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《黑龙江教育(高教研究与评估)》杂志

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流体力学教学资源库的建设与应用
发布时间:2020-07-03        浏览次数:51        返回列表

张志宏,王冲,邓辉

(海军工程大学,湖北武汉430033)

摘要:教学资源库建设是提高教学质量的一项基础性工程。针对流体力学课程特点和建设目标,阐述了加强资源库建设的必要性与重要性。结合一线教学实践经验,融入现代教育技术理念,提出了资源库建设的内容、重点、方法与途径。实践表明,教学资源库的建设对提升教学效果和人才培养质量有着重要的促进作用,并可为进一步建设国家精品课程和国家精品资源共享课奠定基础。

关键词:流体力学;教学资源库;建设

中图分类号:G642.0文献标识码:A文章编号:1002-4107(2015)09-0026-03

收稿日期:2015-03-05

作者简介:张志宏(1964—),男,江西赣州人,海军工程大学理学院力学系教授,主要从事船舶水动力学、超空泡多相流和流固耦合力学研究。

基金项目:海军工程大学教学改革课题“流体力学教学资源库建设”(训教字2011—43号);海军工程大学教学改革课题“流体力学立体化教材建设”(训研字2014—3号)

流体力学的应用范围广,它与航海、航空、航天、能源、动力、机械、化工、船舶、兵器、水利、环境、建筑等专业密切相关,目前在许多高等院校中都开设有这门课程。但是,流体力学与高等数学、大学物理等基础课程不同,它作为专业基础课或专业课,目前各高校还没有相对集中统一的教材,也没有普遍配套的教学资源,不同专业对流体力学的内容需求有很大的不同,因而课程内容和教学时数差异性较大(通常在30—90学时之间)[1]。由于流体力学运用的数学知识多,涉及的流动现象抽象复杂,在教学中师生们普遍反映这门课程“教师难教,学生难学”。作为大学教师,负有传道、授业、解惑之责,而课堂教学是面对学生最直接、最有效的一种方式。在教学内容多、教学时数少的情况下,建设和应用好基于课堂教学需要的课程资源库,并充分利用现代化的教育技术手段,可以弥补传统教学模式带来的不足,大大提高课堂教学效果和教学效率。

根据教育部教育信息化技术标准委员会的定义,教育资源可以概括成三大类型[2]:(1)课程素材类教学资

源,主要包括文本、图形/图像、音频、视频和动画等多媒体素材。(2)课程集成类教学资源,主要包括电子课件、试题试卷、练习测试、问题解答、典型案例等成品素材。(3)网络课程,主要包括网络教学内容以及网络教学支撑环境等平台。作为课堂教学需要,课程资源库的建设重点应该是素材类教学资源和集成类教学资源,而素材类和集成类教学资源的建设也可为进一步的网络课程建设奠定基础。这里以基于课堂教学需要的流体力学课程资源库建设为切入点,阐述了加强教学资源库建设的必要性与重要性,并提出了资源库建设的内容、重点、方法与途径。

一、教学资源库建设的意义

(一)课程教学自身的内在需要

教学资源库建设应根据课程不同特点有针对性地进行。流体力学研究的对象是流体,其有别于固体的特殊性在于易变形和易流动性。流体力学的研究方法大多采用欧拉法,其着眼点是研究流体流过的区域即“场”上的流体物理量的变化,与大家熟知的针对固体运动的物理学或固体力学的研究方法不同。由于流体力学的上述特点,因而出现了许多新概念和新现象。例如定常、非定常,流线、迹线,层流、湍流,有旋、无旋,边界层、涡街,自由涡、下洗等许多概念在课堂上颇费口舌,介绍了半天学生往往还在云里雾里,难于理解。许多流动现象通常看不见、摸不着,教学内容抽象枯燥、晦涩难懂,采用传统教学方法,学生难于建立清晰的流动概念,因而学习存在畏难和抵触情绪,缺乏进一步学习的兴趣和动力。

没有清晰的流动概念就无法提炼出合理的数学模型,势必影响到学生对相关知识点和课程内容的学习。而利用流场显示、小动画、虚拟仿真等方法获得的图形图像及视频等多媒体素材,在教学过程中只需播放几分钟甚至几秒钟,就能让学生加深理解、茅塞顿开,使课堂教学效果产生质的飞跃。采用多媒体的特写、慢镜、定格、细化、放大等技术再现流动现象,聚焦流动细节,使枯燥乏味的流动过程变得新颖有趣,既形象又清晰,提升了学生的感性认识和认知能力,一些流动画面甚至使学生终生难忘。因此,建设符合现代教育技术特点的资源库是流体力学课程教学的内在需要。

目前,国家精品资源共享课是各高校课程建设关注的焦点与核心。教育部要求各高校在国家精品课程建设的基础上,进一步转型升级为国家精品资源共享课。可见要建设高水平的国家精品课程和资源共享课,也要以加强教学资源库的建设作为有力支撑。

(二)提高课堂教学质量的需要

提高教学质量需要高质量的教学资源库素材。教学资源在课堂上使用方便,能够突破时空的限制,在课程组成员之间具有高度的共享性、可重复性和可扩展性。教学资源具有形式的多样性,以其精美的画面、优美的音乐、逼真的动画和图像,图文声并茂,极具表现力。在教学活动中,善于使用教学资源库素材,可以使教学信息传递速度明显加快。在教学时数有限的条件下,通过将精彩素材引入课堂,以丰富的背景材料支持教学内容,教师可以传授更多的知识。

例如,在讲述边界层分离时,需要探究边界层分离的必要条件是存在逆压梯度和壁面粘滞作用。采用基于实验室拍摄的流动视频进行教学,首先可以观察圆球驻点前方的来流,虽然存在逆压梯度,但边界层并未发生分离;其次观察顺来流方向放置的薄平板附近的流动,也可发现虽然存在壁面粘滞作用,但边界层也未发生分离,可见仅有逆压梯度或壁面粘滞作用边界层并不分离;但当在圆球驻点前方顺来流方向放置薄平板时,可以观察到在平板和圆球连接处的附近流动发生了边界层分离,从而说明了逆压梯度和壁面粘滞的共同作用是边界层分离的必要条件。进一步学生可能会问,逆压梯度和壁面粘滞作用是不是边界层分离的充分条件呢?通过流线体的绕流视频可以发现,在流线体的尾部表面,虽然也存在逆压梯度和壁面粘滞作用,但边界层并不分离,而当流线体长度不变、中间部位增厚逐渐过渡到钝体绕流时,由于钝体尾部表面逆压梯度增加,出现了边界层分离现象,所以可以说明逆压梯度和壁面粘滞作用只是边界层分离的必要条件而不是充分条件。

在流体力学课程中,类似的流动现象还有很多,以前大多采用板书、图片等静态的讲授方式,讲授效果并不理想,而现在将丰富的流动视频引入课堂,相当于将实验室搬进了教室,不仅使学生有身临其境、眼见为实的现场感,而且大大节省了讲授时间,提高了教学效率和效果。由此可见,教学有法,教无定法,贵在得法。教学实践表明,基于课堂教学的流体力学资源库建设与应用是提高教学质量的有效方法。

二、教学资源库建设的内容与重点

根据课程教学需要,将流体力学教学资源库建设内容分成“原始资源库”和“成品资源库”两大部分[3-4]。原始资源库内含文本库、图片库、动画库、视频库、音频库等原始素材。成品资源库内含PPT电子教案、例题习题库、试卷库、典型案例库、网络课程等成品素材,可以直接用于教学。前期以原始资源库的素材收集和建设为主,后期以成品资源库的素材整合和二次开发为主。后期建设需要通过教师的大量劳动进行再加工、再创造,因而是教学资源库建设的重点。

建成的原始素材库内容主要包括五个方面:(1)基于课程知识点的教学素材库建设。包括流体粘性、压缩性、流线、湍流等课程所有知识点。(2)基于课程自然现象的教学素材库建设。包括大雁成人字形飞行、龙卷风的形成与演化等自然现象。(3)基于课程相关的流体工程教学素材库建设。包括螺旋桨穴蚀、水击、球鼻首减阻等工程案例。(4)基于课程最新科研成果的教学素材库建设。包括舰船水压场、超空泡流、水下滑翔机等最新科研进展。(5)基于课程科学家相关事迹的教学素材库建设。包括欧拉、普朗特、冯卡门等科学研究的思想与方法。

建成的成品素材库内容主要包括四个方面:(1)课程PPT电子教案的建设。包括融合原始素材、进行二次开发、符合教师教学要求的所有课件。(2)课程概念题库的建设。包括体现课程知识点、重难点便于学生学习、复习、考核的重要概念。(3)课程例题习题库的建设。包括反映课程重要理论、方程、定理的便于教学双方使用的例题习题。(4)课程试题或试卷库的建设。包括覆盖课程主要内容、难易适度、便于对学生学习做出评价的试题试卷。

三、教学资源库建设的途径

(一)成立教学资源库建设小组

在课程建设牵引的基础上,以先进的教学理念为指导,以现代教育技术为依托,以提高人才培养质量为目的,以服务课程教学为重点,以课程组全体教师为主体,以课程资源的系统性、完整性为基本要求,立足课程特点和需求实际,注重课程资源的适用性和易用性,分工协作,群策群力,共同建设。

成立课程教学资源库建设小组,建设人员包括课程组全体教师。课程负责人、资深教授主要负责顶层设计和规划,提出资源库建设的框架与方案,对建设内容进行审核和验收。骨干教师主要负责成品素材的二次开发、分类、筛选、优化与建设,对原始素材与课程内容进行深层次整合。青年教师主要负责原始素材的收集、整理和初次开发与建设。

(二)采用多种手段建设原始素材库

通过收集整理、购买引进、自主开发等多种方式,建设原始素材库。

将搜集国外著名大学的教学专题片、开放课程和国内高等院校国家精品课程的流体力学素材作为首选,全方位获取各种免费公共教学资源。例如,现在可以在互联网上免费获取世界著名流体力学专家在实验室拍摄的流动演示专题视频,包括斯坦福大学S.J.Kline教授讲授的“流场显示”,宾夕法尼亚州立大学J.L.Lumley教授讲授的“流体力学中的欧拉和拉格朗日方法”,麻省理工学院A.H.Shapiro教授讲授的“涡量”、“压力场和流体的加速度”,剑桥大学S.G.Taylor教授讲授的“低雷诺数流动”,哈佛大学F.Abernathy教授讲授的“边界层基础”和A.E.Bryson教授讲授的“流体中的波”,加利福尼亚理工学院D.Coles教授讲授的“可压缩流体的槽道流动”,哥伦比亚大学R.W.Stewart教授讲授的“湍流”等。这些专题片概念清晰、流动形象、内容精湛,是非常珍贵的流体力学教学资源。国内在教育部主导推动下建设有国家精品课程资源网,汇集了上海交通大学、浙江大学、华中科技大学、西安交通大学等高校的流体力学精品课程视频素材,也可供浏览、下载和借鉴。

互联网是获取免费资源素材的主渠道,但需注意注明链接出处,同时只用于教育用途而非商业目的。此外,资源的建设应处理好购买引进和自主开发的关系,若开发的难度大,但购买价格合理的话,可适当购买。依托课程建设、实验室建设和教改项目等投入的经费,可以对国内外的教学软件或研发单位制作的教学电子资源或教材出版中附带的光盘教学资源等采用购买方式有选择的补充。例如,清华大学李玉柱教授编写的“流体力学电子教案”,上海交通大学丁祖荣教授编写的“流体力学多媒体电子教案”、“流体力学网络课程”,浙江大学毛根海教授编写的“工程流体力学网络课程”等数字化教学资源,已由高等教育出版社出版发行。最后,对课程的关键素材,如无法免费获得或购置成本昂贵,可采取自主研发方式,制作原创素材,进行定制开发。海军工程大学曾在自己设计研制的流动循环显示水槽中,拍摄过《涡街》《粘性阻力与升力》《流场显示》等专题录像片,在教学过程中取得了很好的教学效果。自主开发的好处是可以锻炼教学队伍,制作的素材更能符合需求实际,而且拥有所研发素材的自主产权,可以在高校之间进行自由交流,实现资源互换共享。

(三)按照先进教学理念建设成品素材库

按照学科性、适用性、易用性原则循序渐进地建设成品素材库。成品素材库建设必须体现课程需求,并与课程标准、所用教材、讲授内容、学时安排等紧密结合起来。原始素材可以搜集很多,但质量参差不齐。有些原始素材概念定义不同,文字大小不一,公式符号有异,图像分辨率差异性很大,因而不能简单堆积、生搬硬套。在建设成品素材库的过程中,应该紧紧围绕课程的内容、知识点、重难点、特点和需求进行分类、整合、优化和二次开发,既要考虑有利于教师突破教学的重点与难点,又要考虑有利于学生的认知促进以及学习兴趣和动机的维持,使得所建成的成品资源库能够直接用于教学,支持教学,并能使教师快捷地找到所需要的资源,以实现教学的最优化。

在成品素材库的建设中,我们将“身边的流体力学现象、流动的工程实际、最新的科研成果、科学研究的思想方法”等原始素材融入PPT电子教案,在课堂教学中取到了事半功倍的效果[5]。引入身边的流体力学现象,有利于激发学生的学习兴趣,使课堂教学生动有趣。引入流动的工程实际,可以增强学习的针对性和有效性,搭起理论和实践的桥梁。引入最新的科研成果,可以拓展学生视野,培养学生的创新精神和实践能力。引入科学家的生平事迹,可以激励学生热爱科学事业,并在潜移默化中掌握科学的研究方法。建成的知识点库、概念题库、例题习题库、PPT电子教案等,不仅可为教师提供便利的教学资源,而且也可适时提供给学生学习和复习使用。建成的试题库紧密结合课程标准和考试要求,包括概念、选择、计算和应用等内容,能够自由组卷或固定搭配出卷,可为考教分离、客观评价教学效果提供有利条件。

(四)立足课堂教学完善课程资源库

资源库的建设的目的在于应用。既要发挥课程组所有成员建设资源库的积极性,更要发挥这些成员应用于课堂教学并不断完善资源库的积极性。教学资源库的建设是一个动态过程,在建设和使用资源库时,需要坚持开放、共建、共享原则,形成资源建设共同体。开放就是资源要能方便地进行修改、重组和利用;共建就是要求课程组的全体教师参与建设,任务分解到人;共享就是要将建成的资源库素材,全部提供课程组教师免费使用。此外,建成的教学资源库在使用时,还需结合教师自身特点和不同的施训对象,进行个性化打造和优化。

建设教学资源库需要付出辛勤的劳动,只有通过发挥课程组全体教师共建的力量,才能让每一位教师都共享丰富的教学素材,从而达到整体提高教学质量的目的。通过教学资源共建共享、课堂教学实践不断完善和定期经验交流机制,激发课程组全体教师不断参与教学资源动态更新与建设的积极性,使教学资源库处于持续使用与发展的良好状态之中。

参考文献:

[1]教育部高等学校力学教学指导委员会力学基础课程教学指导分委员会.高等学校理工科非力学专业力学基础课程教学基本要求[Z].北京:高等教育出版社,2012:4.

[2]余胜泉.教育资源建设技术规范[EB/OL].国家教育技术标准化委员会.[2015-03-01].http://www.celtsc.edu.cn.

[3]范钦珊,李绯,倪如慧等.工程力学课程教学资源库的建设[J].中国大学教学,2004,(4).

[4]蔺素珍.高校教学资源库建设的总体思路和方法[J].山西科技,2005,(2).

[5]张志宏,顾建农,王家楣.“流体力学”课程教学改革的实践与探索[J].高等理科教育,2006,(5).