大类招生模式是目前中国很多高等院校在本科生招生时普遍采用的形式^[1]。所谓大类招生模式,通常指的是高校按相同或相近的学科门类将同院系的专业合并,按一个学科大类招生。在学生入学后,经过1~2年的通识教育和学科基础教育培养后,再根据个人兴趣、专业爱好和双向选择原则进行专业分流。大类招生政策坚持以"厚基础,宽口径"为原则,突破单一专业的界限,实行学科大类基础教育和宽口径的专业化培养。这种模式利于在"新工科"背景下复合型创新型高素质人才的培养^[2],是21世纪中国高等教育一次重要的招生和培养体制改革。但在这种大类招生模式下进行专业分流往往存在着"热门专业"过热,"冷门专业"过冷,冷热专业学生结构不合理的弊端。许多高校的做法是遵循成绩优先,结合志愿原则进行^[1],即按照学生入学后1至2年内通识课程和大类基础课程的学习成绩或学分绩点排名,结合学生志愿进行专业分流。这种做法往往使得成绩排名靠前的学生扎堆"热门专业",而导致所谓的"冷门专业"的学生普遍基础薄弱,从而加剧了"热门专业"和"冷门专业"的结构性矛盾,进而不利于专业的发展和人才的培养。如何避免学科大类学生在专业分流时扎堆"热门专业",真正做到"冷热专业"学生的结构均衡是目前大类招生背景下各高校亟需解决的问题。

南京理工大学从2018年开始在"能源与动力工程、新能源科学与工程以及建筑环境与能源工程"三个相近的本科专业实行按能源动力大类招生,学生专业的分流安排在大学二年级第二学期进行。大学一年级主要是进行人文、社会和自然科学等通识教育课和学科教育课的学习,大学二年级第一学期开始进行学科基础课的学习。流体力学作为能源动力大类下的一门重要学科基础课程,被安排在大二第一学期开设。通过大学一年级的学习,学生们已经完成了高等数学和大学物理等先修课程,但同时面临即将到来的专业分流。此时,在大学二年级学科基础课程的教学上进行必要的专业教育和方向引导,对学生接下来的专业分流就显得尤为重要。本文在大类招生的教育背景下,试图在能源动力类专业流体力学教学中进行跨专业教育教学的探索与实践,满足专业分流后学生对流体力学知识的需求,也在此过程中进行必要的跨专业的教育,期望对学生在专业分流时进行引导,帮助他们提高对专业的正确认识和树立正确的择业和职业观。

流体力学是我校院系和专业中开设比较广的一门学科基础课,横跨院系和专业多,在武器类、能源与动力类、化工类、建筑环境类和航空宇航类等学科专业中都把流体力学作为主干的基础课程。长期以来,在专业招生背景下,由于专业划分过细,很多工程类专业的流体力学教学通常采用两种模式：一是围绕各小专业需要而授课,授课体系过分强调专业所需,即在各个学科专业教学时"按需授课";二是对各个专业所需流体力学的知识以"基础共性问题"讲授,在教材编写上也过分强调了流体力学基础课的属性。这两种教学模式往往忽略了流体力学具有跨学科和专业交叉的属性,导致教师在授课过程中对学生进行系统的跨学科和跨专业教育较少,学生在流体力学的专业交叉应用方面知识有所欠缺,不利于复合型人才的培养,更不利于学生的专业选择和分流。

本文在能源动力类本科生流体力学教学内容建设方面,改变了传统学科基础课教学内容安排中单一强调知识的基础性和共性或者根据专业"按需"进行设计的方法,采用了既强调教学知识的基础性和系统性,注重知识共性的设计策略,又采用了能够拓展流体力学跨专业应用的多元化教学内容的设计方法,采用两段式的教学安排,将流体力学教学内容分为基础性课堂教学体系和专题自主学习体系两部分。

在基础性教学内容的安排上,根据2018年修订后的流体力学教学大纲,确定了共九章的教学内容,即流体及性质、流体静力学、流体运动学、流体动力学、相似原理与量纲分析、理想不可压缩流体的定常流动、通道内的黏性流动、绕物体的黏性流动和定常可压缩一元流动。表1给出了能源动力类流体力学课堂教学内容的知识体系构成。与2018版教学大纲相比,除了教学章节和教学内容外,在每一章节的课堂教学内容安排上,我们重点设计了专业问题引入和专业应用与拓展两部分,教学时数统一增加至64学时。每一章节从能源动力类各专业研究的相关问题入手引入教学内容,构建流体力学教学知识点和知识模块。在其后,安排各专业的应用拓展模块,打造学生自主学习的教学内容。使学生既能够全面系统学习流体力学的学科知识又能够使学生对能源动力类各专业的专业方向进行较为深入的了解。

从流体力学知识体系的完整性角度来看,表1中的流体力学知识体系的内容包含了流体静力学与流体动力学、内流与外流、可压缩流与不可压缩流,保持了流体力学知识结构的完整性。从能源与动力类各专业认知角度来看,表1中的知识体系结构包含了能源与动力工程、建筑环境与能源应用工程和新能源科学与工程等专业的研究问题以及流体力学教学内容和知识点在各专业问题的拓展应用,从而引导学生能够从流体力学的授课过程中获得能源动力类各专业与流体力学相关的专业知识,也能够熟悉、发现专业问题和应用所学解决专业问题。

除了流体力学基础知识的课堂教学内容之外,根据2018版教学大纲突出流体力学工程应用的要求,我们设计了流体力学专题自主学习模块,重点安排一些能源动力类专业领域内复杂流体力学的综合工程应用和前沿领域的综合专题应用,使学生"知其然,知其用"。这一部分内容重点强调以流体力学的综合复杂工程应用案例为载体,拓宽学生的专业知识面和学科领域。本文在能源与动力类三个细分专业中分别设置了四个自主学习专题,如表2所示,明确了学习要求和学习形式。根据自主学习的专题,学生以分组形式从三类专业领域中分别选择一项进行文献的自主检索和阅读,培养学生检索、阅读专业科技文献的能力。采用个人自主学习、小组合作讨论和教师专题辅导结合形式进行学习,提高学生独立"发现问题和解决问题"的能力。

流体力学作为能源动力类教学的一门重要学科基础课,在课堂教学环节中,教学内容应重点强调基本概念和基本物理规律等基本知识,为各专业后续课程的学习打下基础,教学目标使学生"知其然,知其所以然",同时又要通过教学帮助他们熟悉专业方向,对接下来的专业分流加以引导。因此,根据流体力学的教学体系内容,本文在教学模式设计中,采用"专业引入+系统教学+拓展应用"的教学模式。在每一章节的教学中,通过引入能源动力类的专业问题和普遍共识性问题,导入流体力学的课堂教学内容,明确教学内容可以解决的专业问题或者专业方向所包含的流体力学问题。通过系统的流体力学原理的讲解,使同学们能够获得流体力学的知识体系,并通过学生再学习和再研究的方法,用所获得的流体力学的知识解决各专业的研究问题。这种模式使学生能够进一步熟悉能源动力类各专业的研究方向,增加专业兴趣,熟悉专业内容。同时,又能使抽象的流体力学知识具体化和应用化,使学生增加课堂兴趣,提高流体力学的教学效率。

根据流体力学的教学内容,将授课内容分为两段：系统理论讲授内容和专题应用的教学内容,分别采用传统课堂和翻转课堂形式进行教学和学习。通过这两种教学模式的结合,构建一种"问题授课-学习研究-应用-再问题-再研究-再学习-再应用"循环往复的教学过程,其中"问题授课-学习研究"对应理论授课部分,"再问题-再研究-再学习-再应用"对应专题应用部分。

由于流体力学学科的基础性和抽象性,根据学生的学习基础,对理论部分的讲授采用传统教学模式更适合大学二年级学生的认知特点,有利于在较短的时间内,构建学生的知识结构。课堂上由教师采用"专业引入+系统教学+拓展应用"的模式进行启发式的主讲,然后组织学生讨论,鼓励学生对相关专业问题提出质疑,并寻求解决问题的方案。

在自主专题应用学习模块中,由于专业跨度大、内容多且往往相关专题具有一定的前沿性,因而在这一部分中适合主动探究式翻转课堂的学习模式。通过翻转课堂教学模式,打造"自主、合作和探究"三位一体的学习方法。教师采用设计多组研究问题,由学生自主合作学习,提出问题,然后合作讨论和教师专题辅导。学生对所选的应用专题利用信息化手段分别通过检索引擎、图书馆、电子文库,进行自主检索和阅读,在教师的辅导下,学生自主对所检索的专题参考材料有计划地进行主动研究和学习,明确专题应用中的流体力学原理、应用过程和研究手段,然后提出问题和解决思路,由小组进行讨论和相互质疑,展开专题合作学习和研究,补充问题解决方案,最后提交专题学习报告。

信息化资源的互联互通使得知识的更新周期更快,知识的传播范围更广,知识的融合度更宽。这就要求高校教师在课堂教学上改变传统思维模式,更新教育观念,积极探索在知识高度融合背景下人才培养的教学模式。学生的学习手段和知识的获取方式已经从单一的课堂教学渠道转向更多元化的渠道,如微课^[3]、慕课^[4-5]、资源共享课、精品公开课等各类在线课程以及微信公众号、博客、微博和各类网站的在线教学视频。这些渠道具有知识的信息化和数字化、知识更新快速化以及知识的科普化和形象化等诸多特点,但是在线资源也具有知识的碎片化、针对性差和不利于师生之间交流互动等缺点。本文在流体力学的教学实践中将信息化在线学习手段与传统课堂进行有效结合来提高课堂的教学效率,把信息化手段贯穿于传统课堂的课前、课中和课后等环节中。

教师在课前备课环节中,根据课上预讲的教学内容,有针对性提供给学生一些与课上内容相关相近的在线资源,渠道包括但不限于微信公众号、博客和网站上的一些科普文章和视频。这些科普类的在线资源作为课前预习的一部分内容,可以帮助学生尽可能熟悉课上教学内容,提高学习兴趣。例如对于有旋流动的教学,对于初学者而言,无论是数学推导还是涡旋概念本身都非常抽象难懂。笔者在教学实践中,在课前将北京航空航天大学刘沛清团队"风流知音"公众号中的"流体涡旋漫谈"科普文章推送给学生进行课前学习。在这篇文章中,作者通过浅显易懂的写作手法并配有大量自然界中的涡旋图片,将流体的有旋流动进行大众化科普。学生通过这些在线资源的课前学习,很容易理解涡旋流动的基本知识和基本特征,同时也提高了对"有旋流动"这一节的学习兴趣。

在课堂教学中,根据教学内容通过信息化手段和传统课堂教学方法的结合,利用现代信息化技术能够激发学生的想象力和求知欲,使学生对流体力学的模型有初步的感性认识,再结合必要的板书推导,帮助学生加深对抽象的数学模型和数学公式的理解和记忆,做到两种方法的相辅相成,扬长去短,可以起到事半功倍的作用。

课后巩固性学习是学生学习流体力学的必备环节,除了根据课堂所讲授的内容和材料进行巩固学习之外,笔者在教学实践中,通过互联网技术有针对性地给学生发布一些与课堂教学内容一致的微课、慕课和共享资源课的网站链接和教学视频,或者让学生自主通过搜索引擎检索一些相同内容的在线资源,尤其是国外高等院校的一些流体力学的全英文在线课程,供学生们课后巩固性学习。这些在线资源中授课者不同的授课方式方法和对流体力学概念、原理的引导过程可以帮助学生进一步巩固课堂所学,加深对流体力学知识的理解,丰富流体力学的专业应用范围。同时,国外全英文的在线教学资源可以帮助学生拓宽流体力学学术研究方面的国际视野,提高专业英语的应用能力。

根据课堂教学体系和专题应用的教学内容,笔者在流体力学课程考核时,采用重课堂、重过程和重能力提高的多元化考核手段。多元化评价包括闭卷考试、专题报告、实践考评、课程考勤与互动、课后作业等多元评价指标。闭卷考试的试卷题型设计以考察学生掌握流体力学基本概念、基本原理以及运用流体力学原理解决工程实际问题的能力为主,期末成绩占总评成绩60%。专题报告主要考察学生在自主学习模块过程的学习情况,占总评成绩的1%。实践考评主要通过流体力学实验操作和撰写实验报告进行,实践考评占总评成绩1%。课上考勤与课堂互动考评通过详细记录学生的出勤情况、课堂互动和小组讨论情况进行,占总评成绩1%。课后作业通过记录学生平时完成的课后作业数量和质量进行,占总评成绩1%。

为了评价本课程跨专业教学模式的实践效果,在课程结束后,我们首先通过在学生QQ群投放网络调查问卷的形式进行了问卷调查,问卷调查内容主要设计了如下问题：

(1) 通过流体力学课程的学习你是否进一步熟悉了能源动力类的各专业方向?举例说明。

(2) 你认为流体力学课程的学习是否对你即将面对的专业分流起到帮助作用?

(3) 目前在课堂教学中所采取的教学模式对你学习流体力学课程是否有帮助?举例说明。

(4) 通过流体力学课程的学习,你认为是否掌握了流体力学课程的基本概念和原理?

(5) 通过流体力学课程的学习,你认为是否具备了复杂流动现象的基本知识和能力?举例说明。

(6) 对于流体力学的课堂教学,有何建议?

通过对问卷的总结发现：绝大多数同学认为通过流体力学课程的学习进一步熟悉了能源动力类的各专业方向,对未来的专业分流起到了帮助作用,所采用的教学模式对于提高学习兴趣和学习效率具有帮助;部分同学认为专题学习模块比较难,在检索文献和资料时具有随机性和一定的学习盲目性,建议老师给出详细的指导或者直接由老师指定材料进行学习。

为了进一步评价课程的教学效果,我们对2018级能源与动力类专业分流情况进行了统计,该年级是我校能源动力类专业第一次按大类进行招生和专业分流,学生总人数为171人。流体力学是大二第一学期为该年级开设的第一门学科基础课,期末平均成绩为78.5分。专业分流采用成绩优先结合志愿方式进行,按大学前三学期必修课的平均成绩进行名次排序,对每位学生所填报的三个平行专业志愿分别进行检索投档,首先将学生志愿投给学生填报的第一志愿专业,如第一志愿专业人数已满,则投给第二志愿专业,以此类推。2018级能源动力类学生前三学期必修课总平均分为74.2。表3和表4分别给出了学生第一志愿报名和专业分流后各分数段的学生人数的分布统计,其中"能动"代表能源与动力工程专业,"新能源"表示新能源科学与工程专业,"建环"表示建筑环境与能源应用工程专业,S1表示平均成绩大于等于80分的学生总人数,S2表示平均成绩在70与80之间的学生总人数,S3表示平均成绩在60与70之间的学生总人数,S4表示平均成绩小于60分的学生总人数。表3给出了各专业不同成绩段第一志愿的报名人数和平均分,在一定程度上反映了学生对各专业的认知情况。表4给出了分流后各分数段学生人数的分布统计和平均分,反映了专业分流后各专业不同分数的学生结构比例,一定程度上反映了分流后各专业的生源质量。

从表3和表4中可以看出各专业第一志愿报名人数和分流后各分数段学生人数分布的结构比较合理,三个专业平均分数比较接近。各专业平均成绩大于70分学生的第一志愿均得到了满足。成绩大于80分的优秀学生并未全部扎堆某一热门专业,在三个专业学生人数分别为21,12和12,分流后占各专业人数的比例分别为25.9%,24.0%和3.8%,优秀学生的比例比较接近,保证了各专业优秀学生的比例结构。此外,从平均成绩小于60分的人数统计来看,建环和新能源专业有3名和7名学生,分别占各专业总人数的7.5%和14%,均在学校规定的学困生小于15%的比例以内。

尽管学生对专业的认知和分流情况受多种因素的影响,并不能完全受一门课程专业教育的影响,但结合调查问卷、流体力学平均成绩、前三学期必修课的平均成绩和专业分流后各分数段学生人数的分布统计情况,可以看出,在流体力学教学中进行跨专业的教育对学生的专业认知有了一定的积极影响,在学生的专业分流中起到了一定的积极引导和帮助作用。

责任编辑: 胡漫