案例教学法在流体力学课程中的应用

孙万雪

(山东华宇工学院 能源与建筑工程学院，山东 德州 253034)

流体力学课程主要研究的是在各种力的作用下，流体本身的静止状态、运动状态及流体和固体界壁之间有相对运动时的流动规律及相互作用。流体力学是制冷与空调技术专业的重要专业基础课，在制冷与空调技术专业核心课程群中有着重要的承上启下作用，它不仅是核心课程群中高等数学基础课程知识应用的延续，也是核心课程群中供热工程、制冷与空调技术专业课程知识学习的重要理论基础。

流体力学课程的实践性和理论性比较强，该课程的基本概念相对较多，理论公式的推导抽象复杂。学生不仅要掌握基本概念及理论公式的推导，更要清楚了解公式的应用条件，学会理论与实践相结合，用所学知识解决生活及工程中的实际问题。

1 流体力学课程教学现状

在传统的教学过程中，很多学生学习本门课程的积极性较低，很少与教师互动，而且作业容易千篇一律，作业区分度较低。在流体力学课程的期末考核中，总体考核分数不高，少有同学超过90分，大多数集中在70分左右。本文以学习过流体力学课程的本科和高职学生为研究对象，发放了约200个样本数量，对流体力学课程的传统授课方式效果进行了调查。调查显示，约60%的学生认为在传统课堂教学中课堂气氛不够活跃，约50%的学生认为在传统课堂上不能及时与教师进行互动交流，约80%的学生更喜欢互动式的教学模式并且表示对案例教学法感兴趣。

在目前的流体力学教学过程中，课本例题及习题与工程实际脱节，没有将理论和实际联系在一起。而且大部分学生不清楚所学知识在实际工程中的应用条件，解题时只能机械化地套用公式，课程授课过程中学生与教师的互动也较少，大部分都是被动学习，不利于培养学生解决实际工程问题的能力。

2 案例教学分析

案例教学法是以教学案例为基础，以学生对案例的分析、讨论为重点，以提升学生应用理论知识进行创新性分析并解决实际问题的能力为目标的一种教学方法[1]。目前，案例教学法已被广泛应用于高校各课程的教学中。

例如，刘显明等提出了工程流体力学课程混合式教学模式和教学方法，包括案例教学、互动式教学、线上线下混合教学等模式[2]。付晓强等在材料力学课程中采用了案例教学法，围绕材料力学中的几个重要知识点，在授课过程中引入与知识点相关的案例进行授课，加强了学生综合能力的培养，并且通过教学实践获得了验证[3]。马进伟等在流体力学课程教学中采用案例教学法，提出了“提问-启发-引导式学习”的教学方法，提升了学生的学习兴趣[4]。冯军发等在矿业工程专业的流体力学课程中引入了案例教学法，并设计了“问题-调研-分享-研讨”的案例教学流程[5]。

国家在有关深化教育教学改革的政策中强调，要不断加强科学教育，鼓励创新教学方法，广泛开展讨论式、启发式及参与式教学等，推进课堂革命。为适应制冷与空调技术专业对应用型人才的培养要求，本课程将案例教学法引入到了课堂教学中。

2.1 案例教学法优点

案例教学法是一种以工程或生活案例为基础的教学方式。教师选取合适的教学案例，将教学案例设计到教学环节中，让学生自主探索，以此调动学生对课程的学习积极性。同时，结合现代多媒体技术，给学生提供一个轻松、简便、全面的教学环境。案例教学法可有效引导学生参与到课堂讨论中，通过学生与学生、教师与学生之间的互动和交流，有效实现课内与课外、理论与实践相结合，进一步提高学生的综合能力及解决实际问题的能力，促使学生充分领悟所学知识在实际项目中的应用，理解实际项目中工程问题的变化性和多样性，进而实现教师和学生共同提升综合素质的目的[6]。

2.2 案例教学实施方法

2.2.1 案例库建设

案例教学法以工程或生活案例为基础，教师选取合适的教学案例，将教学案例设计到教学环节中，让学生自主探索，以此调动学生的学习积极性，为学生提供一个轻松、便捷、全面的教学环境。

在保证教学案例具有针对性和代表性的原则上，课程组团队通过分工合作，采用如下方法收集教学案例的素材：

第一，本校与校外多家企业进行了合作，课题组教师可以深入到企业进行调研学习、实践锻炼，了解和掌握流体力学课程在生产实践中所应用的知识与技术等，进而收集相关案例素材。第二，能源与建筑工程学院实验室具备FLUENT软件，可以利用FLUENT软件对工业应用中的流体力学相关案例进行模拟，同时可以让学生参与到FLUENT软件模拟工程案例中来。例如，利用FLUENT软件模拟流体力学第二章内容中的流线、流束和迹线等。第三，引入社会上发生的典型事件或生活中的实际案例等。例如，在航空发展史上，因为毕托管测速故障所引起的空难，典型事件有伯根航空301号航班空难和法国航空447航班空难等。第四，收集参考教材和优质网络资源中的教学案例，在原有基础上进行整理修改，编写成适用于本专业学生课堂教学的案例。

2.2.2 案例实施

此教学模式的实施以应用型本科院校制冷与空调技术专业为载体，对本专业中的流体力学课程的教学方法改革进行探究。流体力学课程在制冷与空调技术专业设置中共48学时，由于学时限制，在案例教学时，不必对课本中的所有知识点进行案例设计，可只选择其中几个典型知识点或重难点进行讲授。

教师在明确了课程教学目标与教学内容后，从事先建设的案例库中选取恰当的教学案例，以多媒体等形式向学生展示教学案例的基本内容，包括教学案例的背景及影响等。之后引出与流体力学课程知识点相关的问题，由学生分组讨论。另外，学生可以在课下以小组分工的形式查阅相关案例资料，分析讨论案例中所涉及的相关知识点及问题所在，并给出一个初步的解决方案，最后通过PPT或视频等形式汇报小组成果。

以“伯努利方程”为例，在流体力学课程中讲到伯努利能量方程的应用时，可以引入有关毕托管测速的实际工程案例。例如，历史上的伯根航空301号航班空难事件。在1996年2月6日，一架波音757-225型客机起飞5分钟后因事故坠入海中。伯根航空757客机如图1所示。

图1 伯根航空757客机Fig.1 Bergen air 757 aircraft

这次空难一共导致189人遇难，飞机上无一人生还。事故发生之后调查员在飞行数据中发现，这个客机的空速表处于异常状态，而空速表主要是依赖毕托管工作的。毕托管可用来测量飞机相对空气运动产生的总压，在毕托管的前端有个小孔，总压由此小孔进入压力室。如果飞机在较长时间内无飞行任务时，毕托管上需要套上空速管套，防止昆虫等一些异物进入毕托管。当毕托管被堵塞之后，飞机的空速表就会处于异常状态。毕托管保护罩及测速原理如图2、图3所示。

图2 毕托管保护罩Fig.2 Pitot tube protective cover

图3 毕托管测速原理Fig.3 Pitot tube speed measurement principle

通过教师展示的实际工程案例，引导学生运用所学的伯努利方程相关理论知识，并结合毕托管的结构特点，进一步分析和讨论毕托管的静压管及总压管的流动特点，使学生能够深入理解并掌握伯努利方程在实际工程中的应用以及毕托管的测速方法。从实际工程教学案例的引出到问题分析、讨论和初步解决，让学生进行直观的感知，增强学生的学习兴趣和教师的教学效果。

2.2.3 案例总结

通过对本课程相关知识点的教学案例整理，在案例引入时根据案例的难易程度，对学生分组讨论出的每个解决方案进行点评及总结，并对每组的汇报提出优点和缺点，对表现优秀的一组给予鼓励和表扬。在案例总结时，可以强调学生不必拘泥于课本上的解决方法，要鼓励学生创新性地解决问题，同时肯定学生的创新能力，尽量给他们指出更广阔的问题解决方向。案例总结并不代表着内容的结束，教师可以适当对案例所涉及的知识点进行拓展，让学生的思维逻辑能力、创新能力及知识领域都得到更进一步的扩展。

案例结束以后，教师根据教学案例实施的具体情况和学生的讨论汇报情况反馈本次案例教学存在的问题，并及时更新完善案例库。

3 结语

案例教学法实施的关键是以典型案例为基础，通过教师的引导启发，让学生主动参与学习。此种方法改变了以教师为中心的传统教学模式，将生活或工程中的实际案例引入课堂，通过教师与学生、学生与学生之间的双向及多向互动，平等对话和研讨，理论联系实践，进而引导学生开展经验性学习。流体力学作为应用型本科院校一门重要的专业基础课，理论性较强，将寓理论于实践的案例教学法应用到本课程中，不仅可以提升学生的学习主动性及学习兴趣，还能提高学生的思维能力、创新能力和实践能力，为制冷与空调技术专业的新一代应用型人才的培养打下坚实基础。