孫萬(wàn)雪

(山東華宇工學(xué)院 能源與建筑工程學(xué)院，山東 德州 253034)

流體力學(xué)課程主要研究的是在各種力的作用下，流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及流體和固體界壁之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及相互作用。流體力學(xué)是制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)核心課程群中有著重要的承上啟下作用，它不僅是核心課程群中高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程知識(shí)應(yīng)用的延續(xù)，也是核心課程群中供熱工程、制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)課程知識(shí)學(xué)習(xí)的重要理論基礎(chǔ)。

流體力學(xué)課程的實(shí)踐性和理論性比較強(qiáng)，該課程的基本概念相對(duì)較多，理論公式的推導(dǎo)抽象復(fù)雜。學(xué)生不僅要掌握基本概念及理論公式的推導(dǎo)，更要清楚了解公式的應(yīng)用條件，學(xué)會(huì)理論與實(shí)踐相結(jié)合，用所學(xué)知識(shí)解決生活及工程中的實(shí)際問(wèn)題。

1 流體力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，很多學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性較低，很少與教師互動(dòng)，而且作業(yè)容易千篇一律，作業(yè)區(qū)分度較低。在流體力學(xué)課程的期末考核中，總體考核分?jǐn)?shù)不高，少有同學(xué)超過(guò)90分，大多數(shù)集中在70分左右。本文以學(xué)習(xí)過(guò)流體力學(xué)課程的本科和高職學(xué)生為研究對(duì)象，發(fā)放了約200個(gè)樣本數(shù)量，對(duì)流體力學(xué)課程的傳統(tǒng)授課方式效果進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查顯示，約60%的學(xué)生認(rèn)為在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中課堂氣氛不夠活躍，約50%的學(xué)生認(rèn)為在傳統(tǒng)課堂上不能及時(shí)與教師進(jìn)行互動(dòng)交流，約80%的學(xué)生更喜歡互動(dòng)式的教學(xué)模式并且表示對(duì)案例教學(xué)法感興趣。

在目前的流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，課本例題及習(xí)題與工程實(shí)際脫節(jié)，沒(méi)有將理論和實(shí)際聯(lián)系在一起。而且大部分學(xué)生不清楚所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用條件，解題時(shí)只能機(jī)械化地套用公式，課程授課過(guò)程中學(xué)生與教師的互動(dòng)也較少，大部分都是被動(dòng)學(xué)習(xí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2 案例教學(xué)分析

案例教學(xué)法是以教學(xué)案例為基礎(chǔ)，以學(xué)生對(duì)案例的分析、討論為重點(diǎn)，以提升學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力為目標(biāo)的一種教學(xué)方法[1]。目前，案例教學(xué)法已被廣泛應(yīng)用于高校各課程的教學(xué)中。

例如，劉顯明等提出了工程流體力學(xué)課程混合式教學(xué)模式和教學(xué)方法，包括案例教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)、線上線下混合教學(xué)等模式[2]。付曉強(qiáng)等在材料力學(xué)課程中采用了案例教學(xué)法，圍繞材料力學(xué)中的幾個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，在授課過(guò)程中引入與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的案例進(jìn)行授課，加強(qiáng)了學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，并且通過(guò)教學(xué)實(shí)踐獲得了驗(yàn)證[3]。馬進(jìn)偉等在流體力學(xué)課程教學(xué)中采用案例教學(xué)法，提出了“提問(wèn)-啟發(fā)-引導(dǎo)式學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。馮軍發(fā)等在礦業(yè)工程專業(yè)的流體力學(xué)課程中引入了案例教學(xué)法，并設(shè)計(jì)了“問(wèn)題-調(diào)研-分享-研討”的案例教學(xué)流程[5]。

國(guó)家在有關(guān)深化教育教學(xué)改革的政策中強(qiáng)調(diào)，要不斷加強(qiáng)科學(xué)教育，鼓勵(lì)創(chuàng)新教學(xué)方法，廣泛開展討論式、啟發(fā)式及參與式教學(xué)等，推進(jìn)課堂革命。為適應(yīng)制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，本課程將案例教學(xué)法引入到了課堂教學(xué)中。

2.1 案例教學(xué)法優(yōu)點(diǎn)

案例教學(xué)法是一種以工程或生活案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方式。教師選取合適的教學(xué)案例，將教學(xué)案例設(shè)計(jì)到教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生自主探索，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)，給學(xué)生提供一個(gè)輕松、簡(jiǎn)便、全面的教學(xué)環(huán)境。案例教學(xué)法可有效引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂討論中，通過(guò)學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生之間的互動(dòng)和交流，有效實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、理論與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合能力及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，促使學(xué)生充分領(lǐng)悟所學(xué)知識(shí)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，理解實(shí)際項(xiàng)目中工程問(wèn)題的變化性和多樣性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生共同提升綜合素質(zhì)的目的[6]。

2.2 案例教學(xué)實(shí)施方法

2.2.1 案例庫(kù)建設(shè)

案例教學(xué)法以工程或生活案例為基礎(chǔ)，教師選取合適的教學(xué)案例，將教學(xué)案例設(shè)計(jì)到教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生自主探索，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為學(xué)生提供一個(gè)輕松、便捷、全面的教學(xué)環(huán)境。

在保證教學(xué)案例具有針對(duì)性和代表性的原則上，課程組團(tuán)隊(duì)通過(guò)分工合作，采用如下方法收集教學(xué)案例的素材：

第一，本校與校外多家企業(yè)進(jìn)行了合作，課題組教師可以深入到企業(yè)進(jìn)行調(diào)研學(xué)習(xí)、實(shí)踐鍛煉，了解和掌握流體力學(xué)課程在生產(chǎn)實(shí)踐中所應(yīng)用的知識(shí)與技術(shù)等，進(jìn)而收集相關(guān)案例素材。第二，能源與建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室具備FLUENT軟件，可以利用FLUENT軟件對(duì)工業(yè)應(yīng)用中的流體力學(xué)相關(guān)案例進(jìn)行模擬，同時(shí)可以讓學(xué)生參與到FLUENT軟件模擬工程案例中來(lái)。例如，利用FLUENT軟件模擬流體力學(xué)第二章內(nèi)容中的流線、流束和跡線等。第三，引入社會(huì)上發(fā)生的典型事件或生活中的實(shí)際案例等。例如，在航空發(fā)展史上，因?yàn)楫呁泄軠y(cè)速故障所引起的空難，典型事件有伯根航空301號(hào)航班空難和法國(guó)航空447航班空難等。第四，收集參考教材和優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源中的教學(xué)案例，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行整理修改，編寫成適用于本專業(yè)學(xué)生課堂教學(xué)的案例。

2.2.2 案例實(shí)施

此教學(xué)模式的實(shí)施以應(yīng)用型本科院校制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)為載體，對(duì)本專業(yè)中的流體力學(xué)課程的教學(xué)方法改革進(jìn)行探究。流體力學(xué)課程在制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)設(shè)置中共48學(xué)時(shí)，由于學(xué)時(shí)限制，在案例教學(xué)時(shí)，不必對(duì)課本中的所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例設(shè)計(jì)，可只選擇其中幾個(gè)典型知識(shí)點(diǎn)或重難點(diǎn)進(jìn)行講授。

教師在明確了課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容后，從事先建設(shè)的案例庫(kù)中選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)案例，以多媒體等形式向?qū)W生展示教學(xué)案例的基本內(nèi)容，包括教學(xué)案例的背景及影響等。之后引出與流體力學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的問(wèn)題，由學(xué)生分組討論。另外，學(xué)生可以在課下以小組分工的形式查閱相關(guān)案例資料，分析討論案例中所涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及問(wèn)題所在，并給出一個(gè)初步的解決方案，最后通過(guò)PPT或視頻等形式匯報(bào)小組成果。

以“伯努利方程”為例，在流體力學(xué)課程中講到伯努利能量方程的應(yīng)用時(shí)，可以引入有關(guān)畢托管測(cè)速的實(shí)際工程案例。例如，歷史上的伯根航空301號(hào)航班空難事件。在1996年2月6日，一架波音757-225型客機(jī)起飛5分鐘后因事故墜入海中。伯根航空757客機(jī)如圖1所示。

圖1 伯根航空757客機(jī)Fig.1 Bergen air 757 aircraft

這次空難一共導(dǎo)致189人遇難，飛機(jī)上無(wú)一人生還。事故發(fā)生之后調(diào)查員在飛行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)客機(jī)的空速表處于異常狀態(tài)，而空速表主要是依賴畢托管工作的。畢托管可用來(lái)測(cè)量飛機(jī)相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的總壓，在畢托管的前端有個(gè)小孔，總壓由此小孔進(jìn)入壓力室。如果飛機(jī)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)飛行任務(wù)時(shí)，畢托管上需要套上空速管套，防止昆蟲等一些異物進(jìn)入畢托管。當(dāng)畢托管被堵塞之后，飛機(jī)的空速表就會(huì)處于異常狀態(tài)。畢托管保護(hù)罩及測(cè)速原理如圖2、圖3所示。

圖2 畢托管保護(hù)罩Fig.2 Pitot tube protective cover

圖3 畢托管測(cè)速原理Fig.3 Pitot tube speed measurement principle

通過(guò)教師展示的實(shí)際工程案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的伯努利方程相關(guān)理論知識(shí)，并結(jié)合畢托管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步分析和討論畢托管的靜壓管及總壓管的流動(dòng)特點(diǎn)，使學(xué)生能夠深入理解并掌握伯努利方程在實(shí)際工程中的應(yīng)用以及畢托管的測(cè)速方法。從實(shí)際工程教學(xué)案例的引出到問(wèn)題分析、討論和初步解決，讓學(xué)生進(jìn)行直觀的感知，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教師的教學(xué)效果。

2.2.3 案例總結(jié)

通過(guò)對(duì)本課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)案例整理，在案例引入時(shí)根據(jù)案例的難易程度，對(duì)學(xué)生分組討論出的每個(gè)解決方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)及總結(jié)，并對(duì)每組的匯報(bào)提出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)表現(xiàn)優(yōu)秀的一組給予鼓勵(lì)和表?yè)P(yáng)。在案例總結(jié)時(shí)，可以強(qiáng)調(diào)學(xué)生不必拘泥于課本上的解決方法，要鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性地解決問(wèn)題，同時(shí)肯定學(xué)生的創(chuàng)新能力，盡量給他們指出更廣闊的問(wèn)題解決方向。案例總結(jié)并不代表著內(nèi)容的結(jié)束，教師可以適當(dāng)對(duì)案例所涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展，讓學(xué)生的思維邏輯能力、創(chuàng)新能力及知識(shí)領(lǐng)域都得到更進(jìn)一步的擴(kuò)展。

案例結(jié)束以后，教師根據(jù)教學(xué)案例實(shí)施的具體情況和學(xué)生的討論匯報(bào)情況反饋本次案例教學(xué)存在的問(wèn)題，并及時(shí)更新完善案例庫(kù)。

3 結(jié)語(yǔ)

案例教學(xué)法實(shí)施的關(guān)鍵是以典型案例為基礎(chǔ)，通過(guò)教師的引導(dǎo)啟發(fā)，讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。此種方法改變了以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，將生活或工程中的實(shí)際案例引入課堂，通過(guò)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的雙向及多向互動(dòng)，平等對(duì)話和研討，理論聯(lián)系實(shí)踐，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生開展經(jīng)驗(yàn)性學(xué)習(xí)。流體力學(xué)作為應(yīng)用型本科院校一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性較強(qiáng)，將寓理論于實(shí)踐的案例教學(xué)法應(yīng)用到本課程中，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及學(xué)習(xí)興趣，還能提高學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，為制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)的新一代應(yīng)用型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。