工程教育认证视角下流体力学课堂教学改革的探讨

【摘要】专业认证是目前世界高等教育发展的重要特征和必然趋势。以成果导向教育为前提，对当前机械制造及其自动化专业流体力学课堂教学中存在的问题进行了深入分析。针对流体力学课程课堂教学现状存在的问题，从课堂改革措施方面提出了流体力学课程课堂改革的改革思路和举措。

【关键词】专业认证  流体力学  教学现状  课堂改革

【课题项目】项目名称：滨州学院校级教研项目，项目编号：BYJYYB201922。

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）45-0127-02

1.前言

工业经济的全球化使得工程领域的认证变得越来越重要，越来越多的高校都意识到了课程认证的重要性。专业认证通用标准规定工程基础类课程、学科专业基础类课程与专业类课程约为总学分安排的40%。流体力学分别作为各大专业工程基础类课程、学科专业基础类课程與专业类课程必设课程，足以显示出其在专业认证中的重要作用。流体力学是机械制造及其自动化专业研究流体机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科[1-2]，针对机械制造及其自动化专业的特点主要讲授流体运动的基本规律，流体对固体壁面间的作用，流体过流断面的特性、速度分布、流量计算、局部或沿程能量损失等。该课程[3]在学生能力培养和知识体系构建过程中起“承上启下”的作用。通过本课程的学习，学生应掌握流体的基本概念、流体运动的一般规律，学会简单的计算方法，为从事流体相关的专业技术工作和进行相关科学研究打下坚实的基础[4]。

专业认证指标特别强调专业应具有满足工程需要的、必备的实践教学体系[5]。自2017年以来[6]，国内对专业认证工作的研究取得了丰富成果，但基于成果导向教学模式的研究并不多见，该模式也没有得到应有的重视和推广。大部分课程已经开始尝试进行改革，并将成果导向教育理念运用到教学模式中。目前，无论哪个专业的流体力学课堂教学都存在着教学方式单一、学生参与度不高、考试以简单的计算和理论推导为主等问题。为适应专业认证的最新要求，以成果导向教育为前提，打造有深度的大学课堂，流体力学课堂教学改革势在必行。

2.课堂教学现状

流体力学课程是机械设计制造及其自动化在专业认证背景下的必修课，同时也是一门与生产实际联系密切、工程应用性和实践能力较强的课程。课程理论性较强，研究对象比较抽象，流体力学课堂教学现状具备以下几个特点[7]：流体力学课堂教学以多媒体为主，面授和板书相结合，理论推导为主，算例讲授为辅，大大降低了学生的学习主动性，减少了课堂互动性;目前部分学校还没有与流体力学课程相关的仪器设备，相关实验项目仍属空白，实践教学资源匮乏;流体力学课堂教学方式单一、学生课堂参与度不高、考试重理论推导和公式计算的现状，与专业认证背景下对流体力学课程标准的要求差距较大。通过对比近三年的学生试卷成绩（如图1所示），可以看出该课程的期末考核方式有待持续改进。

3.改革措施

流体力学课程理论性较强，涉及的概念比较抽象、公式多，增加了课堂教学的难度。流体力学理论推导与数学思维结合紧密，需要学生有较强的逻辑性，学习难度大，降低了学生的学习积极性。为改善当前流体力学课堂教学的现状，需要教师对课程绝对熟悉。为了提高学生学习积极性，针对流体力学课堂教学提出以下几个改革方案。

3.1 增设课堂讨论环节及案例

根据专业认证的要求，流体力学的教学目标不再限于使学生掌握基本的理论知识，而是更加侧重于将所学的理论知识与工程实际相结合，解决现实生活中的实际问题。因此，在教学的过程中，以分析问题，工程应用为主线，避免烦琐冗长的理论推导，从而改变传统的课堂教学理念。课堂讨论环节和引入相关案例，能够有效地检验学生的知识理解和接收程度，通过讨论实际案例可使学生加深抽象概念的应用层面上的深度理解，提高学习兴趣，也便于教师对所授知识点的查缺补漏，举一反三，有效提升教学效果。另外，可以适当增加实验教学比例，提高学生动手能力的同时增加学生对流体实验基本理论的认识。

以伯努利方程为例，以欧拉运动微分方程（理想流体运动微分方程为基础），引入假定条件，对能量守恒定律进行解释。尽量简化推导步骤，将学生的主要兴趣点放在伯努利方程的应用上。比如飞机能飞起来靠的是机翼产生的升力，由于机翼的特殊形状，气流经过上翼面的流速加快，压力减小的原理就是伯努利方程，请学生根据伯努利方程对其进行解释。

课堂讨论环节可以针对一些流体力学现象引起大家学习的兴趣。如引入虎门大桥发生异常抖动的新闻报道，讲述塔科马海峡吊桥事件，引领大家探索流体力学在这些事件中扮演的角色，从而揭示卡门涡街引起共振的现象。一定的风速使得穿过大桥的气流周期性地产生两串平行的反向旋涡，连续性的旋涡对被绕的桥梁产生周期性作用力，当作用力和大桥震动的频率接近时产生共振。共振越强，大桥摆动扭曲的幅度便会越大。 3.2 将智能教学引入流体力学教学

课堂教学具有形式多样、组织灵活、反馈快捷等特点，其教学效果一般要优于MOOC在线教学。但是课堂教学的不足也是明显的，例如一次性，不可重复性，课堂上没有听明白，不主动找老师弥补便没有了再学习的机会。而MOOC教学利用现代网络的普及性，弥补了课堂教学的缺点，学生可以在线学习，重复观看，直到学懂弄通为止。因此可以将流体力学中较难理解的公式推导，如连续方程、动量方程、能量方程三大方程等的推导过程录制并制成短视频，利用学校的泛雅课程平台发布，既可作为学生课前预习内容，通过学生提前自行学习，带着疑难点进行课堂教学，进而使课堂教学的效率大幅提升。也可以供课后反复学习和复习，用以增强课堂教学的效果。

另外，可以引入虚拟仿真教学。采用虚拟仿真的形式，将主要知识要点附加到三维模型之上，综合三维动画、三维模型、三维交互等多种形式，实现知识内容的三维可视化。仿真资源力求体现实际工程案例，教师使用PPT授课时可以直接链接相应VR资源，将虚拟仿真教学嵌入到理论教学中;学生也可以通过课外开放或手机APP随时访问虚拟课程资源，达到虚实结合、事半功倍的学习效果。

3.3将工程中常用的软件引入教学

教学的最终目的即是应用。为了培养学生分析解决实际工程问题的能力，将工程中常用的仿真软件引入教学过程。在流体力学学习过程中，部分学生对基本概念和基本理论的了解有限，面对实际工程问题时，无法转化模型和进行深入的分析处理。另外，由于传统教学方法重公式定理的推导轻物理性质的讲解，使得学生只能求解一些由实际问题抽象而来，在特定条件或状态下的力学问题。长此以往，思维固化，由于缺少对模型本身的深入分析，致使学生分析问题的能力降低。在教学中引入常用的工程分析软件，辅助学生在学习过程中的理解，会使得课堂教学更加直观。例如流体力学常用分析软件Fluent，通过简单的计算，可使抽象的流体力学理论转换成图像，从而让理论知识变得更加形象直观。提高学生学习流体力学兴趣的同时也有助于培养学生使用现代科技手段分析问题的能力，以及团队协作、沟通交流、项目管理及自我学习的能力。以圆管中的层流运动为例，分别通过流体力学软件和理论推导来探讨过流断面上的速度分布。从理论的角度出发，直接从N-S方程入手，引入：连续性方程;压强分布;柱坐标系，并利用数学的凑项思想，将边界条件展开代入N-S方程进行理论推导。也可以利用软件的优势，通过设置边界条件计算过流断面上的速度分布，更直观地观察速度分布规律。

3.4構建有效的课堂评价机制

为了避免课程的课堂考核流于形式，可以对平时教学进行评价考核，并建立“教学-学生评价-教学-教师评价-教学”的闭环系统。将教师和学生评价作为输出信息，教师接收评价信息并将改革反馈到课堂教学;教师评价作为输出信息，课程小组接收信息并将改革反馈到课程体系和教学大纲上。这样的闭环系统可以帮助改进课堂教学方法，改善教学质量。

教学改革需要不断完善学生评价体系。学生评价是衡量教师教学质量高低的一项重要指标，只有建立及时准确的反馈评价机制，才能更好地把握学生的需求，明确改进的方向。学生评价体系需要构建科学的考核体系，并建立合理的反馈机制。根据影响教学改革的因素及时发现并解决问题，继而完善教学内容和教学方法，提高人才培养质量。

4.结论

以中国工程教育专业认证委员会发布的“工程教育认证标准”为指导，践行以学生为中心，产出为导向的教学理念，构建符合工程教育专业认证要求的流体力学课程内容和课程目标达成度多维度评价方法，探索课堂讨论工程案例法、智能教学、工程分析软件在流体力学教学中的应用势在必行。

参考文献：

[1]陈卓如，王洪杰，刘全忠，蔡伟华.《工程流体力学（第3版）》[M].高等教育出版社，2013.

[2]Cimbala，John M.《流体力学基础及其工程应用（英文版）》[M].机械工业出版社，2013.

[3]沙毅，李其朋.机械类流体力学课程教学改革思考与实践[J]. 浙江科技学院学报，2018.

[4]张成良，王超，刘磊.工程教育专业认证背景下流体力学课程教学改革探讨[J].西部素质教育， 2018（4）.

[5]吴爱华，郑秀英.稳步推进工程教育专业认证工作[J]. 中国高等教育，2008（18）：14-15.

[6]王金旭，朱正伟，李茂国.成果导向：从认证理念到教学模式[J].中国大学教学，2017（6）.

[7]韩莉，赵云，周永芹，卢娟，沈晶.现代大学需要有温度、高度、深度的课堂教学[J].课程教育研究，2018（37）：15.

作者简介：

邓立君（1986-），女，汉族，山东聊城人，博士，研究方向为内燃机关键零部件可靠性分析。