針對境外生特點的《工程流體力學》教學方法改進

針對境外生特點的《工程流體力學》教學方法改進

摘要：針對在國內(nèi)高校就讀的境外生特點，對《工程流體力學》課程從教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等方面進行改進。簡化知識鏈結(jié)構(gòu)，把教學思路從建立分布規(guī)律再帶入流動條件調(diào)整為從流體受力條件分析得出分布規(guī)律，采用逆向教學方式，將講述方法從▽調(diào)整為△，并借助思維導圖明確知識結(jié)構(gòu)，提高了境外生教學目標的達成質(zhì)量。Keys：境外生教學工程流體力學

教學方法改進

思維導圖應用多元背景和基礎(chǔ)的境外生是華僑大學生源的一個特色，隨著國際交流的增進和中國高等教育的進步，境外生在國內(nèi)高校的就讀人數(shù)在逐年提高。以華僑大學為例，2020年入學新生中，境外生比例高達31.3%[1]，2020年底學校在讀的境外生人數(shù)超過6100人[2]。境外生來源地分布范圍廣，基礎(chǔ)知識和文化背景明顯不同，學習習慣和思考問題的方式也存在著鮮明的差異。針對境外生學習方式和基礎(chǔ)知識特點的教學方法改革是改善其學習效果的必須任務?！豆こ塘黧w力學》是工科各專業(yè)的重要學科基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容涉及大量的公式推導、數(shù)學計算和力學模型的建立。對各種程度的學生來說，都不是一門能夠容易掌握的課程。華僑大學機電學院在工程流體力學的教學中，對境外生采取單獨授課的方式，針對境外生的特點重新確立教學目標、規(guī)劃教學內(nèi)容、設(shè)計教學方法，明顯提高了教學目標的達成度，改進了教學質(zhì)量。首先是教學目標的調(diào)整，把培養(yǎng)解決工程實踐問題能力的培養(yǎng)和分析解決工程實踐問題方法科學思想的養(yǎng)成作為教學的首要目標，同時把“全面認識中國技術(shù)和培養(yǎng)專業(yè)自豪感”添加進教學目標。然后是教學內(nèi)容的改進，增加課堂案例分析和習題講解課時，用大量的案例和習題講解代替課程中復雜的公式推導，把任務重點引向?qū)A(chǔ)知識的應用。對數(shù)學模型和公式，更多的是解釋其原理和物理意義，而不再占用較多課時展示公式的完整推導過程。同時，盡可能與專業(yè)國際習慣接軌。國內(nèi)使用的教材中，有些參數(shù)及變量常用漢語拼音的開頭字母表示，還有些采用中國習慣的表示方法和取值。在針對境外生的教學中，均采用國外普遍應用的符號、表示方法和數(shù)值，避免學生后續(xù)在境外工作學習時產(chǎn)生困擾和誤會。教學方法的改革是核心，也是課程團隊提升的重點，主要改進工作從以下幾個方面進行。一．簡化知識鏈境內(nèi)生教學中，教師會盡可能增加知識的廣度，使學生學習一門專業(yè)課或基礎(chǔ)課的同時，獲得盡量多的知識理論和信息，依賴深厚的基礎(chǔ)知識和理論、方法導出教學內(nèi)容。針對境外生的教學中，教學團隊重新梳理教學內(nèi)容，力求以最簡單的思路和最少的理論、概念達成教學目標，大大減少了對學生基礎(chǔ)知識深度的要求，盡量簡潔地得出指導工程應用的原理和方法。以流體靜力學基礎(chǔ)中流體靜壓強分布規(guī)律為例。原有教學方案涉及知識點及思維導圖如圖1所示?；A(chǔ)概念部分需要提前介紹作用在流體上的力的種類，包括質(zhì)量力和表面力以及單位質(zhì)量力的概念。靜壓強公式推導過程中，介紹歐拉平衡方程、壓強差公式、等壓面公式和等壓面的定義，以及有勢力和勢函數(shù)的概念。針對境外生設(shè)計的流體靜壓強分布規(guī)律教學思路如圖2所示，無需引入單位質(zhì)量力等概念，從牛頓第二定律出發(fā)，建立流體微元壓力和重力與外力平衡的模型，對重力場中的流體微元加以簡化，得出微分方程并積分得到靜壓強分布式[3,4]。二．調(diào)整思維方式分析流體受力和運動規(guī)律有兩種思考方式，一種是微元法，跟隨受力的流體微元進行分析；另一種是控制體法，針對流體流動的空間區(qū)域建立物理量的分布規(guī)律[5]。國內(nèi)的教材中多采用第二種方式，通過基本定理引出某物理量在流場空間的分布規(guī)律，再根據(jù)流場特點進行簡化并運用微積分運算得出講述方程。其優(yōu)點是建立的模型簡單易于表達，但是對基礎(chǔ)知識尤其是數(shù)學的基礎(chǔ)知識要求較高，思路長涉及概念和知識點多，某些學生不易接受和理解。由于本課程中分析的都是流體力學的基礎(chǔ)問題，所以采用基于受力微元的分析方式，建立流體微元受力平衡模型，對平衡方程進行推導，所有模型都從牛頓第二定律導出，學生更容易理解和接受。以絕對靜止和相對靜止流體的靜壓強分布規(guī)律推導為例，按照原有教學方式的思路是，介紹歐拉平衡方程，推導和證明歐拉平衡方程，得到壓強差分布公式，引出等壓面的概念和勢函數(shù)概念，把靜止流體各方向單位質(zhì)量力帶入歐拉平衡方程，對歐拉平衡方程進行積分得到流體靜壓強分布規(guī)律[6,7]。另外，還需要在前面的章節(jié)中介紹質(zhì)量力和單位質(zhì)量力的概念。改進教學方法后的教學思路是，把流體微元受壓力和運動加速度帶入牛頓第二定律，化簡得出壓強差公式，積分得到流體靜壓強分布規(guī)律。三．應用思維導圖輔助建立知識體系對各章節(jié)內(nèi)容用思維導圖明確各原理和知識點間的關(guān)系，幫助學生建立知識結(jié)構(gòu)，理解各層次理論和方法間的關(guān)聯(lián)。如圖1和圖2所示，即為對應內(nèi)容的思維導圖。四．將課程講述方式從▽調(diào)整為△方式國內(nèi)習慣采用的教學方式往往是▽型的，即首先提出一系列相關(guān)概念并詳細解釋、嚴謹規(guī)定，大量基礎(chǔ)知識介紹完成后，再用前述的概念構(gòu)成某一原理。往往在解釋原理前，敘述了大量概念和定義。這樣先嚴謹、大量鋪墊，然后才進入正題的方式常常會給學生帶來較多困擾，尤其是對中文理解能力不足、不能長時間接受大量信息的境外生更是困難重重，甚至還沒有進行到核心內(nèi)容，學生已經(jīng)疲勞而失去了學習的耐心和興趣。對此，教學團隊借助思維導圖，把教學方式調(diào)整為△型，即首先提出主要原理，然后逐漸收斂，把各個相關(guān)條件加以限制和細化，圍繞核心內(nèi)容引出相關(guān)概念。學生在第一時間進入課堂的主要內(nèi)容，然后帶著明確的目標和對知識結(jié)構(gòu)的了解進一步細化，同時避免了疲勞和失去興趣。以流體動力學基本概念部分內(nèi)容為例，境內(nèi)生教學采用▽型結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。這一節(jié)的教學重點一是講述流線的概念、特點及流線方程，另一個重點是講述平均流速的概念。在引出平均流速概念前，解釋了流管、流束、總流、有效截面、體積流量等五個概念，直到解釋平均流速時，才把這五個概念的收斂在一起，這會導致學生在前段敘述過程中不明確內(nèi)容的目標而產(chǎn)生疲勞和困惑。圖3描述流體運動的參數(shù)-平均流速（改進前）圖4為改進后的△教學結(jié)構(gòu)，先解釋平均流速的概念，再逐層說明涉及的概念和內(nèi)容。這樣先明確教學目標，再分層次展開相關(guān)內(nèi)容，使學生在第一時間明確重點內(nèi)容和其它內(nèi)容間的關(guān)系。五．教學方法改進的基本原則教學目標一致《工程流體力學》最主要的一項教學目標就是培養(yǎng)學生解決與流體運動相關(guān)的工程問題，針對境內(nèi)生和境外生的教學效果，使學生能夠解決的工程實踐問題是一致的，不能夠由于教學內(nèi)容的簡化而降低學生解決問題的能力。思路可貫穿教學內(nèi)容所采用的教學方法和思路一定是可貫穿于完整教學內(nèi)容的，不會在某個部分產(chǎn)生不可調(diào)和的沖突進而發(fā)生教學內(nèi)容無法連續(xù)進行的情況。保證知識鏈的完整性針對境外生教學的改革簡化了部分內(nèi)容和方法，但是不會由于內(nèi)容的簡化或教學方法的改進而缺失必要的知識環(huán)，或在某一部分內(nèi)容的講述中發(fā)現(xiàn)之前省略的內(nèi)容造成這部分內(nèi)容無法清楚講述的情況。針對境外生教學目標、內(nèi)容和方法改革后，建設(shè)了針對境外生使用的課件（視頻、PPT）和案例分析、習題，與境內(nèi)生的課件一同供學生使用。該資源不僅可用于境外生，其他學生也可以選擇使用這一系列教學資源，教學實現(xiàn)的目標和對目標達成度的要求與境內(nèi)生一致，即能夠應用基礎(chǔ)知識分析和解決的工程實踐問題，無論從實踐問題的難度和復雜程度來說，都是一致的。雙重資源共同應用已經(jīng)進行了二個學年，境外生班的課程及格率達到88.2%，平均成績從37分提高到78分。國際化的學校和教學需要更多元的思考、探索和嘗試。學生的學習方式和習慣及思維模式都會隨社會生活與環(huán)境的影響不斷變化，同時學生就業(yè)和深入學習的范圍也在不斷擴展，本科階段的學習也是未來與更廣闊世界連接的橋梁。希望在今后的教學實踐中，結(jié)合學生特點和需求探索出更多、更有效的教學方法。Reference：[1]/info/1070/89093.htm[2]/info/1067/89506.htm[3]YunusA.Cengel,JohnM.Cimbala.Fluidmechanics:fundamentalsandapplications.McGraw-HillEducation,Inc.2010[4]E.JohnFinnemore,JosephB.Franzini.Fluidmechanicswithengineeringapplications.McGraw-HillEducation,I