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流體力學(xué)課程內(nèi)容思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用

2019-05-11 05:57劉巖李敏
中國(guó)教育技術(shù)裝備 2019年22期
關(guān)鍵詞:邏輯關(guān)系流體力學(xué)思維導(dǎo)圖

劉巖 李敏

摘? 要 將思維導(dǎo)圖法應(yīng)用于流體力學(xué)課程教學(xué)中,以更好地講解知識(shí)點(diǎn)之間內(nèi)在關(guān)系。分別設(shè)計(jì)用于章節(jié)概覽、知識(shí)點(diǎn)小結(jié)、章節(jié)總結(jié)等方面的思維導(dǎo)圖,將這些思維導(dǎo)圖用于課程的課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后總結(jié)教學(xué)活動(dòng)中,發(fā)現(xiàn)思維導(dǎo)圖有助于提高流體力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量。本研究結(jié)果可供流體力學(xué)課程教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 流體力學(xué);思維導(dǎo)圖;教學(xué)方法;邏輯關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào):G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1671-489X(2019)22-0038-04

Mind Mapping Design and Teaching Application of Fluid Mecha-

nics Course Content//LIU Yan, LI Min

Abstract The mind mapping method is applied to the teaching of fluid mechanics to better explain the internal relationship among knowledge points. This paper has designed mind maps for chapter overview, knowledge points summary, chapter summary and so on. These mind maps are used in the teaching activities such as pre-class preparation, classroom learning and after-school summarization. It is

found that the mind maps help to improve the teaching effect of the fluid mechanics course. The results of this study can be used as a reference for the teaching of fluid mechanics.

Key words fluid mechanics; mind map; teaching method; logical relation

1 引言

流體力學(xué)課程是熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)核心課,是進(jìn)一步學(xué)習(xí)流體輸配管網(wǎng)、空氣調(diào)節(jié)、建筑環(huán)境學(xué)、制冷原理與技術(shù)、泵與風(fēng)機(jī)等課程的基礎(chǔ),具有舉足輕重的專(zhuān)業(yè)地位。掌握好流體力學(xué)課程知識(shí),將為學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)、研究生入學(xué)考試和專(zhuān)業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于流體力學(xué)的研究對(duì)象主要是水和空氣等流體,它們沒(méi)有具體的形狀和邊界,無(wú)論是在靜力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中,在作用力及其作用方式上跟固體相比差別很大,其作用力的原理闡述和公式推導(dǎo)基本上采用微積分方程,尤其是三維空間受力的問(wèn)題還需要學(xué)生具備較好的三維空間想象力。因此,與其他力學(xué)相比,流體力學(xué)的課程知識(shí)及研究方法大相徑庭,且非常抽象。該課程的教學(xué)效果往往不好,大部分學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時(shí)的反應(yīng)都是“很難懂”或“非常難學(xué)”,甚至對(duì)該課程望而生畏。

為提高教學(xué)質(zhì)量,早在20世紀(jì)90年代,英國(guó)的A.E.

Vardy[1]就針對(duì)“大部分自然定律的最有用形式與固體力學(xué)中最有用形式不同”這一流體力學(xué)課程特色,提出課程初始階段應(yīng)從學(xué)生在中學(xué)時(shí)所學(xué)知識(shí)切入,并盡可能多地介紹一般知識(shí),以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。陳崢瀅和陳仲培[2]提出在流體力學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)突出各知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系,使學(xué)生更好地掌握課程內(nèi)容,并嘗試啟發(fā)式教學(xué)以活躍學(xué)生的思維。進(jìn)入21世紀(jì)后,趙振興[3]在建設(shè)包含有流體力學(xué)課程的水力學(xué)國(guó)家精品課程項(xiàng)目時(shí),改革了課堂教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,實(shí)施啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué),并取得預(yù)期成果。

近年來(lái),思維導(dǎo)圖因其與人腦思維方式相吻合的特點(diǎn),在我國(guó)高等教育中逐漸得到應(yīng)用。王竹萍和王文英[4]采用思維導(dǎo)圖的方法教學(xué),發(fā)現(xiàn)在思維導(dǎo)圖的幫助下,學(xué)生能更好地預(yù)先把握章節(jié)內(nèi)容,提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量,更容易做練習(xí),更容易記憶課程知識(shí)。吳圣姬和馬青蘭[5]在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的大氣污染控制工程課程中采用思維導(dǎo)圖的教學(xué)方法,歸納了分別用于預(yù)習(xí)、課堂和總結(jié)的學(xué)生個(gè)體式、小組互動(dòng)式和問(wèn)題導(dǎo)向式等三種思維導(dǎo)圖模式,提高了學(xué)生的批判性創(chuàng)新思維能力、歸納總結(jié)和總體規(guī)劃能力。

現(xiàn)有的流體力學(xué)課程教學(xué)方法改進(jìn)研究主要側(cè)重于啟發(fā)式和互動(dòng)式教學(xué),注重激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性,雖然思維導(dǎo)圖教學(xué)法已被引入高等教育,但在流體力學(xué)課程中的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。

本教研組在多年的流體力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中逐步應(yīng)用多媒體技術(shù),采用理論知識(shí)和實(shí)際工程案例相結(jié)合的方法、師生課堂互動(dòng)的方法,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,取得一定的效果。為進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法,本教研組嘗試應(yīng)用思維導(dǎo)圖的方法改進(jìn)流體力學(xué)課程教學(xué),基于教研組多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合思維導(dǎo)圖的表達(dá)技巧,設(shè)計(jì)課程教學(xué)用思維導(dǎo)圖并將其用于試點(diǎn)教學(xué)。

2 思維導(dǎo)圖的課程應(yīng)用分析

思維導(dǎo)圖(Mind Map)是英國(guó)人東尼·博贊[6]于1970年提出的,模擬人腦的脈絡(luò)狀分支延伸的思維方式,各級(jí)主題的關(guān)系用相互包含與相互關(guān)聯(lián)的層級(jí)圖表示,從而讓學(xué)習(xí)者的左腦和右腦在思維過(guò)程中同時(shí)運(yùn)作,形成一種樹(shù)狀的思維圖,樹(shù)狀思維圖使用線(xiàn)條的粗細(xì)、顏色、圖片和圖表以幫助知識(shí)的學(xué)習(xí)和回憶。作為一種思維工具,思維導(dǎo)圖強(qiáng)調(diào)用大腦自身的語(yǔ)言進(jìn)行構(gòu)思表達(dá),讓大腦處于積極思考和不斷創(chuàng)造的狀態(tài)。思維導(dǎo)圖已被用于各種課程教學(xué),可以幫助教師和學(xué)生活躍思維,增強(qiáng)理解和記憶,提高效率。

流體力學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)難度大,各章節(jié)內(nèi)容繁雜、公式繁多,切入角度和側(cè)重點(diǎn)各不相同,看似雜亂松散,然而各知識(shí)點(diǎn)之間實(shí)際上具有很強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系,邏輯關(guān)系強(qiáng)。熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的流體力學(xué)課程結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分。

第一部分是基礎(chǔ)理論,先從緒論引入流體力學(xué)的相關(guān)基本概念,再依次進(jìn)入靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的研究,然后深入流體力學(xué)最大的特點(diǎn):流動(dòng)阻力的專(zhuān)門(mén)研究。這部分內(nèi)容有四章,知識(shí)點(diǎn)之間的連接比較緊密。

第二部分是應(yīng)用知識(shí),包括孔口管嘴和簡(jiǎn)單管路、氣體射流、不可壓縮流體的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、擾流以及相似原理和因次分析法,共四章。

掌握各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系是流體力學(xué)學(xué)習(xí)的鑰匙,按照各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系學(xué)習(xí)課程知識(shí),可以收到事半功倍的效果。然而,課程組在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),雖然教師在上課過(guò)程中強(qiáng)調(diào)按照知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系學(xué)習(xí),但學(xué)生依然不得要領(lǐng),因而流體力學(xué)課程教學(xué)迫切需要采用一種能幫助學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)內(nèi)在邏輯關(guān)系的教學(xué)輔助方法。而思維導(dǎo)圖能很好地表達(dá)知識(shí)點(diǎn)之間的先后、因果、理論和應(yīng)用等各種邏輯關(guān)系,這一特點(diǎn)與流體力學(xué)的課程教學(xué)需求非常吻合。

3 課程的思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)

思維導(dǎo)圖尤其適合于章節(jié)講述前概覽、章節(jié)知識(shí)點(diǎn)小結(jié)和章節(jié)內(nèi)容總結(jié),幫助學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系在頭腦中形成形象思維,對(duì)各章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層層剖析和概括,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)前就對(duì)各個(gè)章節(jié)有宏觀(guān)的意識(shí),學(xué)習(xí)后通過(guò)思維導(dǎo)圖的總結(jié)回顧,整理思路,理解各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。本研究設(shè)計(jì)了用于流體力學(xué)課程教學(xué)的章節(jié)概覽、知識(shí)點(diǎn)小結(jié)、章節(jié)總結(jié)等思維導(dǎo)圖。

章節(jié)概覽圖? 以流體靜力學(xué)這一章為例,流體靜力學(xué)主要包括流體靜壓強(qiáng)及其特性、流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律、壓強(qiáng)的計(jì)算基準(zhǔn)和量度單位、液柱測(cè)壓計(jì)、作用于平面上的液體的力、作用于曲面上的液體的力以及流體平衡微分方程等知識(shí)點(diǎn)。這一章的教學(xué)特點(diǎn)是:因?yàn)橛星捌谖锢韺W(xué)知識(shí)的鋪墊,學(xué)生通常比較容易理解流體靜力學(xué)這一概念,但作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的流體靜力學(xué)和物理學(xué)相關(guān)知識(shí)在分析方法上又有不同,因此以展現(xiàn)思維導(dǎo)圖的方式從章節(jié)預(yù)覽開(kāi)始。

所設(shè)計(jì)的流體靜力學(xué)章節(jié)概覽的思維導(dǎo)圖如圖1所示?!傲黧w靜力學(xué)”這一標(biāo)題以較大的粗體字和粗邊框放在圖的中心,表示這是思維導(dǎo)圖的核心;以“流體靜力學(xué)”為中心,向外以粗的短線(xiàn)延伸出圍繞核心的各個(gè)小節(jié),小節(jié)的字比核心的字小一號(hào),邊框比核心的略細(xì),以示區(qū)分層級(jí),而且更加容易辨認(rèn);每個(gè)小節(jié)后續(xù)的內(nèi)容則從這個(gè)小節(jié)以再小一號(hào)的字體和更細(xì)一點(diǎn)兒的短線(xiàn)引出,也就是每下一級(jí)內(nèi)容,短線(xiàn)、字體和邊框都比上一層級(jí)低一號(hào),以清楚地展示遞進(jìn)展開(kāi)的關(guān)系;用來(lái)課堂教學(xué)的PPT則可以把每一小節(jié)的分支用不同的顏色來(lái)區(qū)分,使脈絡(luò)更清晰,容易分辨,甚至可以采用動(dòng)畫(huà)的形式在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)位置插入圖畫(huà)或動(dòng)畫(huà),使學(xué)生有感性認(rèn)識(shí),從而更利于記憶。在各小節(jié)知識(shí)點(diǎn)講解時(shí),圍繞“流體靜力學(xué)”這個(gè)主題,四周以層層展開(kāi)的PPT動(dòng)畫(huà)的方式逐漸引出要講的主要小節(jié)。

知識(shí)點(diǎn)小結(jié)圖? 在每一小節(jié)結(jié)束時(shí),思維導(dǎo)圖也可用于各小節(jié)的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)。以流體靜力學(xué)中的流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律小節(jié)為例,所設(shè)計(jì)的思維導(dǎo)圖如圖2所示。通過(guò)導(dǎo)圖的引導(dǎo)進(jìn)行回顧概括,根據(jù)相同大小的字體屬于同一級(jí)、相同粗細(xì)的線(xiàn)條代表的枝干連接的也屬于同一級(jí)這樣的關(guān)系(實(shí)際PPT操作中也可以用不同的顏色來(lái)區(qū)分),知識(shí)結(jié)構(gòu)一目了然,知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系也清晰可見(jiàn),非常方便教師強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn),學(xué)生也能非常方便地記住知識(shí)點(diǎn)所在位置,及其與前后內(nèi)容之間的關(guān)系。

如“p/ρg+Z=常數(shù)”這個(gè)知識(shí)點(diǎn),從思維導(dǎo)圖的結(jié)構(gòu)一眼就可以看出,它從上屬于“流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律”這一節(jié),與另外兩個(gè)分支“p=p0+ρgh”和“分界面和自由面是水平面、氣體壓強(qiáng)的計(jì)算、等密度面是水平面、等溫度面是水平面”是并列關(guān)系;向下又延伸出兩個(gè)分支,代表這個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要掌握的內(nèi)容:一個(gè)分支是通過(guò)證明推導(dǎo)獲得每一項(xiàng)的物理意義;另一個(gè)分支是這一表達(dá)式所體現(xiàn)的實(shí)際物理意義。在小節(jié)節(jié)回顧和復(fù)習(xí)時(shí),每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的位置及其前后邏輯關(guān)系都很好地體現(xiàn)出來(lái),學(xué)生回顧時(shí)也更易于理清思路,對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解更加清晰明了。

再如第三章“恒定總流能量方程”部分,這一節(jié)雖然只講授“推導(dǎo)恒定總流伯努利方程”一個(gè)內(nèi)容,卻向來(lái)是本章的難點(diǎn)和重點(diǎn)。恒定總流能量方程是動(dòng)力學(xué)對(duì)壓強(qiáng)、流速、位能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的基本公式,難點(diǎn)在公式應(yīng)用時(shí)的適應(yīng)性,單純講解不利于學(xué)生理解。如圖3所示,如果在課程結(jié)束時(shí)使用思維導(dǎo)圖進(jìn)行總結(jié)回顧,將本節(jié)內(nèi)在的邏輯關(guān)系展現(xiàn)出來(lái),尤其是最后一層“公式在應(yīng)用上的靈活性和適應(yīng)性”一共包括的五個(gè)方面一目了然,可以給學(xué)生以最清晰的思路。

章節(jié)總結(jié)圖? 在整章內(nèi)容講解結(jié)束以及課程總復(fù)習(xí)時(shí),思維導(dǎo)圖則是一個(gè)很好的回顧和總結(jié)工具,可以加深和鞏固學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。先讓學(xué)生回顧本章框架,然后從第一節(jié)開(kāi)始,對(duì)每一節(jié)的分支逐步展開(kāi),回顧每一節(jié)所學(xué)內(nèi)容,強(qiáng)調(diào)概念和知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系,并指出知識(shí)要點(diǎn)。

如第三章“一元流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)”,利用思維導(dǎo)圖回顧時(shí)(圖4),結(jié)合課前已經(jīng)準(zhǔn)備好的彩色動(dòng)態(tài)PPT課件,首先展現(xiàn)給學(xué)生的是最大字體顯示的“一元流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)”這個(gè)核心內(nèi)容,然后是本章的下一層顯示的相關(guān)各節(jié)(第二級(jí)內(nèi)容),接下來(lái)是第一節(jié)“描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法”這一分支,及其這一分支的各層內(nèi)容,邊展示邊回顧,以順時(shí)針?lè)较蛑鸫握宫F(xiàn)每一分支和這個(gè)分支下逐層的內(nèi)容,展示的過(guò)程中隨時(shí)圈出知識(shí)要點(diǎn),讓學(xué)生進(jìn)一步加深印象。這樣一種回顧方式更符合人腦的思維習(xí)慣,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)更加輕松,學(xué)習(xí)效果更好。同時(shí)可以讓學(xué)生課后繪制屬于自己的思維導(dǎo)圖,從內(nèi)心進(jìn)一步加深和鞏固所學(xué)知識(shí)。

4 教學(xué)效果

為測(cè)試思維導(dǎo)圖法的教學(xué)效果,選擇同一級(jí)的兩個(gè)自然班做比較試點(diǎn),其中一個(gè)班采用思維導(dǎo)圖法,另一個(gè)班沒(méi)有采用思維導(dǎo)圖法,兩個(gè)班課程考試的卷面成績(jī)?nèi)绫?所示。試點(diǎn)結(jié)果顯示,與普通教學(xué)相比,采用思維導(dǎo)圖法教學(xué)的學(xué)生成績(jī)處于中等—優(yōu)秀的比例增多,而不及格和及格的比例降低,表明思維導(dǎo)圖法有助于學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握。

5 結(jié)語(yǔ)

流體力學(xué)作為熱能工程最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一,面向多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向的同時(shí),不同學(xué)生的理解和接受能力也各異。通過(guò)課程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),思維導(dǎo)圖在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用,可以很好地融合不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,大大提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生通過(guò)自己對(duì)各章節(jié)思維導(dǎo)圖的繪制,對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解更加透徹,復(fù)習(xí)時(shí)更加直觀(guān)和游刃有余。同時(shí),教師在應(yīng)用思維導(dǎo)圖授課時(shí),闡述課程的思路、章節(jié)之間的邏輯連接,提示各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的位置和重要性時(shí),更加得心應(yīng)手。

實(shí)踐證明,思維導(dǎo)圖應(yīng)用于流體力學(xué)這門(mén)課程,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的理解能力,鍛煉大腦邏輯思維,提高學(xué)習(xí)能力,并對(duì)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通,增強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力,都有很大幫助??梢怨膭?lì)學(xué)生對(duì)思維導(dǎo)圖進(jìn)行拓展應(yīng)用,大膽地應(yīng)用到其他學(xué)科中去,甚至可以應(yīng)用到日常生活和工作中,以提高學(xué)生的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳崢瀅,陳仲培.《工程流體力學(xué)》教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生能力的嘗試[J].機(jī)械工業(yè)高教研究,1995(4):74-75.

[3]趙振興.“水力學(xué)”國(guó)家精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2006(1):23-25.

[4]王竹萍,王文英.思維導(dǎo)圖:高校課程教學(xué)創(chuàng)新的有效途徑[J].黑龍江高教研究,2011(5):175-176.

[5]吳圣姬,馬青蘭.環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)方法創(chuàng)新與應(yīng)用:以“思維導(dǎo)圖”為例[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2018(8):41-45.

[6]博贊.思維導(dǎo)圖:大腦使用說(shuō)明書(shū)[M].北京:外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社,2000.

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