流體力學(xué)教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)與應(yīng)用

張志宏+王沖+鄧輝

摘 ? ?要：教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)是提高教學(xué)質(zhì)量的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工程。針對(duì)流體力學(xué)課程特點(diǎn)和建設(shè)目標(biāo)，闡述了加強(qiáng)資源庫(kù)建設(shè)的必要性與重要性。結(jié)合一線教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，融入現(xiàn)代教育技術(shù)理念，提出了資源庫(kù)建設(shè)的內(nèi)容、重點(diǎn)、方法與途徑。實(shí)踐表明，教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)對(duì)提升教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的促進(jìn)作用，并可為進(jìn)一步建設(shè)國(guó)家精品課程和國(guó)家精品資源共享課奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué);教學(xué)資源庫(kù);建設(shè)

中圖分類號(hào)： G642.0 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2015）09-0026-03

流體力學(xué)的應(yīng)用范圍廣，它與航海、航空、航天、能源、動(dòng)力、機(jī)械、化工、船舶、兵器、水利、環(huán)境、建筑等專業(yè)密切相關(guān)，目前在許多高等院校中都開設(shè)有這門課程。但是，流體力學(xué)與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程不同，它作為專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課，目前各高校還沒有相對(duì)集中統(tǒng)一的教材，也沒有普遍配套的教學(xué)資源，不同專業(yè)對(duì)流體力學(xué)的內(nèi)容需求有很大的不同，因而課程內(nèi)容和教學(xué)時(shí)數(shù)差異性較大（通常在30—90學(xué)時(shí)之間）[1]。由于流體力學(xué)運(yùn)用的數(shù)學(xué)知識(shí)多，涉及的流動(dòng)現(xiàn)象抽象復(fù)雜，在教學(xué)中師生們普遍反映這門課程“教師難教，學(xué)生難學(xué)”。作為大學(xué)教師，負(fù)有傳道、授業(yè)、解惑之責(zé)，而課堂教學(xué)是面對(duì)學(xué)生最直接、最有效的一種方式。在教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)時(shí)數(shù)少的情況下，建設(shè)和應(yīng)用好基于課堂教學(xué)需要的課程資源庫(kù)，并充分利用現(xiàn)代化的教育技術(shù)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來的不足，大大提高課堂教學(xué)效果和教學(xué)效率。

根據(jù)教育部教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的定義，教育資源可以概括成三大類型[2]：（1）課程素材類教學(xué)資

源，主要包括文本、圖形/圖像、音頻、視頻和動(dòng)畫等多媒體素材。（2）課程集成類教學(xué)資源，主要包括電子課件、試題試卷、練習(xí)測(cè)試、問題解答、典型案例等成品素材。（3）網(wǎng)絡(luò)課程，主要包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容以及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐環(huán)境等平臺(tái)。作為課堂教學(xué)需要，課程資源庫(kù)的建設(shè)重點(diǎn)應(yīng)該是素材類教學(xué)資源和集成類教學(xué)資源，而素材類和集成類教學(xué)資源的建設(shè)也可為進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。這里以基于課堂教學(xué)需要的流體力學(xué)課程資源庫(kù)建設(shè)為切入點(diǎn)，闡述了加強(qiáng)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的必要性與重要性，并提出了資源庫(kù)建設(shè)的內(nèi)容、重點(diǎn)、方法與途徑。

一、教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的意義

（一）課程教學(xué)自身的內(nèi)在需要

教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)應(yīng)根據(jù)課程不同特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行。流體力學(xué)研究的對(duì)象是流體，其有別于固體的特殊性在于易變形和易流動(dòng)性。流體力學(xué)的研究方法大多采用歐拉法，其著眼點(diǎn)是研究流體流過的區(qū)域即“場(chǎng)”上的流體物理量的變化，與大家熟知的針對(duì)固體運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)或固體力學(xué)的研究方法不同。由于流體力學(xué)的上述特點(diǎn)，因而出現(xiàn)了許多新概念和新現(xiàn)象。例如定常、非定常，流線、跡線，層流、湍流，有旋、無旋，邊界層、渦街，自由渦、下洗等許多概念在課堂上頗費(fèi)口舌，介紹了半天學(xué)生往往還在云里霧里，難于理解。許多流動(dòng)現(xiàn)象通?？床灰?、摸不著，教學(xué)內(nèi)容抽象枯燥、晦澀難懂，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生難于建立清晰的流動(dòng)概念，因而學(xué)習(xí)存在畏難和抵觸情緒，缺乏進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

沒有清晰的流動(dòng)概念就無法提煉出合理的數(shù)學(xué)模型，勢(shì)必影響到學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。而利用流場(chǎng)顯示、小動(dòng)畫、虛擬仿真等方法獲得的圖形圖像及視頻等多媒體素材，在教學(xué)過程中只需播放幾分鐘甚至幾秒鐘，就能讓學(xué)生加深理解、茅塞頓開，使課堂教學(xué)效果產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。采用多媒體的特寫、慢鏡、定格、細(xì)化、放大等技術(shù)再現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象，聚焦流動(dòng)細(xì)節(jié)，使枯燥乏味的流動(dòng)過程變得新穎有趣，既形象又清晰，提升了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和認(rèn)知能力，一些流動(dòng)畫面甚至使學(xué)生終生難忘。因此，建設(shè)符合現(xiàn)代教育技術(shù)特點(diǎn)的資源庫(kù)是流體力學(xué)課程教學(xué)的內(nèi)在需要。

目前，國(guó)家精品資源共享課是各高校課程建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)與核心。教育部要求各高校在國(guó)家精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)為國(guó)家精品資源共享課?？梢娨ㄔO(shè)高水平的國(guó)家精品課程和資源共享課，也要以加強(qiáng)教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)作為有力支撐。

（二）提高課堂教學(xué)質(zhì)量的需要

提高教學(xué)質(zhì)量需要高質(zhì)量的教學(xué)資源庫(kù)素材。教學(xué)資源在課堂上使用方便，能夠突破時(shí)空的限制，在課程組成員之間具有高度的共享性、可重復(fù)性和可擴(kuò)展性。教學(xué)資源具有形式的多樣性，以其精美的畫面、優(yōu)美的音樂、逼真的動(dòng)畫和圖像，圖文聲并茂，極具表現(xiàn)力。在教學(xué)活動(dòng)中，善于使用教學(xué)資源庫(kù)素材，可以使教學(xué)信息傳遞速度明顯加快。在教學(xué)時(shí)數(shù)有限的條件下，通過將精彩素材引入課堂，以豐富的背景材料支持教學(xué)內(nèi)容，教師可以傳授更多的知識(shí)。

例如，在講述邊界層分離時(shí)，需要探究邊界層分離的必要條件是存在逆壓梯度和壁面粘滯作用。采用基于實(shí)驗(yàn)室拍攝的流動(dòng)視頻進(jìn)行教學(xué)，首先可以觀察圓球駐點(diǎn)前方的來流，雖然存在逆壓梯度，但邊界層并未發(fā)生分離;其次觀察順來流方向放置的薄平板附近的流動(dòng)，也可發(fā)現(xiàn)雖然存在壁面粘滯作用，但邊界層也未發(fā)生分離，可見僅有逆壓梯度或壁面粘滯作用邊界層并不分離;但當(dāng)在圓球駐點(diǎn)前方順來流方向放置薄平板時(shí)，可以觀察到在平板和圓球連接處的附近流動(dòng)發(fā)生了邊界層分離，從而說明了逆壓梯度和壁面粘滯的共同作用是邊界層分離的必要條件。進(jìn)一步學(xué)生可能會(huì)問，逆壓梯度和壁面粘滯作用是不是邊界層分離的充分條件呢？通過流線體的繞流視頻可以發(fā)現(xiàn)，在流線體的尾部表面，雖然也存在逆壓梯度和壁面粘滯作用，但邊界層并不分離，而當(dāng)流線體長(zhǎng)度不變、中間部位增厚逐漸過渡到鈍體繞流時(shí)，由于鈍體尾部表面逆壓梯度增加，出現(xiàn)了邊界層分離現(xiàn)象，所以可以說明逆壓梯度和壁面粘滯作用只是邊界層分離的必要條件而不是充分條件。

在流體力學(xué)課程中，類似的流動(dòng)現(xiàn)象還有很多，以前大多采用板書、圖片等靜態(tài)的講授方式，講授效果并不理想，而現(xiàn)在將豐富的流動(dòng)視頻引入課堂，相當(dāng)于將實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)了教室，不僅使學(xué)生有身臨其境、眼見為實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)感，而且大大節(jié)省了講授時(shí)間，提高了教學(xué)效率和效果。由此可見，教學(xué)有法，教無定法，貴在得法。教學(xué)實(shí)踐表明，基于課堂教學(xué)的流體力學(xué)資源庫(kù)建設(shè)與應(yīng)用是提高教學(xué)質(zhì)量的有效方法。

二、教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的內(nèi)容與重點(diǎn)

根據(jù)課程教學(xué)需要，將流體力學(xué)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)內(nèi)容分成“原始資源庫(kù)”和“成品資源庫(kù)”兩大部分[3-4]。原始資源庫(kù)內(nèi)含文本庫(kù)、圖片庫(kù)、動(dòng)畫庫(kù)、視頻庫(kù)、音頻庫(kù)等原始素材。成品資源庫(kù)內(nèi)含PPT電子教案、例題習(xí)題庫(kù)、試卷庫(kù)、典型案例庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)課程等成品素材，可以直接用于教學(xué)。前期以原始資源庫(kù)的素材收集和建設(shè)為主，后期以成品資源庫(kù)的素材整合和二次開發(fā)為主。后期建設(shè)需要通過教師的大量勞動(dòng)進(jìn)行再加工、再創(chuàng)造，因而是教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的重點(diǎn)。

建成的原始素材庫(kù)內(nèi)容主要包括五個(gè)方面：（1）基于課程知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)素材庫(kù)建設(shè)。包括流體粘性、壓縮性、流線、湍流等課程所有知識(shí)點(diǎn)。（2）基于課程自然現(xiàn)象的教學(xué)素材庫(kù)建設(shè)。包括大雁成人字形飛行、龍卷風(fēng)的形成與演化等自然現(xiàn)象。（3）基于課程相關(guān)的流體工程教學(xué)素材庫(kù)建設(shè)。包括螺旋槳穴蝕、水擊、球鼻首減阻等工程案例。（4）基于課程最新科研成果的教學(xué)素材庫(kù)建設(shè)。包括艦船水壓場(chǎng)、超空泡流、水下滑翔機(jī)等最新科研進(jìn)展。（5）基于課程科學(xué)家相關(guān)事跡的教學(xué)素材庫(kù)建設(shè)。包括歐拉、普朗特、馮卡門等科學(xué)研究的思想與方法。

建成的成品素材庫(kù)內(nèi)容主要包括四個(gè)方面：（1）課程PPT電子教案的建設(shè)。包括融合原始素材、進(jìn)行二次開發(fā)、符合教師教學(xué)要求的所有課件。（2）課程概念題庫(kù)的建設(shè)。包括體現(xiàn)課程知識(shí)點(diǎn)、重難點(diǎn)便于學(xué)生學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)、考核的重要概念。（3）課程例題習(xí)題庫(kù)的建設(shè)。包括反映課程重要理論、方程、定理的便于教學(xué)雙方使用的例題習(xí)題。（4）課程試題或試卷庫(kù)的建設(shè)。包括覆蓋課程主要內(nèi)容、難易適度、便于對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)做出評(píng)價(jià)的試題試卷。

三、教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的途徑

（一）成立教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)小組

在課程建設(shè)牽引的基礎(chǔ)上，以先進(jìn)的教學(xué)理念為指導(dǎo)，以現(xiàn)代教育技術(shù)為依托，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目的，以服務(wù)課程教學(xué)為重點(diǎn)，以課程組全體教師為主體，以課程資源的系統(tǒng)性、完整性為基本要求，立足課程特點(diǎn)和需求實(shí)際，注重課程資源的適用性和易用性，分工協(xié)作，群策群力，共同建設(shè)。

成立課程教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)小組，建設(shè)人員包括課程組全體教師。課程負(fù)責(zé)人、資深教授主要負(fù)責(zé)頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，提出資源庫(kù)建設(shè)的框架與方案，對(duì)建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行審核和驗(yàn)收。骨干教師主要負(fù)責(zé)成品素材的二次開發(fā)、分類、篩選、優(yōu)化與建設(shè)，對(duì)原始素材與課程內(nèi)容進(jìn)行深層次整合。青年教師主要負(fù)責(zé)原始素材的收集、整理和初次開發(fā)與建設(shè)。

（二）采用多種手段建設(shè)原始素材庫(kù)

通過收集整理、購(gòu)買引進(jìn)、自主開發(fā)等多種方式，建設(shè)原始素材庫(kù)。

將搜集國(guó)外著名大學(xué)的教學(xué)專題片、開放課程和國(guó)內(nèi)高等院校國(guó)家精品課程的流體力學(xué)素材作為首選，全方位獲取各種免費(fèi)公共教學(xué)資源。例如，現(xiàn)在可以在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)獲取世界著名流體力學(xué)專家在實(shí)驗(yàn)室拍攝的流動(dòng)演示專題視頻，包括斯坦福大學(xué)S.J.Kline教授講授的“流場(chǎng)顯示”，賓夕法尼亞州立大學(xué)J.L.Lumley教授講授的“流體力學(xué)中的歐拉和拉格朗日方法”，麻省理工學(xué)院A.H.Shapiro教授講授的“渦量”、 “壓力場(chǎng)和流體的加速度”，劍橋大學(xué)S.G.Taylor教授講授的“低雷諾數(shù)流動(dòng)”，哈佛大學(xué)F.Abernathy教授講授的“邊界層基礎(chǔ)”和A.E.Bryson教授講授的“流體中的波”，加利福尼亞理工學(xué)院D.Coles 教授講授的“可壓縮流體的槽道流動(dòng)”， 哥倫比亞大學(xué) R.W.Stewart 教授講授的“湍流”等。這些專題片概念清晰、流動(dòng)形象、內(nèi)容精湛，是非常珍貴的流體力學(xué)教學(xué)資源。國(guó)內(nèi)在教育部主導(dǎo)推動(dòng)下建設(shè)有國(guó)家精品課程資源網(wǎng)，匯集了上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的流體力學(xué)精品課程視頻素材，也可供瀏覽、下載和借鑒。

互聯(lián)網(wǎng)是獲取免費(fèi)資源素材的主渠道，但需注意注明鏈接出處，同時(shí)只用于教育用途而非商業(yè)目的。此外，資源的建設(shè)應(yīng)處理好購(gòu)買引進(jìn)和自主開發(fā)的關(guān)系，若開發(fā)的難度大，但購(gòu)買價(jià)格合理的話，可適當(dāng)購(gòu)買。依托課程建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和教改項(xiàng)目等投入的經(jīng)費(fèi)，可以對(duì)國(guó)內(nèi)外的教學(xué)軟件或研發(fā)單位制作的教學(xué)電子資源或教材出版中附帶的光盤教學(xué)資源等采用購(gòu)買方式有選擇的補(bǔ)充。例如，清華大學(xué)李玉柱教授編寫的“流體力學(xué)電子教案”，上海交通大學(xué)丁祖榮教授編寫的“流體力學(xué)多媒體電子教案”、“流體力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程”，浙江大學(xué)毛根海教授編寫的“工程流體力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程”等數(shù)字化教學(xué)資源，已由高等教育出版社出版發(fā)行。最后，對(duì)課程的關(guān)鍵素材，如無法免費(fèi)獲得或購(gòu)置成本昂貴，可采取自主研發(fā)方式，制作原創(chuàng)素材，進(jìn)行定制開發(fā)。海軍工程大學(xué)曾在自己設(shè)計(jì)研制的流動(dòng)循環(huán)顯示水槽中，拍攝過《渦街》《粘性阻力與升力》《流場(chǎng)顯示》等專題錄像片，在教學(xué)過程中取得了很好的教學(xué)效果。自主開發(fā)的好處是可以鍛煉教學(xué)隊(duì)伍，制作的素材更能符合需求實(shí)際，而且擁有所研發(fā)素材的自主產(chǎn)權(quán)，可以在高校之間進(jìn)行自由交流，實(shí)現(xiàn)資源互換共享。

（三）按照先進(jìn)教學(xué)理念建設(shè)成品素材庫(kù)

按照學(xué)科性、適用性、易用性原則循序漸進(jìn)地建設(shè)成品素材庫(kù)。成品素材庫(kù)建設(shè)必須體現(xiàn)課程需求，并與課程標(biāo)準(zhǔn)、所用教材、講授內(nèi)容、學(xué)時(shí)安排等緊密結(jié)合起來。原始素材可以搜集很多，但質(zhì)量參差不齊。有些原始素材概念定義不同，文字大小不一，公式符號(hào)有異，圖像分辨率差異性很大，因而不能簡(jiǎn)單堆積、生搬硬套。在建設(shè)成品素材庫(kù)的過程中，應(yīng)該緊緊圍繞課程的內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)、重難點(diǎn)、特點(diǎn)和需求進(jìn)行分類、整合、優(yōu)化和二次開發(fā)，既要考慮有利于教師突破教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，又要考慮有利于學(xué)生的認(rèn)知促進(jìn)以及學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)的維持，使得所建成的成品資源庫(kù)能夠直接用于教學(xué)，支持教學(xué)，并能使教師快捷地找到所需要的資源，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)的最優(yōu)化。

在成品素材庫(kù)的建設(shè)中，我們將“身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象、流動(dòng)的工程實(shí)際、最新的科研成果、科學(xué)研究的思想方法”等原始素材融入PPT電子教案，在課堂教學(xué)中取到了事半功倍的效果[5]。引入身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使課堂教學(xué)生動(dòng)有趣。引入流動(dòng)的工程實(shí)際，可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)的針對(duì)性和有效性，搭起理論和實(shí)踐的橋梁。引入最新的科研成果，可以拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。引入科學(xué)家的生平事跡，可以激勵(lì)學(xué)生熱愛科學(xué)事業(yè)，并在潛移默化中掌握科學(xué)的研究方法。建成的知識(shí)點(diǎn)庫(kù)、概念題庫(kù)、例題習(xí)題庫(kù)、PPT電子教案等，不僅可為教師提供便利的教學(xué)資源，而且也可適時(shí)提供給學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)使用。建成的試題庫(kù)緊密結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)和考試要求，包括概念、選擇、計(jì)算和應(yīng)用等內(nèi)容，能夠自由組卷或固定搭配出卷，可為考教分離、客觀評(píng)價(jià)教學(xué)效果提供有利條件。

（四）立足課堂教學(xué)完善課程資源庫(kù)

資源庫(kù)的建設(shè)的目的在于應(yīng)用。既要發(fā)揮課程組所有成員建設(shè)資源庫(kù)的積極性，更要發(fā)揮這些成員應(yīng)用于課堂教學(xué)并不斷完善資源庫(kù)的積極性。教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在建設(shè)和使用資源庫(kù)時(shí)，需要堅(jiān)持開放、共建、共享原則，形成資源建設(shè)共同體。開放就是資源要能方便地進(jìn)行修改、重組和利用;共建就是要求課程組的全體教師參與建設(shè)，任務(wù)分解到人;共享就是要將建成的資源庫(kù)素材，全部提供課程組教師免費(fèi)使用。此外，建成的教學(xué)資源庫(kù)在使用時(shí)，還需結(jié)合教師自身特點(diǎn)和不同的施訓(xùn)對(duì)象，進(jìn)行個(gè)性化打造和優(yōu)化。

建設(shè)教學(xué)資源庫(kù)需要付出辛勤的勞動(dòng)，只有通過發(fā)揮課程組全體教師共建的力量，才能讓每一位教師都共享豐富的教學(xué)素材，從而達(dá)到整體提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過教學(xué)資源共建共享、課堂教學(xué)實(shí)踐不斷完善和定期經(jīng)驗(yàn)交流機(jī)制，激發(fā)課程組全體教師不斷參與教學(xué)資源動(dòng)態(tài)更新與建設(shè)的積極性，使教學(xué)資源庫(kù)處于持續(xù)使用與發(fā)展的良好狀態(tài)之中。

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