工程流体力学课程应用化教学改革研究

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  [摘 要] 针对“工程流体力学”课程在教学过程中存在的问题和挑战,以提高学生素质、增强学生分析解决实际问题的能力、培养应用型人才为目标,从课程的教学思想、教学设计、教学方法和手段等方面入手进行改革,探讨课程应用化教学改革的新思路。通过教学改革的实践,学生的学习兴趣、听课效果、创新精神、实践能力以及综合素质等方面都有了很大的改善,保证了教学质量和教学效果。
  [关键词] 工程流体力学;应用化;教学改革;教学效果
  [中图分类号] G642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634(2014)03-0081-04
  0 引言
  所谓课程的应用化教学改革,是指以课程教材为理论基础,以回归工程实际为应用背景,以建立学生的应用知识观念、培养学生的应用知识途径、提高学生的应用知识技能为目的,借助现代化的教学媒介,通过教学指导思想的转变、教学手段和方法的革新、课程体系的完善、教与学的优势互补等一系列举措而对传统教学模式进行的全面革新。
  高等学校本科生课堂教学改革历来都是提高教学水平和教学质量的重要工作之一。21世纪初,教育部出台《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》,针对我国高等教育面对的新形势,提出了12条加强本科教学工作、提高教学质量的措施和意见,根据新世纪学科发展趋势和人才培养要求确立课程改革新理念,提出使用现代化教育技术提升教学水平,以及注重培养学生的创新精神和实践能力。
  “工程流体力学”课程作为一门基础理论性强、应用领域广泛的专业基础课,是高等学校多个工程类专业必修的学科基础课程,是公共基础知识与专业知识相衔接的纽带,在普通高校的教学中具有重要地位[1]。本课程不仅为本科学生后继相关专业课程的学习提供必要的基础知识,也为研究生日后从事流体方面科学问题的研究提供了坚实的理论基础[2],另外还为工程实际问题的解决提供技术支持。因此,开展“工程流体力学”课程的应用化教学改革、提高教学质量,具有很重要的现实意义,对于提高专业型、应用型人才的培养有着积极的作用。笔者从“工程流体力学”课程的特点出发,结合近年来的教学实践经验,从教学思想、教学设计、教学方法和手段等方面进行剖析,希望能为广大“工程流体力学”课程教学工作者提供参考。
  1 教学中所面临的挑战
  “工程流体力学”课程是研究流体的力学运动规律及其应用的学科,是力学的一个分支。作为一门专业基础课,其侧重点在于生产生活上的实际应用,趋向于解决工程中出现的实际问题。但是,近年来,随着流体力学学科发生深刻变化,在教学过程中主要面临以下三方面挑战。
  首先,随着对流体运动的认识加深,测量手段也更为先进,并且随着计算机技术的飞速发展,对流体运动的分析和处理能力空前强大,与工程应用结合也更加紧密,与其它学科交叉渗透的领域迅速扩大,学科发展的强劲势头促使流体力学课程非改不可,老的课程体系、内容和形式已经不再适应课程要求,必须花大力气进行课程改革。
  其次,“工程流体力学”课程知识结构复杂、概念抽象、数学公式繁琐,历来被归入教师难教、学生难学的课程[3],并且目前很多学生的学习兴趣集中在外语、计算机等热门课程,对流体力学的关注度逐渐下降。而且本课程专业跨度较大,覆盖了机械工程、能源动力、土木水利、环境化工、农业生产等学科领域,各个领域要求差别程度大,如何实现他们的统一,具有很大难度。
  另外,近些年来各个学校“工程流体力学”课程课时连年压缩,已减少到最低限,使得教学内容越来越简单,有些学校干脆删除了物理背景、力学建模和求解过程,只剩下干巴巴的结果和计算公式图表,这种趋势需引起注意,这是一种短视的做法,培养的学生只是现成公式的计算机器,面对书本上没有讲过的问题或工程实际中遇到的新问题将束手无策,也缺乏与科研人员沟通的能力,不能成为研发新产品的技术骨干,这样培养出来的学生没有创新能力,这种倾向不能代表流体力学课程教学改革的方向[4]。
  因此,必须面对当前形势,紧跟学科发展,端正指导思想,引进优质资源,运用先进手段,全面系统的进行课程应用化教学改革。
  2 教学改革所采取的措施
  2.1 教学指导思想的改革
  钱学森指出从20世纪起除自然科学和工程技术外形成了技术科学领域,那么对应在流体力学领域则是除理论流体力学和实验流体力学外形成偏重于实际应用的工程流体力学。他曾提出用技术科学思想和方法论对流体力学课程教学改革进行指导,但这种指导思想一直到现在也没有在流体力学的相关课程教学过程中得到充分体现。
  传统的理论流体力学阶段主要是揭示自然界的普适规律,把研究对象置于最单纯的理想条件下,因为当时的认识条件有限,对真实流体没办法研究。而实验流体力学又没有理论支持,缺乏普适性,只是针对某一个具体问题。这些理论与实际脱节的现象严重限制了流体力学的发展。因此将理论流体力学与实验流体力学结合起来的偏重于实际应用的工程流体力学是发展的必然,工程流体力学一头连着理论流体力学,另一头连着实验流体力学,是一个关键性领域。工程流体力学是技术科学思想的典型代表,体现流体力学的基本理念和方法论,展示近代成果的流体力学课程在教学体系中占有不可替代的重要位置。
  高等学校培养创新和应用型人才的思想与目标应和应用流体力学的理念相一致,创立工程流体力学本身就是一个创新,它的目的是“工程”,因此在此理念下对流体力学课程进行教学改革在培养人才方面处于重要地位。只有接受了工程流体力学指导思想的教育与训练,才能使得在交流过程中彼此了解对方的意图,才能相互沟通、紧密合作,创造出新的成果,推动技术科学不断发展,这是课程坚实的指导思想和任务。
  2.2 教学设计的改革
  应用化课程教学,在教学过程中同样也要以教师为实施主体,以学生为主要接受主体,这与传统教学方式差别不大。除此之外,应用化教学的主要目标为“应用”,因此在教学过程中要突出学以致用,把课程教学特点与各类工程实际应用特性相结合。根据“工程流体力学”课程的指导思想,从体系、内容、要求和方法对该课程进行全方位的应用化教学设计和改革。在教学过程中所遵循的路线是:基础理论→案例分析→工程应用。   1)注重工程流体力学基本理论与概念的授课。通过本课程的学习使学生掌握工程流体力学的基本概念和定理的本质及其数学表达式,并能正确运用这些规律及方程进行流体流动过程的分析计算。
  2)授课过程中引入工程技术问题。这和理论流体力学或纯粹的理论研究不一样,要求授课老师必须熟悉并深入到工程问题当中去,与工程师、工人打成一片,了解实际问题,从中找到需解决、突破的重大核心问题,不能只面对抽象的基础理论。
  3)针对工程问题引导并培养学生建立物理和数学模型,提取主要因素,忽略次要因素,建立物理模型,采用数学方法对问题进行描述,进而建立数学模型,这是工程流体力学最重要的一步,既要用到基本理论,又要熟悉工程技术。
  4)用应用数学方法进行模型求解,并与工程实际问题相比较或是与实验室结果进行对比,检验理论结果。
  5)将理论及计算结果应用于工程实际,这才是工程流体力学最终的目的。
  2.3 教学方法与手段的改革
  “工程流体力学”课程概念抽象、内容多,采用传统板书授课方法既枯燥又费时,再加上课时的压缩,使得传统上课方式处于两难境地。而唯一的出路是提高讲课效率和调动学生自主学习的能力。
  1)可以选择内容丰富、易于阅读的教材,在课上只讲解重点,其它内容让学生自学,并且借助多媒体的手段。这样一来,公式和图片可以直接展示,基本概念、机理性过程、物理意义等可以专门设计动画演示,工程背景和实际应用可用于视频播放。例如:讲授绪论部分可以借助多媒体充分展示“工程流体力学”课程的魅力,吸引所有学生的注意力,使学生对流体力学产生很深的印象,去掉对流体力学的畏惧感,增强他们对本课程的亲和力。借助多媒体手段还可以展示直接观察不到的流体内部流动结构和规律,这是帮助学生理解基本概念、认识公式和定理的物理意义、提高学习兴趣的重要手段。多媒体技术使得过去认为最难讲清楚的知识点变得形象易学,这是传统教学方法无法做到的。侧重对学生进行素质教育,启发学生的创造性思维,大量流动的实例、生动的插图和动画有利于提高学生的学习兴趣,增加教学信息量。当然,在制作多媒体的时候,应该选择一本规范的教材作为脚本,教案上的字符、术语、编号等尽量与教材一致,如果偏离较远,本科生不易适应,将影响教学效果。其次还要有总体规划,教案应符合教学规律。
  2)发展网络课程教学。网络课程是课堂教学的延伸,是课外辅助教学,是提高学生自主学习能力的重要手段。网络课程改变灌输式教学模式,让学生手握鼠标自己学习,创造一个自主学习的环境,既可以作为在校生配合课堂教学的辅助教材,也可以作为校外学生和工程技术人员的自学教材。网络课程必须体现教学功能,体现课程指导思想,围绕新内容体系和结构体系,实现各种教学功能。
  3)进行教学实验改革。教学实验改革的主要目的是为了配合课堂教学,提高学生的动手能力和能力培养。“工程流体力学”课程实验可以分为三类:基本实验、综合型实验和自主研究型实验。其中基本实验有演示型、基本理论型、基本操作型,通过演示设备加强基本概念以及基本定理的验证实验,它是配合课堂教学的实验项目。比如通过基本概念的定性演示,帮助学生建立正确的物理概念;通过基础理论的定量测量,让学生验证基本公式,加强对基本理论的认识。通过学生自己做实验来验证所学知识的正确性,从而感受到学习的乐趣。综合型实验则是研制综合性实验装置,通过测量手段、演示手段、仪器操作等方面的综合训练,提高学生的综合实验能力,这类实验属于带有新测试技术的科研类实验。基本实验和综合型实验属于教学环节的一部分,是所有学生都要参与的。而自主研究型实验则是对学有余力或是学习比较好的学生开放的,学生可以通过上课、实验或是日常生活发现的一些问题或规律,主动提出进行实验,由学生自主设计、搭建和运行,教师做咨询和辅导,从而共同完成。
  2.4 立足于学生的应用化教学改革
  学生始终是学习主体,因此对“工程流体力学”课程的应用化教学改革必须立足于学生,授课过程中既要考虑学生对基本概念、公式定理等基础知识的理解与掌握,更要重视对学生科研实践能力以及综合应用知识能力的培养,使学生在以后的工作或学习中真正的做到学以致用。
  首先是应用知识观念的建立。应用知识观念的建立是应用化教学改革的前提条件,在“工程流体力学”课程教学过程中,不仅要注重传统知识的讲授,还要有意识的在讲课过程中把学生引入到工程实践应用及整个学科的前沿知识中去,引导学生架起理论知识与实际应用之间的连通桥梁,培养学生学以致用的学习理念。
  其次是应用知识途径的培养。通过在教学过程中不断地启发、诱导学生,使学生的思维时刻处于活跃状态。教师在讲课过程中应做到把理论基础知识与工程实际问题融会贯通,对于工程流体力学中的每一个重要知识点,都要有相应的专业工程问题作为应用例子,启发学生从实际应用中提炼问题,培养他们的工程应用能力和创新思维。还要培养学生主动查找资料和参阅文献的习惯,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,通过“工程流体力学”课程学习引导学生发现日常生活中的流体流动现象,指导学生应用“工程流体力学”知识去解释或解决实际问题,使教师讲授与学生自学相结合,理论知识与实践能力相补充,充分调动学生的主观能动性,把课堂的理论变为自身的知识,不仅学习到理论知识,还掌握了科学的学习方法和思维方式。
  除此之外,还要注重应用知识技能的提高。学生在学习理论知识的同时,教师通过对例题和习题的讲解,把简单的数学模型推广到复杂的工程实际问题中去,使学生在模型简化和问题求解方面的能力得到提升。另外课堂教学过程中可以专门抽出一部分时间来采用分组的形式让学生进行工程实践专题讨论,针对某些工程实际中遇到的流体力学问题展开讨论,鼓励学生畅所欲言,激发学生独立思考能力,使学生把理论知识运用到工程实践中,同时在知识的应用过程中完善思维方法和学习方法,在知识的学习、选择、应用中发挥自身的思维力和创新性。此外在实验教学改革中还可以通过基本实验、综合型实验和自主研究型实验的设计与实施培养学生独立思考及动手操作的能力。   3 实践效果
  “工程流体力学”课程应用化教学改革已在本科教学中尝试并应用,参与授课的学生有几百人之多,在教学过程中既注重理论知识的学习与培养,又加大了应用实践能力方面的锻炼与提高。经过一系列的教学探索与实践,极大地提高了学生探讨问题的主动性和学习的积极性,培养了学生的综合实践能力和开拓创新精神,提高了学生的学习兴趣和理论联系实际的能力,取得了显著成效。具体体现在以下几个方面。
  1)提高了学生的主动性和学习的积极性。在“工程流体力学”课程应用化教学改革之前,学生普遍反映本课程相关知识晦涩难懂,很难掌握,而且理论知识枯燥,很难产生兴趣,因此学习过程中采用了应付考试、死记硬背的学习方式。而通过应用化的教学改革,利用兴趣培养、问题引导等方法使得学生的课堂听课率明显增加,考试不及格现象明显减少,学生认识到理论知识不仅有科学严谨的一面,同时还有丰富生动的一面。教学过程中引导学生带着工程实践问题去进行理论知识的学习,不仅活跃了课堂气氛,也使学生探讨问题的主动性和学习的积极性大大提高,这就使学习有了方向性、目的性,促使了学生主动积极的学习。
  2)培养了学生的创新能力。通过“工程流体力学”课程应用化的教学改革,鼓励学生大胆猜想,启迪学生的创造性思维。经过教师引导,把学生的被动学习逐渐转变为主动参与学习,从而激发学生的创新精神;利用教学方法改革,激发了学生的独立思考能力,教学过程中通过引导学生自己发现问题、提出问题、解决问题这一系列过程锻炼,学生在申报国家级、校级大学生创新项目中的积极性高涨,申报项目的数量从原来每年两项左右迅速增加到十几项,并且所申报项目质量也大幅度提高,学生的创新思想及创新意识有了很大的改善。
  3)促进了理论与实际的相互结合。通过“工程流体力学”课程应用化的教学改革,学生在学习过程中认识到了理论联系实际的重要性,通过对实际工程问题的理论化探讨,学生更加懂得了理论来源于实践并且还要指导实践。课程应用化教学改革以后,学生利用假期时间主动参加社会实践活动的次数明显增多,从原来的每班一两个社会实践小组逐渐扩大到全班积极参与、人人争先实践。这样一来,学生的思路开阔了,所学理论知识与工程实际问题融会贯通,从理论与实践的结合中掌握了课程学习的重点和难点,明确了学习方向。
  总之,“工程流体力学”课程进行应用化教学改革以来,学生的学习兴趣、听课效果、创新精神、实践能力及综合素质等方面都有了很大改善,学生对教师、教学的反馈良好,并给予了较高的评价。教师讲授效率明显提高,学生接受知识及掌握知识的效果显著增加,从而保证了教学质量和教学效果,为学生后续专业课程学习打下了良好基础。
  4 结束语
  应用型人才的培养不仅需要具有渊博专业知识和精湛专业技能的教师,还需要学生积极主动的参与到应用化课程改革过程中来,而学生的参与又离不开教师的正确引导。教师的讲授与学生的参与这两者相辅相成、互为补充,如果两者能有效结合并落到实处,课程的应用化教学改革将有一个质的飞跃。承担“工程流体力学”课程的教师,应当根据“工程流体力学”课程和现代大学生的特点以及工程实际的需要,结合本学校本专业的特点与实际,创造良好的教育环境与基础,积极对本课程教学思想、方法、手段等方面进行改革,提高学生自主学习和知识综合运用的能力,增强学生分析解决实际问题的能力,为新世纪应用型人才的培养奠定坚实的基础。
  参考文献
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