案例教學法在流體力學課程中的應用

孫萬雪

(山東華宇工學院 能源與建筑工程學院，山東 德州 253034)

流體力學課程主要研究的是在各種力的作用下，流體本身的靜止狀態、運動狀態及流體和固體界壁之間有相對運動時的流動規律及相互作用。流體力學是制冷與空調技術專業的重要專業基礎課，在制冷與空調技術專業核心課程群中有著重要的承上啟下作用，它不僅是核心課程群中高等數學基礎課程知識應用的延續，也是核心課程群中供熱工程、制冷與空調技術專業課程知識學習的重要理論基礎。

流體力學課程的實踐性和理論性比較強，該課程的基本概念相對較多，理論公式的推導抽象復雜。學生不僅要掌握基本概念及理論公式的推導，更要清楚了解公式的應用條件，學會理論與實踐相結合，用所學知識解決生活及工程中的實際問題。

1 流體力學課程教學現狀

在傳統的教學過程中，很多學生學習本門課程的積極性較低，很少與教師互動，而且作業容易千篇一律，作業區分度較低。在流體力學課程的期末考核中，總體考核分數不高，少有同學超過90分，大多數集中在70分左右。本文以學習過流體力學課程的本科和高職學生為研究對象，發放了約200個樣本數量，對流體力學課程的傳統授課方式效果進行了調查。調查顯示，約60%的學生認為在傳統課堂教學中課堂氣氛不夠活躍，約50%的學生認為在傳統課堂上不能及時與教師進行互動交流，約80%的學生更喜歡互動式的教學模式并且表示對案例教學法感興趣。

在目前的流體力學教學過程中，課本例題及習題與工程實際脫節，沒有將理論和實際聯系在一起。而且大部分學生不清楚所學知識在實際工程中的應用條件，解題時只能機械化地套用公式，課程授課過程中學生與教師的互動也較少，大部分都是被動學習，不利于培養學生解決實際工程問題的能力。

2 案例教學分析

案例教學法是以教學案例為基礎，以學生對案例的分析、討論為重點，以提升學生應用理論知識進行創新性分析并解決實際問題的能力為目標的一種教學方法[1]。目前，案例教學法已被廣泛應用于高校各課程的教學中。

例如，劉顯明等提出了工程流體力學課程混合式教學模式和教學方法，包括案例教學、互動式教學、線上線下混合教學等模式[2]。付曉強等在材料力學課程中采用了案例教學法，圍繞材料力學中的幾個重要知識點，在授課過程中引入與知識點相關的案例進行授課，加強了學生綜合能力的培養，并且通過教學實踐獲得了驗證[3]。馬進偉等在流體力學課程教學中采用案例教學法，提出了“提問-啟發-引導式學習”的教學方法，提升了學生的學習興趣[4]。馮軍發等在礦業工程專業的流體力學課程中引入了案例教學法，并設計了“問題-調研-分享-研討”的案例教學流程[5]。

國家在有關深化教育教學改革的政策中強調，要不斷加強科學教育，鼓勵創新教學方法，廣泛開展討論式、啟發式及參與式教學等，推進課堂革命。為適應制冷與空調技術專業對應用型人才的培養要求，本課程將案例教學法引入到了課堂教學中。

2.1 案例教學法優點

案例教學法是一種以工程或生活案例為基礎的教學方式。教師選取合適的教學案例，將教學案例設計到教學環節中，讓學生自主探索，以此調動學生對課程的學習積極性。同時，結合現代多媒體技術，給學生提供一個輕松、簡便、全面的教學環境。案例教學法可有效引導學生參與到課堂討論中，通過學生與學生、教師與學生之間的互動和交流，有效實現課內與課外、理論與實踐相結合，進一步提高學生的綜合能力及解決實際問題的能力，促使學生充分領悟所學知識在實際項目中的應用，理解實際項目中工程問題的變化性和多樣性，進而實現教師和學生共同提升綜合素質的目的[6]。

2.2 案例教學實施方法

2.2.1 案例庫建設

案例教學法以工程或生活案例為基礎，教師選取合適的教學案例，將教學案例設計到教學環節中，讓學生自主探索，以此調動學生的學習積極性，為學生提供一個輕松、便捷、全面的教學環境。

在保證教學案例具有針對性和代表性的原則上，課程組團隊通過分工合作，采用如下方法收集教學案例的素材：

第一，本校與校外多家企業進行了合作，課題組教師可以深入到企業進行調研學習、實踐鍛煉，了解和掌握流體力學課程在生產實踐中所應用的知識與技術等，進而收集相關案例素材。第二，能源與建筑工程學院實驗室具備FLUENT軟件，可以利用FLUENT軟件對工業應用中的流體力學相關案例進行模擬，同時可以讓學生參與到FLUENT軟件模擬工程案例中來。例如，利用FLUENT軟件模擬流體力學第二章內容中的流線、流束和跡線等。第三，引入社會上發生的典型事件或生活中的實際案例等。例如，在航空發展史上，因為畢托管測速故障所引起的空難，典型事件有伯根航空301號航班空難和法國航空447航班空難等。第四，收集參考教材和優質網絡資源中的教學案例，在原有基礎上進行整理修改，編寫成適用于本專業學生課堂教學的案例。

2.2.2 案例實施

此教學模式的實施以應用型本科院校制冷與空調技術專業為載體，對本專業中的流體力學課程的教學方法改革進行探究。流體力學課程在制冷與空調技術專業設置中共48學時，由于學時限制，在案例教學時，不必對課本中的所有知識點進行案例設計，可只選擇其中幾個典型知識點或重難點進行講授。

教師在明確了課程教學目標與教學內容后，從事先建設的案例庫中選取恰當的教學案例，以多媒體等形式向學生展示教學案例的基本內容，包括教學案例的背景及影響等。之后引出與流體力學課程知識點相關的問題，由學生分組討論。另外，學生可以在課下以小組分工的形式查閱相關案例資料，分析討論案例中所涉及的相關知識點及問題所在，并給出一個初步的解決方案，最后通過PPT或視頻等形式匯報小組成果。

以“伯努利方程”為例，在流體力學課程中講到伯努利能量方程的應用時，可以引入有關畢托管測速的實際工程案例。例如，歷史上的伯根航空301號航班空難事件。在1996年2月6日，一架波音757-225型客機起飛5分鐘后因事故墜入海中。伯根航空757客機如圖1所示。

圖1 伯根航空757客機Fig.1 Bergen air 757 aircraft

這次空難一共導致189人遇難，飛機上無一人生還。事故發生之后調查員在飛行數據中發現，這個客機的空速表處于異常狀態，而空速表主要是依賴畢托管工作的。畢托管可用來測量飛機相對空氣運動產生的總壓，在畢托管的前端有個小孔，總壓由此小孔進入壓力室。如果飛機在較長時間內無飛行任務時，畢托管上需要套上空速管套，防止昆蟲等一些異物進入畢托管。當畢托管被堵塞之后，飛機的空速表就會處于異常狀態。畢托管保護罩及測速原理如圖2、圖3所示。

圖2 畢托管保護罩Fig.2 Pitot tube protective cover

圖3 畢托管測速原理Fig.3 Pitot tube speed measurement principle

通過教師展示的實際工程案例，引導學生運用所學的伯努利方程相關理論知識，并結合畢托管的結構特點，進一步分析和討論畢托管的靜壓管及總壓管的流動特點，使學生能夠深入理解并掌握伯努利方程在實際工程中的應用以及畢托管的測速方法。從實際工程教學案例的引出到問題分析、討論和初步解決，讓學生進行直觀的感知，增強學生的學習興趣和教師的教學效果。

2.2.3 案例總結

通過對本課程相關知識點的教學案例整理，在案例引入時根據案例的難易程度，對學生分組討論出的每個解決方案進行點評及總結，并對每組的匯報提出優點和缺點，對表現優秀的一組給予鼓勵和表揚。在案例總結時，可以強調學生不必拘泥于課本上的解決方法，要鼓勵學生創新性地解決問題，同時肯定學生的創新能力，盡量給他們指出更廣闊的問題解決方向。案例總結并不代表著內容的結束，教師可以適當對案例所涉及的知識點進行拓展，讓學生的思維邏輯能力、創新能力及知識領域都得到更進一步的擴展。

案例結束以后，教師根據教學案例實施的具體情況和學生的討論匯報情況反饋本次案例教學存在的問題，并及時更新完善案例庫。

3 結語

案例教學法實施的關鍵是以典型案例為基礎，通過教師的引導啟發，讓學生主動參與學習。此種方法改變了以教師為中心的傳統教學模式，將生活或工程中的實際案例引入課堂，通過教師與學生、學生與學生之間的雙向及多向互動，平等對話和研討，理論聯系實踐，進而引導學生開展經驗性學習。流體力學作為應用型本科院校一門重要的專業基礎課，理論性較強，將寓理論于實踐的案例教學法應用到本課程中，不僅可以提升學生的學習主動性及學習興趣，還能提高學生的思維能力、創新能力和實踐能力，為制冷與空調技術專業的新一代應用型人才的培養打下堅實基礎。