大類招生背景下能源動力類本科生流體力學跨專業教學的探索與實踐1)

王學德 陳少松 胡常莉 譚獻忠

(南京理工大學能源與動力工程學院，南京210014)

大類招生模式是目前中國很多高等院校在本科生招生時普遍采用的形式[1]。所謂大類招生模式，通常指的是高校按相同或相近的學科門類將同院系的專業合并，按一個學科大類招生。在學生入學后，經過1～2 年的通識教育和學科基礎教育培養后，再根據個人興趣、專業愛好和雙向選擇原則進行專業分流。大類招生政策堅持以“厚基礎，寬口徑”為原則，突破單一專業的界限，實行學科大類基礎教育和寬口徑的專業化培養。這種模式利于在“新工科”背景下復合型創新型高素質人才的培養[2]，是21 世紀中國高等教育一次重要的招生和培養體制改革。但在這種大類招生模式下進行專業分流往往存在著 “熱門專業” 過熱，“冷門專業” 過冷，冷熱專業學生結構不合理的弊端。許多高校的做法是遵循成績優先，結合志愿原則進行[1]，即按照學生入學后 1 至 2 年內通識課程和大類基礎課程的學習成績或學分績點排名，結合學生志愿進行專業分流。這種做法往往使得成績排名靠前的學生扎堆“熱門專業”，而導致所謂的“冷門專業”的學生普遍基礎薄弱，從而加劇了“熱門專業” 和 “冷門專業” 的結構性矛盾，進而不利于專業的發展和人才的培養。如何避免學科大類學生在專業分流時扎堆 “熱門專業”，真正做到 “冷熱專業” 學生的結構均衡是目前大類招生背景下各高校亟需解決的問題。

南京理工大學從2018 年開始在“能源與動力工程、新能源科學與工程以及建筑環境與能源工程”三個相近的本科專業實行按能源動力大類招生，學生專業的分流安排在大學二年級第二學期進行。大學一年級主要是進行人文、社會和自然科學等通識教育課和學科教育課的學習，大學二年級第一學期開始進行學科基礎課的學習。流體力學作為能源動力大類下的一門重要學科基礎課程，被安排在大二第一學期開設。通過大學一年級的學習，學生們已經完成了高等數學和大學物理等先修課程，但同時面臨即將到來的專業分流。此時，在大學二年級學科基礎課程的教學上進行必要的專業教育和方向引導，對學生接下來的專業分流就顯得尤為重要。本文在大類招生的教育背景下，試圖在能源動力類專業流體力學教學中進行跨專業教育教學的探索與實踐，滿足專業分流后學生對流體力學知識的需求，也在此過程中進行必要的跨專業的教育，期望對學生在專業分流時進行引導，幫助他們提高對專業的正確認識和樹立正確的擇業和職業觀。

流體力學是我校院系和專業中開設比較廣的一門學科基礎課，橫跨院系和專業多，在武器類、能源與動力類、化工類、建筑環境類和航空宇航類等學科專業中都把流體力學作為主干的基礎課程。長期以來，在專業招生背景下，由于專業劃分過細，很多工程類專業的流體力學教學通常采用兩種模式：一是圍繞各小專業需要而授課，授課體系過分強調專業所需，即在各個學科專業教學時“按需授課”；二是對各個專業所需流體力學的知識以“基礎共性問題”講授，在教材編寫上也過分強調了流體力學基礎課的屬性。這兩種教學模式往往忽略了流體力學具有跨學科和專業交叉的屬性，導致教師在授課過程中對學生進行系統的跨學科和跨專業教育較少，學生在流體力學的專業交叉應用方面知識有所欠缺，不利于復合型人才的培養，更不利于學生的專業選擇和分流。

1 流體力學跨專業教學內容的建設

本文在能源動力類本科生流體力學教學內容建設方面，改變了傳統學科基礎課教學內容安排中單一強調知識的基礎性和共性或者根據專業“按需”進行設計的方法，采用了既強調教學知識的基礎性和系統性，注重知識共性的設計策略，又采用了能夠拓展流體力學跨專業應用的多元化教學內容的設計方法，采用兩段式的教學安排，將流體力學教學內容分為基礎性課堂教學體系和專題自主學習體系兩部分。

1.1 課堂教學知識體系的建設

在基礎性教學內容的安排上，根據2018 年修訂后的流體力學教學大綱，確定了共九章的教學內容，即流體及性質、流體靜力學、流體運動學、流體動力學、相似原理與量綱分析、理想不可壓縮流體的定常流動、通道內的黏性流動、繞物體的黏性流動和定?？蓧嚎s一元流動。表1 給出了能源動力類流體力學課堂教學內容的知識體系構成。與2018 版教學大綱相比，除了教學章節和教學內容外，在每一章節的課堂教學內容安排上，我們重點設計了專業問題引入和專業應用與拓展兩部分，教學時數統一增加至64 學時。每一章節從能源動力類各專業研究的相關問題入手引入教學內容，構建流體力學教學知識點和知識模塊。在其后，安排各專業的應用拓展模塊，打造學生自主學習的教學內容。使學生既能夠全面系統學習流體力學的學科知識又能夠使學生對能源動力類各專業的專業方向進行較為深入的了解。

表1 能源動力類流體力學教學知識體系構成

從流體力學知識體系的完整性角度來看，表 1中的流體力學知識體系的內容包含了流體靜力學與流體動力學、內流與外流、可壓縮流與不可壓縮流，保持了流體力學知識結構的完整性。從能源與動力類各專業認知角度來看，表1 中的知識體系結構包含了能源與動力工程、建筑環境與能源應用工程和新能源科學與工程等專業的研究問題以及流體力學教學內容和知識點在各專業問題的拓展應用，從而引導學生能夠從流體力學的授課過程中獲得能源動力類各專業與流體力學相關的專業知識，也能夠熟悉、發現專業問題和應用所學解決專業問題。

1.2 自主專題學習模塊的建設

除了流體力學基礎知識的課堂教學內容之外，根據2018 版教學大綱突出流體力學工程應用的要求，我們設計了流體力學專題自主學習模塊，重點安排一些能源動力類專業領域內復雜流體力學的綜合工程應用和前沿領域的綜合專題應用，使學生 “知其然，知其用”。這一部分內容重點強調以流體力學的綜合復雜工程應用案例為載體，拓寬學生的專業知識面和學科領域。本文在能源與動力類三個細分專業中分別設置了四個自主學習專題，如表2 所示，明確了學習要求和學習形式。根據自主學習的專題，學生以分組形式從三類專業領域中分別選擇一項進行文獻的自主檢索和閱讀，培養學生檢索、閱讀專業科技文獻的能力。采用個人自主學習、小組合作討論和教師專題輔導結合形式進行學習，提高學生獨立“發現問題和解決問題” 的能力。

表2 能源動力類流體力學綜合自主學習模塊

2 跨專業教學模式設計

2.1 “專業引入 + 系統教學 + 拓展應用” 教學模式

流體力學作為能源動力類教學的一門重要學科基礎課，在課堂教學環節中，教學內容應重點強調基本概念和基本物理規律等基本知識，為各專業后續課程的學習打下基礎，教學目標使學生“知其然，知其所以然”，同時又要通過教學幫助他們熟悉專業方向，對接下來的專業分流加以引導。因此，根據流體力學的教學體系內容，本文在教學模式設計中，采用“專業引入 + 系統教學 + 拓展應用” 的教學模式。在每一章節的教學中，通過引入能源動力類的專業問題和普遍共識性問題，導入流體力學的課堂教學內容，明確教學內容可以解決的專業問題或者專業方向所包含的流體力學問題。通過系統的流體力學原理的講解，使同學們能夠獲得流體力學的知識體系，并通過學生再學習和再研究的方法，用所獲得的流體力學的知識解決各專業的研究問題。這種模式使學生能夠進一步熟悉能源動力類各專業的研究方向，增加專業興趣，熟悉專業內容。同時，又能使抽象的流體力學知識具體化和應用化，使學生增加課堂興趣，提高流體力學的教學效率。

2.2 傳統課堂與翻轉課堂結合的教學模式

根據流體力學的教學內容，將授課內容分為兩段：系統理論講授內容和專題應用的教學內容，分別采用傳統課堂和翻轉課堂形式進行教學和學習。通過這兩種教學模式的結合，構建一種“問題授課?學習研究?應用?再問題?再研究?再學習?再應用”循環往復的教學過程，其中“問題授課?學習研究”對應理論授課部分，“再問題?再研究?再學習?再應用” 對應專題應用部分。

由于流體力學學科的基礎性和抽象性，根據學生的學習基礎，對理論部分的講授采用傳統教學模式更適合大學二年級學生的認知特點，有利于在較短的時間內，構建學生的知識結構。課堂上由教師采用“專業引入+ 系統教學+ 拓展應用” 的模式進行啟發式的主講，然后組織學生討論，鼓勵學生對相關專業問題提出質疑，并尋求解決問題的方案。

在自主專題應用學習模塊中，由于專業跨度大、內容多且往往相關專題具有一定的前沿性，因而在這一部分中適合主動探究式翻轉課堂的學習模式。通過翻轉課堂教學模式，打造“自主、合作和探究” 三位一體的學習方法。教師采用設計多組研究問題，由學生自主合作學習，提出問題，然后合作討論和教師專題輔導。學生對所選的應用專題利用信息化手段分別通過檢索引擎、圖書館、電子文庫，進行自主檢索和閱讀，在教師的輔導下，學生自主對所檢索的專題參考材料有計劃地進行主動研究和學習，明確專題應用中的流體力學原理、應用過程和研究手段，然后提出問題和解決思路，由小組進行討論和相互質疑，展開專題合作學習和研究，補充問題解決方案，最后提交專題學習報告。

2.3 信息化在線學習與傳統課堂結合教學模式

信息化資源的互聯互通使得知識的更新周期更快，知識的傳播范圍更廣，知識的融合度更寬。這就要求高校教師在課堂教學上改變傳統思維模式，更新教育觀念，積極探索在知識高度融合背景下人才培養的教學模式。學生的學習手段和知識的獲取方式已經從單一的課堂教學渠道轉向更多元化的渠道，如微課[3]、慕課[4-5]、資源共享課、精品公開課等各類在線課程以及微信公眾號、博客、微博和各類網站的在線教學視頻。這些渠道具有知識的信息化和數字化、知識更新快速化以及知識的科普化和形象化等諸多特點，但是在線資源也具有知識的碎片化、針對性差和不利于師生之間交流互動等缺點。本文在流體力學的教學實踐中將信息化在線學習手段與傳統課堂進行有效結合來提高課堂的教學效率，把信息化手段貫穿于傳統課堂的課前、課中和課后等環節中。

教師在課前備課環節中，根據課上預講的教學內容，有針對性提供給學生一些與課上內容相關相近的在線資源，渠道包括但不限于微信公眾號、博客和網站上的一些科普文章和視頻。這些科普類的在線資源作為課前預習的一部分內容，可以幫助學生盡可能熟悉課上教學內容，提高學習興趣。例如對于有旋流動的教學，對于初學者而言，無論是數學推導還是渦旋概念本身都非常抽象難懂。筆者在教學實踐中，在課前將北京航空航天大學劉沛清團隊“風流知音” 公眾號中的 “流體渦旋漫談” 科普文章推送給學生進行課前學習。在這篇文章中，作者通過淺顯易懂的寫作手法并配有大量自然界中的渦旋圖片，將流體的有旋流動進行大眾化科普。學生通過這些在線資源的課前學習，很容易理解渦旋流動的基本知識和基本特征，同時也提高了對“有旋流動”這一節的學習興趣。

在課堂教學中，根據教學內容通過信息化手段和傳統課堂教學方法的結合，利用現代信息化技術能夠激發學生的想象力和求知欲，使學生對流體力學的模型有初步的感性認識，再結合必要的板書推導，幫助學生加深對抽象的數學模型和數學公式的理解和記憶，做到兩種方法的相輔相成，揚長去短，可以起到事半功倍的作用。

課后鞏固性學習是學生學習流體力學的必備環節，除了根據課堂所講授的內容和材料進行鞏固學習之外，筆者在教學實踐中，通過互聯網技術有針對性地給學生發布一些與課堂教學內容一致的微課、慕課和共享資源課的網站鏈接和教學視頻，或者讓學生自主通過搜索引擎檢索一些相同內容的在線資源，尤其是國外高等院校的一些流體力學的全英文在線課程，供學生們課后鞏固性學習。這些在線資源中授課者不同的授課方式方法和對流體力學概念、原理的引導過程可以幫助學生進一步鞏固課堂所學，加深對流體力學知識的理解，豐富流體力學的專業應用范圍。同時，國外全英文的在線教學資源可以幫助學生拓寬流體力學學術研究方面的國際視野，提高專業英語的應用能力。

3 課程考核與教學評價

3.1 課程考核

根據課堂教學體系和專題應用的教學內容，筆者在流體力學課程考核時，采用重課堂、重過程和重能力提高的多元化考核手段。多元化評價包括閉卷考試、專題報告、實踐考評、課程考勤與互動、課后作業等多元評價指標。閉卷考試的試卷題型設計以考察學生掌握流體力學基本概念、基本原理以及運用流體力學原理解決工程實際問題的能力為主，期末成績占總評成績60%。專題報告主要考察學生在自主學習模塊過程的學習情況，占總評成績的1%。實踐考評主要通過流體力學實驗操作和撰寫實驗報告進行，實踐考評占總評成績1%。課上考勤與課堂互動考評通過詳細記錄學生的出勤情況、課堂互動和小組討論情況進行，占總評成績1%。課后作業通過記錄學生平時完成的課后作業數量和質量進行，占總評成績1%。

3.2 教學評價

為了評價本課程跨專業教學模式的實踐效果，在課程結束后，我們首先通過在學生QQ 群投放網絡調查問卷的形式進行了問卷調查，問卷調查內容主要設計了如下問題：

(1)通過流體力學課程的學習你是否進一步熟悉了能源動力類的各專業方向？舉例說明。

(2)你認為流體力學課程的學習是否對你即將面對的專業分流起到幫助作用？

(3)目前在課堂教學中所采取的教學模式對你學習流體力學課程是否有幫助？舉例說明。

(4)通過流體力學課程的學習，你認為是否掌握了流體力學課程的基本概念和原理？

(5)通過流體力學課程的學習，你認為是否具備了復雜流動現象的基本知識和能力？舉例說明。

(6) 對于流體力學的課堂教學，有何建議？

通過對問卷的總結發現：絕大多數同學認為通過流體力學課程的學習進一步熟悉了能源動力類的各專業方向，對未來的專業分流起到了幫助作用，所采用的教學模式對于提高學習興趣和學習效率具有幫助；部分同學認為專題學習模塊比較難，在檢索文獻和資料時具有隨機性和一定的學習盲目性，建議老師給出詳細的指導或者直接由老師指定材料進行學習。

為了進一步評價課程的教學效果，我們對2018級能源與動力類專業分流情況進行了統計，該年級是我校能源動力類專業第一次按大類進行招生和專業分流，學生總人數為171 人。流體力學是大二第一學期為該年級開設的第一門學科基礎課，期末平均成績為78.5 分。專業分流采用成績優先結合志愿方式進行，按大學前三學期必修課的平均成績進行名次排序，對每位學生所填報的三個平行專業志愿分別進行檢索投檔，首先將學生志愿投給學生填報的第一志愿專業，如第一志愿專業人數已滿，則投給第二志愿專業，以此類推。2018 級能源動力類學生前三學期必修課總平均分為74.2。表3 和表4 分別給出了學生第一志愿報名和專業分流后各分數段的學生人數的分布統計，其中“能動”代表能源與動力工程專業，“新能源” 表示新能源科學與工程專業，“建環” 表示建筑環境與能源應用工程專業，S1 表示平均成績大于等于 80 分的學生總人數，S2 表示平均成績在70 與80 之間的學生總人數，S3 表示平均成績在60 與70 之間的學生總人數，S4 表示平均成績小于60 分的學生總人數。表3 給出了各專業不同成績段第一志愿的報名人數和平均分，在一定程度上反映了學生對各專業的認知情況。表4 給出了分流后各分數段學生人數的分布統計和平均分，反映了專業分流后各專業不同分數的學生結構比例，一定程度上反映了分流后各專業的生源質量。

從表3 和表4 中可以看出各專業第一志愿報名人數和分流后各分數段學生人數分布的結構比較合理，三個專業平均分數比較接近。各專業平均成績大于70 分學生的第一志愿均得到了滿足。成績大于80分的優秀學生并未全部扎堆某一熱門專業，在三個專業學生人數分別為21，12 和12，分流后占各專業人數的比例分別為25.9%，24.0%和3.8%，優秀學生的比例比較接近，保證了各專業優秀學生的比例結構。此外，從平均成績小于 60 分的人數統計來看，建環和新能源專業有3 名和7 名學生，分別占各專業總人數的7.5%和14%，均在學校規定的學困生小于15%的比例以內。

表3 專業分流第一志愿各分數段學生報名統計

表4 專業分流后各分數段學生人數分布統計

盡管學生對專業的認知和分流情況受多種因素的影響，并不能完全受一門課程專業教育的影響，但結合調查問卷、流體力學平均成績、前三學期必修課的平均成績和專業分流后各分數段學生人數的分布統計情況，可以看出，在流體力學教學中進行跨專業的教育對學生的專業認知有了一定的積極影響，在學生的專業分流中起到了一定的積極引導和幫助作用。