面向“雙一流”學(xué)科的應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例庫建設(shè)及案例教學(xué)實踐

康建宏

摘要：流體力學(xué)是中國礦業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)的一門研究生必修基礎(chǔ)課程。從安全工程學(xué)科“雙一流”建設(shè)的需求出發(fā)，優(yōu)化課程教學(xué)體系，建立應(yīng)用型特色流體力學(xué)教學(xué)案例庫，并開展了案例教學(xué)。教學(xué)實踐證明，應(yīng)用型特色流體案例庫擴(kuò)充了流體力學(xué)的教學(xué)資源，使研究生課堂教學(xué)與安全工程領(lǐng)域的科研問題緊密結(jié)合起來，激發(fā)了研究生學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化了課程學(xué)習(xí)對研究生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，滿足了優(yōu)勢學(xué)科的發(fā)展需求，對礦業(yè)工程等專業(yè)的類似課程教學(xué)改革亦有一定的推廣價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué);案例教學(xué);案例庫建設(shè)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）22-0181-02

一、引言

流體力學(xué)課程是安全工程學(xué)科研究生必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，在礦井通風(fēng)、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災(zāi)防控等工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。設(shè)置流體力學(xué)課程的目的在于培養(yǎng)研究生的理論分析能力，要求學(xué)生能夠運(yùn)用流體力學(xué)的基本原理解決專業(yè)研究過程中遇到的復(fù)雜流動問題。

中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)科是教育部“雙一流”建設(shè)學(xué)科，也是江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)平臺，近兩年研究生培養(yǎng)質(zhì)量穩(wěn)步上升，對研究生課程體系要求不斷提高。然而，流體力學(xué)研究生課程在內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法上已不能滿足“雙一流”學(xué)科建設(shè)的需求，有必要圍繞學(xué)科特色、服務(wù)學(xué)科發(fā)展的原則進(jìn)行課程改革研究。在有限的學(xué)時內(nèi)，如何選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，使流體力學(xué)教學(xué)更好的服務(wù)于特定專業(yè)的需求，這是當(dāng)前教學(xué)中的一個難題。筆者基于多年的流體力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗及承擔(dān)的相關(guān)安全類研究課題，以應(yīng)用型特色流體力學(xué)課程體系為研究對象，以典型案例庫建設(shè)為研究內(nèi)容，對現(xiàn)有流體力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行了改革，使課堂教學(xué)與研究生課題研究、專業(yè)需求互相促進(jìn)，并開展了案例教學(xué)實踐，取得了很好的教學(xué)效果。

二、應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例庫建設(shè)

1.案例庫建設(shè)的必要性。當(dāng)前，研究生流體力學(xué)課程主要采用理論教學(xué)，課堂互動性不夠，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生畏難心理。針對現(xiàn)有流體力學(xué)課程內(nèi)容陳舊、缺乏創(chuàng)新等突出問題，在學(xué)時限制的條件下，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)取舍，通過建立教學(xué)案例庫、開展案例教學(xué)等手段，使課堂教學(xué)更好地服務(wù)于安全工程學(xué)科“雙一流”建設(shè)目標(biāo)，是流體力學(xué)教育教學(xué)改革的方向之一。

2.特色案例庫的建設(shè)過程。案例庫是案例庫教學(xué)的前提，案例庫建設(shè)要與教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容相互契合。具有時效性、目的性、實踐性的案例能使教學(xué)有序高效地進(jìn)行。案例庫建設(shè)分成五個階段：（1）圍繞教學(xué)內(nèi)容，搜集國內(nèi)外相關(guān)書籍文獻(xiàn)、煤礦企業(yè)和科研課題資料，尋找安全工程實踐中的熱點流體力學(xué)問題（工程實踐問題）;（2）將工程實踐問題轉(zhuǎn)化成案例素材，篩選并建立素材庫，形成模塊，以便案例庫建設(shè)（素材庫模塊）;（3）對案例模塊進(jìn)行簡化并修改，撰寫編輯案例庫初稿（案例庫）;（4）進(jìn)行案例教學(xué)（案例教學(xué)），主要講解案例基礎(chǔ)理論，并提前布置案例分析內(nèi)容，將學(xué)生分成小組，讓他們課后搜集資料、討論分析并提出疑問;（5）通過問卷調(diào)查的形式，收集案例庫教學(xué)過程中的優(yōu)點及存在的問題（教學(xué)反饋），更新并完善案例庫。

筆者選取安全工程里面具有代表性的流體力學(xué)問題，并結(jié)合科研團(tuán)隊的研究課題，在大量調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，建設(shè)了應(yīng)用型特色教學(xué)案例庫，主要包括礦井通風(fēng)、瓦斯?jié)B流、煤火防控、降溫除塵、建筑煙氣流動、管道排水、地?zé)崂?、稠化漿體等8個流體力學(xué)專題教學(xué)案例。然后，可以依據(jù)這些教學(xué)案例深入淺出地介紹流體力學(xué)中關(guān)于渦旋運(yùn)動、能量耗散、非牛頓特性、多相流動、多孔介質(zhì)流動特性、多元混合氣體流動、氣固耦合流動等教學(xué)難點，引導(dǎo)學(xué)生探討流體力學(xué)在安全工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例教學(xué)實踐

1.傳統(tǒng)教學(xué)。隨著研究生培養(yǎng)質(zhì)量和數(shù)量的不斷提升，課堂教學(xué)對于培養(yǎng)碩士研究生科研創(chuàng)新能力的作用也日益劇增。流體力學(xué)課程開設(shè)已久，教材種類繁多，但課堂教育可歸納為“課前預(yù)習(xí)—課堂教師講授—課后教師評閱”的3段串行模式，缺少創(chuàng)新、實踐性較弱，很難適應(yīng)“雙一流”學(xué)科建設(shè)、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

2.案例教學(xué)。案例教學(xué)法是一種以工程案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，這種教學(xué)方法可以有效引導(dǎo)學(xué)生參與課堂討論，提高學(xué)生的綜合能力和解決實際問題的能力。選取適當(dāng)?shù)墓こ贪咐?，精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生自主探索、參與課堂討論，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。同時，利用板書、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)手段，給學(xué)生提供一個全面、簡便、輕松的教學(xué)環(huán)境。

鑒于案例教學(xué)法的優(yōu)點，筆者在流體力學(xué)教學(xué)過程中采用了案例教學(xué)，授課對象是本校安全工程專業(yè)2017級工程碩士，選課人數(shù)108人，一共32學(xué)時，前24學(xué)時介紹流體力學(xué)基本概念和基本方程、基本原理，側(cè)重于公式的推導(dǎo)思路。后8個學(xué)時選取案例庫中的4個案例進(jìn)行課堂案例教學(xué)。案例教學(xué)的主要流程預(yù)計分為6個階段：（1）學(xué)生分組;（2）將案例資料發(fā)給學(xué)生，布置預(yù)習(xí)任務(wù);（3）課堂上應(yīng)用案例教學(xué)法，以提問開頭，引出各小組主要論點;（4）各組討論得出主要結(jié)果;（5）小組代表發(fā)言;（6）教師總結(jié)案例。

以“基于Fluent數(shù)值模擬回采工作面粉塵及瓦斯分布規(guī)律”的案例教學(xué)為例，在開展案例教學(xué)之前，教師根據(jù)案例教學(xué)要求，確定授課重難點，對模擬中需要的理論知識（離散相模型、組份運(yùn)輸模型、多孔介質(zhì)模型）進(jìn)行了簡單的講解，并分組布置任務(wù)，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實踐教學(xué)內(nèi)容。分組討論Fluent數(shù)值模擬粉塵和瓦斯在巷道和工作面的運(yùn)移規(guī)律，模擬步驟包括：Gambit軟件建模、模型網(wǎng)格的劃分、掘進(jìn)工作面粉塵、瓦斯流場邊界條件設(shè)置、計算條件設(shè)置以及后處理。重點對邊界條件的設(shè)置、模擬結(jié)果做討論及講解。

3.教學(xué)效果檢驗。為了掌握應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例庫教學(xué)改革的效果及其存在的問題，制作“研究生課程認(rèn)同度調(diào)查問卷”，在案例教學(xué)前、案例教學(xué)后分別發(fā)放調(diào)查問卷并回收統(tǒng)計。調(diào)查問卷包括以下幾個方面：（1）掌握專業(yè)理論知識，幫助我更好的完成科研任務(wù)（學(xué)以致用）;（2）滿足課程學(xué)分要求和畢業(yè)要求（滿足要求）;（3）重視研究生課程考試成績（重視成績）;（4）課程死板，不感興趣;（5）棄權(quán)或其他原因（其他原因）。案例教學(xué)前，學(xué)生普遍認(rèn)為概念和理論模型抽象，計算求解過程復(fù)雜，無法將所學(xué)知識應(yīng)用于實際情境中，課堂學(xué)習(xí)與工程實踐嚴(yán)重脫節(jié)。開展案例教學(xué)后，學(xué)生加深了對抽象概念的理解，掌握了流體力學(xué)在工程實際中應(yīng)用的研究思路和方法，為后期工程實踐及科學(xué)研究夯實了良好的基礎(chǔ)。課程認(rèn)同度人數(shù)比例總體情況見下圖。

四、結(jié)語

案例教學(xué)已在美國和歐洲國家的教學(xué)過程中普遍運(yùn)用，但在國內(nèi)高校開展的為數(shù)甚少。在應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例庫建設(shè)與案例教學(xué)實踐過程中，筆者有以下幾點心得：（1）以學(xué)科應(yīng)用需求為導(dǎo)向，建設(shè)應(yīng)用型特色教學(xué)案例庫，開展案例教學(xué)對研究生的培養(yǎng)可以達(dá)到事半功倍的效果;（2）進(jìn)行案例教學(xué)后要及時對案例教學(xué)效果進(jìn)行評價，并根據(jù)反饋信息及時更新擴(kuò)充案例庫，才能更好的服務(wù)于專業(yè)科學(xué)研究;（3）建立的應(yīng)用型特色流體力學(xué)案例庫可以推廣到礦業(yè)工程等相關(guān)專業(yè)，案例教學(xué)實踐工作對其他課程也有一定的借鑒意義。

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