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        流體力學教學改革與應(yīng)用

        2014-10-21 20:16:17宮偉力彭巖巖
        中國科教創(chuàng)新導刊 2014年5期
        關(guān)鍵詞:流體力學教學改革

        宮偉力 彭巖巖

        摘要:流體力學是工程力學專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,也是一門理論性與應(yīng)用性都很強的課程。教學改革要求教師必須注意改革傳統(tǒng)的教學方式,從灌輸式教學方式向互動啟發(fā)式教學方式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變不僅有助于提高教師的教學技巧,而且也有利于調(diào)動學生的學習積極性,提高他們自主學習能力,為他們終生學習打下牢固的基礎(chǔ)。從流體力學教學實際出發(fā),闡述互動啟發(fā)式教學方式運用的方法和成果。教學改革后提高了教學效率,學生最終能夠?qū)W以致用。

        關(guān)鍵詞:流體力學;教學改革;互動啟發(fā)式教學

        中圖分類號:G424; 文獻標識碼:A 文章編號:1673-9795(2014)02(b)-0000-00

        近年來,作為在新的歷史時期全面推進我國高校人才培養(yǎng)模式改革的重要舉措,中國礦業(yè)大學(北京)大力開展全面建設(shè)研究型本科教育教學體系,加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),落實“創(chuàng)新教學環(huán)節(jié)”的教學改革研究?!皠?chuàng)新教學環(huán)節(jié)”由創(chuàng)新方法類課程、創(chuàng)新實踐活動組成。包括科研導論課、科研技能實踐、以及大學生創(chuàng)新訓練項目等等。然而,大學本科生在校的大多數(shù)學習時間還是以課堂為主,如何對課堂教學進行改革,以適應(yīng)研究型本科教育教學體系的需要,是本文探討的問題。

        一、流體力學課程的指導思想及定位

        流體力學是工程力學專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,為后續(xù)課程提供必要的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用工具。因此,牢固掌握流體力學課程的基本內(nèi)容,熟練運用該課程的基本方法,透徹理解其基本思想,是打開力學專業(yè)階段學習的關(guān)鍵。對于流體力學這門課的普遍認識是,老師們難教,學生們難學。究其原因,是因為學生在中學沒有接觸過流體方面的知識,是“懵懂無知”的狀態(tài);而到了大學,一開始就要接觸流體的性質(zhì)、模型、運動學和動力學的概念,是“被動接受”的狀態(tài)。這對于大學生來說勢必會感覺很難,從上課聽不懂,習題不會做到上課不想聽,習題抄答案,形成惡性循環(huán),而教師的灌輸式教學更使得這門課預期達到的教學目標難以實現(xiàn)。學生的基礎(chǔ)沒有打好,對于后續(xù)課程的學習勢必產(chǎn)生不良影響。如何使學生在學習過程中既能獨立思考,又能積極響應(yīng)教師的互動提示,進行有效的互動,這是提高教學效果的關(guān)鍵所在。

        以學生為主體、教師為主導的互動式教學思想[ ]在教學工作中逐步得到鞏固和落實,在教學方法的改革上取得了可喜成績。但是,要真正實現(xiàn)“教以學為本”[ ],還需要不斷在教學思想、教學方法、課堂結(jié)構(gòu)等諸多方面進行創(chuàng)新性的探索與研究。作者近年來一直從事流體力學課程的教學工作,對如何讓學生學好這門課進行了一定的研究。作者認為,啟發(fā)式教學[ ]對于流體力學難教、難學這一問題是一有益的解決方案。通過在課堂上與學生互動以及在適當?shù)臅r候?qū)W生進行啟發(fā),能夠改變流體力學課堂沉悶,學生不想聽講的氛圍,同時對培養(yǎng)學生的力學修養(yǎng)與力學能力大有裨益。教師在教學過程中切實重視、真正確立學生在學習過程中的主體地位,通過學生自悟、質(zhì)疑、寫練的同時,加強學生主體之間的信息交流,以及教師的適時點撥啟導,構(gòu)建“互動啟發(fā)式”這一課堂教學結(jié)構(gòu)體系,能更好地讓學生學會學習,逐步提高學習修養(yǎng)。

        作者針對上述問題,參考了國內(nèi)外教學資料,結(jié)合多年教學經(jīng)驗,并以工程力學08級的“流體力學”教學為研究對象,成立了“巖爆研究大學生創(chuàng)新小組”。小組成員利用課余時間,參加重點實驗室的科研活動,在北京市學會第17屆學術(shù)年會上了表了三篇論文[ - ]。小組成員的學習熱情、學習成績、研究水平得到了很大的提高。由此可見“互動啟發(fā)式”教學適應(yīng)教學改革的需要。“互動啟發(fā)式”教學方式改變了過去那種學生被動接受的狀況,它要求教師的教學必須以調(diào)動學生的積極性為主,學生是主動的參與教學,而不是被動的去記憶。作者在教學中發(fā)現(xiàn),互動啟發(fā)式教學方式是教師學生“雙贏”的教學方式,它促進了師生間的情感交流,調(diào)節(jié)了課堂氣氛,是符合大學教學大綱的新選擇。

        二、流體力學的基礎(chǔ)性、前沿性和時代性

        《流體力學》課程是計算流體力學、多相流動、非牛頓流體力學的基礎(chǔ)性理論。同時,本門課程對于許多理論性較強的學科,如工程熱力學、傳熱學、應(yīng)用數(shù)學、應(yīng)用物理學、流固耦合、滲流力學等,都是必不可少的基礎(chǔ)理論課?!读黧w力學》課程中的許多專題:如邊界層理論、湍流、渦動力學、水波動力學、氣體動力學等都是發(fā)展迅速的前沿學科。當前,隨著環(huán)境和資源探測要求的增長與技術(shù)進步,出現(xiàn)了許多或以流體力學為基礎(chǔ)、或與流體力學相交叉的新學科,如CCS(碳固存)、煤巖中的瓦斯流動、多場耦合、多相流及非牛頓流體力學;特別是隨著高超音速飛行器和運載工具、超靜音潛艇、以及現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展,為流體力學學科提出了更多的新問題,也為學習《流體力學》的學生提供了廣闊的發(fā)展空間。

        三、流體力學教學改革的嘗試和成效

        在教學中努力踐行“研究型學習”[ ]與“創(chuàng)新型人才”[ ]的培養(yǎng)。開展“互動啟發(fā)式”教學法改革,培養(yǎng)學生積極思考、研究型學習、創(chuàng)新型思維的能力。在平時成績考核中,增加了“研究報告”一項,指導并鼓勵學生針對書中的重點、難點問題進行深入研究,在創(chuàng)新教育理念與研究性教學相融合上作出了有益的實踐。

        (一)教學方式的改革

        《流體力學》課程的特點是:理論性很強,對學生的數(shù)學基礎(chǔ)要求較高。例如,除了需要了解一般張量變換和指標運算的規(guī)則外,還需要了解張量場論、曲線坐標系下的張量微分學、微分幾何中關(guān)于點、線、面間的拓撲關(guān)系;以及由Gaussian定理、Stokes定理、標量勢、矢量勢、Helmholtz張量分解定理、向量場的梯度來表示流體力學的求解域,需要了解它們的幾何意義以及在流場幾何描述中的應(yīng)用。另外,在對不同流動現(xiàn)象的偏微分方程定解問題的求解中,需要講解有關(guān)的數(shù)學物理方法的背景知識,如解波動方程的行波法、求解渦旋場中的格林函數(shù)法等。僅采用PPT教學,難以表達在定理推導或偏微方程求解中的思辨、引證與推理過程。

        因此,將傳統(tǒng)“板書式”教學與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合,各種方法互為補充,探索啟發(fā)式教學法的創(chuàng)新,采用了以下的教學方法與教學手段:

        1、對于建立流體力學基本方程組或偏微分程求解過程中的數(shù)學推導,采用板書講解為主,PPT為輔的教學方法。由于多數(shù)學生的張量場論與張量微分學的基礎(chǔ)較薄弱,在從這些定理出發(fā)建立流體力學基本方程的教學中,需要進行較長時間的數(shù)學推導,很容易造成學生的疲勞。采用傳統(tǒng)的“問-答”為主的“啟發(fā)式”教學法,往往得到“啟發(fā)”的只是部分基礎(chǔ)較好的同學,多數(shù)學生很少能主動響應(yīng),容易形成流體力學“難以學懂”的印象。

        針對上述問題,創(chuàng)造性地設(shè)計了“互動啟發(fā)式”教學法。所謂“互動啟發(fā)式”教學,就是在設(shè)置啟發(fā)問題過程中,對被啟發(fā)對象的思維過程施加以強烈的影響,激發(fā)學生深入思考的方法。具體是,在理論學習、定理推導、或典型例題講解過程中,由老師首先進行提綱式講解,針對教材中的重點且難點問題,要求學生進行一定時間(5-7分鐘)的課堂練習作業(yè),啟發(fā)學生提出問題。最后,再由老師進行板書講解的“講解—學生練習-提問—再講解”的課堂教學過程。

        “互動啟發(fā)式”教學法實施的關(guān)鍵,是由教師對講解的問題進行綱要式分析,給出主要思路并交待相關(guān)背景知識,對其中的關(guān)鍵問題設(shè)置疑問點;在學生進行5-7分鐘的課堂練習過程中進行巡查,發(fā)現(xiàn)學生遇到的難點并適時提問,最后,有重點地進行分析與講解。在這一過程中,給學生提供了一個獨立思考的機會、創(chuàng)造了一個平等、自由的提問環(huán)境,使學生可以毫無顧慮地與老師交流,也便于老師及時發(fā)現(xiàn)問題。老師在學生達到思維臨界點時的講解,學生的印象深刻,可以達到事半功倍的效果。

        2、對于流體力課程中應(yīng)用型專題和涉及實際物理現(xiàn)象較多的章節(jié),采用PPT或錄像為主的現(xiàn)代化教學方法。這樣,可以在有限的課時內(nèi),在使學生充分掌握書中的理論知識的同時,對相關(guān)的物理現(xiàn)象有感性認識,加深對理論知識理解,以激發(fā)學生的科學探索精神,提高學生的學習興趣。為此,通過課程建設(shè),編制了實驗錄像。實驗錄像介紹流體力學理論的背景知識,如有關(guān)流體粘性、壓縮性、靜力學實驗、伯努利方程實驗、雷諾實驗、邊界層流動等,利用PPT等現(xiàn)代化教學方法在課堂教學中加以運用。

        3、耐心、細致的課后輔導。對于在課堂上提出問題的學生,無論問題對錯、難易,在回答問題前,首先用“這是一個很好的問題,…”,“你的問題很重要,…”等加以鼓勵,然后再回答問題;對勤于思考的同學加以表揚。

        4、改革考試的形式和內(nèi)容,促進教學質(zhì)量的提高。教學實踐中,對期末考試進行改革:平時成績定量化計分制;要求每位同學選擇教科書中的一個專門問題進行研究,提交一份專題研究報告;在期末考試卷面成績出題中與評分中,強調(diào)解題的分析過程。通過上述方法,在考試內(nèi)容上,將知識測識與創(chuàng)新能力測試相結(jié)合。

        (二)教學改革效果

        自我校工程力學專業(yè)開設(shè)《流體力學》課程以來,作者一直致力于以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、研究型學習方法建立為目標的教學改革,在不斷提高自身理論水平的同時,提出了“互動啟發(fā)式”教學方法并在教學實踐中加以運用。學校教學督導組的資深老師多次聽課,都給予了很高的評價。在授課中注重板書推演、思辨清晰、嚴謹、通俗易懂,在課后熱情輔導同學們的學習與創(chuàng)新研究活動。作者的授課及輔導受到同學們的廣泛歡迎。

        四、課程特色

        力學專業(yè)《流體力學》課程理論性強、對張量分析、場論、數(shù)學物理方法與特殊函數(shù)等數(shù)學基礎(chǔ)知識要求高。作者在不斷提高自身的理論水平、積極開展教學研究與改革的基礎(chǔ)上,形成了下述課程特色:

        (一)在建立流體力學基本方程組與求解流場數(shù)學模型過程中,板書推演思辨清晰、嚴謹、通俗易懂,對所需的張量、場論、數(shù)學物理方法背景知識可進行詳細分析或精講。為使理論分析連續(xù)、易于啟發(fā)學生的思維,撰寫了近60萬字的背課筆記/授課講義,在板書推導中,多數(shù)情況下可以脫稿講解。

        (二)采用“互動啟發(fā)式”教學方法,在課堂上形成與學生間的良好互動,啟發(fā)學生的自主思維、深入思考,以達到深入理解復雜數(shù)學、力學理論的目標?!盎訂l(fā)式”教學方法不斷充實完善,形成了包括課堂的即時啟發(fā)教學、平時的考察輔導與期末考試互相支持的系統(tǒng)方法。為研究型學習與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了有力保障。該方法得到了越來越多的認同。工程力學系的同仁,如黎立云教授、祝捷副教授等老師都采用了“互動啟發(fā)式”教學法,并形成了自已的特色,取得了很好的教學效果。

        (三)強調(diào)“研究型”學習方法。在平時的作業(yè)中,要求學生將每一道習題當作一個“模型科學問題”,以論證與推演過程是否合理來評價學生作業(yè)的優(yōu)良等級。對學生的作業(yè)認真評分并計入平時成績。允許作業(yè)成績不理想的同學可以重作,重新評分。另外,要求學生在課程結(jié)束前,選擇書中的問題提交一個研究報告,老師給予輔導、評分,并計入平時成績。以上措施在培養(yǎng)學生的研究型學習方法上起到了十分重要的作用。

        (四)積極引導、支持學生開展創(chuàng)新科研活動。指導學生針對教學中的重點和難點開展解題方法、教學方法的研究,并將結(jié)果撰寫成研究報告或教改論文。在授課期間,對有學生要求給予科研的學術(shù)指導,總是熱情響應(yīng)。

        五、流體力學教學工作的展望

        (一)繼續(xù)充實、完善習題庫、多媒體課件、實驗錄像等教學資源,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源共享。

        (二)以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、研究型學習方法為目標,繼續(xù)開展教學方法的研究,不斷完善“互動啟發(fā)式”教學方法的內(nèi)涵。

        (三)現(xiàn)有的力學專業(yè)《流體力學》教材或深度不夠、或難于自學。準備在多年流體力學教學積淀與撰寫的講義的基礎(chǔ)上,出版一部通俗易懂、學術(shù)水平高、具有礦業(yè)特色的流體力學教材。

        (四)目前的張量分析、場論的教材大都比較抽像,受眾較少。準備集自已多年在微分幾何、張量與場論理論的學習心得,在撰寫的講義基礎(chǔ)上,出版一部側(cè)重于講解張量、場論主要定理幾何意義及其在流場描述應(yīng)用的學術(shù)論著,作為力學專業(yè)《流體力學》課程的參考教材。

        (五)跟蹤國際上最新研究成果、發(fā)表高水平科研與教改論文,提高自身素質(zhì),促進教學水平的提高。

        六、結(jié)語

        用“互動啟發(fā)式教學”法進行教學,不但能使學生順利地接受新知識,而且教給學生利用已有的知識通過歸納總結(jié)去認識新知識的一種有效的學習方法,這就給了學生一雙點石成金的手。同時,由于采用對比、比喻等方法,引進一些生動活潑、通俗易懂、典型直觀的事例,不僅使教學雙邊活動有聲有色,而且在重溫舊課時輕松愉快的認識和掌握深奧、抽象、復雜的概念和規(guī)律,起到事半功倍的效果?!盎訂l(fā)式教學”是傳授知識、啟迪思維提高教學質(zhì)量的重要手段,是一種行之有效的、科學的教學方法。

        總而言之,作為大學教師,為了改革傳統(tǒng)的教學模式,必須在了解自己學生的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的教學策略和教學方式?;訂l(fā)式教學方式克服了傳統(tǒng)教學方式的不足,調(diào)動了學生的積極性和主動參與性,它是大學教學改革的必然要求,應(yīng)該堅持并努力完善這種教學方式,使教學真正做到學以致用。

        參考文獻

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