流體力學教學資源庫建設論文
流體力學教學資源庫建設論文
一、教學資源庫建設的意義
（一）課程教學自身的內在需要
教學資源庫建設應根據課程不同特點有針對性地進行。流體力學研究的物件是流體，其有別於固體的特殊性在於易變形和易流動性。流體力學的研究方法大多采用尤拉法，其著眼點是研究流體流過的區域即“場”上的流體物理量的變化，與大家熟知的針對固體運動的物理學或固體力學的研究方法不同。由於流體力學的上述特點，因而出現了許多新概念和新現象。例如定常、非定常，流線、跡線，層流、湍流，有旋、無旋，邊界層、渦街，自由渦、下洗等許多概念在課堂上頗費口舌，介紹了半天學生往往還在雲裡霧裡，難於理解。許多流動現象通常看不見、摸不著，教學內容抽象枯燥、晦澀難懂，採用傳統教學方法，學生難於建立清晰的流動概念，因而學習存在畏難和牴觸情緒，缺乏進一步學習的興趣和動力。沒有清晰的流動概念就無法提煉出合理的數學模型，勢必影響到學生對相關知識點和課程內容的學習。而利用流場顯示、小動畫、虛擬模擬等方法獲得的圖形影象及影片等多媒體素材，在教學過程中只需播放幾分鐘甚至幾秒鐘，就能讓學生加深理解、茅塞頓開，使課堂教學效果產生質的飛躍。採用多媒體的特寫、慢鏡、定格、細化、放大等技術再現流動現象，聚焦流動細節，使枯燥乏味的流動過程變得新穎有趣，既形象又清晰，提升了學生的感性認識和認知能力，一些流動畫面甚至使學生終生難忘。因此，建設符合現代教育技術特點的資源庫是流體力學課程教學的內在需要。目前，國家精品資源共享課是各高校課程建設關注的焦點與核心。教育部要求各高校在國家精品課程建設的基礎上，進一步轉型升級為國家精品資源共享課。可見要建設高水平的國家精品課程和資源共享課，也要以加強教學資源庫的建設作為有力支撐。
（二）提高課堂教學質量的需要
提高教學質量需要高質量的教學資源庫素材。教學資源在課堂上使用方便，能夠突破時空的限制，在課程組成員之間具有高度的共享性、可重複性和可擴充套件性。教學資源具有形式的多樣性，以其精美的畫面、優美的音樂、逼真的動畫和影象，圖文聲並茂，極具表現力。在教學活動中，善於使用教學資源庫素材，可以使教學資訊傳遞速度明顯加快。在教學時數有限的條件下，透過將精彩素材引入課堂，以豐富的背景材料支援教學內容，教師可以傳授更多的知識。例如，在講述邊界層分離時，需要探究邊界層分離的必要條件是存在逆壓梯度和壁面粘滯作用。採用基於實驗室拍攝的流動影片進行教學，首先可以觀察圓球駐點前方的來流，雖然存在逆壓梯度，但邊界層並未發生分離；其次觀察順來流方向放置的薄平板附近的流動，也可發現雖然存在壁面粘滯作用，但邊界層也未發生分離，可見僅有逆壓梯度或壁面粘滯作用邊界層並不分離；但當在圓球駐點前方順來流方向放置薄平板時，可以觀察到在平板和圓球連線處的附近流動發生了邊界層分離，從而說明了逆壓梯度和壁面粘滯的共同作用是邊界層分離的必要條件。進一步學生可能會問，逆壓梯度和壁面粘滯作用是不是邊界層分離的充分條件呢？透過流線體的繞流影片可以發現，在流線體的尾部表面，雖然也存在逆壓梯度和壁面粘滯作用，但邊界層並不分離，而當流線體長度不變、中間部位增厚逐漸過渡到鈍體繞流時，由於鈍體尾部表面逆壓梯度增加，出現了邊界層分離現象，所以可以說明逆壓梯度和壁面粘滯作用只是邊界層分離的必要條件而不是充分條件。在流體力學課程中，類似的.流動現象還有很多，以前大多采用板書、圖片等靜態的講授方式，講授效果並不理想，而現在將豐富的流動影片引入課堂，相當於將實驗室搬進了教室，不僅使學生有身臨其境、眼見為實的現場感，而且大大節省了講授時間，提高了教學效率和效果。由此可見，教學有法，教無定法，貴在得法。教學實踐表明，基於課堂教學的流體力學資源庫建設與應用是提高教學質量的有效方法。
二、教學資源庫建設的內容與重點
根據課程教學需要，將流體力學教學資源庫建設內容分成“原始資源庫”和“成品資源庫”兩大部分[3-4]。原始資源庫內含文字庫、圖片庫、動畫庫、影片庫、音訊庫等原始素材。成品資源庫內含PPT電子教案、例題習題庫、試卷庫、典型案例庫、網路課程等成品素材，可以直接用於教學。前期以原始資源庫的素材收集和建設為主，後期以成品資源庫的素材整合和二次開發為主。後期建設需要透過教師的大量勞動進行再加工、再創造，因而是教學資源庫建設的重點。建成的原始素材庫內容主要包括五個方面：
（1）基於課程知識點的教學素材庫建設。包括流體粘性、壓縮性、流線、湍流等課程所有知識點。
（2）基於課程自然現象的教學素材庫建設。包括大雁成人字形飛行、龍捲風的形成與演化等自然現象。
（3）基於課程相關的流體工程教學素材庫建設。包括螺旋槳穴蝕、水擊、球鼻首減阻等工程案例。
（4）基於課程最新科研成果的教學素材庫建設。包括艦船水壓場、超空泡流、水下滑翔機等最新科研進展。
（5）基於課程科學家相關事蹟的教學素材庫建設。包括尤拉、普朗特、馮卡門等科學研究的思想與方法。
建成的成品素材庫內容主要包括四個方面：
（1）課程PPT電子教案的建設。包括融合原始素材、進行二次開發、符合教師教學要求的所有課件。
（2）課程概念題庫的建設。包括體現課程知識點、重難點便於學生學習、複習、考核的重要概念。
（3）課程例題習題庫的建設。包括反映課程重要理論、方程、定理的便於教學雙方使用的例題習題。
（4）課程試題或試卷庫的建設。包括覆蓋課程主要內容、難易適度、便於對學生學習做出評價的試題試卷。
三、教學資源庫建設的途徑
（一）成立教學資源庫建設小組
在課程建設牽引的基礎上，以先進的教學理念為指導，以現代教育技術為依託，以提高人才培養質量為目的，以服務課程教學為重點，以課程組全體教師為主體，以課程資源的系統性、完整性為基本要求，立足課程特點和需求實際，注重課程資源的適用性和易用性，分工協作，群策群力，共同建設。成立課程教學資源庫建設小組，建設人員包括課程組全體教師。課程負責人、資深教授主要負責頂層設計和規劃，提出資源庫建設的框架與方案，對建設內容進行稽核和驗收。骨幹教師主要負責成品素材的二次開發、分類、篩選、最佳化與建設，對原始素材與課程內容進行深層次整合。青年教師主要負責原始素材的收集、整理和初次開發與建設。
（二）採用多種手段建設原始素材庫
透過收集整理、購買引進、自主開發等多種方式，建設原始素材庫。將蒐集國外著名大學的教學專題片、開放課程和國內高等院校國家精品課程的流體力學素材作為首選，全方位獲取各種免費公共教學資源。例如，現在可以在網際網路上免費獲取世界著名流體力學專家在實驗室拍攝的流動演示專題影片，包括斯坦福大學S.J.Kline教授講授的“流場顯示”，賓夕法尼亞州立大學J.L.Lumley教授講授的“流體力學中的尤拉和拉格朗日方法”，麻省理工學院A.H.Shapiro教授講授的“渦量”、“壓力場和流體的加速度”，劍橋大學S.G.Taylor教授講授的“低雷諾數流動”，哈佛大學F.Abernathy教授講授的“邊界層基礎”和A.E.Bryson教授講授的“流體中的波”，加利福尼亞理工學院D.Coles教授講授的“可壓縮流體的槽道流動”，哥倫比亞大學R.W.Stewart教授講授的“湍流”等。這些專題片概念清晰、流動形象、內容精湛，是非常珍貴的流體力學教學資源。國內在教育部主導推動下建設有國家精品課程資源網，彙集了上海交通大學、浙江大學、華中科技大學、西安交通大學等高校的流體力學精品課程影片素材，也可供瀏覽、下載和借鑑。網際網路是獲取免費資源素材的主渠道，但需注意註明連結出處，同時只用於教育用途而非商業目的。此外，資源的建設應處理好購買引進和自主開發的關係，若開發的難度大，但購買價格合理的話，可適當購買。依託課程建設、實驗室建設和教改專案等投入的經費，可以對國內外的教學軟體或研發單位制作的教學電子資源或教材出版中附帶的光碟教學資源等採用購買方式有選擇的補充。例如，清華大學李玉柱教授編寫的“流體力學電子教案”，上海交通大學丁祖榮教授編寫的“流體力學多媒體電子教案”、“流體力學網路課程”，浙江大學毛根海教授編寫的“工程流體力學網路課程”等數字化教學資源，已由高等教育出版社出版發行。最後，對課程的關鍵素材，如無法免費獲得或購置成本昂貴，可採取自主研發方式，製作原創素材，進行定製開發。海軍工程大學曾在自己設計研製的流動迴圈顯示水槽中，拍攝過《渦街》《粘性阻力與升力》《流場顯示》等專題錄影片，在教學過程中取得了很好的教學效果。自主開發的好處是可以鍛鍊教學隊伍，製作的素材更能符合需求實際，而且擁有所研發素材的自主產權，可以在高校之間進行自由交流，實現資源互換共享。
（三）按照先進教學理念建設成品素材庫
按照學科性、適用性、易用性原則循序漸進地建設成品素材庫。成品素材庫建設必須體現課程需求，並與課程標準、所用教材、講授內容、學時安排等緊密結合起來。原始素材可以蒐集很多，但質量參差不齊。有些原始素材概念定義不同，文字大小不一，公式符號有異，影象解析度差異性很大，因而不能簡單堆積、生搬硬套。在建設成品素材庫的過程中，應該緊緊圍繞課程的內容、知識點、重難點、特點和需求進行分類、整合、最佳化和二次開發，既要考慮有利於教師突破教學的重點與難點，又要考慮有利於學生的認知促進以及學習興趣和動機的維持，使得所建成的成品資源庫能夠直接用於教學，支援教學，並能使教師快捷地找到所需要的資源，以實現教學的最最佳化。在成品素材庫的建設中，我們將“身邊的流體力學現象、流動的工程實際、最新的科研成果、科學研究的思想方法”等原始素材融入PPT電子教案，在課堂教學中取到了事半功倍的效果[5]。引入身邊的流體力學現象，有利於激發學生的學習興趣，使課堂教學生動有趣。引入流動的工程實際，可以增強學習的針對性和有效性，搭起理論和實踐的橋樑。引入最新的科研成果，可以拓展學生視野，培養學生的創新精神和實踐能力。引入科學家的生平事蹟，可以激勵學生熱愛科學事業，並在潛移默化中掌握科學的研究方法。建成的知識點庫、概念題庫、例題習題庫、PPT電子教案等，不僅可為教師提供便利的教學資源，而且也可適時提供給學生學習和複習使用。建成的試題庫緊密結合課程標準和考試要求，包括概念、選擇、計算和應用等內容，能夠自由組卷或固定搭配出卷，可為考教分離、客觀評價教學效果提供有利條件。
（四）立足課堂教學完善課程資源庫
資源庫的建設的目的在於應用。既要發揮課程組所有成員建設資源庫的積極性，更要發揮這些成員應用於課堂教學並不斷完善資源庫的積極性。教學資源庫的建設是一個動態過程，在建設和使用資源庫時，需要堅持開放、共建、共享原則，形成資源建設共同體。開放就是資源要能方便地進行修改、重組和利用；共建就是要求課程組的全體教師參與建設，任務分解到人；共享就是要將建成的資源庫素材，全部提供課程組教師免費使用。此外，建成的教學資源庫在使用時，還需結合教師自身特點和不同的施訓物件，進行個性化打造和最佳化。建設教學資源庫需要付出辛勤的勞動，只有透過發揮課程組全體教師共建的力量，才能讓每一位教師都共享豐富的教學素材，從而達到整體提高教學質量的目的。透過教學資源共建共享、課堂教學實踐不斷完善和定期經驗交流機制，激發課程組全體教師不斷參與教學資源動態更新與建設的積極性，使教學資源庫處於持續使用與發展的良好狀態之中。