應用型本科《流體力學》課程教學改革探索與實

一、前言
應用型本科指以應用型為辦學定位，而不是以科研為辦學定位的本科院校，現(xiàn)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(jié)合的教育模式的探索，對滿足中國經(jīng)濟社會發(fā)展，對高層次應用型人才需要以及推進中國高等教育大眾化進程起到了積極的促進作用。
建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)是根據(jù)2012 年教育部頒的全國普通高等學校本科專業(yè)目錄，將建筑節(jié)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（其最早期名為暖通工程專業(yè)）·。主要培養(yǎng)具備室內(nèi)環(huán)境設備系統(tǒng)及建筑能源應用工程的設計、安裝調(diào)試、運行管理能力，具有一定的室內(nèi)空氣環(huán)境設備、系統(tǒng)的研究開發(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(xiàn)代化智能建筑設施的維保管理部門從事工作的高級專門人才。
流體力學是主要研究流體平衡和運動規(guī)律及實際應用的一門科學，是一門應用面比較廣的專業(yè)基礎課，在能源、動力、機械、航空、化工等領域都有著重要應用。對建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)來說，流體力學的應用較為廣泛，熱量輸配、空氣調(diào)節(jié)、燃氣供應、除塵凈化、排熱除濕等都是以流體作為介質(zhì)實現(xiàn)的。
因此，流體力學是建環(huán)專業(yè)的主干專業(yè)基礎課程，是后續(xù)專業(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、當前教學實踐中存在的問題
1. 物理現(xiàn)象不直觀，學生理解想象困難
雖然流體與我們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞?，但因其本身特殊的特?mdash;—看不見、摸不著、表面看似平靜、內(nèi)部暗流涌動，導致其物理現(xiàn)象不直觀、基本概念較抽象。學生無法從簡單的圖線、圖片中想象復雜的流動過程，更難談及“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”。
2. 教學方法單一，難以擺脫“灌注”式教學模式
流體力學課程的特點是抽象、枯燥、難懂，應用的數(shù)學知識較多，一直以來都處于“教師難講、學生難懂”的狀態(tài)。雖然，教師大量采用多媒體技術(shù)（圖片、動畫乃至影像資料）用于課堂教學，但沒有實驗體系支撐的純理論教學依然無法真正擺脫“灌注”式的教學模式。
3. 理論教學與本專業(yè)工程實際結(jié)合不足
流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術(shù)科學方面的應用，屬于理論性和實踐性較強的專業(yè)基礎課程，所提供的研究方法可直接用于科學研究和工程設計過程。專業(yè)基礎課是學生掌握專業(yè)知識技能必修的重要課程，其主要任務是為專業(yè)課學習奠定必要的基礎。雖然課程教材中現(xiàn)象、例題、練習題等都是基于實際物理現(xiàn)象，但由于多是由力學專業(yè)教師授課，與本專業(yè)工程實際結(jié)合較少，導致學生不知為何而學，不知如何應用，學生學習積極性較低，學習效率較低。
4. 孤立的模擬實驗臺，學生無法聯(lián)想到實際工程
目前流體力學實驗教學多為設置模擬實驗臺，學生通過觀察、測試驗證某些物理現(xiàn)象或理論公式算法等觀測流動現(xiàn)象，驗證所學理論，掌握實驗的方法和操作技能，訓練整理實驗資料、編寫實驗報告的能力。但孤立設置的一段管段和設備，無法讓學生實驗現(xiàn)象與實際工程聯(lián)系起來，學生不能真正理解實驗的目的和意義，只是按照實驗指導書按部就班地完成任務，參與積極性不高，實驗沒有真正發(fā)揮出專業(yè)基礎的作用。
5. 模式化的考核方式使學生采取錯誤的學習方法
目前，流體力學教學多數(shù)采用傳統(tǒng)的考試方法，考試命題常拘泥于書本，記憶多，理解少，知識的應用更少，忽略了對學生綜合能力的考核。以單純檢驗知識掌握程度為標準，學生平時不學習，考試前“突擊”幾天，做幾個典型題，考試也可能考出好成績，但考完即忘，無法打下扎實的基礎。這不能全面考查學生的真正素質(zhì)，思維活躍、求學好問、注重實際應用的學生往往不能充分發(fā)揮水平，部分學習方法僵硬、但善于背知識的學生卻能拿高分，出現(xiàn)“高分低能”現(xiàn)象。長此以往，學生學習缺乏主動性，學習方法僵硬，只是死記硬背，忽略了對知識的全面理解和融會貫通，更談不上對知識的應用。
三、課程教學改革內(nèi)容
為解決流體力學教學中存在的實際問題，本專業(yè)在近幾年的流體力學教學中積極探索實踐，積極探索嘗試更適用于應用型人才培養(yǎng)的教學模式，把抽象的物理現(xiàn)象形象化，引導學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學生工程意識，提高學生的實踐、創(chuàng)新能力，使學生能更好地投入后期的專業(yè)課學習。
1. 豐富有趣的緒論課，調(diào)動學生的學習興趣
良好的開端是成功的一半。緒論課是本課程的第一次課，緒論課上得成功與否，直接影響到學生在今后的學習中是否對該課程產(chǎn)生興趣，影響到學生對該門課程掌握的程度高低。教師可以適當增加緒論課課時，在課上介紹流體力學的發(fā)展簡史，通過大量引入實例介紹流體力學在人類文明發(fā)展中不可或缺的作用，介紹流體力學在航空航天發(fā)展方面的成就等內(nèi)容，激發(fā)學生對本課程的自豪感和學習興趣。教師以利用一些生活周邊的工程實例帶動學生討論交流，引導學生從本專業(yè)角度出發(fā)思考問題。
2.“輕推導重應用”的理論教學思路
流體力學包含大量自然科學的基礎理論，針對筆者所在學校學生數(shù)學和物理基礎較薄弱的特點，教師要重點強化公式理論物理意義的理解、在工程技術(shù)科學方面的應用，增強課程的
實踐性，帶動學生將所學研究方法直接用于科學研究和工程設計過程中。例如，恒定總流伯努利方程的教學，常規(guī)的教學方法是從微元分析的角度開始進行公式推導。但對高數(shù)基礎較差的學生來說，學習還沒開始就已經(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，使學生很自然地理解了方程的物理意義，增強學習的信心。
3. 以工程案例分析教學法為代表的應用型教學模式
“應用型”人才的典型特點就是具備很強的自主學習、獨立解決問題的能力，因此培養(yǎng)的重點在于提高學生的綜合素質(zhì)。
這就要求教師要從知識傳授型教學模式向應用型教學模式轉(zhuǎn)變，使學生從知識接受者變?yōu)橹R的探究者，從傳統(tǒng)的重教輕學向“教主于學”轉(zhuǎn)變。教師在課堂上根據(jù)教學目標和內(nèi)容的需要，利用工程案例組織學生進行學習、討論，鍛煉學生的分析、歸納、總結(jié)的能力。教師可以設計一些習題課與專題討論課來解決與課程基本理論相關(guān)的實際問題，提升學生解決問題的能力。
4. 結(jié)合本專業(yè)工程需要設計有專業(yè)特色的課程實驗
筆者所在學校投資百萬建成了占地1000 多平方米的建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗室，包括集中冷熱源的各種空調(diào)系統(tǒng)，如熱回收空調(diào)系統(tǒng)、輻射空調(diào)系統(tǒng)、地源熱泵機組、空調(diào)系統(tǒng)BA 控制及其能耗分析的綜合工程系統(tǒng)，完全按實際工程規(guī)格設計建造非試驗臺、實驗裝置式的演示設備。完善的專業(yè)綜合實驗室為建設有工程特色流體力學實驗提供了先決條件。教師靈活利用現(xiàn)有專業(yè)實驗室資源，結(jié)合工程實際需要，設計特色實驗，建立有專業(yè)特色的、能夠更好地銜接后續(xù)專業(yè)課程的流體力學實驗教學體系，把抽象的物理現(xiàn)象形象化，引導學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學生工程意識，提高學生的實踐、創(chuàng)新能力。
本次教學改革實踐中將實驗體系劃分為由淺入深的三個層次：基礎演示實驗、基本理論實驗、綜合擴展實驗。這三個層次有機聯(lián)系又相互區(qū)別, 分別滿足不同教學階段的需求。
（1）基礎演示實驗：主要為與實際生活和空調(diào)通風工程緊密結(jié)合的基礎性演示實驗，知識覆蓋面廣。教師精選一些“意料之外，科學原理其中”的基礎實驗，讓學生在輕松愉快地觀摩學習、探索流體力學的基本規(guī)律。此部分典型實例均為學生調(diào)研采集，在制作過程中吸引了學生深厚的興趣，除一些演示臺外，還包括一些視頻資料、圖片演示等。
（2）基本理論實驗：包含多個闡述及驗證流體力學基本方程的實驗，如能量方程、動量方程實驗等，服務于對流體力學理論的形象理解。此部分實驗除個別需學生實際觀察流體流動過程的實驗外，其余均在實際空調(diào)系統(tǒng)管道中進行測試。學生在實驗過程中對空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、流動有初步認識，理解實驗對后續(xù)專業(yè)課學習的實際作用，從而更有目的性地進行實驗及總結(jié)。
（3）綜合擴展實驗：以流體力學理論為基礎，以暖通空調(diào)工程及其測控技術(shù)為應用背景，著重培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，如風口溫差射流衰減實測分析、流量調(diào)節(jié)前后管道內(nèi)流動狀態(tài)對比分析等。除一些工程基礎實驗外，教師在這個層次中盡量擴展體現(xiàn)本學科的前沿科研成果及動態(tài)，為學生提供開放式實驗和自主式設計平臺，使學生的能力得到鍛煉，自由想象與自主創(chuàng)新的潛力得到開發(fā)與培養(yǎng)。
5. 以教師教學創(chuàng)新促進學生學習創(chuàng)新，實現(xiàn)課內(nèi)與課外有機結(jié)合
學校力求構(gòu)建一種“寓教于樂、寓學于研”的教學氛圍，從封閉型課堂向開放型課堂轉(zhuǎn)變，以提升整體教學效果。教師主要采取以下幾種方式：在教學中引導學生把握流體力學解決問題的思維方式和研究方法，對于特定知識點安排專題作業(yè)，鼓勵學生自主學習，如動員學生發(fā)現(xiàn)身邊的流體力學現(xiàn)象，完成調(diào)研報告；讓學生自行設計并組裝簡易的流體力學裝置，學生在動手中發(fā)現(xiàn)理論本質(zhì)；布置課程論文任務，讓學生在課外完成一篇流體力學知識應用的課程論文，通過解決開放性問題，鍛煉學生自主學習能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。
6. 以評價學生“學習成效”為導向的課程考核方式
教師以學生的能力培養(yǎng)為主線，在教學中不把學生學到諸多具體的知識點作為目標，而是更注重學生學習到了什么方法、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。成績評價不再以記憶性的書本知識為主要內(nèi)容，即從考核學生學習成績向評價學習成效轉(zhuǎn)變，教師引導學生從注重考試結(jié)果向注重學習過程轉(zhuǎn)變，增強學生學習的主動性。例如，考卷中增設開放性題目，考查學生對知識的理解應用能力；加大對課后專題作業(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、開放性題目的數(shù)量，對學生在學習過程中所表現(xiàn)出來的學習方法、策略、合作精神等因素進行全面的綜合評價。
四、結(jié)束語
流體力學以其數(shù)學分量重、抽象概念多、理論性強、實踐性強的特點，成為本科生認為最難學的課程之一，被學生戲稱為“留級力學”。因此，如何讓學生更容易理解、更樂于學習、更善于應用，是本門課程教學的最大難點。
筆者所在學校在近幾年的教學實踐中不斷實踐，探索實施豐富的緒論課內(nèi)容、基于“輕推導重應用”的理論教學思路、以工程案例教學法為代表的研究型教學模式、結(jié)合工程需要設計有專業(yè)特色的課程實驗，以及以教師教學創(chuàng)新促進學生學習創(chuàng)新、以評價學生學習成效為導向的考核方式為主要內(nèi)容的應用型教學模式改革。實踐證明，通過以上改革實踐，學生對流體力學的學習興趣明顯提高，大多數(shù)學生積極參與課堂討論，課堂氛圍活躍，教學效果顯著。