宮偉力 彭巖巖
摘要:流體力學(xué)是工程力學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,也是一門理論性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。教學(xué)改革要求教師必須注意改革傳統(tǒng)的教學(xué)方式,從灌輸式教學(xué)方式向互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變不僅有助于提高教師的教學(xué)技巧,而且也有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高他們自主學(xué)習(xí)能力,為他們終生學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。從流體力學(xué)教學(xué)實(shí)際出發(fā),闡述互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)方式運(yùn)用的方法和成果。教學(xué)改革后提高了教學(xué)效率,學(xué)生最終能夠?qū)W以致用。
關(guān)鍵詞:流體力學(xué);教學(xué)改革;互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)
中圖分類號(hào):G424; 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-9795(2014)02(b)-0000-00
近年來,作為在新的歷史時(shí)期全面推進(jìn)我國(guó)高校人才培養(yǎng)模式改革的重要舉措,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)大力開展全面建設(shè)研究型本科教育教學(xué)體系,加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),落實(shí)“創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)”的教學(xué)改革研究?!皠?chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)”由創(chuàng)新方法類課程、創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)組成。包括科研導(dǎo)論課、科研技能實(shí)踐、以及大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目等等。然而,大學(xué)本科生在校的大多數(shù)學(xué)習(xí)時(shí)間還是以課堂為主,如何對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行改革,以適應(yīng)研究型本科教育教學(xué)體系的需要,是本文探討的問題。
一、流體力學(xué)課程的指導(dǎo)思想及定位
流體力學(xué)是工程力學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,為后續(xù)課程提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用工具。因此,牢固掌握流體力學(xué)課程的基本內(nèi)容,熟練運(yùn)用該課程的基本方法,透徹理解其基本思想,是打開力學(xué)專業(yè)階段學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。對(duì)于流體力學(xué)這門課的普遍認(rèn)識(shí)是,老師們難教,學(xué)生們難學(xué)。究其原因,是因?yàn)閷W(xué)生在中學(xué)沒有接觸過流體方面的知識(shí),是“懵懂無知”的狀態(tài);而到了大學(xué),一開始就要接觸流體的性質(zhì)、模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的概念,是“被動(dòng)接受”的狀態(tài)。這對(duì)于大學(xué)生來說勢(shì)必會(huì)感覺很難,從上課聽不懂,習(xí)題不會(huì)做到上課不想聽,習(xí)題抄答案,形成惡性循環(huán),而教師的灌輸式教學(xué)更使得這門課預(yù)期達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。學(xué)生的基礎(chǔ)沒有打好,對(duì)于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)勢(shì)必產(chǎn)生不良影響。如何使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既能獨(dú)立思考,又能積極響應(yīng)教師的互動(dòng)提示,進(jìn)行有效的互動(dòng),這是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。
以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的互動(dòng)式教學(xué)思想[ ]在教學(xué)工作中逐步得到鞏固和落實(shí),在教學(xué)方法的改革上取得了可喜成績(jī)。但是,要真正實(shí)現(xiàn)“教以學(xué)為本”[ ],還需要不斷在教學(xué)思想、教學(xué)方法、課堂結(jié)構(gòu)等諸多方面進(jìn)行創(chuàng)新性的探索與研究。作者近年來一直從事流體力學(xué)課程的教學(xué)工作,對(duì)如何讓學(xué)生學(xué)好這門課進(jìn)行了一定的研究。作者認(rèn)為,啟發(fā)式教學(xué)[ ]對(duì)于流體力學(xué)難教、難學(xué)這一問題是一有益的解決方案。通過在課堂上與學(xué)生互動(dòng)以及在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)W(xué)生進(jìn)行啟發(fā),能夠改變流體力學(xué)課堂沉悶,學(xué)生不想聽講的氛圍,同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)修養(yǎng)與力學(xué)能力大有裨益。教師在教學(xué)過程中切實(shí)重視、真正確立學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位,通過學(xué)生自悟、質(zhì)疑、寫練的同時(shí),加強(qiáng)學(xué)生主體之間的信息交流,以及教師的適時(shí)點(diǎn)撥啟導(dǎo),構(gòu)建“互動(dòng)啟發(fā)式”這一課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)體系,能更好地讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),逐步提高學(xué)習(xí)修養(yǎng)。
作者針對(duì)上述問題,參考了國(guó)內(nèi)外教學(xué)資料,結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn),并以工程力學(xué)08級(jí)的“流體力學(xué)”教學(xué)為研究對(duì)象,成立了“巖爆研究大學(xué)生創(chuàng)新小組”。小組成員利用課余時(shí)間,參加重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研活動(dòng),在北京市學(xué)會(huì)第17屆學(xué)術(shù)年會(huì)上了表了三篇論文[ - ]。小組成員的學(xué)習(xí)熱情、學(xué)習(xí)成績(jī)、研究水平得到了很大的提高。由此可見“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)適應(yīng)教學(xué)改革的需要?!盎?dòng)啟發(fā)式”教學(xué)方式改變了過去那種學(xué)生被動(dòng)接受的狀況,它要求教師的教學(xué)必須以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性為主,學(xué)生是主動(dòng)的參與教學(xué),而不是被動(dòng)的去記憶。作者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)方式是教師學(xué)生“雙贏”的教學(xué)方式,它促進(jìn)了師生間的情感交流,調(diào)節(jié)了課堂氣氛,是符合大學(xué)教學(xué)大綱的新選擇。
二、流體力學(xué)的基礎(chǔ)性、前沿性和時(shí)代性
《流體力學(xué)》課程是計(jì)算流體力學(xué)、多相流動(dòng)、非牛頓流體力學(xué)的基礎(chǔ)性理論。同時(shí),本門課程對(duì)于許多理論性較強(qiáng)的學(xué)科,如工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、流固耦合、滲流力學(xué)等,都是必不可少的基礎(chǔ)理論課?!读黧w力學(xué)》課程中的許多專題:如邊界層理論、湍流、渦動(dòng)力學(xué)、水波動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等都是發(fā)展迅速的前沿學(xué)科。當(dāng)前,隨著環(huán)境和資源探測(cè)要求的增長(zhǎng)與技術(shù)進(jìn)步,出現(xiàn)了許多或以流體力學(xué)為基礎(chǔ)、或與流體力學(xué)相交叉的新學(xué)科,如CCS(碳固存)、煤巖中的瓦斯流動(dòng)、多場(chǎng)耦合、多相流及非牛頓流體力學(xué);特別是隨著高超音速飛行器和運(yùn)載工具、超靜音潛艇、以及現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展,為流體力學(xué)學(xué)科提出了更多的新問題,也為學(xué)習(xí)《流體力學(xué)》的學(xué)生提供了廣闊的發(fā)展空間。
三、流體力學(xué)教學(xué)改革的嘗試和成效
在教學(xué)中努力踐行“研究型學(xué)習(xí)”[ ]與“創(chuàng)新型人才”[ ]的培養(yǎng)。開展“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)法改革,培養(yǎng)學(xué)生積極思考、研究型學(xué)習(xí)、創(chuàng)新型思維的能力。在平時(shí)成績(jī)考核中,增加了“研究報(bào)告”一項(xiàng),指導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)書中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行深入研究,在創(chuàng)新教育理念與研究性教學(xué)相融合上作出了有益的實(shí)踐。
(一)教學(xué)方式的改革
《流體力學(xué)》課程的特點(diǎn)是:理論性很強(qiáng),對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。例如,除了需要了解一般張量變換和指標(biāo)運(yùn)算的規(guī)則外,還需要了解張量場(chǎng)論、曲線坐標(biāo)系下的張量微分學(xué)、微分幾何中關(guān)于點(diǎn)、線、面間的拓?fù)潢P(guān)系;以及由Gaussian定理、Stokes定理、標(biāo)量勢(shì)、矢量勢(shì)、Helmholtz張量分解定理、向量場(chǎng)的梯度來表示流體力學(xué)的求解域,需要了解它們的幾何意義以及在流場(chǎng)幾何描述中的應(yīng)用。另外,在對(duì)不同流動(dòng)現(xiàn)象的偏微分方程定解問題的求解中,需要講解有關(guān)的數(shù)學(xué)物理方法的背景知識(shí),如解波動(dòng)方程的行波法、求解渦旋場(chǎng)中的格林函數(shù)法等。僅采用PPT教學(xué),難以表達(dá)在定理推導(dǎo)或偏微方程求解中的思辨、引證與推理過程。
因此,將傳統(tǒng)“板書式”教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合,各種方法互為補(bǔ)充,探索啟發(fā)式教學(xué)法的創(chuàng)新,采用了以下的教學(xué)方法與教學(xué)手段:
1、對(duì)于建立流體力學(xué)基本方程組或偏微分程求解過程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo),采用板書講解為主,PPT為輔的教學(xué)方法。由于多數(shù)學(xué)生的張量場(chǎng)論與張量微分學(xué)的基礎(chǔ)較薄弱,在從這些定理出發(fā)建立流體力學(xué)基本方程的教學(xué)中,需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)學(xué)推導(dǎo),很容易造成學(xué)生的疲勞。采用傳統(tǒng)的“問-答”為主的“啟發(fā)式”教學(xué)法,往往得到“啟發(fā)”的只是部分基礎(chǔ)較好的同學(xué),多數(shù)學(xué)生很少能主動(dòng)響應(yīng),容易形成流體力學(xué)“難以學(xué)懂”的印象。
針對(duì)上述問題,創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)法。所謂“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué),就是在設(shè)置啟發(fā)問題過程中,對(duì)被啟發(fā)對(duì)象的思維過程施加以強(qiáng)烈的影響,激發(fā)學(xué)生深入思考的方法。具體是,在理論學(xué)習(xí)、定理推導(dǎo)、或典型例題講解過程中,由老師首先進(jìn)行提綱式講解,針對(duì)教材中的重點(diǎn)且難點(diǎn)問題,要求學(xué)生進(jìn)行一定時(shí)間(5-7分鐘)的課堂練習(xí)作業(yè),啟發(fā)學(xué)生提出問題。最后,再由老師進(jìn)行板書講解的“講解—學(xué)生練習(xí)-提問—再講解”的課堂教學(xué)過程。
“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)法實(shí)施的關(guān)鍵,是由教師對(duì)講解的問題進(jìn)行綱要式分析,給出主要思路并交待相關(guān)背景知識(shí),對(duì)其中的關(guān)鍵問題設(shè)置疑問點(diǎn);在學(xué)生進(jìn)行5-7分鐘的課堂練習(xí)過程中進(jìn)行巡查,發(fā)現(xiàn)學(xué)生遇到的難點(diǎn)并適時(shí)提問,最后,有重點(diǎn)地進(jìn)行分析與講解。在這一過程中,給學(xué)生提供了一個(gè)獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)、創(chuàng)造了一個(gè)平等、自由的提問環(huán)境,使學(xué)生可以毫無顧慮地與老師交流,也便于老師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。老師在學(xué)生達(dá)到思維臨界點(diǎn)時(shí)的講解,學(xué)生的印象深刻,可以達(dá)到事半功倍的效果。
2、對(duì)于流體力課程中應(yīng)用型專題和涉及實(shí)際物理現(xiàn)象較多的章節(jié),采用PPT或錄像為主的現(xiàn)代化教學(xué)方法。這樣,可以在有限的課時(shí)內(nèi),在使學(xué)生充分掌握書中的理論知識(shí)的同時(shí),對(duì)相關(guān)的物理現(xiàn)象有感性認(rèn)識(shí),加深對(duì)理論知識(shí)理解,以激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此,通過課程建設(shè),編制了實(shí)驗(yàn)錄像。實(shí)驗(yàn)錄像介紹流體力學(xué)理論的背景知識(shí),如有關(guān)流體粘性、壓縮性、靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、伯努利方程實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、邊界層流動(dòng)等,利用PPT等現(xiàn)代化教學(xué)方法在課堂教學(xué)中加以運(yùn)用。
3、耐心、細(xì)致的課后輔導(dǎo)。對(duì)于在課堂上提出問題的學(xué)生,無論問題對(duì)錯(cuò)、難易,在回答問題前,首先用“這是一個(gè)很好的問題,…”,“你的問題很重要,…”等加以鼓勵(lì),然后再回答問題;對(duì)勤于思考的同學(xué)加以表揚(yáng)。
4、改革考試的形式和內(nèi)容,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。教學(xué)實(shí)踐中,對(duì)期末考試進(jìn)行改革:平時(shí)成績(jī)定量化計(jì)分制;要求每位同學(xué)選擇教科書中的一個(gè)專門問題進(jìn)行研究,提交一份專題研究報(bào)告;在期末考試卷面成績(jī)出題中與評(píng)分中,強(qiáng)調(diào)解題的分析過程。通過上述方法,在考試內(nèi)容上,將知識(shí)測(cè)識(shí)與創(chuàng)新能力測(cè)試相結(jié)合。
(二)教學(xué)改革效果
自我校工程力學(xué)專業(yè)開設(shè)《流體力學(xué)》課程以來,作者一直致力于以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、研究型學(xué)習(xí)方法建立為目標(biāo)的教學(xué)改革,在不斷提高自身理論水平的同時(shí),提出了“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)方法并在教學(xué)實(shí)踐中加以運(yùn)用。學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)組的資深老師多次聽課,都給予了很高的評(píng)價(jià)。在授課中注重板書推演、思辨清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、通俗易懂,在課后熱情輔導(dǎo)同學(xué)們的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究活動(dòng)。作者的授課及輔導(dǎo)受到同學(xué)們的廣泛歡迎。
四、課程特色
力學(xué)專業(yè)《流體力學(xué)》課程理論性強(qiáng)、對(duì)張量分析、場(chǎng)論、數(shù)學(xué)物理方法與特殊函數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)要求高。作者在不斷提高自身的理論水平、積極開展教學(xué)研究與改革的基礎(chǔ)上,形成了下述課程特色:
(一)在建立流體力學(xué)基本方程組與求解流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型過程中,板書推演思辨清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、通俗易懂,對(duì)所需的張量、場(chǎng)論、數(shù)學(xué)物理方法背景知識(shí)可進(jìn)行詳細(xì)分析或精講。為使理論分析連續(xù)、易于啟發(fā)學(xué)生的思維,撰寫了近60萬字的背課筆記/授課講義,在板書推導(dǎo)中,多數(shù)情況下可以脫稿講解。
(二)采用“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)方法,在課堂上形成與學(xué)生間的良好互動(dòng),啟發(fā)學(xué)生的自主思維、深入思考,以達(dá)到深入理解復(fù)雜數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的目標(biāo)?!盎?dòng)啟發(fā)式”教學(xué)方法不斷充實(shí)完善,形成了包括課堂的即時(shí)啟發(fā)教學(xué)、平時(shí)的考察輔導(dǎo)與期末考試互相支持的系統(tǒng)方法。為研究型學(xué)習(xí)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了有力保障。該方法得到了越來越多的認(rèn)同。工程力學(xué)系的同仁,如黎立云教授、祝捷副教授等老師都采用了“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)法,并形成了自已的特色,取得了很好的教學(xué)效果。
(三)強(qiáng)調(diào)“研究型”學(xué)習(xí)方法。在平時(shí)的作業(yè)中,要求學(xué)生將每一道習(xí)題當(dāng)作一個(gè)“模型科學(xué)問題”,以論證與推演過程是否合理來評(píng)價(jià)學(xué)生作業(yè)的優(yōu)良等級(jí)。對(duì)學(xué)生的作業(yè)認(rèn)真評(píng)分并計(jì)入平時(shí)成績(jī)。允許作業(yè)成績(jī)不理想的同學(xué)可以重作,重新評(píng)分。另外,要求學(xué)生在課程結(jié)束前,選擇書中的問題提交一個(gè)研究報(bào)告,老師給予輔導(dǎo)、評(píng)分,并計(jì)入平時(shí)成績(jī)。以上措施在培養(yǎng)學(xué)生的研究型學(xué)習(xí)方法上起到了十分重要的作用。
(四)積極引導(dǎo)、支持學(xué)生開展創(chuàng)新科研活動(dòng)。指導(dǎo)學(xué)生針對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)開展解題方法、教學(xué)方法的研究,并將結(jié)果撰寫成研究報(bào)告或教改論文。在授課期間,對(duì)有學(xué)生要求給予科研的學(xué)術(shù)指導(dǎo),總是熱情響應(yīng)。
五、流體力學(xué)教學(xué)工作的展望
(一)繼續(xù)充實(shí)、完善習(xí)題庫(kù)、多媒體課件、實(shí)驗(yàn)錄像等教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。
(二)以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、研究型學(xué)習(xí)方法為目標(biāo),繼續(xù)開展教學(xué)方法的研究,不斷完善“互動(dòng)啟發(fā)式”教學(xué)方法的內(nèi)涵。
(三)現(xiàn)有的力學(xué)專業(yè)《流體力學(xué)》教材或深度不夠、或難于自學(xué)。準(zhǔn)備在多年流體力學(xué)教學(xué)積淀與撰寫的講義的基礎(chǔ)上,出版一部通俗易懂、學(xué)術(shù)水平高、具有礦業(yè)特色的流體力學(xué)教材。
(四)目前的張量分析、場(chǎng)論的教材大都比較抽像,受眾較少。準(zhǔn)備集自已多年在微分幾何、張量與場(chǎng)論理論的學(xué)習(xí)心得,在撰寫的講義基礎(chǔ)上,出版一部側(cè)重于講解張量、場(chǎng)論主要定理幾何意義及其在流場(chǎng)描述應(yīng)用的學(xué)術(shù)論著,作為力學(xué)專業(yè)《流體力學(xué)》課程的參考教材。
(五)跟蹤國(guó)際上最新研究成果、發(fā)表高水平科研與教改論文,提高自身素質(zhì),促進(jìn)教學(xué)水平的提高。
六、結(jié)語
用“互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)”法進(jìn)行教學(xué),不但能使學(xué)生順利地接受新知識(shí),而且教給學(xué)生利用已有的知識(shí)通過歸納總結(jié)去認(rèn)識(shí)新知識(shí)的一種有效的學(xué)習(xí)方法,這就給了學(xué)生一雙點(diǎn)石成金的手。同時(shí),由于采用對(duì)比、比喻等方法,引進(jìn)一些生動(dòng)活潑、通俗易懂、典型直觀的事例,不僅使教學(xué)雙邊活動(dòng)有聲有色,而且在重溫舊課時(shí)輕松愉快的認(rèn)識(shí)和掌握深?yuàn)W、抽象、復(fù)雜的概念和規(guī)律,起到事半功倍的效果?!盎?dòng)啟發(fā)式教學(xué)”是傳授知識(shí)、啟迪思維提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段,是一種行之有效的、科學(xué)的教學(xué)方法。
總而言之,作為大學(xué)教師,為了改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式,必須在了解自己學(xué)生的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的教學(xué)策略和教學(xué)方式。互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)方式克服了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)參與性,它是大學(xué)教學(xué)改革的必然要求,應(yīng)該堅(jiān)持并努力完善這種教學(xué)方式,使教學(xué)真正做到學(xué)以致用。
參考文獻(xiàn)