原创《工程流体力学课程教学模式和实践》
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［摘 要］工程流体力学是能源与动力类本科专业的专业基础课程,其教学效果直接影响专业人才的培养质量.针对现有工程流体力学教学模式的不足,教师在工程流体力学课程教学中可采用 “课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式,并利用网络互动教学打破课堂传统教学的时空限制,实现教师与学生之间的实时互动,有助于学生对工程流体力学的深入认知,对学生工科思维的养成和学科体系的建立具有重要意义.
［关键词］工程流体力学；教学模式；案例教学；网络互动教学
［中图分类号］ Ｇ６４２ ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2017）10-0060-03
工程流体力学是能源与动力相关本科专业的专业基础课程,在本科课程体系中占有重要地位,对工程流体力学理论体系的深入理解,有助于学生对后续传热学、锅炉原理及换热器设计等一系列课程的学习,因此其教学效果直接影响能源动力类专业人才的培养质量.[1]近年来,随着我国高等教育改革的深化,社会对工科人才实践能力及创新意识的要求越来越高,这就对工程流体力学的教学提出了新的挑战,课程教学过程中不仅要让学生全面掌握工程流体力学的相关理论和研究方法,更要培养学生运用知识解决实际工程中具体流动问题的能力,帮助其建立流体力学基础理论体系,从而为今后从事相关专业的工作和学习打下坚实基础.
由于工程流体力学课程本身理论性较强,数学推理较多,数学公式较复杂,现有教学主要还是以课堂被动式教学为主,授课方式多为被动填鸭式教学,教学模式较为单一,教学效果相对较差.这种教学方式使得教师在课堂中很难和学生形成良性互动,学生课堂体验较差；且由于流体力学理论本身相对较抽象,课本中也缺乏直观案例,使得学生在有限的课堂学习过程中很难形成对流体力学的有效认知,对知识一知半解,不能深入理解、融会贯通,无法领会工程流体力学课程基础理论体系的要义,从而无法提高学生利用所学知识解决实际工程问题的能力.因此,高校需要重点在教学模式、教学方法和手段上进行改革和突破,提升学生的课堂体验,提高学生学习工程流体力学课程的兴趣,最终提高学生解决实际工程问题的能力.
近年来,网络教学作为一种便捷、高效且互动性强的教学形式,已在教学实践中越来越普及,逐渐受到教学管理层面的重视,成为高等教育教学模式的发展方向.[2]其中,网络微课堂、网络公开课、网络直播教学以及网络公众号等网络教学模式可加强师生之间的实时互动,提高学生参与的热情,取得了较好的效果,具有很好的借鉴意义.
因此,南京师范大学能源与机械工程学院工程流体力学教学研究课题组针对现有工程流体力学教学的不足,将案例式教学、互动式教学以及研究型教学等教学模式相结合,尝试在工程流体力学课程教学实践中采用“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式,打破传统单一化的课堂教学模式,有助于学生对知识点的理解,提升学生解决实际问题的能力.同时利用网络互动教学打破课堂传统教学的时空限制,实现师生之间的实时互动,可使学生在网络互动讨论中加深对工程流体力学知识点的理解,有助于工程流体力学学科思维的养成和学科体系的建立,对工科教学质量的提高具有重要意义.
一、“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式的探索和实践
(一)建立以案例教学为主的课堂教学模式
现有高校工程流体力学课程教学模式主要还是以“课堂书本教学”的传统教学模式为主,课后布置习题巩固,这种教学模式使得学生的学习方式不是以理解原理为主,而是背题、背公式,大量学生只停留在“会做题”的初级阶段,不懂其物理内涵,更不清楚其实际工程应用；同时“会做题”往往影响任课教师的教学判断,无法有效客观地评价教师自身的教学效果.
为此,南京师范大学能源与机械工程学院工程流体力学教学研究课题组结合本学院本科生培育目标以及动力工程及工程热物理学科的自身特点,借鉴大量国内外著名《工程流体力学》教材,编制了符合本科生需求的《工程流体力学》教材[3],制作了标准化工程流体力学多媒体教学PPT课件.标准化教材和课件的制作有助于课堂教学效率的提高,为案例式课堂教学模式的顺利开展奠定了基础.在标准化课件制作过程中,注重根据工程流体力学基本理论体系,加入更多的工程流体力学工程案例辅助理论教学.同时,教研组组成员根据教学需要,收集了日常生活中常见的流体力学现象,采用数值模拟以及实验研究的手段,制作包括伯努力方程、管内流动的沿程阻力损失、管内局部阻力损失、绕流边界层、圆柱绕流等典型工程案例,形成工程流体力学工程案例数据库,便于教师在课堂讲授过程中调用.此外,教师在每章节讲解过程中,尤其是重点理论讲解过程中,均以工程案例为切入点进行讲解,有效调动学生的学习兴趣,学生在案例学习中更容易理解理论公式的含义,有助于学生养成良好的工科思维方式,提高学生解决实际工程问题的能力.
通过案例式教学模式的运用,可解决目前工程流体力学课堂教学中只重视基本理论的灌输,不重视对工程流体力学基础理论体系的建立以及对学生面对具体流动问题的分析解决能力培养的问题.
(二)建立以学生为中心的课后实践教学模式
现有的工程流体力学实践教学主要以实验教学为主,其多采用实验教师现场演示,学生按照教师演示“复制”的教学方式,没有以学生为中心,学生并没有完全得到从理论知识到实践成果的收获,更多是一种机械操作,不能发挥学生的主观能动性,没有激发学生的积极性,没有体现学生的主体性、不能培养学生的创造性.[4]实验的成绩也仅仅由实验报告的数据评定,忽略了过程化考核的重要性.而工程流体力学进行实验教学的目的是通过对实际流体力学现象的直观认识,进一步增进学生对理论知识的理解.基于以上教学目标,南京师范大学能源与机械工程学院工程流体力学教学研究课题组开展了以学生为中心的实践教学模式的探索.在实践教学环节,我们不再拘泥于标准化实验的教学,而是在学生完成标准化实验的前提下,鼓励学生根据对流体力学基本理论的理解,自己设计实验,建立兴趣小组,充分发挥学生作为学习主体的创造性,增加学生的主动参与感,激发学生的兴趣,从而更好地完成从理论学习到实际应用的转换.实践教学环节的考核方式也并非根据实验报告进行评定,而是根据实践教学过程中学生展现出的创造性,主动参与性,对基本原理的理解等进行综合评定,既有助于学生对知识的理解,又可以使教师更为客观地认识自身的教学效果.此外,课题组教师通过设计一些流体力学相关的题目,带学生参加如“挑战杯”、“节能减排大赛”等学科竞赛,进一步发挥学生的主体作用,使得学生能够更好地理解流体力学学科理论的内涵.
(三)以教师研究课题促进教学效果的提升
研究性教学将科学研究的思路引进教学并注重发挥学生的主观能动性,旨在通过教学与研究实践的结合,引导学生创造性地运用知识自主地发现问题、研究问题和解决问题,在研究中积累经验、培养能力和锻炼思维.[5]因此,南京师范大学能源与机械工程学院工程流体力学教学研究课题组依托课题组教师承担国家、省部级科研项目的独特优势,注重将课堂教学与科学研究相结合,以教师研究课题促进教学效果的提升,探索与课程学科内容特点相匹配的教学模式,突破传统课堂教学中“灌输”式教学形式,鼓励将科研成果应用到实际工程流体力学教学中,着力培养学生的创新性思维和运用知识解决实际问题的能力.近年来,我们创造性地将部分课堂引入教师的实验室中讲授,依托实验室中“微通道流动与传热”实验平台、“微肋柱绕流”实验平台以及“液滴撞击动力学”实验平台等各种实验平台进行工程流体力学中动力学部分基本原理的讲授,通过教师科研成果对沿程阻力、绕流以及多相流的可视化展示,使学生直观感受到流体力学理论在实际科研中的应用,便于学生对流体力学基本理论的理解,同时有助于学生对学科前沿的认知.
二、网络互动式教学模式的探索与实践
以上“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式,能极大弥补传统单一课堂教学的不足,但对于学生而言,课堂之后,遇到没有理解的知识和理论,还是无法及时有效地向教师咨询,教师和学生之间无法进行实时有效的沟通,教师和学生之间的互动受到时间和空间的极大限制.
随着互联网的迅速发展,网络教育已逐渐成为高等教育中非常重要的手段.然而,网络教学模式如何有效应用于高校课程,尤其是重要的专业基础课教育中,目前还处于初步探索阶段.南京师范大学能源与机械工程学院工程流体力学教学研究课题组围绕现代高等教育对大学生综合素质能力强,富有创新意识的人才培养要求,按照“以学生为中心”的教学理念,根据学生个性特征多样性和教学内容多样性的教学规律,不断更新教学观念,提高自身教学能力和素质；积极研究网络教学模式,在工程流体力学课程教学中尝试以“互联网公众平台实时互动教学”辅助传统教学；在“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式的基础上,利用互联网公众平台,如微信公众平台、等,建立“工程流体力学”讨论群组,实时发布课题信息,进行网络资源共享,对于学生的困惑、难点,通过互联网平台进行实时解答.同时,教师也可实时发布相关知识点讨论,使学生能够实时和教师互动,在知识点讨论中了解教学中存在的盲点以及学生难以理解的知识点,形成教师与学生互动,尤其是学生和学生之间互动的良好网络教学环境,在学生互动讨论的同时加深其对工程流体力学体系的认识,同时也能使教师更好地了解学生知识掌握程度以及自身教学效果,便于在传统课堂中调整教学内容.此外,要积极建设工程流体力学网络微课.针对课堂教学以及网络群组讨论中学生存在的共性问题,将知识点一一拆分,针对单一知识点,采用视频形式进一步讲解,发布于公众平台；建立网上发布作业和批改作业的新机制,进行网络实时习题、例题解答以及课后答疑,突破时空的限制,形成师生实时交流的互动平台.
三、网络互动式教学模式的实践意义
利用“网络互动式教学模式”是对“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式的有益补充,可突破教师和学生之间的时空限制,实现教师和学生之间的实时互动,共享教学资源,在师生间构筑起一条不受时间和空间限制的互动交流通道,有助于创建良好的师生互动教学环境,构建积极和谐的师生关系；同时实时互动也有助于学生加深对工程流体力学知识的深入理解和认知.如在微信公众平台、讨论群组等互动平台中,学生可及时针对课堂教授中没能理解的知识点进行咨询、讨论,教师也可实时进行解答,发布教学资源,有助于教师实时有效地了解学生学习情况,把握自身教学效果.同时由于网络平台的互动性,学生之间也可以共同讨论,分享彼此的理解,从而形成教师与学生实时互动,学生与学生之间良性互动的网络教学新模式,有效发挥学生在教学中的主体作用,激发学生学习的积极性和主动性,提高学生主动参与学习的意识和能力.此外,微课视频也可在网络公众平台实时发布,进一步解决学生学习过程中的难点问题,从而有效提高学生对工程流体力学这门课程的理解.
四、结语
在工程流体力学中采用“课堂教学—课后实践—课题研究”相结合的互助教学模式,同时利用网络互动式教学辅助课堂传统教学,可有效激发学生的学习兴趣,发挥学生的主体作用,同时可打破教师和学生之间的时空限制,实现教师和学生的实时互动,这是对新型教学模式的有益探索,对工科教学质量的提高具有重要意义.
［责任编辑：刘凤华］
流体力学论文参考资料：
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