黨鉀濤 岳建芝 馬曉然 李 剛 姚 森
(河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,河南 鄭州450002)
流體力學是能源動力、化學工藝、礦物加工等工科專業(yè)的重要必修課,是本科生在完成物理、無機化學等基礎(chǔ)課程學習后,向本專業(yè)基礎(chǔ)課過渡的重要基礎(chǔ)類課程[1]。該課程主要講授流體的基本概念、流動的基本原理、靜力學以及動力學等知識。通過該課程的學習,學生應完成理論到實踐、單一知識到多元應用的能力培養(yǎng),具有進行工程案例的初步分析與設計的能力[2]。但是對于剛接觸專業(yè)基礎(chǔ)知識的學生來講,初次接觸抽象的流體流動與受力分析,新概念、新內(nèi)容、新公式較多,公式推導過程復雜,往往難以快速入門,從而導致學生學習熱情不高,教學效果差,影響了教學質(zhì)量,對進一步理解與學習專業(yè)知識造成嚴重影響[3]。近年來,針對課程模式設計單一、知識點難以掌握、課時縮減等問題,廣大流體力學教學工作者從教學內(nèi)容、教學形式、新技術(shù)應用以及課堂思政等多方面[4,5]進行了教學改革探索,提高了流體力學的教學效果。作為一門與工程實際聯(lián)系緊密的課程,習題教學是非常重要的環(huán)節(jié)[6],督促學生完成課堂與課后習題,對學生理解概念,掌握公式,聯(lián)系實際有良好的助力,因此需要加強對習題課在流體力學教學改革中的作用的研究。
流體力學中的基本概念往往言簡意賅,定義精準,卻又具有抽象化的特點,導致大多數(shù)學生不能對概念實現(xiàn)一步到位的理解。通過老師課堂上的分析與講解,學生雖然能夠逐步加深對概念的掌握,但是距離熟練運用還有非常遠的距離。以筆者講解流體力學中壓力體的問題為例,多數(shù)學生初次面對教材中給出的壓力體概念“沿著二維曲面邊緣上每一點做自由液面(或自由液面延伸面)的垂線,垂線、二維曲面和自由液面(或自由液面延伸面)圍成的柱體”時,表示出迷惑與不解。結(jié)合多媒體課件將壓力體具象化之后,學生就能夠初步理解這個概念,但是在后續(xù)的提問與交流環(huán)節(jié),發(fā)現(xiàn)學生記不住、分不清、不會用的現(xiàn)象還是非常明顯。在課堂隨堂習題講解之后,再有針對性地布置習題,尤其是強化同一二維曲面,不同自由液面高度情況下對壓力體變化的剖析,使學生們逐步熟練掌握有關(guān)壓力體的概念。因此,想讓學生較好地掌握流體力學基本概念,離不開大量的習題練習。在教學過程中,針對流體力學中靜壓強、固體壁面受力、伯努利方程等基本概念,精心設計習題,做到抽象概念具體化抽象概念,促進學生在習題的練習中深化理解知識點,提高學生對流體力學基本概念的掌握程度。
在實踐教學中,筆者發(fā)現(xiàn)流體力學中存在連續(xù)介質(zhì)假設、平衡微分方程、定常流動以及輸運公式等不屬于概念定義,但對理解與應用流體力學相關(guān)公式至關(guān)重要的基礎(chǔ)概念。在與學生的課后交流中發(fā)現(xiàn),很多學習反映流體力學公式多,難以記憶。作為理工科學生的基礎(chǔ)課,流體力學中公式偏多,單憑死記硬背是難以保障持久記憶效果的。以流體力學中靜力學基本方程的教學為例,與流體動力學中的諸多公式相比,該公式相對簡單,但是學生記不住、記不準的問題依然存在,究其原因是其對流體平衡微分方程這一基礎(chǔ)問題沒有吃透?;A(chǔ)性問題相對應的習題較少,這時候筆者通過設計針對基礎(chǔ)問題各分解環(huán)節(jié)的習題,來加深學生的理解。如在流體平衡微分方程中,設計了概念性習題“判斷靜壓強大小與方向”、延伸性習題“矢量微分算子的表達式”、推導性習題“微團的受力分析方程”、應用性習題“壓強差的計算”等,通過“以練習代背誦、以做題代復習”的方式,提高學生理解和分析基礎(chǔ)問題的能力,對幫助學生學習流體力學公式及其應用可以達到事半功倍的效果。
流體力學是理工科學生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一,是學生今后工作中處理復雜工程問題的基礎(chǔ)與方法,增加實踐教學比重,增強學生的實踐能力既是理工科工程教育的要求,也是課程設置的主要目的。受限于當前各學校的教學條件與課時設置,難以滿足每個學生的工程實踐需求,隨堂實驗數(shù)量也不足,有效的習題教學,成為當前解決這一問題的必要選擇。筆者通過學習前人優(yōu)秀經(jīng)驗,結(jié)合自身教學體驗,認為流體力學中的習題教學應做到:第一,要有針對性,圍繞學生反映的難點與重點,如靜力學中靜壓強的分析計算、靜止液體對壁面的壓力、伯努利方程的應用等;第二,要貼近工程實踐,立足解決實際生產(chǎn)中遇到的問題,設計題目的時候要多引用實際案例,如鍋爐中壓強的計算與防爆問題、水庫閘門受力與開啟問題、消防水閥出水問題等;第三,要對學生的問題及時講解,學生的習題作業(yè),要批改并總結(jié),歸納出集中問題與分散問題,在教學中穿插習題課,解答學生的疑惑。
流體力學與工程實踐聯(lián)系緊密的課程特點,決定其在教學環(huán)節(jié)必須突出應用,以提高學生實踐能力為重點,不能僅僅局限于記憶知識點與公式。學生只通過上課或者只靠“死記硬背”知識點的考前突擊,是不能實現(xiàn)對流體力學核心思想的理解掌握的,也無法學好流體力學課程。筆者總結(jié)了連續(xù)兩屆學生的習題完成情況與考試情況,發(fā)現(xiàn)在習題教學中認真回答問題、獨立完成習題、與老師積極交流的學生,絕大多數(shù)在考試中都可以取得好成績,也能很好地完成實驗環(huán)節(jié),甚至有個別優(yōu)秀的學生可以利用流體力學知識設計產(chǎn)品,參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。優(yōu)異的學習成績可以反過來提升學生更進一步學好流體力學的動力,對其他同學也可以起到帶動作用,形成良好的學習氛圍。因此加大流體力學中習題教學的設計與研究力度,保障學生完成習題的質(zhì)量,對提高學生在流體力學課程中的學習效果是非常必要的。
成功的習題教學環(huán)節(jié)可以改變枯燥單一的教學模式,通過提高學生學習成就感與自信心,激發(fā)學習積極性與興趣,形成良性循環(huán),更好地掌握流體力學相關(guān)知識,打牢理論知識根基,為學生分析問題、解決問題并將知識應用于實踐環(huán)節(jié)做好準備。習題教學不是隨便找?guī)讉€練習題,而是一項復雜而系統(tǒng)的工作,需要做好以下幾點:(1)做好習題教學的全局設計,合理布局習題課在教學環(huán)節(jié)的位置與時間;(2)突出重點與難點,圍繞核心知識點進行習題設計;(3)抓住學生關(guān)心的重點,習題貴精不貴多;(4)習題設計貼近工程實踐,鼓勵學生使用建模與現(xiàn)代技術(shù)解決實際問題;(5)引入多媒體課件、慕課堂、在線實時講解、開放式習題教學等新技術(shù)新手段,激發(fā)學生參與教學的積極性;(6)設立易錯知識點與題型庫,及時總結(jié),完成查漏補缺??傊?,習題教學是流體力學課程中不可缺少的重要一環(huán),對流體力學的教學質(zhì)量和效果有非常大的影響,廣大師生應增強重視,強化習題教學,做好流體力學的教學工作。