水土保持专业“流体力学”课程优质教学资源的建设

张会兰 王云琦 王玉杰

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

水土保持专业“流体力学”课程优质教学资源的建设

张会兰 王云琦 王玉杰

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

优质课程资源的建设对提高教学质量起着至关重要的作用。针对水土保持专业的培养目标及课程特点，从课堂教学和实验教学两个方面探讨了“流体力学”优质课程资源的建设途径及其在教学实践中的效果。课堂教学资源的建设主要从构建科学合理的教学内容、制作并应用多媒体课件、完善试题案例库3个方面进行了探讨。实验教学资源的建设从加强硬件的基础建设及注重虚拟实验两个方面进行了探索，并以“流体力学”课程中“流体静力学”这一章节的教学内容为例，诠释了优质教学资源在教学实践中的作用。结果表明，优质教学资源可促进理论教学多元化、实验教学丰富化、专业人才培养个性化的教学效果。

水土保持专业;“流体力学”课程;优质课程资源

“流体力学”是水土保持与荒漠化防治专业的核心基础课程，其课程资源建设对提高教学质量、提高学生素质起着至关重要的作用。自2006年教育部启动“我国高等教育优质教学资源的发展战略”以来[1]，高校教学资源的建设越来越受到重视。有学者将课程资源定义为支持学与教的系统和教学材料与环境[2]，包括多媒体素材、试题、试卷、课件、案例、常见问题解答等[1]。因此，优质课程资源的建设就是在优秀教学团队的共同努力下，优化课程体系与教学内容，创造良好的教学条件，全面有效地提高教学效果。

一、“流体力学”课程理论教学优质资源的建设

(一)构建科学合理的理论教学内容体系

“流体力学”是为多门专业核心课程提供基础理论、知识和技能的基础课程之一，它为防治山洪、滑坡、泥石流等自然灾害提供理论基础，为人民生命财产及生态安全提供科学保障，因此流体力学在现代科学中占有着重要的地位[3]。“流体力学”课程具有理论推导复杂[4]及应用性强等特点。

水土保持与荒漠化防治专业是北京林业大学的特色专业，作为本科教学的必修基础课程，“流体力学”旨在使学生获得必要的基本理论、基本知识和基本试验方法，为后续相关课程的学习及将来从事科学研究打下坚实的理论基础。针对这一教学目标，首先应以构建学生的整体知识结构为出发点，制定目标明确、结构合理的教学大纲与教学内容；其次，“流体力学”应根据水土保持工程领域的发展水平和专业规范的要求，对教材进行不断的充实和更新，在课时有限的条件下，对传统的经验公式和计算方法进行精炼和简化；第三，结合专业的培养方向以及水土保持工程的实践，简化繁杂的理论公式推导，注重其在水土保持专业中的应用，教学内容应涵盖土壤侵蚀、风沙物理、水土保持工程以及水土保持注册工程师基础知识测试等方面的工程理论知识。

基于水土保持专业的教学大纲，有效地调整教学内容，可以为建设优质教学资源库提供导向作用。流体静力学、流体动力学、流动损失、明渠流等教学内容是流体力学的基础理论部分；堰流、渗流等理论是该专业应掌握的基本知识，它可为学生今后就业及发展提供专业理论；无粘性流、粘性流、边界层理论以及涵盖与气体动力学相关的可压缩流动等内容可以略讲；因为湍流、水沙两相流等与风沙物理相互补充，可适当调减课时。对于水土保持工程技术的应用，教师应寻求适合该专业的实验练习，将系统的理论叙述与实际的实验操作及工程应用有机结合。构建科学合理的教学内容，是建立优质教学资源的基本前提。

(二)制作和应用多媒体课件

多媒体技术的快速发展，推动了现代教学的发展。多媒体技术可以把抽象的理论具体化、形象化和直观化。课堂上利用动画、色彩和音效等效果，可以使教学信息传递得更为明确和简洁[5]。

“流体力学”课程优质多媒体教学资源的建设包括如下几方面。①增加适量的典型流体运行现象的图片，如流线、迹线等。若用飞机、船舶在空中或水中经过后留下的痕迹为实例，讲解流线、迹线的概念，可增加学生的直观理解。②教师使用flash、3DMAX、MAYA等软件将所要讲解的理论知识制作成形象生动的二维或三维动画，可使抽象复杂的理论过程变得形象直观，提高学生的理解能力。如涡体的形成及漩涡的产生，是紊流形成机制中的重点与难点，若仅以文字叙述，学生很难理解。笔者在讲授这一现象时，将“随流速逐渐增加，流体由层流至产生涡体而形成紊流”(见图1)这一演化过程制作成多媒体课件，演示给学生，化静态授课为动态教学，极大刺激了学生的形象思维，促使学生由形象思维向逻辑思维及理性思维的过渡。③笔者在教学中还利用了典型工程的施工、运行等工程录像，以声、电、影等形式引导学生将课堂知识转化为对工程应用的思考，将死板的理论具体化。

图1 流体力学中“涡体”形成过程的动态演示

运用多媒体进行课堂教学，需从实际出发，不能过度使用。如果课件中穿插过多没有教学意义的动画、链接、声音、视频等，反而会导致学生对教学内容缺少深刻印象。尤其是多媒体重演示，翻阅速度快，信息量大，如教学中过多使用多媒体素材将导致学生无法进行深入思考。因此要防止大量多媒体素材冲击下出现的本末倒置的课堂教学现象[6]。

(三)加强试题库和案例库的建设

“流体力学”课程的练习题目来自教材的课后试题，考试则由教师个人出题，这样的练习题目和考题无法兼顾试题难度和知识的覆盖面，也就无法达到对学生进行科学而全面考核的目的。“流体力学”知识更多地是为生产实践服务，案例教学(Case Teaching)符合管理科学的实践性、权变性与复杂性特点[7]，可提高学生的实践能力与团队合作的精神。在国外高校中，试题库与案例库已经普及，进入到规范化管理的阶段。而在我国的高等教育中，案例库建设还很落后。随着课程建设的逐步完善，应逐步提高案例教学的比例，加强试题库与案例库的建设，使教学案例做到规范化、系统化、科学化、现代化[7]。试题库与案例库的建立流程见图2。

图2 试题库和案例库的开发流程

如图2所示，试题库与案例库的开发可分为制定规划、编写提纲、收集素材、入库开发和数据库维护与管理等5个环节，每个环节根据不同的内容分为不同的步骤，这些环节与步骤紧密相连，构成科学的试题库与案例库的开发流程。

二、“流体力学”课程实验教学优质资源的建设

(一)加强基础硬件设施的建设

流体力学的理论多来源于实验观测，如液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态，即层流与紊流，这一理论是英国科学家雷诺(Reynolds)于1883年通过实验与论证之后发现的，后来逐渐形成著名的雷诺数定理。至今，雷诺实验仍是流体力学中不可缺少的经典实验之一。

由此可见，流体力学是一门半理论、半经验而又基于实验的学科，实验教学可弥补理论讲解的不足，直观地显示理论教学的概念，培养学生的动手能力和实验操作能力。因此，在“流体力学”课程的实验教学中，硬件设施的建设直接决定着流体实验的成功与否。2013年，北京林业大学水土保持学院建立了“流体力学实验室”并正式应用于水保学院的本科教学中，极大地提高了“流体力学”实验课程的教学效果。新建成的“流体力学实验室”包括流体静力学综合实验、伯努利、文丘里、雷诺、动量定理、孔口与管嘴出流、局部水头损失、沿程水头损失、毕托管、达西渗流、堰流实验等在内的11套实验装置。这些实验设备与理论教学紧密结合，极大地提高了学生综合运用理论知识的能力。

(二)探索虚拟实验模式

传统“流体力学”的实验方法一般分为学生预习、教师讲解、学生分组实验、教师难点解答、实验数据处理、完成实验报告等6个过程，在一定程度上满足了学生对理论知识的认识与动手能力的培养。但在实际教学中，由于上课人数多、仪器套数不足、实验室教师人员紧张等原因，学生往往分组实验，有时小组人数过多，部分学生只看不做，影响了教学效果。同时，因为学生对实验中复杂和精密仪器的设计与运行机理不了解，只能在教师设定的条件和要求下，“再现”实验现象，在一定程度上限制了学生创新思维的实现。

因此，在传统实验的基础上，应对“流体力学”的实验教学模式进行改革，结合计算机辅助教学，将实验原理与方法应用于虚拟环境，让学生在课堂上独立完成自主设计的实验。计算机虚拟实验可将复杂的实验过程简化，同时还具有较强的互动性，能极大调动学生的积极性与探索精神。

“流体力学实验室”配备了流体力学虚拟实验软件，除与硬件设备配套的11组教学实验外，还包含自主设计与综合性试验等类别。每组实验系统包含实验原理、实验仪器、实验参数设定、实验观测、实验数据处理、实验现象剖析、实验拓展、学习心得及讨论区等9个模块，学生可系统领会实验原理及实验现象，并根据自己的理解进行应用拓展，锻炼自己的开拓性思维。学生还可以在讨论区分享自己的实验结果和心得。虚拟的实验教学系统让学生充分发挥了想象力，自主思考，自我创新，极大地提高了实验教学的效果。

三、“流体力学”课程优质教学资源建设的成效

(一)实现了理论教学多元化

科学优质的教学资源可使教学目标更为明确。多媒体素材的合理引进，使教学过程更加形象化、直观化与生动化。试题库与案例库的建设，可进一步加强教学效果，增强学生综合分析问题的能力。优质的课堂教学资源体系，带动了教学内容、教学方法与教学手段的多元化发展，改变了传统的重公式轻应用、重计算轻分析的弊端。“流体力学”不仅关注水静力学和水动力学，也是风沙物理、土壤侵蚀等学科的基础。在教学过程中，引入国内外典型工程案例，使学生在理论学习的基础上，推动了自身专业知识的进步，把握了专业发展的脉搏。

(二)实现了实验教学多样化

实验室的硬件设施增强了学生对基础知识的理解，增加了其动手与实践能力；计算机辅助教学进一步加强学生对基本原理的认识，增强了学生数据处理及综合分析问题的能力；同时，虚拟实验设计与实践增强了学生的创新能力；实时互动的问答模块有效解决了学生在实验过程中的问题。实验手段的丰富化有效提高了实验教学的水平。

(三)实现了专业人才培养个性化

基于优质的教学资源，“流体力学”的教学内容涵盖面广，满足了水土保持专业学生在专业学习、工程应用与生活实践中对理论知识及实践能力的基本需求；通过优质课程资源的建设，学生可在整个教学环节中既学习了专业知识，又培养了动手能力和创新能力，为成为具有个性化的水土保持专业才人奠定了基础。

[1] 熊兰，陈吉利.优质教学资源建设中存在的问题及对策[J].软件导刊：教育技术，2010(7)：84-86.

[2] 李克东.新编现代教育技术基础[M].上海：华东师范大学出版社，2002：267-268.

[3] 林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005：1-3..

[4] 薛红琴，林子增.提高水力学教学质量的研究探讨[J].科技资讯，2010(1)：196.

[5] 蔡靖，张文辉.“植物资源学”课程教学的改革与实践[J].中国林业教育，2013，31(4)：73-76.

[6] 王文海，赵静野，冯翠敏.水力学课程教学手段探讨[J].高等教育研究，2012，21(1)：48-50.

[7] 徐拥军，宋扬.管理案例库建设的组织与流程[J].管理观察，2008(11)：201-202.

(责任编辑 王 伟)

北京林业大学校级教学改革研究项目“水土保持与荒漠化防治专业创新性应用型人才培养体系建设”。