强化工程理念的流体力学教学实践与探索

陈 平 胡术刚

山东科技大学化学与环境工程学院 山东青岛 266590

流体力学是环境工程的专业基础课。主要研究流体在静止及运动时的力学规律及其应用，它是由基础课过渡到专业课的重要桥梁，也为开拓专业提供了不可缺少的技术理论基础。流体在管路中的输送、颗粒物从液体或气体介质中的分离、环境污染物的迁移和扩散等问题，均离不开流体力学的基本知识。基于多年来的教学经验和体会，笔者就如何提高环境工程专业流体力学的教学效果进行了分析和探讨，指出在传授基本理论的同时，要注重工程理念的渗透和培养。在教学方法和教学手段上，将多媒体应用与板书有效结合、重视作业环节和习题课的作用、建立科学合理的考核机制，不断提高流体力学的教学效果。

1 注重工程理念的教学内容调整

作为力学的一个分支，流体力学的特点是抽象概念多，理论性强，课程中有很多较难的知识点包含了大量的数学推导，如何把握学生对微分方程及积分过程的理解掌握？如果教学中过于强调数学公式的推导过程，学生会感到枯燥无趣，高等数学、物理学基础差的同学更会感到是学习过程是一种“折磨”而丧失学习的信心。实际上，对于工科的学生来说，学习任何一门自然科学的重点是要掌握这些科学中的理论如何应用到工程实践中。[1]笔者的做法是：教学中着重分析建立数学模式的思路和方法，重点介绍公式的适用条件及意义，尽量避免烦琐详细的数学推导过程。学生是课程学习的主体，在教学过程中注意教与学的同步性，与学生加强互动，根据学生的反映对授课内容进行调整。遇到学生感到吃力的部分，适当放慢教学进度或变换讲解方法，将理论教学重点放在对概念和公式的理解上，侧重于基本原理、基本方法与基本公式的运用。对于少学时环境工程流体力学教学而言，根据实际情况适当调整教学内容显然是必要的。

“从实践中来，到实践中去”。流体力学的基本理论将实际问题抽象化，理论还要回到实践中解决实际工程问题。知识来源于实践，能力来自于实践，素质更需要在实践中养成。[2]在目前高校的培养模式下，本科二年级的学生本身对工程现场的了解甚少，授课时要注意结合专业应用引入实例对工程问题进行分析，将理论知识渗透到专业知识学习中，加强学生工程理念的培养。例如关于能量方程的应用，在介绍了文丘里流量计的工作原理后，引出专业上的一个问题：在污水处理中，为什么能够利用水射器向管道内加入药剂溶液或氯气？与之类似，可以引导学生在污水处理设备上设计一个抽气系统，利用设备出水富裕水头来控制自动抽气设备的运行。流动问题与环境工程息息相关，对于均匀的流体介质，流体阻力的计算公式并不复杂，但要注意有压流及明渠流流动阻力应当按照所谓“最不利情况”计算。通过针对性的实例分析，学生对流体力学的基本理论如何与工程实例相结合解决实际问题理解深刻，有利于培养在实践中发现问题和解决问题的能力。

2 多媒体教学与板书有效结合

我校环境工程专业教学计划中，考虑到与环境工程原理课程的密切衔接，流体力学课时设为34学时。课时少，课程学习难度大，教学中要注意对各种教学手段扬长避短，根据流体力学教学内容的特点灵活选择合适的授课方式，提高教学效率，保证教学效果。

多媒体教学手段的应用是必要的。流体力学中的基本概念多且抽象难懂，只从字面上解释，难以建立清晰的物理概念，许多复杂的流动现象也是难以用语言和固定图像方式清晰地表述的。通过教学课件中插入的图形、图像、连贯的动画演示及真实的实验录像，将抽象的概念具体化，课堂授课变得鲜活生动，学生的学习兴趣会随之提高。例如对一些工程或生活中碰到的案例或常识，也不太容易做课堂实验时，可以通过一些课件模拟；又如课程中包括流体压力和流量测量、管流阻力的损失、泵与风机的选型安装等在内的知识点，均和工业应用密切相关，通过向学生展示大量的工业现场照片和工业应用案例强化教学互动，增加有普遍性、代表性的工程应用知识，让学生深刻领会流体力学知识是如何转化为生产力的。当然，多媒体课件教学节约了大量的板书时间，教学信息量大，对讲课效率的提高是显而易见的。

流体力学教学又不能过多依赖于多媒体课件，对多媒体的利用要强调其有效性。笔者多年的教学实践表明，对流体力学中公式推导和习题讲解采用多媒体方式，其教学效果不如板书理想，不利于对授课内容的理解和消化。课件内容在讲课时一晃而过，往往当时感觉很好，但真正留在脑海里和掌握的并不多。相比多媒体教学而言，板书推导过程中书写较慢，但这就相应地给学生留有了思考反馈的时间，以板书的形式，推导每个关键公式或关键步骤，引导学生了解基本思路及解题方法，解释其中的思想和意义，能够更好地形成师生互动。通过教师的积极引导与学生之间的有效沟通，可促进学生深入思考、慢慢体会，做到知其然也知其所以然，培养学生的逻辑推理、论证及抽象思维能力，并加深学生对这些内容的记忆结合。[3]板书书写工整，板面布置合理，则整个推导过程一目了然；习题分析步骤完整清晰，避免了多媒体使用中翻页、切换带来的烦乱感。笔者的经验是对流体力学主体教学内容以板书为主，而在复习相关的知识点、提出新的工程和应用问题以及在公式的应用总结上，可以更多地采用多媒体的教学手段。

3 重视作业环节和习题课的作用

作业和习题课是学生掌握和巩固所学知识、加深理解的重要环节，也是教师了解学生学习情况的重要途径之一。学习一门课程，把听来的、看到的知识彻底变成自己的，没有亲自在实践中消化、运用甚至犯错误的过程是无法实现的。学生在初次接受新概念、学习新方法解决问题时，不可避免会出现很多问题。教师在批阅作业中对学生知识掌握情况做出适当地判断，如学生对基本概念理解的透彻程度、对公式物理意义掌握的清晰程度、对公式综合运用的灵活程度等，以便调整授课内容和节奏。[3]

作业布置应该做到题目“少而精”，选择代表性强、工程应用典型的习题，同时能涵盖主要的教学内容。对所布置的作业的工程应用背景给予适当的讲解是很有必要的，因为有时候正是由于看不懂题目，学生才不能正确分析问题，自然也谈不上解答问题。解答作业题不只是直观地套公式计算，要有一个基本的“实际问题→简化物理模型→数学模型(方程或公式)→求解→结果”分析过程，是比较完整地讲述一个物理故事。[4]要求学生独立完成作业，有完整的解题步骤，注意培养学生严谨的学风。但学生做题时候不认真或抄袭现象总是存在的，如该画图的不画图、没有必要的文字说明、省略了关键的计算过程、直接给结果，或者干脆直接抄袭配套教材的参考答案等。笔者在教学中强调结课考试为开卷形式，题目间接来源于习题与例题，一定程度上能够促使学生认真完成作业，减少抄袭现象。在作业的批改过程中，根据学生作业书写认真情况，思维的灵活性，作业的完整性和正确性等，给出客观的作业考核成绩。对于完成情况较好的学生给出肯定的评价，而对于完成情况较差的学生，指出其应注意的地方，并提出改正的要求，在后面上交时再次检查，使学生理解教师的用意。

习题课提供了课堂讨论的机会，对学生逻辑思维能力的锻炼是单纯讲课无法代替的。习题课上不仅要讲正确的分析过程，还要讲作业中出现的错误的分析过程。针对问题较多的习题，可以选择让学生上台叙述自己的思路，在学生互动评析过程中，调动全班学生积极思考错在哪里，为什么出错？通过讨论开拓思维，加深印象，避免今后犯同样的错误。最后教师再分析总结，对正确的解题思路予以肯定，指出学生易犯的错误，更全面透彻地解决问题。

4 建立科学、合理的考核机制与考核方式

如何客观、公正地评价学生的学习效果，需要建立科学、合理的考核机制。考核方式的改革应当从考核学生学习成绩向评价学习成效转变，引导学生从注重考试结果向注重学习过程转变，增强学生学习的主动性。[5]具体实现方式上，贯穿全过程、多元化考核的原则，从课程开始到结束，从课内到课外采取多种考核方式，重视学生学习能力和学习态度的表现。体现在学生课程成绩组成中，平时成绩和卷面考试成绩分别占到30%和70%。

平时成绩根据学习过程中的实际表现评定。主要考核依据包括学生出勤情况、课堂回答问题情况、作业完成情况。学生是否按时上课是学生学习态度的表现，反映了学生对该课程的重视程度。为了提高学生的听课效率，考查学生在平时学习的过程中对知识的掌握程度，加强了随堂测试。针对前面章节的内容进行复习小结时，用约15分钟左右的时间做随堂练习，题目形式为选择题、判断题、绘图题、计算题(只写出主要步骤)等，以巩固学生对基本知识点的掌握。课堂随机提问主要目的是让学生跟上思路，鼓励学生积极参与课堂讨论，只要积极回答问题就会得到相应的平时成绩加分。要求学生独立完成作业，根据作业完成情况给出作业成绩。

考试不是目的，而是手段。课程结束时的考试成绩应能反映出学生融会贯通、综合运用所学知识对实际工程问题进行分析和解决的能力，而非单纯的记忆。该课程采取了开卷考试方式，在试题的设计上以教学大纲为依据，命题覆盖面广，在考试题型上适当减少客观题，加大了理解性和综合性题目的分量，避免记忆性的书本知识所占比重较大，弱化复习中出现的死记硬背式的“临阵磨枪”突击现象，避免因“背题”得到高分的情况。开卷考试题目与教材上的例题及习题不会相同，但要体现相关性，例如可以将多个习题中的知识点适当地综合在同一题中，待求问题分解成若干个小问题，考查学生对所学知识是否能够前后联系、融会贯通；可以将习题中的已知条件变为试题中的待求问题，而习题中的待求问题变为试题中的已知条件，考查学生对知识的真正理解情况，也给经常抄袭作业的同学深刻的教训；另外，还适当考虑了学生自行设计的考试题目。这种开卷考试的方式得到了肯定，能够较真实地反映教学质量，学生反映良好。

5 结束语

流体力学课程是环境工程专业学习的基石，是面向工程应用人才的课程，教学核心始终应该是学生知识应用能力的培养。在传授经典流体力学知识的同时，要注重工程理念的渗透和培养，在教学中贯穿流体力学思维模式，锻炼综合分析问题、解决问题的能力。将多媒体教学与板书有效结合，重视作业环节和习题课的作用，建立科学合理的考核机制，在教学方法和教学手段上下功夫，不断改善教学效果。

[1]李德玉,李嘉薇,杨春敏.“工程流体力学”双语教学研究与实践[J].中国电力教育,2013(34):75-76.

[2]赵存有,刘训涛,曹贺.工程流体力学课程创新实践平台的构建[J].实验技术与管理,2012, 29(9):135-137.

[3]赵超.“流体力学”课程教学方法探索[J].中国冶金教育,2010(5):63-64.

[4]曾明,郭正,田正羽.如何在互动式教学中更好实现学生主体地位[J].高等教育研究学报,2014,37(4):92-95.

[5]刘宏升,朱泓,张博.卓越计划背景下的流体力学课程教学改革与实践[J].实验技术与管理,2014,31(1):194-200.