针对境外生特点的《工程流体力学》教学方法改进

针对境外生特点的《工程流体力学》教学方法改进

摘要：针对在国内高校就读的境外生特点，对《工程流体力学》课程从教学目标、教学内容和教学方法等方面进行改进。简化知识链结构，把教学思路从建立分布规律再带入流动条件调整为从流体受力条件分析得出分布规律，采用逆向教学方式，将讲述方法从▽调整为△，并借助思维导图明确知识结构，提高了境外生教学目标的达成质量。Keys：境外生教学工程流体力学

教学方法改进

思维导图应用多元背景和基础的境外生是华侨大学生源的一个特色，随着国际交流的增进和中国高等教育的进步，境外生在国内高校的就读人数在逐年提高。以华侨大学为例，2020年入学新生中，境外生比例高达31.3%[1]，2020年底学校在读的境外生人数超过6100人[2]。境外生来源地分布范围广，基础知识和文化背景明显不同，学习习惯和思考问题的方式也存在着鲜明的差异。针对境外生学习方式和基础知识特点的教学方法改革是改善其学习效果的必须任务。《工程流体力学》是工科各专业的重要学科基础课程，课程内容涉及大量的公式推导、数学计算和力学模型的建立。对各种程度的学生来说，都不是一门能够容易掌握的课程。华侨大学机电学院在工程流体力学的教学中，对境外生采取单独授课的方式，针对境外生的特点重新确立教学目标、规划教学内容、设计教学方法，明显提高了教学目标的达成度，改进了教学质量。首先是教学目标的调整，把培养解决工程实践问题能力的培养和分析解决工程实践问题方法科学思想的养成作为教学的首要目标，同时把“全面认识中国技术和培养专业自豪感”添加进教学目标。然后是教学内容的改进，增加课堂案例分析和习题讲解课时，用大量的案例和习题讲解代替课程中复杂的公式推导，把任务重点引向对基础知识的应用。对数学模型和公式，更多的是解释其原理和物理意义，而不再占用较多课时展示公式的完整推导过程。同时，尽可能与专业国际习惯接轨。国内使用的教材中，有些参数及变量常用汉语拼音的开头字母表示，还有些采用中国习惯的表示方法和取值。在针对境外生的教学中，均采用国外普遍应用的符号、表示方法和数值，避免学生后续在境外工作学习时产生困扰和误会。教学方法的改革是核心，也是课程团队提升的重点，主要改进工作从以下几个方面进行。一．简化知识链境内生教学中，教师会尽可能增加知识的广度，使学生学习一门专业课或基础课的同时，获得尽量多的知识理论和信息，依赖深厚的基础知识和理论、方法导出教学内容。针对境外生的教学中，教学团队重新梳理教学内容，力求以最简单的思路和最少的理论、概念达成教学目标，大大减少了对学生基础知识深度的要求，尽量简洁地得出指导工程应用的原理和方法。以流体静力学基础中流体静压强分布规律为例。原有教学方案涉及知识点及思维导图如图1所示。基础概念部分需要提前介绍作用在流体上的力的种类，包括质量力和表面力以及单位质量力的概念。静压强公式推导过程中，介绍欧拉平衡方程、压强差公式、等压面公式和等压面的定义，以及有势力和势函数的概念。针对境外生设计的流体静压强分布规律教学思路如图2所示，无需引入单位质量力等概念，从牛顿第二定律出发，建立流体微元压力和重力与外力平衡的模型，对重力场中的流体微元加以简化，得出微分方程并积分得到静压强分布式[3,4]。二．调整思维方式分析流体受力和运动规律有两种思考方式，一种是微元法，跟随受力的流体微元进行分析；另一种是控制体法，针对流体流动的空间区域建立物理量的分布规律[5]。国内的教材中多采用第二种方式，通过基本定理引出某物理量在流场空间的分布规律，再根据流场特点进行简化并运用微积分运算得出讲述方程。其优点是建立的模型简单易于表达，但是对基础知识尤其是数学的基础知识要求较高，思路长涉及概念和知识点多，某些学生不易接受和理解。由于本课程中分析的都是流体力学的基础问题，所以采用基于受力微元的分析方式，建立流体微元受力平衡模型，对平衡方程进行推导，所有模型都从牛顿第二定律导出，学生更容易理解和接受。以绝对静止和相对静止流体的静压强分布规律推导为例，按照原有教学方式的思路是，介绍欧拉平衡方程，推导和证明欧拉平衡方程，得到压强差分布公式，引出等压面的概念和势函数概念，把静止流体各方向单位质量力带入欧拉平衡方程，对欧拉平衡方程进行积分得到流体静压强分布规律[6,7]。另外，还需要在前面的章节中介绍质量力和单位质量力的概念。改进教学方法后的教学思路是，把流体微元受压力和运动加速度带入牛顿第二定律，化简得出压强差公式，积分得到流体静压强分布规律。三．应用思维导图辅助建立知识体系对各章节内容用思维导图明确各原理和知识点间的关系，帮助学生建立知识结构，理解各层次理论和方法间的关联。如图1和图2所示，即为对应内容的思维导图。四．将课程讲述方式从▽调整为△方式国内习惯采用的教学方式往往是▽型的，即首先提出一系列相关概念并详细解释、严谨规定，大量基础知识介绍完成后，再用前述的概念构成某一原理。往往在解释原理前，叙述了大量概念和定义。这样先严谨、大量铺垫，然后才进入正题的方式常常会给学生带来较多困扰，尤其是对中文理解能力不足、不能长时间接受大量信息的境外生更是困难重重，甚至还没有进行到核心内容，学生已经疲劳而失去了学习的耐心和兴趣。对此，教学团队借助思维导图，把教学方式调整为△型，即首先提出主要原理，然后逐渐收敛，把各个相关条件加以限制和细化，围绕核心内容引出相关概念。学生在第一时间进入课堂的主要内容，然后带着明确的目标和对知识结构的了解进一步细化，同时避免了疲劳和失去兴趣。以流体动力学基本概念部分内容为例，境内生教学采用▽型结构设计，如图3所示。这一节的教学重点一是讲述流线的概念、特点及流线方程，另一个重点是讲述平均流速的概念。在引出平均流速概念前，解释了流管、流束、总流、有效截面、体积流量等五个概念，直到解释平均流速时，才把这五个概念的收敛在一起，这会导致学生在前段叙述过程中不明确内容的目标而产生疲劳和困惑。图3描述流体运动的参数-平均流速（改进前）图4为改进后的△教学结构，先解释平均流速的概念，再逐层说明涉及的概念和内容。这样先明确教学目标，再分层次展开相关内容，使学生在第一时间明确重点内容和其它内容间的关系。五．教学方法改进的基本原则教学目标一致《工程流体力学》最主要的一项教学目标就是培养学生解决与流体运动相关的工程问题，针对境内生和境外生的教学效果，使学生能够解决的工程实践问题是一致的，不能够由于教学内容的简化而降低学生解决问题的能力。思路可贯穿教学内容所采用的教学方法和思路一定是可贯穿于完整教学内容的，不会在某个部分产生不可调和的冲突进而发生教学内容无法连续进行的情况。保证知识链的完整性针对境外生教学的改革简化了部分内容和方法，但是不会由于内容的简化或教学方法的改进而缺失必要的知识环，或在某一部分内容的讲述中发现之前省略的内容造成这部分内容无法清楚讲述的情况。针对境外生教学目标、内容和方法改革后，建设了针对境外生使用的课件（视频、PPT）和案例分析、习题，与境内生的课件一同供学生使用。该资源不仅可用于境外生，其他学生也可以选择使用这一系列教学资源，教学实现的目标和对目标达成度的要求与境内生一致，即能够应用基础知识分析和解决的工程实践问题，无论从实践问题的难度和复杂程度来说，都是一致的。双重资源共同应用已经进行了二个学年，境外生班的课程及格率达到88.2%，平均成绩从37分提高到78分。国际化的学校和教学需要更多元的思考、探索和尝试。学生的学习方式和习惯及思维模式都会随社会生活与环境的影响不断变化，同时学生就业和深入学习的范围也在不断扩展，本科阶段的学习也是未来与更广阔世界连接的桥梁。希望在今后的教学实践中，结合学生特点和需求探索出更多、更有效的教学方法。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