工程流體力學教學模式國內外對比

張敏弟 鄭辰 王婭娜

摘要：成果導向模式（Outcome Based Education，OBE模式）起源于歐美高校教育，近年來被國內高校應用于工科生培養(yǎng)中。而工程流體力學是機械類專業(yè)的核心基礎課程，對學生知識網(wǎng)絡的構建起到重要作用。文章通過調研分析了國外幾所名校的OBE教學模式，厘清預期學習成果（ILOS），結合國內專業(yè)特色和辦學條件，建設適合國內高校工科生的工程流體力學課程體系。

關鍵詞：工程流體力學;OBE模式;國內外名校對標;預期學習成果

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）21-0004-03

一、概述

工程流體力學是機械類專業(yè)的核心基礎課[1]，如何結合學科優(yōu)勢發(fā)展特色，讓學生掌握流體力學的思維特點和處理實際流體力學問題的能力，為將來從事本學科課題研究工作時解決所涉及的流體力學問題提供必要的基礎，一直是筆者近幾年在教學工作中重點思考的問題。

成果導向教育（Outcome Based Education）即OBE模式，是一種“以學生為本”的教育理念。它更聚焦于學生受教育后對于自身能力的培養(yǎng)[2-4]。在OBE模式的實際運用過程中，教育的目標、教育的需求、傳授的方式、合理的評價標準以及如何確保學生學有所得是成果導向教育所關心的5個核心問題[5，6]?；贠BE理念，結合美國頂尖級大學機械類的流體力學教學模式，國內的基礎教育有必要進行多項教學改革。講授工程流體力學時，必須將理論知識與實踐應用相結合，培養(yǎng)學生建立物理概念，學生們才能夠理解流體力學的授課內容。為此，本文開展了對國內外OBE教學模式的調查研究。通過對國內外高校流體力學課程體系的調研，深入了解OBE教學模式在培養(yǎng)人才方面的有效性，全面認識實現(xiàn)流體力學課程體系的OBE教學模式特點，進而結合國內專業(yè)特色和辦學條件，建設適合本國國情的工程流體力學的課程體系。

二、流體力學國內外教學對標

（一）國內外調研活動

由于流體力學的知識內容涉及多個領域，而且不同方向的重點也存在較大差異，因此本研究著眼于機械類流體力學，進行國外高校OBE教學模式的調研分析，厘清預期學習成果（Intended learning outcomes， ILOS）教學理念的具體實施過程，研究通過網(wǎng)上學習總結和與出國留學學生交流展開。

研究中，一方面，通過直接進入各個大學網(wǎng)站查看機械類專業(yè)課程總體安排，明確各高校設置課程的思路，理解“ILOS”的理念，進一步深入地領會流體力學的教學大綱、教學內容、教學用書與整個培養(yǎng)體系的關聯(lián)，明晰我們教授的流體力學目標與國外相應課程的差異。圖1中列出了美國公立大學University of Michigan機械系課程培養(yǎng)結構圖、私立大學Duke University的機械工程與材料科學系本科生的課程培養(yǎng)結構圖、MIT機械系Fluid Mechanics課程主頁和Case Western Reserve University機械系Fluid Mechanics的教學大綱。通過閱覽美國University of Michigan、Duke University、Case Western Reserve University、MIT等大學，以及國內清華大學、上海交通大學密西根學院和南方科技大學等多所大學的相關網(wǎng)站和與相關人員的交流過程中，筆者逐漸認識到，作為專業(yè)必修基礎課，這些學校分別開設了流體力學I或流體力學II，這種做法將流體力學知識分解成兩部分：基本理論與應用和高級理論與應用，并且在學習了數(shù)學、力學和基本熱學知識之后才開始學習課程流體力學I，而且都安排在大學三年級。更重要的是，這幾所國外大學、上海交通大學密西根學院和南方科技大學都單獨開設了與流體力學配套的實驗課，并且與流體力學授課同步進行。這樣安排的優(yōu)點在于充分針對流體力學的課程特點—理論性與實踐性并重，使學生能夠將所學知識與實驗應用相結合，實現(xiàn)ILOS的教學目標。

圖1 網(wǎng)上調研圖

另一方面，針對流體力學課程，通過對比國內與國外教學現(xiàn)狀，由學生們直接評述我校課程特色，并為進一步提升教學效果提供建議。在研究中，這些學生直接將國外大學的授課大綱、課件和課后作業(yè)與我共享。表1列出了接受調研學生信息。從學生角度得到的反饋信息更能夠有效指導我們的課程改革，有效提升學生的知識水平和實踐能力。

（二）各國流體力學課程設置

美國私立大學的課程學習極為嚴格。首先，要求將理論知識與應用相結合。學生在學習過程中，不但要完成習題，而且要針對實際問題，開展理論分析和數(shù)值模擬相結合的研究，對實際工程或生活問題給出明確結論，并且提交總結報告，要求按照學術論文形式進行規(guī)范撰寫。其次，配套實驗課皆在科研設備上開展實際測試。在科研設備平臺上進行實驗，必然存在許多不確定性，不可避免地帶來系統(tǒng)誤差和隨機誤差，讓學生們意識到理論與實際應用的差距，分析誤差是理論知識在實際應用中不可避免的因素。最后，采用精密的科研儀器開展實際基礎問題研究。由于師生比很高，學校還為學生提供了充足的實驗條件，依據(jù)學校專業(yè)特色設立不同的研究方向，學生們自行設定研究題目，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗測試相結合的途徑對問題開展研究，由此培養(yǎng)學生提煉問題、應用理論知識解釋問題、解決問題的能力，從而實現(xiàn)ILOS的培養(yǎng)目標。

歐洲國家流體力學的教學更突出保證學生學透和學精。機械系的流體力學包括三個部分：授課、習題課和實驗課，而且還會布置作業(yè)，安排考試，最后成績是對所有項目的綜合評估。對于基本流體力學課程習題課和實驗課是必須參加的。習題課講解對于實際問題，如何用流體力學語言進行描述，如何進行簡化提取并建立方程，通過基本理論得到結果后，又如何應用于解釋實際問題，如何調整參數(shù)解決實際問題。在實驗課上，實驗題目與課堂知識點相對應，開設多種實驗，學生邊做實驗邊處理數(shù)據(jù)，而且要當場把實驗報告寫好并上交。通過理論授課、習題和實驗課反復強調基礎理論知識及應用，將一個知識點以不同方式講解，使學生扎實牢固地掌握基礎理論知識及其應用。

俄羅斯的流體力學課程曾經(jīng)是我國教學的模板，但現(xiàn)在也發(fā)生了變化。俄羅斯的流體力學開設在大三學年兩個學期里。分為理論流體力學和應用流體力學。理論流體力學主要與學校研究方向相關，通過將實際應用背景與流體力學理論知識相結合，對學生學習情況的考查是通過課程設計大作業(yè)實現(xiàn)的。理論流體力學包括兩部分，第一學期主要為靜力學、運動學和動力學等基礎的理論知識，與國內學習相同;根據(jù)專業(yè)需要，第二學期的理論流體力學內容加深，進行流體微分和積分一系列方程學習。每節(jié)課之后一般沒有作業(yè)，但每隔幾周會有一個大作業(yè)（一學期可能就3—5個），要求每個人單獨完成（可能每個人的要求或數(shù)據(jù)不一樣），每個人的完成情況作為課程考核的重要組成部分，如果完成不了或質量太差，則沒有資格參加期末考試，需要重修。盡管名稱為大作業(yè)，但這其實是一個將理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證相結合開展問題研究的完整過程。而且，在學習過程中，每學期設置了4—6次實驗，與國內不同，實驗也可以是數(shù)值實驗。尤其值得一提的是，平時會有隨堂測試，以檢查學生記筆記的情況和掌握知識的程度。

三、結束語

世界著名高校機械工程專業(yè)流體力學授課內容和模式雖然有所不同，但都非常強調理論知識與實際應用相結合，突出以學生會用理論知識為教學目的。美國高校強調學生主動學習，讓學生在解決問題中加深對理論知識的理解和應用;歐洲和俄羅斯則是在課內結合多種學習模式和考核模式，將每個知識點一一解讀，使學生有充分的時間和機會理解每個知識點的含義和實際應用情況。

參考文獻：

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Abstract： The philosophy of Outcome Based Education （OBE） is originated from European and American colleges. Engineering Fluid Mechanics is the core basic course of mechanical engineering major， which plays an important role in the construction of students' knowledge structure. In this study， the OBE education modes of major foreign universities are analyzed in order to define the Intended learning Outcomes （ILOS）， and the course system of Engineering Fluid Mechanics is built by combining the professional feature and national educational conditions.

Key words： Engineering Fluid Mechanics; OBE mode; domestic and foreign famous schools; Intended learning Outcomes （ILOS）