专业的培养设置及调整，在去年举行的高等学校流体力学教学专项研讨会上，大多数与会者反映流体力学课程的学时被不断压缩，流体力学课程的存在地位及教学效果受到严重挑战。因此，如何根据不同高校层次及不同专业和课程的特点和要求来调整教学内容、教学方法及手段等，切实不断改善课程的教学效果，提高学生的培养质量，是新形势下高校流体力学教学及科研工作者必须引起注意和重视的问题。

1 流体力学教学过程中存在的主要问题

笔记基于近年来的流体力学教学经验，总结了若干流体力学教学过程中存在的主要问题：（1）有些流体力学教科书的理论内容过于陈旧，缺乏反映最新科技进展的新内容，或者与现代科技发展的联系不太紧密；（2）课程教学方法没有较好地根据不同教学章节或模块进行合理选择，也没有突出以“学生为中心”的教学模式，学生的学习兴趣和创新思维能力难以得到有效提升；（3）流体力学教学中没有较好地利用现代互联网信息技术所带来的优势，相关计算机技术和数值计算方法的引入仍十分有限，不利于新形势下流体力学教学过程的发展；（4）学生的实践环节相对薄弱，不能适应学生创新能力培养的需求，学生的主动性和创造性发挥不够，不能真正起到激发学生创造性思维的作用；（5）课后作业安排及课程考核制度有待完善。针对目前流体力学课程教学存在的主要问题，笔者以及所在教学团队曾深入进行了教学过程改革的探索。

2 流体力学课程教学改革的探索与实践

2.1 提高教科书质量、改革课程教学内容

教科书是学生获得系统知识、进行学习的主要材料，它也是教师进行教学过程的主要依据，是理论与实际相联系的基本途径和最佳方式。[2]由于不同地区、不同层次及不同专业类型高校培养学生的模式和理念难免会有差别，因此教科书的合理选择和课程教学内容的规划显得比较重要，要有针对性地选择教材，不能盲目跟从。例如，笔者曾经执教江苏大学（重点本科学校）的材料、农业机械及环保设备等专业和江苏大学京江学院（三本学校）的土木及安全工程专业的流体力学课程，发现这些不同本科层次、不同专业的学生的学习效果有明显的区别，但学校要求使用相同的教科书，这样是明显不足的，以后应该选择适合不同学校及专业的教科书。随着科技教育的日新月异，有关流体力学知识的更新和发展非常迅速，而笔者发现仍有高校一直在使用编写年代较久的教科书，部分教科书的设计内容可能难以跟上时代发展的步伐，因此高校从事流体力学教学及科研工作者门有必要不断更新和提高流体力学知识基础，编写出更符合现代高等学校培养学生的优秀参考教材。

在合理选择好教科书的基础上，有关教学内容也应该加以改变。应该根据不同学校層次和不同专业的培养目标和需求，合理选择适宜于学生成长发展的教学内容，但同时要保证该课程的系统性和完整性。任课教师也应该逐步摒弃趋于老化的、甚至是错误的知识内容，努力适当更新和引入适应于科技发展的知识信息，设计和规划出合理的教学内容，并大胆进行尝试，以保证取得良好的教学效果。

2.2 改进教学方法、提倡教学手段多样性

教师如果想在有限的课堂时间内取得较好的教学效果，教学方法的选用与设计显得尤为重要。在当前高校大学生的专业课程种类数量增加、专业基础课学时被明显压缩的新形势下，教学方法和教学手段的改革就变得十分迫切。笔者结合近几年来的教学经验，总结了以下若干观点：

（1）针对不同的教学章节及模块，选择合适的教学方法。前面已经强调了流体力学的课程特点，如理论性强、概念抽象、方程比较多且推导复杂难懂等，因此可以针对这些课程内容特点，合理选用不同的教学方法。比如合理综合选择和使用现代多媒体技术与传统板书教学手段，教师通过板书教学来形象生动地讲述连续性方程、动量方程、不同形式的伯努利方程，解释关键推导过程中的公式符号及物理概念与变换根据，还可以让学生上讲台参与推导并进行解释和阐述，有利于学生高效理解这些知识信息。同时，板书教学要注意占据的课时比例，稍不注意，没有更多时间来详细讲述后面的有关教学内容，因此有必要取其长而避其短，采用现代多媒体教学手段来调动和激发学生的学习兴趣和积极性，以应对新形势下的教学学时缩短的挑战。事实上，目前绝大部分教师都主要使用多媒体教学手段。通过丰富的图例、逼近现实的动画以及真实的实验录像来分析和讲述流体力学中难懂的知识内容，如静压强分布、迹线与流线的差异、管内层流与湍流流动形态及其区别、管路中的水击现象及其产生原因、孔口与管嘴出流的差异及其特性、边界层的分离现象和圆柱绕流现象等，使抽象的知识内容变得直观生动，更好地激发学生的积极性。

（2）以学生为中心组织教学过程、积极培养学生的学习兴趣和综合能力。在以往的教学理念中，几乎都是以教师为中心的教师主动授课、学生被动学习的模式，课堂上学生主动并积极参与学习、讨论和交流的氛围严重不足，造成课堂教学气氛沉闷、单调。[3]长此以往，学生学习效率低下，缺乏学习的自主性、能动性和创造性，不利于取得较好的课堂教学效果，这是传统式教育在当今教学中所面临的严峻挑战。流体力学作为一门与日常生活、工业生产实际紧密结合的专业技术基础课程，教师应该鼓励学生多观察和思考身边的流体力学现象，多开展深入的教学互动，学会利用所学理论流体力学知识分析实际的问题。如可以在课堂上开辟学习方法及经验交流区、疑点问题讨论区、经验沙龙区。讨论高尔夫球表面为什么是粗糙的？汽车的阻力主要是来自前部还是尾部？游泳运动员在不同温度的水中的游泳效果是否有差异等等。针对所教授的不同学科专业以及不同的教学章节内容，鼓励教师多介绍和引入与流体力学理论及应用的近期重大意外事件、重大自然灾害事件或者重大科技创新事件等。近几年，发现江苏大学能源与动力工程学院经常学生申请并授权实用新型专利或撰写高档次论文，学生的学习积极性和创新思维能力得到了明显的提高。这种“以学生为中心”的教学模式大大提高了学生的基础理论学习和实践能力，进而提高了对流体力学技术的应用能力，真正达到了学以致用的效果。

（3）积极发挥现代互联网信息技术在教学过程中的作用。当今国内的互联网信息技术发展非常迅速，它对当今的高校生活及教学科研等都产生了很大的影响。现代信息技术的快速发展使得学生获取、学习理论知识的方式发生重大变革，教师和学生均可以超越时空，及时、便捷地获得与课程相关的信息和知识。现在许多高校学校尝试提供多样性的教学环境和资源来对现有的课堂教学资源进行补充，如江苏大学开设流体力学842T精品课程网络建设平台、大规模线上线下共享课程平台、MOOCs/SPOC翻转课堂与微课资源开发平台等，实现了课堂教学与网络平台的有机结合，较大程度丰富和充实了传统的课堂教学内容，激发了学生的学习兴趣，学生掌握流体力学基本理论的能力得到大幅度提升。另外，随着现代网络通讯设备及软件资源的深度开发和应用，互联网查询与网络聊天逐渐占据了人们特别是高校大学生的日常学习及生活的部分空间，给课堂教学带来明显的影响。笔者在前几年对所带流体力学相关班级的课堂上玩手机的情况进行了统计，发现有一半以上的学生在课堂上玩QQ聊天、微信聊天、看网络视频等，一定程度上影响了课堂教学纪律和教学效果。但是大学生上课玩手机的现象不能轻易要求杜绝，相反我们应该善加利用和控制。学生可以根据自己的实际需求，随时随地充分利用学校的网络资源和知识资源进行自主学习和协作学习。如笔者曾在每个学期开始就主动要求加入授课班级的QQ群及微信群，借助于这些群交流平台设置一些开放探索性的流体力学问题，还经常转发一些能够开拓学生视野的与课堂教学有关的视频资料信息，有利于培养学生的科研兴趣、提高学生的分析及解决问题的能力。

（4）在教学过程中积极开展CFD模拟学习与探索。近年来，随着现代计算机技术及数值计算方法的高速发展，计算流体力学（CFD）数值计算方法受到普遍重视，已有许多高校研究生课堂中开设了相关的课程，但缺乏针对本科生流体力学讲授过程中的思考、学习以及使用。[4]CFD方法能够较好克服理论和实验流体力学方法的局限性，给学生展示更多的流体力学规律和细节特征，有助于加深相关教学内容的理解和掌握。与本人所在的流体力学教研室其他老师的教学方法相比，笔者引入了较多的CFD模拟软件、计算方法及其简单应用的教学内容，如将课程内容接近的相关实例进行网格建模、参数条件设置及计算等，并将CFD模拟结果与理论结果进行对比和分析，还要求学习成绩较好的同学积极参与讨论和现场演示。笔者还将自身多年来积累的CFD模拟经验分享给有需要的同学们，获得较好的评价。该方法有助于学生理解和 （下转第137页）（上接第123页）掌握更多的流体力学规律，能够增强学生的学习兴趣和科研创新能力，为将来继续深造、工作及学习等有一定的帮助。

2.3 完善各项教学制度、落实实际的教学过程安排

高质量的教学过程依赖于健全细密、行之有效的教学制度保障，这些教学制度覆盖了从课程开发到课程评估改进的各个环节，应该是一个闭环体系。例如，课程开发及付诸实践的程序性规定和制度必须有章可循，不能变成教师个人的随意行为；课程教案的确定和评判需要集体组织讨论；课程教学大纲的审定和执行要有一定的标准和程序等等。例如，我们流体教研室的10位老师坚持双周周三下午组织和举行流体力学课程教学方法、教学经验和体会的交流活动，特别是邀请新进的年轻教师进行现场教学演示，其他教学经验丰富的教授们进行点评和指导，不同教学层次的教师们彼此深入交流教学心得，极大地促进了青年教师们的教学水平的发展。

2.4 课后作业和课程考核的改革

教师布置课后作业既是考察学生掌握课堂知识的凭证和学习效果的标准，也是学生深入学习理论知识、再次思考并解决问题的好途径。[5]在作业方面，除了布置常规的计算题、简答题及判断题等之外，可以设置一些开放式作业，作业的主题内容要与所学流体知识相关的工程应用实例结合起来，激发学生的积极性和探索性，训练学生主动查找、阅读、总结文献的能力，为将来的科研打下良好基础。在课程考核方法，课程考试试题内容应该与规定的教学目标、教学内容及要求紧密联系，注重内容的应用性、灵活性和综合性；尽量丰富试题类型，减少学生死记硬背一些公式、函数及方程等，多引入开放性和体现自由发挥及创新能力的考试题目，增强学生学习和分析问题的能力，提高和培养学生的归纳和总结能力。还可以设置一些额外的附加题目，如撰写短小的科技论文，以考核学生对知識的掌握能力。

参考文献

[1] 郑强.流体力学课程教学改革研究.山西建筑，2010.36（27）：196-197.

[2] 张引弟，廖锐全，李元凤，等.工程流体力学课程考核方式的教学改革与实践.西南师范大学学报（自然科学版），2015.40（4）：139-143.

[3] 肖东，唐海，陈小榆，等.启发联想式教学方法研究——以流体力学教学为例[J].教育现代化，2016.27（49）： 118-120.

[4] 谢翠丽，倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨[J].力学与实践，2013（35）：91-93.

[5] 陶海升.流体力学课程教学与课程考核改革的实践[J].教育教学论坛，2015（17）：91-93.