流体力学小专题讨论提升课堂教学效果的研究

[摘 要]在工科院校中，现代教学的中心任务是如何激发学生的创造性思维与创造性能力。流体力学作为一门既具有基础课性质又具有鲜明专业技术特点的课程，是实践上述教学思想的理想平台。针对流体力学的特点，国内外知名院校均有通过流体力学专题讨论来提升学习效果的案例。开展流体力学小专题讨论，要有针对性地确定专题讨论的形式、时间和内容，将这一形式与课堂教学有机结合。实践证明，该方式可以有效地提高学生学习流体力学的兴趣，增进师生之间的交流，培养学生对实际问题的凝练、分析和阐述的能力。通过汇总优秀素材建立题材库，可以充实教学资源。

[关键词]教学效果 流体力学 专题讨论 学习兴趣

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）09-0106-03

一、流体力学教学的特点

高等教育不仅是知识的传授，更为重要的是能力的培养。能力的培养不仅包括学习知识的能力，还包括将所学知识灵活加以运用，解决实际问题的能力。这些能力的培养很难依靠传统的教学手段来获得，需要不断探索新型的课程教学体系。[1]

流体力学作为一门既具有基础课程性质又具有鲜明专业技术特点的课程，是实践上述教学思想的理想平台。[2]流体力学以牛顿运动定律、质量守恒定律和热力学基本定律为基础，研究在力的作用下流体的状态，流体与固壁、流体与流体、流体与其他运动形态间的相互作用，是力学的重要分支之一。一方面，流体力学与每个人的日常生活紧密相连；另一方面，流体力学覆盖了众多理工科专业领域，它所衍生出的研究方法正在向金融、管理等领域渗透，成为兼具深厚研究底蕴与前沿研究方向的学科。

二、一般工科院校流体力学教学的特点及存在的主要问题

以西安建筑科技大学为例，流体力学课程定位为建筑环境与设备工程、给水排水工程、环境工程、环境科学及土木工程等专业的主干课程，是进一步学习工程热力学、传热学、河流动力学、流体输配管网及其他专业课程的基础，对后续专业课教学起着非常重要的作用。长期以来，因概念抽象、学生缺乏工程概念和工程背景，使得流体力学课程既难教也难学，要想让学生将学到的知识与相关的实际问题结合起来尤为困难。

尽管流体力学具有悠久的历史，丰富的内涵和外延，但是作为专业基础课，流体力学为专业课服务的定位极大地限制了课程的教学时间。在学生素质参差不齐的情况下，使得培养学生扎实的基础和拓宽知识面两方面不能兼顾，顾此失彼。这一问题的存在不但限制了学生学习的积极性，也不利于培养学生在工程中分析问题和解决问题的能力。因此有必要对这一问题进行研究，找到解决问题的方法，改善流体力学教学的效果。

三、流体力学专题讨论的教学形式

对流体力学教学途径的探索和改革一直在开展，其中提高学生学习的兴趣是改善教学效果的核心，而专题讨论是有效的手段之一。现阶段，不同学校的专题研讨具有以下特点：第一，内容不局限于书本知识，而是更接近学术前沿，甚至是尚未完全成熟的理论；第二，讨论专题不同但都保持一致的风格，既需要学生独立思考，形成自己独特的见解，又需要小团队的协作精神；第三，研讨内容的选择更多地考虑了人的因素，讨论题目大都是基于任课教师和学生的兴趣。

哈佛大学率先在专题讨论的教学模式上进行了尝试。他们采用专门的新生研讨课的形式，由教授直接面向一年级新生开设，至今已有50余年的历史。通过新生研讨课，学生的学习热情得到提高，更为重要的是它为学生提供了浓厚的学术气氛。一般情况下，新生研讨课每年的主题都会发生变化或完全不同，而为了保证教授和学生之间的充分交流，学生人数一般会有所限制。

其他院校也有在不同课程中开展专题讨论课的教学实践。清华大学从2003年起就开始由流体力学的知名学者为新生开设了“智能流体及应用”的研讨课，得到了新生的普遍欢迎和好评。麻省理工学院从1986年开始尝试，每门研讨课的学生为8至10人，每年有800至900名新生参加，主要在大一、大二学生中进行。加州伯克利分校的流体力学新生研讨课则着眼于生活，更加注重应用，具有鲜明的特色。中国科学院力学研究所主要以流体力学史和经典流体力学问题的课前讨论为主，面向硕士和博士研究生。这些尝试都证明新颖的教学形式可以提高学生的兴趣，使学生带着问题进入正式课程的学习，增加学生学习的积极性，对学生具有非常正面的影响。

四、流体力学小专题讨论的实施、效果分析及后续工作

在借鉴国外高校和国内知名院校经验的基础上，我们开展了课前小专题讨论提高流体力学教学效果的改革尝试。这一方式已在西安建筑科技大学环境与市政工程学院的不同专业进行了尝试，其中在环境工程专业开展了两轮尝试，其余专业各开展了一轮尝试。目前已汇总了学生的研讨论题50余份，在此基础上对实施过程进行分析，得到一些有益的结果，下面从小组人数、内容选择、时间安排、讨论形式、成绩评定及教师作用五个方面进行阐述。

讨论小组中学生的组成、人数是实施这一举措的关键。在实施过程中我们尝试了以自由组合、按学号分组等方法组建讨论小组，每个小组学生的人数通常按照总课时和班级总人数来确定，每个组员分工负责、各司其职，例如分别负责资料收集、PPT制作和讲解工作。根据上述原则，在不同的班级中，小组的成员人数在1至4人间变化。从讨论效果可以看到，确定小组成员的人数是专题讨论中的关键环节。当小组人数较少时，一般选题不够深入，PPT的质量略显粗糙；而当小组人数较多时，专题讨论质量会上升，但会导致部分学生的参与流于形式。此外，讨论课初始阶段学生的示范作用非常重要，当这一阶段专题讨论的质量非常高时，往往能带动和影响后续学生专题讨论的质量，反之则起到不良的示范作用，因此很有必要在最初的实施过程里加以重点引导。在有多个行政班的情况下，还可以考虑穿插安排，在各个专业班级之间形成无形的竞争关系，这可以在一定程度上提高学生参与的积极性。

专题讨论的时间安排在课前5～10分钟为宜。这一安排的主要出发点是在不影响整体教学进度的情况下，将小规模的专题讨论有机地融入课堂教学，而不需要额外安排时间，这是我们区别于以往其他院校专题讨论课的最主要的方面。小专题讨论以清楚阐述一个主题为原则，避免过大的论题造成时间的拖沓。学生课前预先准备好演示所需的硬件条件，可以有效提高时间的利用率。按照一次课2×50分钟计算，每次10分钟的小专题讨论所占用的时间完全可以通过其他环节的调整获得，不影响教学计划的正常进行。

考虑到学生的知识面和授课进程，在讨论内容方面以流体力学范围内目标明确的小专题或流体力学史及流体力学经典问题为主。后者的选择主要是考虑到课程初期学生对流体力学没有认识或认识比较粗浅，可以通过国内外人物介绍和经典问题进行一段时间的过渡。在课程的中后期，学生的论题选题大都具有明确的针对性和时代气息。从现有的选题来看，学生的选题非常灵活和广泛，典型论题包括绿茵场上的流体力学、拳头大的雨滴见过没有、水旋石球、汽车阻力、高尔夫球效应等。选题内容与教材衔接紧密，其中有关边界层绕流阻力问题所占比例最大，约为40%，其次依次为流体力学史、伯努利方程、湍流及虹吸现象等。需要特别指出的是，在实施过程中需要对工程问题与科学问题加以区分引导，这主要是考虑到工科院校学生对工程问题的关注程度较高，而忽略了基础科学问题，教师有意识地引导将有助于弥补这一缺陷。

讨论通过PPT的形式进行展示，学生讲解后回答其他同学提出的简短问题。在条件许可的情况下，多媒体的运用可以使得其他学生更好地接受所讲述的内容，而且有助于锻炼学生凝练问题和阐述问题的能力，为他们提供展示能力的机会。尽管如此，多媒体讲述并不是唯一的选择，实物演示和提问式互动都可以很好地提升问题的阐述效果。例如，在讲述纸飞机的问题中，由于学生课前准备充分，将讲述中所提到的九种纸飞机的叠法都以实物的形式呈现在课堂上，并分发到其他同学手中，依据实物讲解其中纸飞机的稳定性、飞行距离等性能，效果突出。解答其他同学提出的问题是互相学习的过程，目前这一环节在实际讨论中因为时间受限而不能过度展开，需要在今后的实施过程中加以改进。

教师的定位是这一举措中的又一关键环节。任课教师通常需要对论题进行点评和拓展，并依据小专题讨论的总体效果将其计入平时成绩。教师在本方法中的引导尤为关键，这就要求教师具有较为宽广的知识面，要详细了解流体力学的发展史。教师应在平时不断学习和积累相关的知识，加强对有关前沿内容的跟踪和了解，并能够积极地在基本的教学任务之外主动参与到本环节中来。同时，在教学中对所讨论中涉及的内容进行再次强调，引导学生参与到课堂教学中来，提高他们学习的主动性。另外，讨论课也为师生之间的交流提供了一个平台，有利于加强师生间的沟通。最后，尽管学生对于讨论课的热情与讨论课的成绩评定没有直接的关联，但是计入平时成绩仍是必要的手段。

五、结论与讨论

流体力学作为物理学和力学的一部分，理论内涵丰富，同时又兼具工程问题的典型特点，是不同专业后续课程的基础，它的研究方法和研究思想具有很大的普遍性，研究内容也在不断地更新和发展。

通过引入小专题讨论的形式，增强了学生学习流体力学课程的积极性，强化了学生创造性思维和能力的培养，使得学生在跨出校门或进入更高层次学习阶段时具备很好的起点。从教学效果来看，该方法可以使学生更好地领会课程核心的内容，加深对伯努利方程、边界层扰流阻力等重点、难点内容的理解，扩展了知识面，了解流体力学在新能源、环境、纳米科技等新兴领域中的应用。在实施过程中，大部分学生都热情参与，表现出新时期大学生的特点。通过学生自选题、给定前沿问题或与专业相关的典型问题，可以使学生带着问题进入正式课程的学习，有效避免了直接接触复杂数学推导而带来的枯燥感。

小专题讨论方式仍有大量后续工作需要开展。首先，需要研究面向不同专业引入针对性小专题研讨的可能性，确定小专题讨论的合理规模、形式和不同专业的侧重点，形成具有继承性的教学传统。其次，在后续工作中，需要对专题讨论的素材进行整理，并针对部分学生继续培养其科研兴趣，或结合其他本科生教学活动，如本科生科研训练项目和大学生创新性实验计划等，继续对选题进行深入研究。最后，形成学生PPT课件集锦，供后续学生选题使用，或在课堂教学中进行相关引导。该方法的研究可以在有丰富内涵和历史的大课时专业基础课中加以推广，如大学物理、固体力学等。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 戴世强.授之以“鱼”，还是授之以“渔”？――学习和实践钱伟长教学方法论的一些体会[J].上海大学校报（电子版），2007：513.

[2] 樊洪明.在“流体力学”教学中应努力实现传授知识与增长能力的统一[J].建筑教育改革理论与实践，2006，（8）：268-271.

[3] 刘建龙，王汉青，寇广孝.激发学习兴趣提高流体力学教学效果[J].中国电力教育，2008，（20）：60-61.

[4] 辛军哲.在流体力学课程中实践启发式教学的几点体会[J].高等建筑教育，2004，13（2）：51-53.

[5] 朱克勤，任仲泉.关于美国几所著名高校的流体力学新生研讨课[J].力学与实践，2005，27（1）：78-80.

[6] 周光垌.流体力学发展的五个时期[J].力学与实践，2001，23（3）：71-76.

[7] 王旭升，万力，梁四海.在专业课中融入科技史教育[J].中国地质教育，2005，14（3）：63-64.