《流體力學(xué)T》課程研究性教學(xué)的探索與實踐

張磊　吳正人

摘要：《流體力學(xué)T》是面向能源與動力工程專業(yè)卓越工程師計劃班級開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。本文積極地進行了研究性教學(xué)的探索與實踐，通過完善課堂教學(xué)設(shè)計，進行翻轉(zhuǎn)課堂及引入數(shù)值模擬技術(shù)等方法，明顯提高了教學(xué)質(zhì)量，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，增強了學(xué)生解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)設(shè)計；翻轉(zhuǎn)課堂；數(shù)值模擬技術(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0145-02

一、引言

1.課程的性質(zhì)、內(nèi)容和目標。《流體力學(xué)T》是華北電力大學(xué)面向能源與動力工程專業(yè)卓越工程師計劃班級的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，共72學(xué)時。《流體力學(xué)T》的內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論知識，如：流體基本概念、流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)、相似定理和量綱分析法，以及專題，如：流體的旋渦運動、不可壓縮流體平面勢流、邊界層理論、氣體動力學(xué)。根據(jù)華北電力大學(xué)2017版培養(yǎng)方案對能源與動力工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標，凝練了《流體力學(xué)T》的課程目標，使學(xué)生能系統(tǒng)、全面地掌握流體力學(xué)的基本概念、基本理論和分析問題的基本方法，從宏觀角度研究由于外界原因所引起的流體的平衡規(guī)律或運動規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識分析、解決實際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下扎實的理論基礎(chǔ)。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)《流體力學(xué)T》之后，最核心的任務(wù)是要在構(gòu)建流體力學(xué)經(jīng)典理論框架下，能夠具有解決實際問題的能力。

2.實踐課堂和學(xué)生情況。在2016—2017學(xué)年第二學(xué)期的《流體力學(xué)T》課堂進行了研究型教學(xué)改革與實踐，該課堂為2015級教育部卓越工程師計劃實踐班課堂，共30名學(xué)生。該課堂的學(xué)生基礎(chǔ)比較好，學(xué)習(xí)積極主動，能夠很好地參與到研究型教學(xué)活動中，保證了研究型教學(xué)改革的順利實施。教學(xué)方式為參與式、交互式及講授式；教學(xué)場地的課桌可以靈活轉(zhuǎn)換擺放方式，可以6人組合為一圓桌，便于同學(xué)們討論交流。

二、研究型教學(xué)的實施過程及成效

在研究型教學(xué)改革過程中，主要做了以下工作：

1.精心完善教學(xué)設(shè)計，保障課堂教學(xué)效果。教學(xué)設(shè)計是根據(jù)課程標準的要求和教學(xué)對象的特點，將教學(xué)諸要素有序安排，確定合適的教學(xué)方案的設(shè)想和計劃。主要包括教學(xué)目標、教學(xué)重點、教學(xué)難點、教學(xué)方法、教學(xué)步驟與時間分配等環(huán)節(jié)[1]。賴格盧特認為：“教學(xué)設(shè)計是一門涉及理解與改進教學(xué)過程的學(xué)科。任何設(shè)計活動的宗旨都是提出達到預(yù)期目的最優(yōu)途徑，因此，教學(xué)設(shè)計主要是關(guān)于提出最優(yōu)教學(xué)方法的處方的一門學(xué)科，這些最優(yōu)的教學(xué)方法能使學(xué)生的知識和技能發(fā)生預(yù)期的變化。”梅里爾等人認為：“教學(xué)是一門科學(xué)，而教學(xué)設(shè)計是建立在這一科學(xué)基礎(chǔ)上的技術(shù)，因而教學(xué)設(shè)計也可以被認為是科學(xué)型的技術(shù)。”肖剛定義教學(xué)設(shè)計：“教學(xué)設(shè)計是一個系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標的過程，它遵循學(xué)習(xí)效果最優(yōu)的原則嗎，是課件開發(fā)質(zhì)量高低的關(guān)鍵所在。”盡管上述表述不同，但其核心目的是相同的，均是為了提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生在一定的時間內(nèi)能夠?qū)W到更多的知識，更大幅度地提高學(xué)生各方面的能力，從而使學(xué)生獲得良好的發(fā)展[2]。因此，教學(xué)設(shè)計對于保證課堂教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。我們對每次課都進行了認真的教學(xué)設(shè)計，首先從“為什么學(xué)”入手，確定本次課的學(xué)習(xí)目的，學(xué)習(xí)目的中既有知識方面的要求，也有能力方面的要求，例如在理想流體的伯努利方程一節(jié)，我們設(shè)置的教學(xué)目的是：熟悉歐拉積分式和伯努利積分式；掌握理想流體的伯努利方程；具有應(yīng)用理想流體伯努利方程解釋生活現(xiàn)象的能力。根據(jù)授課內(nèi)容，要確定本次課的授課重點和授課難點，我們認為授課重點是本次課的主要教學(xué)內(nèi)容，最終要落腳到核心知識點的理解和應(yīng)用上，而授課難點不一定是授課重點，是學(xué)生在本節(jié)課中難以理解和接受的地方，要根據(jù)教學(xué)的環(huán)境、學(xué)生的認知能力、理解能力、接受能力精心設(shè)計。要進行詳細的教學(xué)步驟設(shè)計，我們通常采用問題驅(qū)動式的教學(xué)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在知識點講授時，采用“提出問題—分析問題—解決問題”的模式，引導(dǎo)學(xué)生由實例過渡到基礎(chǔ)知識的掌握上，最終提高學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。其中，提出問題非常重要，我們在每次課會精選一些生活中或工程中的實例，引出教學(xué)內(nèi)容。例如，繞圓柱體有環(huán)量的流動一節(jié)，如果按照常規(guī)的講法是在上一節(jié)介紹繞圓柱體無環(huán)量流動的基礎(chǔ)上，疊加上渦流的勢函數(shù)和流函數(shù)，之后進行推導(dǎo)，得到繞流升力，最后講應(yīng)用。在講授的過程中多是枯燥的數(shù)學(xué)表達式，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較差。因此，我們在講課時，首先播放貝克漢姆經(jīng)典的“香蕉球”視頻，然后提問，如何才能踢出“香蕉球”，由此吸引學(xué)生興趣，展開分析，并與上次課介紹的流體繞圓柱體無環(huán)量的流動合力為零進行比較，說明此時疊加上渦流會有繞流升力的出現(xiàn)，引導(dǎo)同學(xué)們利用上節(jié)課的方法進行推導(dǎo)。

2.進行翻轉(zhuǎn)課堂，學(xué)生深度參與。翻轉(zhuǎn)課堂，重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。根據(jù)課堂內(nèi)容，我們挑選了部分章節(jié)進行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革。不再占用課堂的時間來講授，需要學(xué)生在課前完成自主學(xué)習(xí)，他們可以看教材、視頻講座，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，或與別的同學(xué)討論。例如在將緒論篇中流體力學(xué)的實際應(yīng)用、流體參數(shù)測量、相似原理及量綱分析法、數(shù)值模擬大作業(yè)等，均采用課下同學(xué)們查閱大量資料，積極主動學(xué)習(xí)，課上進行小組討論答辯，匯報交流的方式。

3.引入數(shù)值模擬技術(shù)，提高教學(xué)效果。流體力學(xué)的主要研究方法包括三種：理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬研究。目前教材中涵蓋了前兩種方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，因此，在教學(xué)內(nèi)容中引入了數(shù)值模擬技術(shù)，介紹計算流體力學(xué)的基本知識及商業(yè)軟件Fluent的功能和案例。課下同學(xué)們按照參考書學(xué)習(xí)軟件功能和案例操作。

將30位同學(xué)分為5組，分別布置了研究項目，如表1所示。

同學(xué)們經(jīng)歷了課下學(xué)習(xí)軟件、幾何建模、數(shù)值模擬、結(jié)果整理、總結(jié)報告、PPT制作、小組答辯的過程。通過引入數(shù)值模擬技術(shù)，同學(xué)們有以下收獲：鍛煉了自學(xué)、動手及團隊合作能力；數(shù)值模擬結(jié)果具有直觀性，通過流場展示更好地理解課本中講授的理論結(jié)果；具有利用fluent軟件解決實際問題的能力；鍛煉了結(jié)果整理、論文書寫規(guī)范化的能力。部分同學(xué)在課后以該軟件為基礎(chǔ)，積極參加了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和全國節(jié)能減排大賽。

三、結(jié)語

《流體力學(xué)T》課程采用問題驅(qū)動的研究型教學(xué)法，吸引了學(xué)生興趣，提高了課堂聽課質(zhì)量；通過采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，使同學(xué)們課下能夠積極主動地參與到學(xué)習(xí)過程中，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)；通過引入數(shù)值模擬技術(shù)，使得同學(xué)們更好地理解教材理論知識，解決實際問題的過程使學(xué)生的收獲感、滿足感更強，在過程中鍛煉了分析問題、解決問題、動手操作和團隊合作的能力及表達能力。

參考文獻：

[1]曾文婕.課堂教學(xué)設(shè)計[M].北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]方展畫.高等教育學(xué)[M].浙江大學(xué)出版社，2000.