流體力學(xué)教學(xué)資源庫建設(shè)論文
一、教學(xué)資源庫建設(shè)的意義
（一）課程教學(xué)自身的內(nèi)在需要
教學(xué)資源庫建設(shè)應(yīng)根據(jù)課程不同特點有針對性地進行。流體力學(xué)研究的對象是流體，其有別于固體的特殊性在于易變形和易流動性。流體力學(xué)的研究方法大多采用歐拉法，其著眼點是研究流體流過的區(qū)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(xué)或固體力學(xué)的研究方法不同。由于流體力學(xué)的上述特點，因而出現(xiàn)了許多新概念和新現(xiàn)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(xué)生往往還在云里霧里，難于理解。許多流動現(xiàn)象通常看不見、摸不著，教學(xué)內(nèi)容抽象枯燥、晦澀難懂，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生難于建立清晰的流動概念，因而學(xué)習存在畏難和抵觸情緒，缺乏進一步學(xué)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(shù)學(xué)模型，勢必影響到學(xué)生對相關(guān)知識點和課程內(nèi)容的學(xué)習。而利用流場顯示、小動畫、虛擬仿真等方法獲得的圖形圖像及視頻等多媒體素材，在教學(xué)過程中只需播放幾分鐘甚至幾秒鐘，就能讓學(xué)生加深理解、茅塞頓開，使課堂教學(xué)效果產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。采用多媒體的特寫、慢鏡、定格、細化、放大等技術(shù)再現(xiàn)流動現(xiàn)象，聚焦流動細節(jié)，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(xué)生的感性認識和認知能力，一些流動畫面甚至使學(xué)生終生難忘。因此，建設(shè)符合現(xiàn)代教育技術(shù)特點的資源庫是流體力學(xué)課程教學(xué)的內(nèi)在需要。目前，國家精品資源共享課是各高校課程建設(shè)關(guān)注的焦點與核心。教育部要求各高校在國家精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，進一步轉(zhuǎn)型升級為國家精品資源共享課。可見要建設(shè)高水平的國家精品課程和資源共享課，也要以加強教學(xué)資源庫的建設(shè)作為有力支撐。
（二）提高課堂教學(xué)質(zhì)量的需要
提高教學(xué)質(zhì)量需要高質(zhì)量的教學(xué)資源庫素材。教學(xué)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、可重復(fù)性和可擴展性。教學(xué)資源具有形式的多樣性，以其精美的畫面、優(yōu)美的音樂、逼真的動畫和圖像，圖文聲并茂，極具表現(xiàn)力。在教學(xué)活動中，善于使用教學(xué)資源庫素材，可以使教學(xué)信息傳遞速度明顯加快。在教學(xué)時數(shù)有限的條件下，通過將精彩素材引入課堂，以豐富的背景材料支持教學(xué)內(nèi)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。采用基于實驗室拍攝的流動視頻進行教學(xué)，首先可以觀察圓球駐點前方的來流，雖然存在逆壓梯度，但邊界層并未發(fā)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(fā)現(xiàn)雖然存在壁面粘滯作用，但邊界層也未發(fā)生分離，可見僅有逆壓梯度或壁面粘滯作用邊界層并不分離；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接處的附近流動發(fā)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(xué)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？通過流線體的繞流視頻可以發(fā)現(xiàn)，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，但邊界層并不分離，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，由于鈍體尾部表面逆壓梯度增加，出現(xiàn)了邊界層分離現(xiàn)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(xué)課程中，類似的.流動現(xiàn)象還有很多，以前大多采用板書、圖片等靜態(tài)的講授方式，講授效果并不理想，而現(xiàn)在將豐富的流動視頻引入課堂，相當于將實驗室搬進了教室，不僅使學(xué)生有身臨其境、眼見為實的現(xiàn)場感，而且大大節(jié)省了講授時間，提高了教學(xué)效率和效果。由此可見，教學(xué)有法，教無定法，貴在得法。教學(xué)實踐表明，基于課堂教學(xué)的流體力學(xué)資源庫建設(shè)與應(yīng)用是提高教學(xué)質(zhì)量的有效方法。
二、教學(xué)資源庫建設(shè)的內(nèi)容與重點
根據(jù)課程教學(xué)需要，將流體力學(xué)教學(xué)資源庫建設(shè)內(nèi)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(nèi)含文本庫、圖片庫、動畫庫、視頻庫、音頻庫等原始素材。成品資源庫內(nèi)含PPT電子教案、例題習題庫、試卷庫、典型案例庫、網(wǎng)絡(luò)課程等成品素材，可以直接用于教學(xué)。前期以原始資源庫的素材收集和建設(shè)為主，后期以成品資源庫的素材整合和二次開發(fā)為主。后期建設(shè)需要通過教師的大量勞動進行再加工、再創(chuàng)造，因而是教學(xué)資源庫建設(shè)的重點。建成的原始素材庫內(nèi)容主要包括五個方面：
（1）基于課程知識點的教學(xué)素材庫建設(shè)。包括流體粘性、壓縮性、流線、湍流等課程所有知識點。
（2）基于課程自然現(xiàn)象的教學(xué)素材庫建設(shè)。包括大雁成人字形飛行、龍卷風的形成與演化等自然現(xiàn)象。
（3）基于課程相關(guān)的流體工程教學(xué)素材庫建設(shè)。包括螺旋槳穴蝕、水擊、球鼻首減阻等工程案例。
（4）基于課程最新科研成果的教學(xué)素材庫建設(shè)。包括艦船水壓場、超空泡流、水下滑翔機等最新科研進展。
（5）基于課程科學(xué)家相關(guān)事跡的教學(xué)素材庫建設(shè)。包括歐拉、普朗特、馮卡門等科學(xué)研究的思想與方法。
建成的成品素材庫內(nèi)容主要包括四個方面：
（1）課程PPT電子教案的建設(shè)。包括融合原始素材、進行二次開發(fā)、符合教師教學(xué)要求的所有課件。
（2）課程概念題庫的建設(shè)。包括體現(xiàn)課程知識點、重難點便于學(xué)生學(xué)習、復(fù)習、考核的重要概念。
（3）課程例題習題庫的建設(shè)。包括反映課程重要理論、方程、定理的便于教學(xué)雙方使用的例題習題。
（4）課程試題或試卷庫的建設(shè)。包括覆蓋課程主要內(nèi)容、難易適度、便于對學(xué)生學(xué)習做出評價的試題試卷。
三、教學(xué)資源庫建設(shè)的途徑
（一）成立教學(xué)資源庫建設(shè)小組
在課程建設(shè)牽引的基礎(chǔ)上，以先進的教學(xué)理念為指導(dǎo)，以現(xiàn)代教育技術(shù)為依托，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目的，以服務(wù)課程教學(xué)為重點，以課程組全體教師為主體，以課程資源的系統(tǒng)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(xié)作，群策群力，共同建設(shè)。成立課程教學(xué)資源庫建設(shè)小組，建設(shè)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(shè)計和規(guī)劃，提出資源庫建設(shè)的框架與方案，對建設(shè)內(nèi)容進行審核和驗收。骨干教師主要負責成品素材的二次開發(fā)、分類、篩選、優(yōu)化與建設(shè)，對原始素材與課程內(nèi)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(fā)與建設(shè)。
（二）采用多種手段建設(shè)原始素材庫
通過收集整理、購買引進、自主開發(fā)等多種方式，建設(shè)原始素材庫。將搜集國外著名大學(xué)的教學(xué)專題片、開放課程和國內(nèi)高等院校國家精品課程的流體力學(xué)素材作為首選，全方位獲取各種免費公共教學(xué)資源。例如，現(xiàn)在可以在互聯(lián)網(wǎng)上免費獲取世界著名流體力學(xué)專家在實驗室拍攝的流動演示專題視頻，包括斯坦福大學(xué)S.J.Kline教授講授的“流場顯示”，賓夕法尼亞州立大學(xué)J.L.Lumley教授講授的“流體力學(xué)中的歐拉和拉格朗日方法”，麻省理工學(xué)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(xué)S.G.Taylor教授講授的“低雷諾數(shù)流動”，哈佛大學(xué)F.Abernathy教授講授的“邊界層基礎(chǔ)”和A.E.Bryson教授講授的“流體中的波”，加利福尼亞理工學(xué)院D.Coles教授講授的“可壓縮流體的槽道流動”，哥倫比亞大學(xué)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(nèi)容精湛，是非常珍貴的流體力學(xué)教學(xué)資源。國內(nèi)在教育部主導(dǎo)推動下建設(shè)有國家精品課程資源網(wǎng)，匯集了上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的流體力學(xué)精品課程視頻素材，也可供瀏覽、下載和借鑒。互聯(lián)網(wǎng)是獲取免費資源素材的主渠道，但需注意注明鏈接出處，同時只用于教育用途而非商業(yè)目的。此外，資源的建設(shè)應(yīng)處理好購買引進和自主開發(fā)的關(guān)系，若開發(fā)的難度大，但購買價格合理的話，可適當購買。依托課程建設(shè)、實驗室建設(shè)和教改項目等投入的經(jīng)費，可以對國內(nèi)外的教學(xué)軟件或研發(fā)單位制作的教學(xué)電子資源或教材出版中附帶的光盤教學(xué)資源等采用購買方式有選擇的補充。例如，清華大學(xué)李玉柱教授編寫的“流體力學(xué)電子教案”，上海交通大學(xué)丁祖榮教授編寫的“流體力學(xué)多媒體電子教案”、“流體力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程”，浙江大學(xué)毛根海教授編寫的“工程流體力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程”等數(shù)字化教學(xué)資源，已由高等教育出版社出版發(fā)行。最后，對課程的關(guān)鍵素材，如無法免費獲得或購置成本昂貴，可采取自主研發(fā)方式，制作原創(chuàng)素材，進行定制開發(fā)。海軍工程大學(xué)曾在自己設(shè)計研制的流動循環(huán)顯示水槽中，拍攝過《渦街》《粘性阻力與升力》《流場顯示》等專題錄像片，在教學(xué)過程中取得了很好的教學(xué)效果。自主開發(fā)的好處是可以鍛煉教學(xué)隊伍，制作的素材更能符合需求實際，而且擁有所研發(fā)素材的自主產(chǎn)權(quán)，可以在高校之間進行自由交流，實現(xiàn)資源互換共享。
（三）按照先進教學(xué)理念建設(shè)成品素材庫
按照學(xué)科性、適用性、易用性原則循序漸進地建設(shè)成品素材庫。成品素材庫建設(shè)必須體現(xiàn)課程需求，并與課程標準、所用教材、講授內(nèi)容、學(xué)時安排等緊密結(jié)合起來。原始素材可以搜集很多，但質(zhì)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，圖像分辨率差異性很大，因而不能簡單堆積、生搬硬套。在建設(shè)成品素材庫的過程中，應(yīng)該緊緊圍繞課程的內(nèi)容、知識點、重難點、特點和需求進行分類、整合、優(yōu)化和二次開發(fā)，既要考慮有利于教師突破教學(xué)的重點與難點，又要考慮有利于學(xué)生的認知促進以及學(xué)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于教學(xué)，支持教學(xué)，并能使教師快捷地找到所需要的資源，以實現(xiàn)教學(xué)的最優(yōu)化。在成品素材庫的建設(shè)中，我們將“身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象、流動的工程實際、最新的科研成果、科學(xué)研究的思想方法”等原始素材融入PPT電子教案，在課堂教學(xué)中取到了事半功倍的效果[5]。引入身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，使課堂教學(xué)生動有趣。引入流動的工程實際，可以增強學(xué)習的針對性和有效性，搭起理論和實踐的橋梁。引入最新的科研成果，可以拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。引入科學(xué)家的生平事跡，可以激勵學(xué)生熱愛科學(xué)事業(yè)，并在潛移默化中掌握科學(xué)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(xué)資源，而且也可適時提供給學(xué)生學(xué)習和復(fù)習使用。建成的試題庫緊密結(jié)合課程標準和考試要求，包括概念、選擇、計算和應(yīng)用等內(nèi)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(xué)效果提供有利條件。
（四）立足課堂教學(xué)完善課程資源庫
資源庫的建設(shè)的目的在于應(yīng)用。既要發(fā)揮課程組所有成員建設(shè)資源庫的積極性，更要發(fā)揮這些成員應(yīng)用于課堂教學(xué)并不斷完善資源庫的積極性。教學(xué)資源庫的建設(shè)是一個動態(tài)過程，在建設(shè)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(shè)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(shè)，任務(wù)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(xué)資源庫在使用時，還需結(jié)合教師自身特點和不同的施訓(xùn)對象，進行個性化打造和優(yōu)化。建設(shè)教學(xué)資源庫需要付出辛勤的勞動，只有通過發(fā)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(xué)素材，從而達到整體提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過教學(xué)資源共建共享、課堂教學(xué)實踐不斷完善和定期經(jīng)驗交流機制，激發(fā)課程組全體教師不斷參與教學(xué)資源動態(tài)更新與建設(shè)的積極性，使教學(xué)資源庫處于持續(xù)使用與發(fā)展的良好狀態(tài)之中。
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