应用型本科《流体力学》课程教学改革探索与实

一、前言
应用型本科指以应用型为办学定位，而不是以科研为办学定位的本科院校，现阶段一般包括所有的本科第二批、本科第三批录取院校，是对新型的本科教育和新层次的高职教育相结合的教育模式的探索，对满足中国经济社会发展，对高层次应用型人才需要以及推进中国高等教育大众化进程起到了积极的促进作用。
建筑环境与能源应用工程专业是根据2012 年教育部颁的全国普通高等学校本科专业目录，将建筑节能技术与工程、建筑设施智能技术（部分）、建筑环境与设备工程合并为建筑环境与能源应用工程（其早期名为暖通工程专业）·。主要培养具备室内环境设备系统及建筑能源应用工程的设计、安装调试、运行管理能力，具有一定的室内空气环境设备、系统的研究开发的基础理论知识及能力，能在设计研究院、建筑工程公司、相关的设备生产企业以及现代化智能建筑设施的维保管理部门从事工作的专门人才。
流体力学是主要研究流体平衡和运动规律及实际应用的一门科学，是一门应用面比较广的专业基础课，在能源、动力、机械、航空、化工等领域都有着重要应用。对建筑环境与能源应用工程专业来说，流体力学的应用较为广泛，热量输配、空气调节、燃气供应、除尘净化、排热除湿等都是以流体作为介质实现的。
因此，流体力学是建环专业的主干专业基础课程，是后续专业课程的核心基础课程之一，在课程体系中具有重要地位。
二、当前教学实践中存在的问题
1. 物理现象不直观，学生理解想象困难
虽然流体与我们日常生活密不可分，但因其本身特殊的特性——看不见、摸不着、表面看似平静、内部暗流涌动，导致其物理现象不直观、基本概念较抽象。学生无法从简单的图线、图片中想象复杂的流动过程，更难谈及“透过现象看本质”。
2. 教学方法单一，难以摆脱“灌注”式教学模式
流体力学课程的特点是抽象、枯燥、难懂，应用的数学知识较多，一直以来都处于“教师难讲、学生难懂”的状态。虽然，教师大量采用多媒体技术（图片、动画乃至影像资料）用于课堂教学，但没有实验体系支撑的纯理论教学依然无法真正摆脱“灌注”式的教学模式。
3. 理论教学与本专业工程实际结合不足
流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用，属于理论性和实践性较强的专业基础课程，所提供的研究方法可直接用于科学研究和工程设计过程。专业基础课是学生掌握专业知识技能必修的重要课程，其主要任务是为专业课学习奠定必要的基础。虽然课程教材中现象、例题、练习题等都是基于实际物理现象，但由于多是由力学专业教师授课，与本专业工程实际结合较少，导致学生不知为何而学，不知如何应用，学生学习积极性较低，学习效率较低。
4. 孤立的模拟实验台，学生无法联想到实际工程
目前流体力学实验教学多为设置模拟实验台，学生通过观察、测试验证某些物理现象或理论公式算法等观测流动现象，验证所学理论，掌握实验的方法和操作技能，训练整理实验资料、编写实验报告的能力。但孤立设置的一段管段和设备，无法让学生实验现象与实际工程起来，学生不能真正理解实验的目的和意义，只是按照实验指导书按部就班地完成任务，参与积极性不高，实验没有真正发挥出专业基础的作用。
5. 模式化的考核方式使学生采取错误的学习方法
目前，流体力学教学多数采用传统的考试方法，考试命题常拘泥于书本，记忆多，理解少，知识的应用更少，忽略了对学生综合能力的考核。以单纯检验知识掌握程度为标准，学生平时不学习，考试前“突击”几天，做几个典型题，考试也可能考出好成绩，但考完即忘，无法打下扎实的基础。这不能全面考查学生的真正素质，思维活跃、求学好问、注重实际应用的学生往往不能充分发挥水平，部分学习方法僵硬、但善于背知识的学生却能拿高分，出现“高分低能”现象。长此以往，学生学习缺乏主动性，学习方法僵硬，只是死记硬背，忽略了对知识的全面理解和融会贯通，更谈不上对知识的应用。
三、课程教学改革内容
为解决流体力学教学中存在的实际问题，本专业在近几年的流体力学教学中积极探索实践，积极探索尝试更适用于应用型人才培养的教学模式，把抽象的物理现象形象化，引导学生透过现象看本质，培养学生工程意识，提高学生的实践、创新能力，使学生能更好地投入后期的专业课学习。
1. 丰富有趣的绪论课，调动学生的学习兴趣
良好的开端是成功的一半。绪论课是本课程的次课，绪论课上得成功与否，直接影响到学生在今后的学习中是否对该课程产生兴趣，影响到学生对该门课程掌握的程度高低。教师可以适当增加绪论课课时，在课上介绍流体力学的发展简史，通过大量引入实例介绍流体力学在人类文明发展中*的作用，介绍流体力学在航空航天发展方面的成就等内容，激发学生对本课程的自豪感和学习兴趣。教师以利用一些生活周边的工程实例带动学生讨论交流，引导学生从本专业角度出发思考问题。
2.“轻推导重应用”的理论教学思路
流体力学包含大量自然科学的基础理论，针对笔者所在学校学生数学和物理基础较薄弱的特点，教师要重点强化公式理论物理意义的理解、在工程技术科学方面的应用，增强课程的
实践性，带动学生将所学研究方法直接用于科学研究和工程设计过程中。例如，恒定总流伯努利方程的教学，常规的教学方法是从微元分析的角度开始进行公式推导。但对高数基础较差的学生来说，学习还没开始就已经被各种微积分符号吓得打退堂鼓了，在推导公式前，教师可以带学生回顾高中物理的能量守恒定律，以固体的机械能守恒扩展到流体的总能守恒，使学生很自然地理解了方程的物理意义，增强学习的信心。
3. 以工程案例分析教学法为代表的应用型教学模式
“应用型”人才的典型特点就是具备很强的自主学习、独立解决问题的能力，因此培养的重点在于提高学生的综合素质。
这就要求教师要从知识传授型教学模式向应用型教学模式转变，使学生从知识接受者变为知识的探究者，从传统的重教轻学向“教主于学”转变。教师在课堂上根据教学目标和内容的需要，利用工程案例组织学生进行学习、讨论，锻炼学生的分析、归纳、总结的能力。教师可以设计一些习题课与专题讨论课来解决与课程基本理论相关的实际问题，提升学生解决问题的能力。
4. 结合本专业工程需要设计有专业特色的课程实验
笔者所在学校投资百万建成了占地1000 多平方米的建筑环境与能源应用工程专业综合实验室，包括集中冷热源的各种空调系统，如热回收空调系统、辐射空调系统、地源热泵机组、空调系统BA 控制及其能耗分析的综合工程系统，*按实际工程规格设计建造非试验台、实验装置式的演示设备。完善的专业综合实验室为建设有工程特色流体力学实验提供了先决条件。教师灵活利用现有专业实验室资源，结合工程实际需要，设计特色实验，建立有专业特色的、能够更好地衔接后续专业课程的流体力学实验教学体系，把抽象的物理现象形象化，引导学生透过现象看本质，培养学生工程意识，提高学生的实践、创新能力。
本次教学改革实践中将实验体系划分为由浅入深的三个层次：基础演示实验、基本理论实验、综合扩展实验。这三个层次有机又相互区别, 分别满足不同教学阶段的需求。
（1）基础演示实验：主要为与实际生活和空调通风工程紧密结合的基础性演示实验，知识覆盖面广。教师精选一些“意料之外，科学原理其中”的基础实验，让学生在轻松愉快地观摩学习、探索流体力学的基本规律。此部分典型实例均为学生调研采集，在制作过程中吸引了学生深厚的兴趣，除一些演示台外，还包括一些视频资料、图片演示等。
（2）基本理论实验：包含多个阐述及验证流体力学基本方程的实验，如能量方程、动量方程实验等，服务于对流体力学理论的形象理解。此部分实验除个别需学生实际观察流体流动过程的实验外，其余均在实际空调系统管道中进行测试。学生在实验过程中对空调系统的调节、流动有初步认识，理解实验对后续专业课学习的实际作用，从而更有目的性地进行实验及总结。
（3）综合扩展实验：以流体力学理论为基础，以暖通空调工程及其测控技术为应用背景，着重培养学生分析和解决问题的能力，如风口温差射流衰减实测分析、流量调节前后管道内流动状态对比分析等。除一些工程基础实验外，教师在这个层次中尽量扩展体现本学科的前沿科研成果及动态，为学生提供开放式实验和自主式设计平台，使学生的能力得到锻炼，自由想象与自主创新的潜力得到开发与培养。
5. 以教师教学创新促进学生学习创新，实现课内与课外有机结合
学校力求构建一种“寓教于乐、寓学于研”的教学氛围，从封闭型课堂向开放型课堂转变，以提升整体教学效果。教师主要采取以下几种方式：在教学中引导学生把握流体力学解决问题的思维方式和研究方法，对于特定知识点安排专题作业，鼓励学生自主学习，如动员学生发现身边的流体力学现象，完成调研报告；让学生自行设计并组装简易的流体力学装置，学生在动手中发现理论本质；布置课程论文任务，让学生在课外完成一篇流体力学知识应用的课程论文，通过解决开放性问题，锻炼学生自主学习能力，培养学生的创造力。
6. 以评价学生“学习成效”为导向的课程考核方式
教师以学生的能力培养为主线，在教学中不把学生学到诸多具体的知识点作为目标，而是更注重学生学习到了什么方法、具备了什么能力。教师在这一原则指导下不断探索课程考核方式的改革。成绩评价不再以记忆性的书本知识为主要内容，即从考核学生学习成绩向评价学习成效转变，教师引导学生从注重考试结果向注重学习过程转变，增强学生学习的主动性。例如，考卷中增设开放性题目，考查学生对知识的理解应用能力；加大对课后专题作业与课程论文的考核力度和分值占比，课程作业避免题海训练，加大综合性、设计性、开放性题目的数量，对学生在学习过程中所表现出来的学习方法、策略、合作精神等因素进行全面的综合评价。
四、结束语
流体力学以其数学分量重、抽象概念多、理论性强、实践性强的特点，成为本科生认为难学的课程之一，被学生戏称为“留级力学”。因此，如何让学生更容易理解、更乐于学习、更善于应用，是本门课程教学的大难点。
笔者所在学校在近几年的教学实践中不断实践，探索实施丰富的绪论课内容、基于“轻推导重应用”的理论教学思路、以工程案例教学法为代表的研究型教学模式、结合工程需要设计有专业特色的课程实验，以及以教师教学创新促进学生学习创新、以评价学生学习成效为导向的考核方式为主要内容的应用型教学模式改革。实践证明，通过以上改革实践，学生对流体力学的学习兴趣明显提高，大多数学生积极参与课堂讨论，课堂氛围活跃，教学*。