问题和工程案例为导向的工程流体力学课堂教学改革

张土乔 张燕 邵煜 周永潮

摘要：针对“工程流体力学”课程在课堂教学中存在的问题，以及互联网+时代面临的冲击和挑战，提出基于问题和工程案例为导向的课堂创新教学，实现以教为主向以学为主转变，以课堂为主向课内外结合为主转变，以过分重视结果为主向过程和结果结合为主转变，以学生为中心，激发学生的学习兴趣，培养学生去发现问题、解决问题的能力，提高学生分析和解决具体实际工程问题的能力，从而提高教学质量，培养知识、能力和素质相结合的拔尖创新人才。

关键词：工程流体力学；问题；工程案例；课堂教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0105-03

一、引言

习近平总书记在考察大学时提出：“两个一百年奋斗目标的实现、中华民族伟大复兴中国梦的实现，归根到底靠人才、靠教育。”“……做到知行合一、学以致用，为将来走上社会，投身特区和国家建设做好思想品德、学识修养、能力才干等多方面的储备。”可见人才培养的重要性。人才培养是高校最主要、最中心的任务，而课程在人才的培养中占最主要的位置，高校提高人才培养的核心点就是提高课程的质量，而课程最主要表现在教学方法上，所以教学方法是高校人才培养的灵魂。然而，在传统的课堂教学中，基本上是以教师为中心，老师负责教（主动输出），学生负责学（被动输入），很难激发学生的学习兴趣和主动性，导致学生很大程度上丧失了主动发现问题和解决问题的能力。尤其是在信息化高速发展的今天，学生的个性化、学习需求的多样性以及知识传播方式的多样化，导致这种传统的教学方式的缺陷暴露明显[1]：“低头族”现象、团队合作意识薄弱、发现问题和解决问题的能力弱等。因此，课堂教学改革迫在眉睫，要改变传统教学中‘我讲你听的灌输模式，需要将重心转移到学生的能力与素质的培养上，给予学生更多的个性化帮助，激发学生的学习兴趣，培养学生主动去发现问题，主动去探索问题、解决问题，培养学生独立思考和创新思维。因此，本文结合工程流体力学课程的特点，结合工程案例和自然现象，提出以问题和目标为导向的学生为中心的课堂创新教学，激发学生的学习兴趣，提高学生课堂的抬头率和参与度，培养学生发现问题和解决问题的能力，以及团队合作的意识。

二、工程流体力学课堂教学改革的基础

（一）工程流体力学课程特点

工程流体力学（水力学）是水利、土木、环境类等专业的重要技术基础课，在诸多工程技术领域中有着广泛的应用。古典理论、经验性内容多，概念抽象，对数学基础和抽象思维要求较高，学生的普遍反映是学习流体力学较难。通过网络信息，综合利用录像、动画、图片及计算机技术可使其抽象的概念具体化、形象化，一定程度上可以为更好地学习该课程服务。然而，由于学生缺乏相应的工程概念和实践知识，学生对本课程仍然没有多大兴趣，吸引力不够。与此同时，工程流体力学又是一门应用广泛的课程，日常生活现象和工程实践处处渗透着流体力学知识，所以可以结合日常现象和工程实际，提出问题，循序渐进、引人入胜，加深学生对流体力学的印象与认识，让学生感到可以掌握其中的理论，体会到理解和解决实际问题后的喜悦，激发学习的兴趣，同时使工程流体力学在教学中更接近于工程实际，真正做到理论和实践相结合。

（二）工程流体力学教学资源的多样化

教育技术的开发与应用，已经渗透到教育教学的各个学科，对教育教学产生了巨大的影响[2]，近年来，以慕课（MOOC）为代表的国内外在线开放课程[3]，将信息技术与教育教学紧密融合，形成新的知识传授模式，一定程度上迎合了现代大学生追求个性、追求新颖的心理，具有较大的吸引力。也就是说教师（课堂）不是学生获取知识的唯一来源，学生可以通过社会教学资源（视频公开课、资源共享课、在线开放课程MOOC等）、校内教学资源（校内网络资源精品课程、力学实验教学中心、求解器等）等多个方面获得相应的知识。这些源源不绝的教学素材能帮助老师提供给学生更丰富更互动且更开放的学习资源，实现传统课堂与慕课等相结合的课堂教学模式，从而提高课堂教学质量。

三、課堂教学改革主要内容

（一）以工程案例、问题为导向

很多日常自然现象和工程实践都渗透着工程流体力学的知识。因此，我们可以充分利用这一特点，在教学上可以使用多媒体，将世界上一些著名的工程和现象展现给学生。如大的工程可包括三峡工程、南水北调工程、港珠澳大桥工程等，小的现象可包括饮水机、医院的点滴、鸡尾酒、足球中香蕉球等，都渗透着流体力学的知识。典型工程案例—应用背景的提出，激发学生学习的兴趣，激发学生课后阅读，寻找答案，提高解决问题的能力。同时结合科研项目，实现教学和科研的深度融合，将工程实际问题转化为流体力学问题，将工程和科研的思路、方式方法传授给学生，将科研的成果融合进教学，提高学生分析和解决具体实际工程问题的能力，从而提高教学质量，培养拔尖创新性人才。

适当增加学生课后的阅读量，充分利用好辅助教学资源，推动学生上有关网站学习；寻找生活实例，解决实际问题。课后布置小团体大作业，学生组成学习小组，自主选择一工程案例或日常生活中的一流体力学现象，鼓励学生结合动手设计、开展实验、查阅文献等手段，对其进行理论探讨与分析，撰写研讨论文，制作PPT，并在课堂上进行汇报探讨，让学生从理论中或试验中来解决所提出的实际生活、工程中的流体力学问题，更全面理解流体力学的含义，变被动学习为主动学习，提高学生发现问题和解决问题的能力。同时提高学生的自主学习能力与撰写研究报告的能力，增强学生团体合作精神和创新意识。

（二）教学环节立体推进

爱因斯坦说过，发现问题比解决问题更重要。产生问题越多，越能激发学生产生探索问题的主观能动性，越能激发学生学习的主动性、创造性。探索以问题为导向的教学方法，形成“现实问题研讨—学生主动参与—启发式解答”的课堂教学模式。如首先让同学们思考为什么高尔夫球是有凹坑的，火车站站台上为什么要设置站台线，庞大的飞机为什么能飞起来，乒乓球中的削球是如何产生的等问题，可以用哪些流体流体力学知识点来解释？激发学生浓厚的学习兴趣，提高自主学习的广度与深度；将教学的启发与学生独立思考结合起来，加强师生之间互动，学生之间的互动，锻炼学生的思维能力和独立解决问题的能力，极大地提高了学生学习的兴趣和积极性。同时，学生在对问题的探求中找到知识之间的横纵联系，使学到的知识能真正应用。

前面提到，知识不是只有老师有，但老师有好的方法来理解掌握知识，老师的作用是告诉学生方法，主要知识点、知识点之间的相关性。学习金字塔模型告诉我们，在相同的情况下，主动学习时学习内容的留存率要大于被动学习时的学习内容留存率。所以，为了提高课堂教学质量，课堂教学环节实现立体推进：问题提出—课堂内容讲授—问题讨论—内容讲授—例题、习题交叉进行，交叉进行交流、讲授、讨论、例题、讲授、习题等教学各环节有助于知识点的深入理解和掌握，尤其是交流讨论能对学生的需要做出敏感反应，因而变得积极投入学习。所以教学过程中要重视各环节的交叉立体推进；重视交流讨论，要求学生提问、探求、反应；重视习题、作业，并做到循序渐进：复述（重复上课的内容）—纠错反馈（分析、实现）—检验（综合习题）。

（三）加强与学生之间的交流互动

如果课堂中仅仅是信息的传输，那么课堂教学和视频毫无区别。单向交流的课堂中学生得到的只是信息，而不是知识，知识需要学生对信息再加工。学生层次是不一样的，学生之间可以互相帮助，提供相应的平台进行互相讨论可提高教学效果。除了在课堂上加强互动，提高教学质量的同时，我们通过建立QQ群、微信群延伸到课堂外的交流，老师学生之间可以对课堂上的教学点进行更深层次的交流，也可对学生遇到的問题、疑惑让其他学生解答。在讨论过程中往往会形成学生互相解答问题的现象，这不仅让提问题的学生得到了帮助，同时也加深了其他同学对这一知识点的理解，起到一举多得的作用。也鼓励、激励学生多提出问题，遇到共性的问题，在下一次课堂上可及时反馈讲解，从而激发学生学习的兴趣和参与教学的积极性。

（四）重视过程评价

课程考评体系一定程度上也影响着学生学习的积极性和课程的教学质量。成绩仍然是学生学习期间最关注的内容之一。然而目前的成绩考核形式上仍以传统的期末闭卷笔试为主，且所占的比例很大，导致一些存在侥幸心理，想通过期末临时抱佛脚对付通过的学生存在，这也一定程度上影响着学生平时学习积极性不高。考试不是目的，而是手段。在课堂教学中，重视平时表现在评分中的比重，比如在批改常规作业过程中发现的共性问题时，进行及时梳理，提供习题解题过程和专门讨论的时间。尽可能及时地进行学习情况的检验，经常给出阶段性分数，尽可能迅速地做出反馈。而在成绩考评中，可考虑平时成绩占总成绩的40%以上（比如常规作业10%、平时课堂讨论表现10%、平时小测验10%、小组大作业10%以上），期末卷面成绩占总成绩的60%以下。学生就无法将希望全部寄托在期末的“临阵磨枪”上，而意识到要重视平时的学习，从而也提高了学生学习的积极性。

（五）课堂教改初步成效

到目前为止，已经开展了3个学年的课堂教学改革尝试，学生们通过调研、理论分析、设计实验与实验结果分析等步骤来解决工程实际问题和生活中自然现象，培养学生解决实际问题的能力与合作精神。例如，有的同学利用纸杯、发射台、橡皮筋等简单易得的材料模拟了滑翔机的运动，借助于高速相机拍摄记录了运动过程，利用绕流阻力等流体力学知识，就马格努斯滑翔机问题进行详细的汇报探讨；有的同学从啤酒试验出发，并将空化现象推广到整个液体（主要是水），最终阐述空化理论的机理及其应用的研究进展；还有的同学就附壁效应、喂食鱼缸等日常生活现象展开了讨论……这一过程大大激发了学生学习流体力学的积极性，并加强了自身的实验动手能力和科研能力。学生普遍反馈良好，有的学生在学习心得上写道：“这次经历拓宽了我的眼界……这是我在课堂上和平时的生活经验中无法获取到的一种技术经验”“……对于学生的研究性精神以及拓宽学生对课外知识的了解有很大的促进作用……”“我们不仅开阔了视野，了解到了许多常识以及其他一些在课堂上我们所学习不到的东西，而且增强了小组成员之间的凝聚力与合作精神，使成员之间学会一种相互分享相互配合的做法”。

四、结语

工程流体力学课堂教学改革是基于问题、工程案例为导向的创新教学，实现以教为主体向以学为主转变，以课堂为主向课内外结合为主转变，以过分重视结果（期末分数）为主向过程和结果结合为主转变，以学生为中心，调动学生学习兴趣和学习积极性，培养学生发现问题、解决问题等能力，实现创新人才的培养。

参考文献：

[1]李晓亮.移动智能终端对高校课堂教学的影响及对策研究[J].高教论坛，2013，（11）：67-69.

[2]石青辉.“互联网+”背景下高校学生的学习行为特点与课堂教学改革[J].教育教学论坛，2018，（8）：143-145.

[3]索向峰，韩雪，姜坤.基于MOOC推进大学课堂教学改革策略研究[J].数码世界，2018，（3）：85-86.