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试论兴趣诱导式教学方法在流体力学课程中的应用
摘要：流体力学是一门难教难考的课程,探讨提高学生学习兴趣的教学方法具有重要意义。采用兴趣诱导式教学,能够多方面诱导学生的学习兴趣。学校尝试多学科关联,把哲学思想引入流体力学课堂教学,开阔学生的视野;在课堂中对校园中的流体力学现象进行针对性探讨与解释,调动学生主观能动性的发散性;通过自由发挥的流体力学大作业的考核方式,引导学生多视角多维度多层次观察自然界、观察身边的细节,提高学生学习流体力学知识的效果。
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一、引言
《流体力学》是沈阳航空航天大学航空发动机专业的专业基础课,也是绝大部分院校动力专业的考研课程。该课程既有很强的理论性,又有很强的工程实际意义,属于承上启下的课程类型。授课教师普遍认为该课程“难教难考”,同时历届学生之间尤其是高年级学生与低年级学生之间盛传“流体力学难学难懂”,这使得许多初学者在学习之前就滋生了对流体力学的恐惧心理,甚至直接放弃。为了改变该课程的重要性和难学难懂现状之间的矛盾,进行“流体力学”课堂教学方法改进,提高教学质量显得迫在眉睫。
关于《流体力学》课程的教学方法改革已经有很多大专院校作了非常多有意义的尝试和探索。石油大学的倪玲英等作了考试考查方式等的改革,在学生成绩评定上大幅度地降低了期末卷面的成绩比重,而增加了课程专题考核等内容的成绩。榆林学院在教学中引入流体力学仿真软件,突出了计算机在教学中的应用。江西应用工程职业学院采取启发式教学方法,课外活动小组辅助教学等手段。中南林业科技大学在工程流体力学的教学中把流体力学与电工学,流体力学与工程热力学,流体力学与传热学进行对比讲授。河北联合大学把启发式教学作为一种教学思想,利用总结式启发、回顾式启发、现象启发式等引导学生去积极思考。厦门理工学院在授课中强调多媒体与板书有机结合教学,而且指出在具体的验算过程中应该收起屏幕,以板书形式为主。沈阳大学提倡分层次教学模式,将哲学的思想引入课堂,将工程应用引入课堂,将科研成果引入课堂。内蒙古科技大学与文献一致,也强调了在公式推导过程中使用板书,而不是多媒体技术。吉首大学提倡引导学生自学式教学方法,需要学生能够保证课前预习,课后复习,此种方法在本校短暂尝试过,但效果不佳。兰州交通大学强调把课外创新实验、参与科研、查阅文献等纳入教学环节。大连理工大学引入科研研究的研究型教学模式,提出的方法对于提高大学生的创新精神和培养拔尖人才有非常好的促进作用。美国霍普金斯大学的流体力学的教学与研究基本代表了美国的最高水准,他们的流体力学教学与人才培养特别重视实验教学,尤其是流动测试方面,特别是PIV的研发与应用。
内蒙古农业大学提出了一种流体力学的教学模式,该方法包括培养学生的兴趣,加强学生的锻炼,开放学生的思维,参与工程实例,综合考试检验学生能力。iHOPE是一种综合性的面面俱到的系统工程,其中的任何一个字母都值得仔细研究,都有对应的可以改革的措施,本研究就是追求其中最基本的i,因为“兴趣是最好的老师”。举例说明如何从源头上提高学生的学习兴趣,消除其恐惧心理,也为学生能够利用所学的流体力学知识在现实生活中认识问题、分析问题、解决问题奠定基础。
二、兴趣诱导式教学示例
1.哲学思想在课堂授课中的应用
流体力学作为典型的理工科课程,授课过程容易陷入枯燥化的境地,学生学习兴致缺乏。为了有效地调节课堂气氛,一个有效的办法是在授课过程和其他课程相互借鉴,其中和哲学思想相联系的效果最明显。
例如,在相似原理章节的近似模型实验部分讲解雷诺数和弗劳德数的矛盾问题。雷诺数的定义是,弗劳德数的定义是,其中U为来流速度,L为流动的特征长度,g为重力加速度,为流体的运动粘度。欲满足运动相似需要使得对应的原型与模型无量纲参数都相等。现实中,航空类实验原型和模型一般都在同一种介质中进行,运动粘度几乎不变了。另外原型和模型一般都是对应相同的地球环境,这样原型和模型的重力加速度也一样。这样原型和模型的雷诺数一样,就要求两者的UL一样;而原型和模型的弗劳德数一样,就要求两者的一样。对于航空流体力学实验领域,一般模型比原型的尺度小;若如此,这两个无量纲参数的相似准则都满足的条件就无法实现了;这样就引出来下面的结论,雷诺数和弗劳德数在原型和模型实验中是一对矛盾的相似准则数。讲解到此处本可以接续讲授雷诺数和弗劳德数中选择比较重要的就完成了讲授内容,但这样过渡显得很枯燥。如果此时引入哲学中的矛盾论观点,就是具体问题具体分析,把雷诺数和弗劳德数当做一对矛盾体,然后抓住主要矛盾忽略次要矛盾,进行近似模型设计。这样把哲学课程中的原理引入到本课程的授课过程,会一下子引起学生的学习兴趣,提高了学生的学习主动性,也有利于学生更好地记忆所学的知识内容。
2.校园生活中流体力学现象的形象化引入
流体力学这门课的公式比较多,需要用到大量的高等数学知识。但这些避免不了的公式推导和大量的公式现况,决定这门课程容易让学生感觉枯燥无味。课堂上为诱导学生的学习兴趣,有效地调节课堂气氛,若能把校园中发生的流体力学现象作为讲课的重点,学生的注意力会被很快集中。比如,在讲授理想流体的圆柱绕流章节,无穷远来流绕圆柱流动,会引出零流线,前驻点A,后驻点B,最大速度点D,A点、B点的压强最大、高于参考压强,D点的压强最小、低于参考压强。引导学生把学校的图书馆简化成一个圆柱,上述的结论和学生走到学校的图书馆旁路上某些位置明显感受风比其他地点大,学生会有非常大的共鸣,求知欲会得到非常好的调动。进一步引申该问题,馆内大气压是参考压,如果图书馆四周都是窗户,窗户可以向内外两个方向自由开启,问风从某个方向吹来时,何处的窗户是向内开?何处的窗户是向外开?在课堂上作伏笔性提出问题,学生会带着问题深究其具体的科学问题。
3.身边流体力学现象诠释的发散性思维考核
教师在课堂上举例生活中的流体力学以引导学生学习流体力学的兴趣,这属于外在环境的兴趣营造;进一步诱导学生主观能动性的兴趣,对学生的激励时效性会更持久。课程考核的流体力学现象及其科学解释身边化诱导,能使学生从多视角看待流体力学知识。本校传统流体力学课程的作业仅从教材的课后作业中选择,本次教学改革在此基础上增加了大作业的内容,即“拍照身边的流体力学现象,并用学过的知识解释其物理原因”。上面的大作业题目,作答学生自由发挥的程度大幅度提高,学生可以跳出授课教师的思维,从各个不同的角度切入看待日常生活中的流体力学现象。学生大作业的作答是五花八门的,比如有的学生尝试解释洗衣机洗衣时衣兜容易外翻的问题,有的学生尝试解释火车站站台上安全线设置的流体力学考虑问题,有的学生尝试利用流体力学知识解释踢球时的“电梯球”问题,有的学生尝试解释鱼缸放水的虹吸现象及其原理,有的学生拍摄的学生宿舍水龙头开度不一样时的流动稳定性问题,等等。总之,考核方式能够实现学生充分的自由发挥,学生学习的发散性思维可以被有效调动。发生在身边的流体力学现象是随处可见的,但完全提炼出来可以作为讨论专题,并能用学生学过的知识进行解释的内容还是值得深入挖掘的。以上仅仅列举了几个简单的示例予以佐证,教学实践中发现只要想尽一切办法诱导学生的学习兴趣,就会达到事半功倍的教学效果。
三、结论
从提高学生的学习兴趣角度出发,探讨了流体力学课程的三种授课和考核中用到的方法。把哲学思想引入流体力学部分内容的讲解,开阔了学生的视野,实现了学生多学科多课程联想贯通的通识化、大众化教育。拍摄学校中的实物,并用流体力学的知识解释其具体流体力学现象的原因,能够有效唤起学生对周围发生的自然现象的关注和兴趣。通过自由发挥的流体力学大作业的考核方式,强化了学生能够多视角多维度多层次去观察自然界、观察身边的细节,做到了流体力学现象的身边化。总之,欲使学生学好流体力学知识,多方面诱导学生的学习兴趣是重中之重。
参考文献：
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[4]宋金平,周蔚宇,童勋.“流体力学泵与风机”精品课建设初探[J].职业教育,2013
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[6]魏军从,涂军波.流体力学教学中启发式教学的实践[J].学园,2013
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[9]敬双怡,殷震育,李卫平,等.运用多元化教学模式提高“水力学”教学质量[J].科技信息,2013
[10]周沙溆.引导自学式“流体力学”教学方法研究[J].教育教学研究,2014
[11]王烨,孙三祥.凸显实践环节的流体力学教学新模式研究[J].兰州交通大学学报,2014
[12]皱丽,宗智,王振,等.探析研究型教学模式在高等数学和流体力学教学中的应用[J].中国校外教育,2011
[15]李超,裴国霞,杨红,等.iHOPE-2教学模式在流体力学课程改革的探讨[J].内蒙古农业大学学报,2013
王建明,徐让书,王成军,刘凯,杨波,李国文.流体力学课程的兴趣诱导式教学方法探讨[J].当代教育实践与教学研究,2020(09):103-104.
基金:沈阳航空航天大学教改课题,项目编号:2018015.
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
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2020-05-26
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