應用型本科《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革探索與實(shí)

一、前言
應用型本科指以應用型為辦學(xué)定位，而不是以科研為辦學(xué)定位的本科院校，現階段一般包括所有的本科第二批、本科第三批錄取院校，是對新型的本科教育和新層次的高職教育相結合的教育模式的探索，對滿(mǎn)足中國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，對高層次應用型人才需要以及推進(jìn)中國高等教育大眾化進(jìn)程起到了積極的促進(jìn)作用。
建筑環(huán)境與能源應用工程專(zhuān)業(yè)是根據2012 年教育部頒的全國普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)目錄，將建筑節能技術(shù)與工程、建筑設施智能技術(shù)（部分）、建筑環(huán)境與設備工程合并為建筑環(huán)境與能源應用工程（其早期名為暖通工程專(zhuān)業(yè)）·。主要培養具備室內環(huán)境設備系統及建筑能源應用工程的設計、安裝調試、運行管理能力，具有一定的室內空氣環(huán)境設備、系統的研究開(kāi)發(fā)的基礎理論知識及能力，能在設計研究院、建筑工程公司、相關(guān)的設備生產(chǎn)企業(yè)以及現代化智能建筑設施的維保管理部門(mén)從事工作的專(zhuān)門(mén)人才。
流體力學(xué)是主要研究流體平衡和運動(dòng)規律及實(shí)際應用的一門(mén)科學(xué)，是一門(mén)應用面比較廣的專(zhuān)業(yè)基礎課，在能源、動(dòng)力、機械、航空、化工等領(lǐng)域都有著(zhù)重要應用。對建筑環(huán)境與能源應用工程專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，流體力學(xué)的應用較為廣泛，熱量輸配、空氣調節、燃氣供應、除塵凈化、排熱除濕等都是以流體作為介質(zhì)實(shí)現的。
因此，流體力學(xué)是建環(huán)專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)基礎課程，是后續專(zhuān)業(yè)課程的核心基礎課程之一，在課程體系中具有重要地位。
二、當前教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題
1. 物理現象不直觀(guān)，學(xué)生理解想象困難
雖然流體與我們日常生活密不可分，但因其本身特殊的特性——看不見(jiàn)、摸不著(zhù)、表面看似平靜、內部暗流涌動(dòng)，導致其物理現象不直觀(guān)、基本概念較抽象。學(xué)生無(wú)法從簡(jiǎn)單的圖線(xiàn)、圖片中想象復雜的流動(dòng)過(guò)程，更難談及“透過(guò)現象看本質(zhì)”。
2. 教學(xué)方法單一，難以擺脫“灌注”式教學(xué)模式
流體力學(xué)課程的特點(diǎn)是抽象、枯燥、難懂，應用的數學(xué)知識較多，一直以來(lái)都處于“教師難講、學(xué)生難懂”的狀態(tài)。雖然，教師大量采用多媒體技術(shù)（圖片、動(dòng)畫(huà)乃至影像資料）用于課堂教學(xué)，但沒(méi)有實(shí)驗體系支撐的純理論教學(xué)依然無(wú)法真正擺脫“灌注”式的教學(xué)模式。
3. 理論教學(xué)與本專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際結合不足
流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應用，屬于理論性和實(shí)踐性較強的專(zhuān)業(yè)基礎課程，所提供的研究方法可直接用于科學(xué)研究和工程設計過(guò)程。專(zhuān)業(yè)基礎課是學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識技能必修的重要課程，其主要任務(wù)是為專(zhuān)業(yè)課學(xué)習奠定必要的基礎。雖然課程教材中現象、例題、練習題等都是基于實(shí)際物理現象，但由于多是由力學(xué)專(zhuān)業(yè)教師授課，與本專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際結合較少，導致學(xué)生不知為何而學(xué)，不知如何應用，學(xué)生學(xué)習積極性較低，學(xué)習效率較低。
4. 孤立的模擬實(shí)驗臺，學(xué)生無(wú)法聯(lián)想到實(shí)際工程
目前流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)多為設置模擬實(shí)驗臺，學(xué)生通過(guò)觀(guān)察、測試驗證某些物理現象或理論公式算法等觀(guān)測流動(dòng)現象，驗證所學(xué)理論，掌握實(shí)驗的方法和操作技能，訓練整理實(shí)驗資料、編寫(xiě)實(shí)驗報告的能力。但孤立設置的一段管段和設備，無(wú)法讓學(xué)生實(shí)驗現象與實(shí)際工程起來(lái)，學(xué)生不能真正理解實(shí)驗的目的和意義，只是按照實(shí)驗指導書(shū)按部就班地完成任務(wù)，參與積極性不高，實(shí)驗沒(méi)有真正發(fā)揮出專(zhuān)業(yè)基礎的作用。
5. 模式化的考核方式使學(xué)生采取錯誤的學(xué)習方法
目前，流體力學(xué)教學(xué)多數采用傳統的考試方法，考試命題常拘泥于書(shū)本，記憶多，理解少，知識的應用更少，忽略了對學(xué)生綜合能力的考核。以單純檢驗知識掌握程度為標準，學(xué)生平時(shí)不學(xué)習，考試前“突擊”幾天，做幾個(gè)典型題，考試也可能考出好成績(jì)，但考完即忘，無(wú)法打下扎實(shí)的基礎。這不能全面考查學(xué)生的真正素質(zhì)，思維活躍、求學(xué)好問(wèn)、注重實(shí)際應用的學(xué)生往往不能充分發(fā)揮水平，部分學(xué)習方法僵硬、但善于背知識的學(xué)生卻能拿高分，出現“高分低能”現象。長(cháng)此以往，學(xué)生學(xué)習缺乏主動(dòng)性，學(xué)習方法僵硬，只是死記硬背，忽略了對知識的全面理解和融會(huì )貫通，更談不上對知識的應用。
三、課程教學(xué)改革內容
為解決流體力學(xué)教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，本專(zhuān)業(yè)在近幾年的流體力學(xué)教學(xué)中積極探索實(shí)踐，積極探索嘗試更適用于應用型人才培養的教學(xué)模式，把抽象的物理現象形象化，引導學(xué)生透過(guò)現象看本質(zhì)，培養學(xué)生工程意識，提高學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng )新能力，使學(xué)生能更好地投入后期的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習。
1. 豐富有趣的緒論課，調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣
良好的開(kāi)端是成功的一半。緒論課是本課程的次課，緒論課上得成功與否，直接影響到學(xué)生在今后的學(xué)習中是否對該課程產(chǎn)生興趣，影響到學(xué)生對該門(mén)課程掌握的程度高低。教師可以適當增加緒論課課時(shí)，在課上介紹流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史，通過(guò)大量引入實(shí)例介紹流體力學(xué)在人類(lèi)文明發(fā)展中*的作用，介紹流體力學(xué)在航空航天發(fā)展方面的成就等內容，激發(fā)學(xué)生對本課程的自豪感和學(xué)習興趣。教師以利用一些生活周邊的工程實(shí)例帶動(dòng)學(xué)生討論交流，引導學(xué)生從本專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)思考問(wèn)題。
2.“輕推導重應用”的理論教學(xué)思路
流體力學(xué)包含大量自然科學(xué)的基礎理論，針對筆者所在學(xué)校學(xué)生數學(xué)和物理基礎較薄弱的特點(diǎn)，教師要重點(diǎn)強化公式理論物理意義的理解、在工程技術(shù)科學(xué)方面的應用，增強課程的
實(shí)踐性，帶動(dòng)學(xué)生將所學(xué)研究方法直接用于科學(xué)研究和工程設計過(guò)程中。例如，恒定總流伯努利方程的教學(xué)，常規的教學(xué)方法是從微元分析的角度開(kāi)始進(jìn)行公式推導。但對高數基礎較差的學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習還沒(méi)開(kāi)始就已經(jīng)被各種微積分符號嚇得打退堂鼓了，在推導公式前，教師可以帶學(xué)生回顧高中物理的能量守恒定律，以固體的機械能守恒擴展到流體的總能守恒，使學(xué)生很自然地理解了方程的物理意義，增強學(xué)習的信心。
3. 以工程案例分析教學(xué)法為代表的應用型教學(xué)模式
“應用型”人才的典型特點(diǎn)就是具備很強的自主學(xué)習、獨立解決問(wèn)題的能力，因此培養的重點(diǎn)在于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。
這就要求教師要從知識傳授型教學(xué)模式向應用型教學(xué)模式轉變，使學(xué)生從知識接受者變?yōu)橹R的探究者，從傳統的重教輕學(xué)向“教主于學(xué)”轉變。教師在課堂上根據教學(xué)目標和內容的需要，利用工程案例組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習、討論，鍛煉學(xué)生的分析、歸納、總結的能力。教師可以設計一些習題課與專(zhuān)題討論課來(lái)解決與課程基本理論相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力。
4. 結合本專(zhuān)業(yè)工程需要設計有專(zhuān)業(yè)特色的課程實(shí)驗
筆者所在學(xué)校投資百萬(wàn)建成了占地1000 多平方米的建筑環(huán)境與能源應用工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗室，包括集中冷熱源的各種空調系統，如熱回收空調系統、輻射空調系統、地源熱泵機組、空調系統BA 控制及其能耗分析的綜合工程系統，*按實(shí)際工程規格設計建造非試驗臺、實(shí)驗裝置式的演示設備。完善的專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗室為建設有工程特色流體力學(xué)實(shí)驗提供了先決條件。教師靈活利用現有專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室資源，結合工程實(shí)際需要，設計特色實(shí)驗，建立有專(zhuān)業(yè)特色的、能夠更好地銜接后續專(zhuān)業(yè)課程的流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)體系，把抽象的物理現象形象化，引導學(xué)生透過(guò)現象看本質(zhì)，培養學(xué)生工程意識，提高學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng )新能力。
本次教學(xué)改革實(shí)踐中將實(shí)驗體系劃分為由淺入深的三個(gè)層次：基礎演示實(shí)驗、基本理論實(shí)驗、綜合擴展實(shí)驗。這三個(gè)層次有機又相互區別, 分別滿(mǎn)足不同教學(xué)階段的需求。
（1）基礎演示實(shí)驗：主要為與實(shí)際生活和空調通風(fēng)工程緊密結合的基礎性演示實(shí)驗，知識覆蓋面廣。教師精選一些“意料之外，科學(xué)原理其中”的基礎實(shí)驗，讓學(xué)生在輕松愉快地觀(guān)摩學(xué)習、探索流體力學(xué)的基本規律。此部分典型實(shí)例均為學(xué)生調研采集，在制作過(guò)程中吸引了學(xué)生深厚的興趣，除一些演示臺外，還包括一些視頻資料、圖片演示等。
（2）基本理論實(shí)驗：包含多個(gè)闡述及驗證流體力學(xué)基本方程的實(shí)驗，如能量方程、動(dòng)量方程實(shí)驗等，服務(wù)于對流體力學(xué)理論的形象理解。此部分實(shí)驗除個(gè)別需學(xué)生實(shí)際觀(guān)察流體流動(dòng)過(guò)程的實(shí)驗外，其余均在實(shí)際空調系統管道中進(jìn)行測試。學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中對空調系統的調節、流動(dòng)有初步認識，理解實(shí)驗對后續專(zhuān)業(yè)課學(xué)習的實(shí)際作用，從而更有目的性地進(jìn)行實(shí)驗及總結。
（3）綜合擴展實(shí)驗：以流體力學(xué)理論為基礎，以暖通空調工程及其測控技術(shù)為應用背景，著(zhù)重培養學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，如風(fēng)口溫差射流衰減實(shí)測分析、流量調節前后管道內流動(dòng)狀態(tài)對比分析等。除一些工程基礎實(shí)驗外，教師在這個(gè)層次中盡量擴展體現本學(xué)科的前沿科研成果及動(dòng)態(tài)，為學(xué)生提供開(kāi)放式實(shí)驗和自主式設計平臺，使學(xué)生的能力得到鍛煉，自由想象與自主創(chuàng )新的潛力得到開(kāi)發(fā)與培養。
5. 以教師教學(xué)創(chuàng )新促進(jìn)學(xué)生學(xué)習創(chuàng )新，實(shí)現課內與課外有機結合
學(xué)校力求構建一種“寓教于樂(lè )、寓學(xué)于研”的教學(xué)氛圍，從封閉型課堂向開(kāi)放型課堂轉變，以提升整體教學(xué)效果。教師主要采取以下幾種方式：在教學(xué)中引導學(xué)生把握流體力學(xué)解決問(wèn)題的思維方式和研究方法，對于特定知識點(diǎn)安排專(zhuān)題作業(yè)，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習，如動(dòng)員學(xué)生發(fā)現身邊的流體力學(xué)現象，完成調研報告；讓學(xué)生自行設計并組裝簡(jiǎn)易的流體力學(xué)裝置，學(xué)生在動(dòng)手中發(fā)現理論本質(zhì)；布置課程論文任務(wù)，讓學(xué)生在課外完成一篇流體力學(xué)知識應用的課程論文，通過(guò)解決開(kāi)放性問(wèn)題，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習能力，培養學(xué)生的創(chuàng )造力。
6. 以評價(jià)學(xué)生“學(xué)習成效”為導向的課程考核方式
教師以學(xué)生的能力培養為主線(xiàn)，在教學(xué)中不把學(xué)生學(xué)到諸多具體的知識點(diǎn)作為目標，而是更注重學(xué)生學(xué)習到了什么方法、具備了什么能力。教師在這一原則指導下不斷探索課程考核方式的改革。成績(jì)評價(jià)不再以記憶性的書(shū)本知識為主要內容，即從考核學(xué)生學(xué)習成績(jì)向評價(jià)學(xué)習成效轉變，教師引導學(xué)生從注重考試結果向注重學(xué)習過(guò)程轉變，增強學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性。例如，考卷中增設開(kāi)放性題目，考查學(xué)生對知識的理解應用能力；加大對課后專(zhuān)題作業(yè)與課程論文的考核力度和分值占比，課程作業(yè)避免題海訓練，加大綜合性、設計性、開(kāi)放性題目的數量，對學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中所表現出來(lái)的學(xué)習方法、策略、合作精神等因素進(jìn)行全面的綜合評價(jià)。
四、結束語(yǔ)
流體力學(xué)以其數學(xué)分量重、抽象概念多、理論性強、實(shí)踐性強的特點(diǎn)，成為本科生認為難學(xué)的課程之一，被學(xué)生戲稱(chēng)為“留級力學(xué)”。因此，如何讓學(xué)生更容易理解、更樂(lè )于學(xué)習、更善于應用，是本門(mén)課程教學(xué)的大難點(diǎn)。
筆者所在學(xué)校在近幾年的教學(xué)實(shí)踐中不斷實(shí)踐，探索實(shí)施豐富的緒論課內容、基于“輕推導重應用”的理論教學(xué)思路、以工程案例教學(xué)法為代表的研究型教學(xué)模式、結合工程需要設計有專(zhuān)業(yè)特色的課程實(shí)驗，以及以教師教學(xué)創(chuàng )新促進(jìn)學(xué)生學(xué)習創(chuàng )新、以評價(jià)學(xué)生學(xué)習成效為導向的考核方式為主要內容的應用型教學(xué)模式改革。實(shí)踐證明，通過(guò)以上改革實(shí)踐，學(xué)生對流體力學(xué)的學(xué)習興趣明顯提高，大多數學(xué)生積極參與課堂討論，課堂氛圍活躍，教學(xué)*。