工程教育認(rèn)證視角下流體力學(xué)課堂教學(xué)改革的探討

【摘要】專業(yè)認(rèn)證是目前世界高等教育發(fā)展的重要特征和必然趨勢(shì)。以成果導(dǎo)向教育為前提，對(duì)當(dāng)前機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)流體力學(xué)課堂教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了深入分析。針對(duì)流體力學(xué)課程課堂教學(xué)現(xiàn)狀存在的問題，從課堂改革措施方面提出了流體力學(xué)課程課堂改革的改革思路和舉措。

【關(guān)鍵詞】專業(yè)認(rèn)證 ?流體力學(xué) ?教學(xué)現(xiàn)狀 ?課堂改革

【課題項(xiàng)目】項(xiàng)目名稱：濱州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：BYJYYB201922。

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）45-0127-02

1.前言

工業(yè)經(jīng)濟(jì)的全球化使得工程領(lǐng)域的認(rèn)證變得越來越重要，越來越多的高校都意識(shí)到了課程認(rèn)證的重要性。專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工程基礎(chǔ)類課程、學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)類課程與專業(yè)類課程約為總學(xué)分安排的40%。流體力學(xué)分別作為各大專業(yè)工程基礎(chǔ)類課程、學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)類課程與專業(yè)類課程必設(shè)課程，足以顯示出其在專業(yè)認(rèn)證中的重要作用。流體力學(xué)是機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門學(xué)科[1-2]，針對(duì)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)主要講授流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，流體對(duì)固體壁面間的作用，流體過流斷面的特性、速度分布、流量計(jì)算、局部或沿程能量損失等。該課程[3]在學(xué)生能力培養(yǎng)和知識(shí)體系構(gòu)建過程中起“承上啟下”的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握流體的基本概念、流體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，為從事流體相關(guān)的專業(yè)技術(shù)工作和進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

專業(yè)認(rèn)證指標(biāo)特別強(qiáng)調(diào)專業(yè)應(yīng)具有滿足工程需要的、必備的實(shí)踐教學(xué)體系[5]。自2017年以來[6]，國(guó)內(nèi)對(duì)專業(yè)認(rèn)證工作的研究取得了豐富成果，但基于成果導(dǎo)向教學(xué)模式的研究并不多見，該模式也沒有得到應(yīng)有的重視和推廣。大部分課程已經(jīng)開始嘗試進(jìn)行改革，并將成果導(dǎo)向教育理念運(yùn)用到教學(xué)模式中。目前，無論哪個(gè)專業(yè)的流體力學(xué)課堂教學(xué)都存在著教學(xué)方式單一、學(xué)生參與度不高、考試以簡(jiǎn)單的計(jì)算和理論推導(dǎo)為主等問題。為適應(yīng)專業(yè)認(rèn)證的最新要求，以成果導(dǎo)向教育為前提，打造有深度的大學(xué)課堂，流體力學(xué)課堂教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2.課堂教學(xué)現(xiàn)狀

流體力學(xué)課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化在專業(yè)認(rèn)證背景下的必修課，同時(shí)也是一門與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系密切、工程應(yīng)用性和實(shí)踐能力較強(qiáng)的課程。課程理論性較強(qiáng)，研究對(duì)象比較抽象，流體力學(xué)課堂教學(xué)現(xiàn)狀具備以下幾個(gè)特點(diǎn)[7]：流體力學(xué)課堂教學(xué)以多媒體為主，面授和板書相結(jié)合，理論推導(dǎo)為主，算例講授為輔，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，減少了課堂互動(dòng)性;目前部分學(xué)校還沒有與流體力學(xué)課程相關(guān)的儀器設(shè)備，相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍屬空白，實(shí)踐教學(xué)資源匱乏;流體力學(xué)課堂教學(xué)方式單一、學(xué)生課堂參與度不高、考試重理論推導(dǎo)和公式計(jì)算的現(xiàn)狀，與專業(yè)認(rèn)證背景下對(duì)流體力學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求差距較大。通過對(duì)比近三年的學(xué)生試卷成績(jī)（如圖1所示），可以看出該課程的期末考核方式有待持續(xù)改進(jìn)。

3.改革措施

流體力學(xué)課程理論性較強(qiáng)，涉及的概念比較抽象、公式多，增加了課堂教學(xué)的難度。流體力學(xué)理論推導(dǎo)與數(shù)學(xué)思維結(jié)合緊密，需要學(xué)生有較強(qiáng)的邏輯性，學(xué)習(xí)難度大，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為改善當(dāng)前流體力學(xué)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，需要教師對(duì)課程絕對(duì)熟悉。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，針對(duì)流體力學(xué)課堂教學(xué)提出以下幾個(gè)改革方案。

3.1 增設(shè)課堂討論環(huán)節(jié)及案例

根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求，流體力學(xué)的教學(xué)目標(biāo)不再限于使學(xué)生掌握基本的理論知識(shí)，而是更加側(cè)重于將所學(xué)的理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題。因此，在教學(xué)的過程中，以分析問題，工程應(yīng)用為主線，避免煩瑣冗長(zhǎng)的理論推導(dǎo)，從而改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)理念。課堂討論環(huán)節(jié)和引入相關(guān)案例，能夠有效地檢驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)理解和接收程度，通過討論實(shí)際案例可使學(xué)生加深抽象概念的應(yīng)用層面上的深度理解，提高學(xué)習(xí)興趣，也便于教師對(duì)所授知識(shí)點(diǎn)的查缺補(bǔ)漏，舉一反三，有效提升教學(xué)效果。另外，可以適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)比例，提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)增加學(xué)生對(duì)流體實(shí)驗(yàn)基本理論的認(rèn)識(shí)。

以伯努利方程為例，以歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程（理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程為基礎(chǔ)），引入假定條件，對(duì)能量守恒定律進(jìn)行解釋。盡量簡(jiǎn)化推導(dǎo)步驟，將學(xué)生的主要興趣點(diǎn)放在伯努利方程的應(yīng)用上。比如飛機(jī)能飛起來靠的是機(jī)翼產(chǎn)生的升力，由于機(jī)翼的特殊形狀，氣流經(jīng)過上翼面的流速加快，壓力減小的原理就是伯努利方程，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)伯努利方程對(duì)其進(jìn)行解釋。

課堂討論環(huán)節(jié)可以針對(duì)一些流體力學(xué)現(xiàn)象引起大家學(xué)習(xí)的興趣。如引入虎門大橋發(fā)生異常抖動(dòng)的新聞報(bào)道，講述塔科馬海峽吊橋事件，引領(lǐng)大家探索流體力學(xué)在這些事件中扮演的角色，從而揭示卡門渦街引起共振的現(xiàn)象。一定的風(fēng)速使得穿過大橋的氣流周期性地產(chǎn)生兩串平行的反向旋渦，連續(xù)性的旋渦對(duì)被繞的橋梁產(chǎn)生周期性作用力，當(dāng)作用力和大橋震動(dòng)的頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振。共振越強(qiáng)，大橋擺動(dòng)扭曲的幅度便會(huì)越大。 3.2 將智能教學(xué)引入流體力學(xué)教學(xué)

課堂教學(xué)具有形式多樣、組織靈活、反饋快捷等特點(diǎn)，其教學(xué)效果一般要優(yōu)于MOOC在線教學(xué)。但是課堂教學(xué)的不足也是明顯的，例如一次性，不可重復(fù)性，課堂上沒有聽明白，不主動(dòng)找老師彌補(bǔ)便沒有了再學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。而MOOC教學(xué)利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的普及性，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的缺點(diǎn)，學(xué)生可以在線學(xué)習(xí)，重復(fù)觀看，直到學(xué)懂弄通為止。因此可以將流體力學(xué)中較難理解的公式推導(dǎo)，如連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程三大方程等的推導(dǎo)過程錄制并制成短視頻，利用學(xué)校的泛雅課程平臺(tái)發(fā)布，既可作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)內(nèi)容，通過學(xué)生提前自行學(xué)習(xí)，帶著疑難點(diǎn)進(jìn)行課堂教學(xué)，進(jìn)而使課堂教學(xué)的效率大幅提升。也可以供課后反復(fù)學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，用以增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。

另外，可以引入虛擬仿真教學(xué)。采用虛擬仿真的形式，將主要知識(shí)要點(diǎn)附加到三維模型之上，綜合三維動(dòng)畫、三維模型、三維交互等多種形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容的三維可視化。仿真資源力求體現(xiàn)實(shí)際工程案例，教師使用PPT授課時(shí)可以直接鏈接相應(yīng)VR資源，將虛擬仿真教學(xué)嵌入到理論教學(xué)中;學(xué)生也可以通過課外開放或手機(jī)APP隨時(shí)訪問虛擬課程資源，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合、事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

3.3將工程中常用的軟件引入教學(xué)

教學(xué)的最終目的即是應(yīng)用。為了培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的能力，將工程中常用的仿真軟件引入教學(xué)過程。在流體力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，部分學(xué)生對(duì)基本概念和基本理論的了解有限，面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)，無法轉(zhuǎn)化模型和進(jìn)行深入的分析處理。另外，由于傳統(tǒng)教學(xué)方法重公式定理的推導(dǎo)輕物理性質(zhì)的講解，使得學(xué)生只能求解一些由實(shí)際問題抽象而來，在特定條件或狀態(tài)下的力學(xué)問題。長(zhǎng)此以往，思維固化，由于缺少對(duì)模型本身的深入分析，致使學(xué)生分析問題的能力降低。在教學(xué)中引入常用的工程分析軟件，輔助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的理解，會(huì)使得課堂教學(xué)更加直觀。例如流體力學(xué)常用分析軟件Fluent，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，可使抽象的流體力學(xué)理論轉(zhuǎn)換成圖像，從而讓理論知識(shí)變得更加形象直觀。提高學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)興趣的同時(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代科技手段分析問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流、項(xiàng)目管理及自我學(xué)習(xí)的能力。以圓管中的層流運(yùn)動(dòng)為例，分別通過流體力學(xué)軟件和理論推導(dǎo)來探討過流斷面上的速度分布。從理論的角度出發(fā)，直接從N-S方程入手，引入：連續(xù)性方程;壓強(qiáng)分布;柱坐標(biāo)系，并利用數(shù)學(xué)的湊項(xiàng)思想，將邊界條件展開代入N-S方程進(jìn)行理論推導(dǎo)。也可以利用軟件的優(yōu)勢(shì)，通過設(shè)置邊界條件計(jì)算過流斷面上的速度分布，更直觀地觀察速度分布規(guī)律。

3.4構(gòu)建有效的課堂評(píng)價(jià)機(jī)制

為了避免課程的課堂考核流于形式，可以對(duì)平時(shí)教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)考核，并建立“教學(xué)-學(xué)生評(píng)價(jià)-教學(xué)-教師評(píng)價(jià)-教學(xué)”的閉環(huán)系統(tǒng)。將教師和學(xué)生評(píng)價(jià)作為輸出信息，教師接收評(píng)價(jià)信息并將改革反饋到課堂教學(xué);教師評(píng)價(jià)作為輸出信息，課程小組接收信息并將改革反饋到課程體系和教學(xué)大綱上。這樣的閉環(huán)系統(tǒng)可以幫助改進(jìn)課堂教學(xué)方法，改善教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)改革需要不斷完善學(xué)生評(píng)價(jià)體系。學(xué)生評(píng)價(jià)是衡量教師教學(xué)質(zhì)量高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)，只有建立及時(shí)準(zhǔn)確的反饋評(píng)價(jià)機(jī)制，才能更好地把握學(xué)生的需求，明確改進(jìn)的方向。學(xué)生評(píng)價(jià)體系需要構(gòu)建科學(xué)的考核體系，并建立合理的反饋機(jī)制。根據(jù)影響教學(xué)改革的因素及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，繼而完善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4.結(jié)論

以中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證委員會(huì)發(fā)布的“工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”為指導(dǎo)，踐行以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)理念，構(gòu)建符合工程教育專業(yè)認(rèn)證要求的流體力學(xué)課程內(nèi)容和課程目標(biāo)達(dá)成度多維度評(píng)價(jià)方法，探索課堂討論工程案例法、智能教學(xué)、工程分析軟件在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳卓如，王洪杰，劉全忠，蔡偉華.《工程流體力學(xué)（第3版）》[M].高等教育出版社，2013.

[2]Cimbala，John M.《流體力學(xué)基礎(chǔ)及其工程應(yīng)用（英文版）》[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]沙毅，李其朋.機(jī)械類流體力學(xué)課程教學(xué)改革思考與實(shí)踐[J]. 浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2018.

[4]張成良，王超，劉磊.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下流體力學(xué)課程教學(xué)改革探討[J].西部素質(zhì)教育， 2018（4）.

[5]吳愛華，鄭秀英.穩(wěn)步推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作[J]. 中國(guó)高等教育，2008（18）：14-15.

[6]王金旭，朱正偉，李茂國(guó).成果導(dǎo)向：從認(rèn)證理念到教學(xué)模式[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2017（6）.

[7]韓莉，趙云，周永芹，盧娟，沈晶.現(xiàn)代大學(xué)需要有溫度、高度、深度的課堂教學(xué)[J].課程教育研究，2018（37）：15.

作者簡(jiǎn)介：

鄧立君（1986-），女，漢族，山東聊城人，博士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件可靠性分析。