面向实践应用与创新能力培养的教学模式探索

［摘要］工程流体力学课程教学中，针对偏重理论教学、实践应用薄弱、创新能力培养受限等现实问题，课程组提出一种以实践应用为核心、创新能力培养为导向的教学模式。该模式采用“一主线、两平台、三层次”的教学框架，旨在通过紧密联结理论与实践，利用项目驱动和启发式教学方法、虚拟仿真技术及人工智能等多元化教学手段，激发学生的创新思维，提高其实践应用和创新能力，为工程流体力学课程的教学革新提供新思路，也为其他工程类课程的教学改革提供参考和借鉴。

［关键词］工程流体力学；实践应用；创新能力；教学模式；教学改革

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）23-0068-05

随着科技的快速发展和社会的不断进步，在新工科的大背景下，社会对工程人才的培养提出了更为严苛的要求，需要高校培养出既具备扎实专业基础，又具备较强实践能力和创新意识的人才，以满足企业解决复杂工程问题的需求[1-2]。当前，教学理念正经历深刻的变革，课程教学模式也随之转变。因此，高等教育必须不断探索和实施新的教学模式，以适应社会对人才的需求变化[3]。鉴于工程流体力学这门课程内容涉及面广，且具有较强的实践性和应用型特点，传统的教学模式往往难以激发学生的学习兴趣[4-5]。围绕以实践应用为核心、创新能力培养为导向的教学理念，课程组充分利用先进的教学技术与手段，改进教学方法，旨在提升课程教学质量，实现理论与实践的深度融合。课程组将结合能源动力类及给排水科学与工程专业工程流体力学课程教学，探讨课程教学新模式的构建与实施策略。

一、课程基本情况

工程流体力学作为兰州理工大学能源动力类及给排水科学与工程专业的专业基础课程，其理论深度与实践性特质广受关注。工程流体力学作为力学领域的重要分支，主要研究流体的平衡、运动规律以及流体与固体壁面、流体与流体之间的相互作用。课程内容综合了高等数学、大学物理、材料力学等多学科知识，不仅涵盖了流体力学的基础理论知识，如流体静力学、流体动力学等，还涉及流体力学在工程实践中的应用，如明渠恒定均匀流动、渗流等。通过该课程的学习，培养学生具备解决流体装备及系统中复杂流动问题的能力。此外，学生可通过课程实验观察流体的运动现象，理解其实际应用，提升自身实践能力和团队合作能力[6]。

由此可见，工程流体力学作为一门综合性较强的课程，为解决实际工程问题提供了有效的手段，是培养高素质工程技术人才的重要课程之一。然而，该课程理论性和系统性强，涉及知识面广，概念抽象，理论公式推导繁多，加之其较大的专业跨度，在一定程度上加大了教师授课的难度，不利于学生对工程流体力学知识的理解和掌握。因此，如何在教学过程中改进教学方法，从而提升教学质量，提高学生的学习主动性、实践性、创新性等，成为目前亟待解决的问题。

二、教学现状及存在的问题

（一）理论与实践脱节

工程流体力学内容包含众多抽象的概念和复杂的理论模型，如流体静力学、流体运动学、湍流理论、宏观尺度流体机械、明渠流动等。这些理论知识往往难以直观理解，需要学生具备较强的数学和物理基础。然而，在实际教学过程中，由于课时限制和教学方法的局限性，教师无法充分讲解上述复杂的概念及理论，还易使学生对理论知识感到乏味。此外，在理论教学中，教师过于注重对理论知识的讲解和公式的推导，忽视了对实际工程背景的分析，致使理论与工程实际脱节。

（二）缺乏实践环节

实验教学是工程流体力学教学中的一部分（目前该课程总学时56，其中理论学时42、实验学时14），实验涉及沿程水头损失、动量方程、文丘里管等，内容相对较少。目前学校的实验条件有限，实验设备陈旧，难以满足学生的实践需求。这导致学生对理论知识的理解和掌握停留在表面，缺乏与实际工程问题相结合的综合性和创新性实践。

（三）教学方法和手段单一

在工程流体力学教学过程中，教师往往采用传统的讲授式教学模式，过度依赖多媒体课件，板书较少。例如在讲授流线与迹线、孔口与有压管道流动时，教师大多从基本概念方面进行讲解，结合日常生活中用到的一些知识帮助学生理解。然而，由于缺乏多样化的教学方法和教学手段，这样的教学方式难以激发学生的学习兴趣和积极性，也无法满足不同学生的学习需求。

（四）缺乏与现代技术相结合的教学方法

随着现代技术的日新月异，诸多前沿教学手段和技术正逐步融入教育领域。然而，在工程流体力学的教学实践中，这些现代技术的运用尚显不足，未能广泛且深入地发挥其潜力，使得教学内容和方法略显陈旧，难以与当代学生的学习期望和习惯相契合。此外，教学评价体系偏重对理论知识方面的考核，而对学生实践能力和创新能力的评价不足。

（五）忽视学生个体差异

工程流体力学作为能源动力类及给排水科学与工程专业的专业基础课程，其面对的学生群体拥有不同的专业背景和理解能力。其中，部分学生已具备一定的流体力学知识基础，而另一部分学生专业基础较为薄弱。此外，学生个体的学习风格各异，如视觉型、听觉型、实践型等，然而，当前的教学方法未能充分考虑学生的个体差异，采用统一的教学内容和进度安排，导致学生学习效果两极分化：部分学生因教学进度过快而感到难以跟进，部分学生则因教学内容过于简单而觉得缺乏挑战。

三、教学改革策略

基于上述学情，课程组紧紧围绕新工科背景，提出以下改革措施。

（一）强化理论与实践的结合

工程流体力学课程教学改革聚焦工程背景，需实施多元化、多层次、多模块的教学内容设计。为充分适应新工科建设需求，通过探索宏观尺度流体机械、流体装备及给排水系统等方面的流动问题，将课程教学与专业领域内的工程问题和学科前沿相结合，增强课程的创新性、高阶性和挑战度，以全面提升学生的科学素养和实践能力，如图1所示。因此，必须从理论和实践教学方面进行改革，将理论与实践教学紧密结合，确保学生掌握相关领域的知识，且具备良好的实践素养。

工程流体力学课程教学内容主要有七章，涉及流体的基本概念、流体静力学/动力学、管内流动、明渠恒定均匀流动、渗流等。为了让学生在有限的学时内有效掌握基本知识、原理及工程应用，应从以下几个方面对教学内容进行重点改革：（1）梳理课程框架，构建“高阶”课程体系，以体现课程的高端性和系统性。结合每章节的课时安排，绘制出各章、各节之间的思维导图，基于学生基础优化教学内容，建立所学理论知识与工程实际应用之间、不同学科之间的联系，从而培养学生的实践能力、知识迁移能力以及自我学习能力。（2）明确工程导向型课程设计。结合当前企业的实际需求，在理论教学中穿插实际工程案例，引导学生自主探索、分析并解决实际问题。借助小组讨论、角色扮演等教学方法，激发学生的积极性和创造力，同时培养其团队协作和解决问题的能力。（3）引入前沿科技，关注流体力学领域的最新发展，并将已有的科研成果纳入教学内容，使教学内容更加贴近工程实际，激发学生的学习兴趣和创新意识。

流体力学实验部分包括动量方程、沿程水头损失、文丘里管等，然而理论课程的讲授与实验过程不同步，加之部分实验设备过于陈旧，导致学生在实验过程中只是机械地记录数据，对理论知识理解的深度不够。因此，在实践教学方面，首先是要保证理论教学与实验同步。其次是要完善实验条件，如建设流体力学开放型实验室，为学生提供先进的实验设备和资源，使学生能更加深入地理解流体力学的基本原理和方法。及时更新实验内容，设计具有创新性和挑战性的综合实验项目，让学生在实验中锻炼实践能力和创新思维。最后是要与企业合作，为学生提供实习实训机会，让学生亲身体验工程流体力学中重点知识的应用和实践，提高其实际操作能力。

（二）采用“一主线、两平台、三层次”的教学框架

“一主线、两平台、三层次”的教学框架如图2所示。具体而言，“一主线”即明确以提升学生解决实际工程问题的能力为主线，贯穿整个教学过程，要求教学内容、教学方法和评估方式都围绕这一主线展开。“两平台”包括理论和实践教学平台，为学生提供丰富的实践资源和灵活的学习空间。理论教学平台注重基础知识的传授，实践教学平台则强调知识的应用和创新能力的培养。例如在讲解判断流体流态时，首先讲授判断流态的理论公式，如雷诺数的计算方法及其在流体力学中的应用，然后利用多媒体教学资源，动态展示流体在不同流态下的速度分布等，帮助学生直观地理解流态形状，最后设计实验让学生亲自操作，使其了解可以通过调整流速、流体性质等参数改变雷诺数，由此观察流态的变化。上述过程结合了“两平台”的优势，体现了知识体系的完整性以及学生体验的丰富性。“三层次”则是指基础课程学习、综合实践应用到创新能力培养三个逐级递进的教学层次，确保学生既能扎实掌握流体力学基本原理，又能熟练运用知识解决实际问题，并具备探索未知、创新求变的能力。其中，基础课程学习主要侧重于基础知识的传授和基本技能的培养；综合实践应用旨在让学生掌握一定的流体力学基础知识后，引导学生开展综合性的实践应用；创新能力培养是基于前面两层次，进一步培养学生的创新能力，可通过鼓励学生参与科研项目、创新竞赛、创业实践等方式进行。

（三）采用多样化的教学方法

如前所述，工程流体力学教学中，教师大多采用传统的讲授式教学方法。而这种教学方法往往比较单一，即教师单方面地输出知识，学生在此过程中往往处于被动接受的状态。这种教学方法缺乏互动性与启发性，难以有效激发学生的学习兴趣与主动性。因此，教师应当采取新型的教学方法及手段，由此激发学生的学习兴趣。

（1）项目驱动式和启发式教学。项目驱动式教学是一种以学生为中心的综合性教学方法，它强调学生通过参与实际项目以掌握基本知识和技能[7-8]。在项目驱动式教学中，学生在教师的指导下完成项目的学习、训练以及总结，从而培养学生的综合能力和实践技能。启发式教学旨在引导学生通过联想、分析相关的技术问题，培养学生的创造性思维。在工程流体力学课程的讲授过程中，要想充分利用上述两种教学方法，可从以下方面开展：针对企业需求，设计出相应的教学内容，开展校企合作。例如，某企业遇到这样一个问题——某种流体经过多段弯管后压降损失很大，企业想得出量化的结果，需采取什么措施以优化管道管路、减少损失。针对上述问题，教师需要引导学生探讨如何将工程流体力学中所学的理论知识应用于工程实际（流阻损失、水头损失、管道流动等），即基于前期所学知识进行思考，并不断总结与提升，从简单过渡到复杂。同时，要求学生全程参与项目的规划、设计、实施和评估。学生可以分组合作，模拟真实的工程环境，从项目立项、资金申请、团队组建、实验设计到成果展示，全程参与，体验完整的项目流程。对于在项目开展过程中有新想法的学生，教师应当鼓励其展开联想，深入分析并勇于提出问题，旨在培养学生的创造性思维，并鼓励其参加各种创新创业类大赛[9]。

（2）结合现代技术进行教学。随着现代技术的发展，许多新的教学手段和技术被引入课程教学中。因此，针对工程流体力学中的教学重点，例如静止液体对曲面/平面的作用力等内容，教师可利用多媒体课件、视频、动画等教学资源，通过在线发布的方式供学生自主学习和复习，学生还可以随机参与有奖竞答，从而有效提高教学效果。教师还可以通过多媒体展示复杂的流体力学现象和工程实例，帮助学生更好地理解和掌握相关理论知识点。同时，对于一些较难理解和掌握的原理，可引入虚拟仿真技术，用于模拟复杂的流体流动现象，如管道流动、流体与固体壁面的相互作用、边界层理论、紊流运动等，让学生在虚拟环境中进行实验操作和数据采集，提高教学的互动性和趣味性。教师还可以引导学生利用AI技术解决流体力学问题，如通过训练神经网络模型来预测流体流动状态、优化设计方案等，这不仅可以提高学生的编程和数据处理能力，还能培养学生的创新思维和解决问题的能力。可借助大数据分析等技术手段，跟踪和评估学生的学习情况，为个性化教学提供数据支持。

（四）关注学生个体差异