以卓越工程師為目標(biāo)的《工程流體力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)模式研究

李艷，張開升，柳枝

摘要：將已開展的海洋機(jī)電設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目所取得的成果應(yīng)用于教學(xué)過程，將流體力學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合。探討教學(xué)模式內(nèi)容，科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例的教學(xué)設(shè)計(jì)及保障條件，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和科研教學(xué)團(tuán)隊(duì)的融合發(fā)展。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；科研案例；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）46-0157-02

工程流體力學(xué)課程是機(jī)械類各專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程主要講述流體力學(xué)的基本原理及其在機(jī)械工程中的實(shí)際應(yīng)用，是學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)也在教學(xué)計(jì)劃改革中增加了這門課程，并在2011級(jí)學(xué)生的第五學(xué)期開設(shè)。由于該課程涉及高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)等，基本概念多且抽象，對(duì)學(xué)生的綜合分析和處理問題的能力要求高，因此學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)較為困難。為了使學(xué)生了解該課程在學(xué)科體系中的作用，掌握更多的流體力學(xué)知識(shí)和技能，如何將已開展的海洋機(jī)電設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目所取得的成果應(yīng)用于教學(xué)展開研究，將流體力學(xué)知識(shí)與實(shí)際科研有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)的熱情，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新意識(shí)[1，2]，是本文研究的主要內(nèi)容。

現(xiàn)在各個(gè)學(xué)校幾乎都采用了電子教案，提倡啟發(fā)式、討論式教學(xué)等，但這些方法和方式仍然沒有擺脫以教師為中心的課堂教學(xué)模式。西方院校已采用所謂“Problem-Oriented Teaching”的方法，課程學(xué)時(shí)中只有30%～40%或更少的時(shí)間由教師講解基本概念，其余時(shí)間則由學(xué)生自己圍繞幾個(gè)綜合性或設(shè)計(jì)性項(xiàng)目鉆研和解決問題，并在解決問題過程中學(xué)習(xí)和提高。這樣的教學(xué)顯然更利于學(xué)生生動(dòng)活潑地學(xué)習(xí)，更利于學(xué)生盡快學(xué)會(huì)用基本方程和數(shù)學(xué)工具解決實(shí)際問題，滿足卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)也對(duì)教師提出了更高的要求[3]。

綜合性或設(shè)計(jì)性案例的來源可由已經(jīng)獲得的科研成果總結(jié)凝練?，F(xiàn)階段工程學(xué)院機(jī)電系開展了海洋能利用的研究課題若干項(xiàng)。包括海洋機(jī)電裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)及海洋流體動(dòng)力學(xué)，主要研究海洋裝備設(shè)計(jì)及其與海水和其他流體之間的相互作用原理、水下裝備所涉及的流體動(dòng)力學(xué)等問題?？蒲许?xiàng)目涉及潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)特性研究、潮流能發(fā)電裝置研究、海洋環(huán)境中小型浮游生物在壁面邊界層質(zhì)量傳遞機(jī)理研究、海洋溫差驅(qū)動(dòng)的氨水解吸-再熱循環(huán)原理和海水換熱器強(qiáng)化傳熱研究、基于聲納和水下視覺的深海復(fù)雜環(huán)境下AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、海上環(huán)境及船舶運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制、水下錨系系統(tǒng)研究等，都涉及廣泛的工程流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)。這些項(xiàng)目的研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，拓展教學(xué)實(shí)踐模式。這個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程將使教師和學(xué)生同時(shí)受益。首先增強(qiáng)教師立足本職，提升個(gè)人實(shí)踐能力的意識(shí)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例是對(duì)教學(xué)效果的有益補(bǔ)充；對(duì)學(xué)生而言，了解實(shí)際項(xiàng)目的需求，增強(qiáng)其探索與創(chuàng)新意識(shí)，有利于海洋特色人才的培養(yǎng)。

一、以海洋機(jī)電設(shè)備研發(fā)驅(qū)動(dòng)的《工程流體力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)教學(xué)模式內(nèi)容

1.凝練科研項(xiàng)目中的代表性問題。將現(xiàn)有的科研課題及相關(guān)成果依據(jù)涉及的工程流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的分類，制作相關(guān)教學(xué)案例。海洋機(jī)電設(shè)備研發(fā)科研成果轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)例，例如：將水下機(jī)器人C-RangerⅡ原型樣機(jī)、2600kw拖輪拉錨計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)、海洋平臺(tái)模態(tài)分析的設(shè)計(jì)過程中涉及的流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、波浪、潮汐運(yùn)動(dòng)等工程流體力學(xué)問題提取出來，作為課程各章節(jié)的案例。結(jié)合教學(xué)案例，進(jìn)而凝練SRDP課題（Student Research Develop Program），提高學(xué)生的探索興趣?？蒲许?xiàng)目中涉及多種學(xué)科、多門課程，如何將科研成果中涉及工程流體力學(xué)的問題提煉出來引導(dǎo)學(xué)生探索，是實(shí)現(xiàn)該實(shí)踐教學(xué)的前提。

2.以案例為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)模式的研究。將這些成果案例帶入課堂，由學(xué)生自己圍繞幾個(gè)綜合性或設(shè)計(jì)性項(xiàng)目鉆研和解決問題，并在解決問題過程中學(xué)習(xí)和提高。這一實(shí)踐教學(xué)模式的組織，教師在這個(gè)過程中的引導(dǎo)是案例實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵。

案例實(shí)踐教學(xué)的合理課堂和課外組織模式。以設(shè)備研發(fā)成果轉(zhuǎn)化的實(shí)踐案例為主導(dǎo)的教學(xué)模式需要有效的指導(dǎo)和組織。需要拓展實(shí)踐教學(xué)的方式方法，增強(qiáng)教師引導(dǎo)、協(xié)助和評(píng)價(jià)的能力，使學(xué)生投身于探索案例知識(shí)點(diǎn)和評(píng)價(jià)案例的過程中。以應(yīng)用相關(guān)理論公式代替硬性記憶，學(xué)生應(yīng)用技能通過使用CFD等模擬仿真軟件及參與模型試驗(yàn)得以有效提高。

3.建立海洋機(jī)電設(shè)備創(chuàng)新人才所需流體力學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備和工程流體力學(xué)教學(xué)科研互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)。課程彌補(bǔ)了海洋機(jī)電設(shè)計(jì)制造專業(yè)學(xué)生的知識(shí)欠缺，構(gòu)建合理的知識(shí)模塊和教學(xué)科研互相銜接的團(tuán)隊(duì)，提升海洋機(jī)電人才培養(yǎng)的特色。在經(jīng)典的流體實(shí)驗(yàn)如伯努利實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)之外，展開海浪和潮汐實(shí)驗(yàn)探索，利用海洋能獲能機(jī)構(gòu)的模型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)波浪理論中波能量及其傳播進(jìn)行理解。

二、改革方案設(shè)計(jì)和解決問題的方法

1.將海洋機(jī)電設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目的成果合理轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的案例。將現(xiàn)有的科研課題及相關(guān)成果依據(jù)涉及的工程流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類，制作相關(guān)教學(xué)案例。海洋特色的工程流體力學(xué)教學(xué)，在通用的工程流體力學(xué)教學(xué)體系中，增加水波理論[4]，介紹波浪運(yùn)動(dòng)的基本方程與邊界條件以及波浪的能力和波阻，拓寬學(xué)生的海洋流體知識(shí)。例如：新能源應(yīng)用體系下海洋能發(fā)電，涉及了流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、波浪、潮汐運(yùn)動(dòng)等工程流體力學(xué)問題。引導(dǎo)學(xué)生掌握海流的水力特性，探討適應(yīng)該水力特性并具有雙向作用、排水與提水蓄能、緩慢的波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換增速的裝置特點(diǎn)，結(jié)合流體力學(xué)與機(jī)械原理和設(shè)計(jì)的多重知識(shí)點(diǎn)，使課程間相互結(jié)合與貫穿。

2.科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)例的教學(xué)設(shè)計(jì)。在上課時(shí)，以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，圍繞設(shè)備研制流程，從流體力學(xué)分析入手，進(jìn)行受力分析，這些計(jì)算是進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、抗疲勞性能設(shè)計(jì)等的前提條件。融合流體力學(xué)教學(xué)大綱中的流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、水波理論、邊界層理論等知識(shí)體系。先提出研發(fā)案例存在的問題，接著是要解決問題需要哪方面的知識(shí)，引出工程流體力學(xué)的知識(shí)范圍及主要解決的問題所在，講完幾次相關(guān)課程后就將一臺(tái)設(shè)備水力計(jì)算部分的設(shè)計(jì)完成。

3.以引導(dǎo)課外鉆研探索實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。簡(jiǎn)單的課后練習(xí)題可以幫助學(xué)生理解基本概念，將機(jī)電設(shè)備研發(fā)案例布置成學(xué)期大作業(yè)的形式，訓(xùn)練學(xué)生將實(shí)際工程問題簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)物理模型，并選用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具加以求解的能力。在這一過程中可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)流動(dòng)過程本質(zhì)的理解，將數(shù)學(xué)工具與物理問題有機(jī)地結(jié)合起來。

三、實(shí)施科研案例教學(xué)課程改革保障條件

1.從事高等流體力學(xué)教學(xué)的教授、從事流體力學(xué)和海洋機(jī)電設(shè)備研究的專家構(gòu)成的人員保障。承擔(dān)機(jī)械工程、動(dòng)力工程碩士研究生的《高等工程流體力學(xué)》和機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科的《工程流體力學(xué)》課程的教師構(gòu)成教學(xué)團(tuán)隊(duì)。承擔(dān)了海洋機(jī)電設(shè)備研發(fā)的國家級(jí)及省市級(jí)科研項(xiàng)目，具有成熟的成果案例和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、海洋工程實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)條件的保障。實(shí)驗(yàn)室具有海洋工程波浪模擬實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。能夠在海洋結(jié)構(gòu)波浪導(dǎo)致振動(dòng)控制技術(shù)方面解決工程問題。實(shí)驗(yàn)室利用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，可培養(yǎng)學(xué)生掌握工程流體力學(xué)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的三大研究方法。

四、結(jié)論

凝練實(shí)際機(jī)電設(shè)備研發(fā)為教學(xué)案例，科研與教學(xué)的結(jié)合增加了課程教學(xué)的新穎性和實(shí)用性。流體力學(xué)及工程流體力學(xué)在海洋學(xué)科及工科中應(yīng)用很廣，有利于交叉學(xué)科的發(fā)展?？蒲兴胶蛨F(tuán)隊(duì)力量的提升使科研成果推陳出新。以研發(fā)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)實(shí)踐模式，能夠?qū)⒖蒲信c教學(xué)有機(jī)融合，彰顯學(xué)科知識(shí)魅力。把眾多專家老師在研究過程中產(chǎn)生的思路、方法、觀點(diǎn)和邏輯向?qū)W生傳遞，并通過教學(xué)互動(dòng)接受學(xué)生信息反饋，使學(xué)生在課堂中汲取研究思想并結(jié)合自身理解進(jìn)行拓展、解釋、創(chuàng)新、評(píng)價(jià)和改善，具有跨學(xué)科推廣的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘良明，何川，陳紅.流體力學(xué)立體教學(xué)法初探[J].中國電力教育，2008，（11）：73-74.

[2]李小川，黃癢永.工程流體力學(xué)教學(xué)改革模式的探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（19）：61-67.

[3]張鳴遠(yuǎn).對(duì)工科流體力學(xué)教學(xué)改革的一些思考[R].第四屆力學(xué)課程報(bào)告論壇，2009.

[4]宋秋紅，夏泰淳，等.工程流體力學(xué)（第二版）[M].上海交通出版社，2012.