基于工程教育認證的流體力學(xué)課程的教學(xué)改革

張雪齡　金聽祥　張琦　王燕令 程傳曉　吳學(xué)紅

【摘 要】在工程教育的大背景下，流體力學(xué)作為能源與動力工程專業(yè)的三大專業(yè)基礎(chǔ)課之一，它是畢業(yè)要求中的重要的指標點的支撐課程，需要承擔起工程教育改革排頭兵的作用。本人經(jīng)過四年的教學(xué)經(jīng)驗，進行了基于工程教育的教學(xué)改革的探索，主要方案為選準合適的教材，建立以案例教學(xué)為主的課堂教學(xué)模式，進行研究性啟發(fā)教學(xué)，采用課程項目管理方式，構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺，完善評價考核方式等。這些改革方案是以學(xué)生為中心，以持續(xù)改進為目的，可以更好地提高工程教育的教學(xué)質(zhì)量，契合工程教育認證的申請和實施。

【關(guān)鍵詞】流體力學(xué);工程教育;案例教學(xué);研究性啟發(fā)教學(xué)

中圖分類號： TB126-4;G712 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0109-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.050

Teaching Reform of the Fluid Mechanics Based on Engineering Education Certification

ZHANG Xue-ling JIN Ting-xiang ZHANG Qi WANG Yan-ling CHENG Chuan-xiao WU Xue-hong

（School of Energy and Power Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou Henan 450002， China）

【Abstract】Fluid mechanics is an important supporting course for the graduation requirements of engineering education for the Energy and Power Engineering. I have exploited the teaching reform based on engineering education， the main schemes are choosing a suitable textbook， adopting a case teaching mode， research-inspired teaching method and a course project management， building a convenient network communication platform and perfecting the evaluation examination method. These reforms are students-centered and aimed to continuous improvement， which can improve the teaching quality of engineering education， and provide guidelines for the application and implementation of engineering education certification.

【Key words】Fluid Mechanism; Engineering Education Certification; Case Teaching; Research-Inspired Teaching

0 引言

工程教育關(guān)注學(xué)生達到了什么，課程教學(xué)過程是“如何有效地幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)效果”。這種基于結(jié)果為導(dǎo)向的課程體系的設(shè)置，使得每一門課程都要支撐具體的畢業(yè)要求指標點，任課教師通過課程改革與實施，將畢業(yè)要求指標點的知識和能力的培養(yǎng)落實到日常的教學(xué)中[1-2]，因此針對工程教育的課程教學(xué)的改革勢在必行。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動力工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)、國家卓越工程師計劃試點專業(yè)、河南省專業(yè)綜合改革試點專業(yè)，擁有動力工程及工程熱物理河南省一級重點學(xué)科、動力工程及工程熱物理一級學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點和動力工程碩士專業(yè)學(xué)位授權(quán)領(lǐng)域。今年已經(jīng)開始全力準備申請工程教育認證工作。

流體力學(xué)作為能源與動力工程專業(yè)的三大基礎(chǔ)課之一，具有相當重要的地位，其課程教學(xué)效果的好壞對學(xué)生的影響至關(guān)重要。而流體力學(xué)涉及的概念和原理對本科生來說幾乎是全新的。這就對流體力學(xué)的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，課程教中不僅要讓學(xué)生全面掌握流體力學(xué)的相關(guān)理論和研究方法，更要培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決實際工程問題的能力，幫助其建立流體力學(xué)基礎(chǔ)理論體系，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)[3]。面對工程教育的迫切需求，作為一名流體力學(xué)教師急需思考應(yīng)對流體力學(xué)課程的改革方案。

1 工程教育專業(yè)認證對流體力學(xué)課程的要求

為了滿足最新的工程教育專業(yè)認證通用標準對畢業(yè)的要求，鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動力工程專業(yè)在2017版培養(yǎng)方案中初步列出了專業(yè)目標和課程和畢業(yè)要求的矩陣表。初步的方案仍有很多不足需要改進，本人在通過對工程認證理念的學(xué)習(xí)，認為流體力學(xué)可以支撐的畢業(yè)要求及指標點，如表1所示。

2 工程教育理念的流體力學(xué)課程教學(xué)改革的手段

針對以上的目標，基于工程教育理念的流體力學(xué)課程教學(xué)可以從以下方面進行改革。

2.1 選定合適的流體力學(xué)教材

本專業(yè)一直采用了中國建筑工業(yè)出版社的劉鶴年主編的《流體力學(xué)》。經(jīng)過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，本教材中除了靜力學(xué)，運動學(xué)和動力學(xué)，量綱分析和相似原理，流動阻力和水頭損失外，還有明渠流動，堰流，滲流，這三章是不納入到教學(xué)大綱的，說明本書是不適應(yīng)能源與動力工程專業(yè)的使用的需要的，急需更換教材。根據(jù)能源與動力工程專業(yè)的培養(yǎng)要求，除了掌握流體靜力學(xué)，運動學(xué)動力學(xué)，量綱分析相似原理等基本內(nèi)容外，還應(yīng)該學(xué)會管內(nèi)流動和水力計算，液體出流，氣體的一維流動，理想流體的有旋流動和無旋流動;黏性流體繞流這些內(nèi)容。經(jīng)過調(diào)研，當前關(guān)于能源與動力工程類專業(yè)適用的流體力學(xué)的教材主要有10本，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)孔瓏的教材難度適中，內(nèi)容適宜，與工程實際結(jié)合的非常緊密，使用量較大。因此，我們選用了中國電力出版社孔瓏編著的《工程流體力學(xué)》第四版。本學(xué)期使用本書后，學(xué)生對工程實例的認識量極大提高，對問題的分析理解更加深刻到位，和本專業(yè)的結(jié)合更加密切，符合工程教育的要求。

2.2 案例教學(xué)為主的課堂教學(xué)模式

現(xiàn)有高校工程流體力學(xué)課程教學(xué)模式主要還是以“課堂理論教學(xué)”的教學(xué)模式為主，輔以實驗課，課后布置習(xí)題鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容。在這樣的教學(xué)模式中，采用案例教學(xué)[4]，可以顯著提高教學(xué)效果，尤其是在上課開始階段，引入案例，讓學(xué)生理解學(xué)習(xí)的目的和意義所在，激發(fā)學(xué)生的興趣，進而思考如何解決問題，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的工科思維方式，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

例如，在講第二章第七節(jié)流體的表面性質(zhì)時，我們引入電腦CPU的散熱方法這一工程問題，從而引出高效的散熱技術(shù)——熱管技術(shù)，蒸發(fā)端的氣態(tài)可以擴散到冷凝端，但冷凝端的液相如何快速回到蒸發(fā)段呢？從而引出了毛管力這一現(xiàn)象，再講產(chǎn)生毛管力的原因，繼而引出界面張力這一概念。這一案例教學(xué)，既契合了能源與動力工程專業(yè)的工程應(yīng)用，又引發(fā)了學(xué)生的興趣，極大提高了學(xué)習(xí)效果。此外，還可以讓學(xué)生自己制作熱管，改進電腦散熱難，噪音大的難題，參加創(chuàng)新競賽。

如在講曲面邊界層分析現(xiàn)象時，我們可以引入汽車前進過程的阻力這一案例。通過汽車前后的曲面特點分析汽車前后的速度和壓力變化，從而引出了邊界層分離這一現(xiàn)象，并總結(jié)邊界層分離的原因，特點，從而引出壓差阻力，并分析減小壓差阻力的方法，如可以減小迎風面積以及采用流線型設(shè)計減小的方法。還可以通過引入粗糙的高爾夫球飛得遠，是因為增加了球體表面的紊動能，也減小壓差阻力。用這些常見的案例，使學(xué)生更加喜愛課程。

工程案例需要教研組成員齊心協(xié)力，收集日常生活中或工程實際中的流體力學(xué)案例，形成工程流體力學(xué)工程案例數(shù)據(jù)庫，便于教師在課堂講授過程中調(diào)用。

2.3 進行研究性啟發(fā)教學(xué)

研究性啟發(fā)教學(xué)是將科學(xué)研究的思路引進教學(xué)并注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性[5]，旨在通過教學(xué)與研究實踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運用知識自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研究中積累經(jīng)驗、培養(yǎng)能力和鍛煉思維。

教師可在實驗中引導(dǎo)學(xué)生進行研究思考。如在雷諾實驗中，由于設(shè)備較簡陋，學(xué)生初步測試的下臨界雷諾數(shù)從結(jié)果從500多3000多，范圍變化大。面對這一問題，我引導(dǎo)學(xué)生分析問題，主要是從實驗精度上入手，學(xué)生通過仔細觀察，發(fā)現(xiàn)流線在速度很小的情況下仍然抖動厲害，大家分析這可能是由于實驗平臺本身的振動導(dǎo)致的，需要降低平臺的振動對實驗的干擾。為了減少誤差，學(xué)生們進行了實驗改造，如在潛水泵底部墊上海綿，減少水箱的振動;在水槽底部也墊上海綿，防止出水直接打擊在水箱壁面，減少震動;溢流口中讓水面高一些，防止空氣進入溢流口，產(chǎn)生震動;將針頭盡量水平擺正;還提出有一些擬改進的方案，如水箱出口管路采用減縮管以減少局部水頭損失和水的紊動;采用小孔口的溢流口，防止水流不能完全充滿管道使空氣進入產(chǎn)生振動和噪聲等。通過這些簡單方法的改進，最后的測量結(jié)果逐漸接近理論值2300，學(xué)生的成就感大增。

此外，教師在教學(xué)過程中可以穿插自己的科研項目的流體力學(xué)問題[6]，進行研究性啟發(fā)教學(xué)。教師也可以多參與到學(xué)生的“挑戰(zhàn)杯”，“節(jié)能減排大賽”，“制冷空調(diào)大賽”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽中，帶領(lǐng)學(xué)生進行創(chuàng)新思維，啟發(fā)問題的創(chuàng)新性解決方案，從而達到研究性啟發(fā)教學(xué)的目的。

2.4 采用課程項目管理方式

課下的鞏固除了常規(guī)的布置紙質(zhì)作業(yè)外，還可以采取項目化管理方式分組完成某個專題的任務(wù)。考核的過程是讓學(xué)生自由組成團隊，以團隊形式完成項目任務(wù)，最后進行答辯。每位學(xué)生都被要求參與并展示自己對團隊工作的貢獻，最后教師給整個團隊打分。如流體力學(xué)中的真空現(xiàn)象在教材中出現(xiàn)過多次，它在流體靜力學(xué)中的真空度，測壓管，等角速旋轉(zhuǎn)容器中液體的相對平衡，離心泵，離心風機，管嘴出流，虹吸管，邊界層分離的尾流區(qū)等很多地方都出現(xiàn)了，可以針對這一問題，設(shè)置項目組，分析真空現(xiàn)象和原因，真空的利與弊，與真空有關(guān)的設(shè)備或過程，分析如何利用真空現(xiàn)象。通過項目討論后形成共識由項目組長發(fā)表意見，教師點評結(jié)果。通過項目管理方式，使學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)，并形成團隊合作，對問題加深理解，以后再面對這樣的問題，不再是零散的記憶，而是系統(tǒng)調(diào)用項目展示的情景。

2.5 構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺

課堂教學(xué)過程和學(xué)生的溝通有限，為了增加與學(xué)生的互動性，需要構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺，譬如采用學(xué)習(xí)通軟件。課前教師將相關(guān)的學(xué)習(xí)視頻（可以是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻資源，也可以由教師親自錄制微課）和其他資料（包括課件、學(xué)術(shù)論文、碩博論文、典型案例、考研真題等）發(fā)在網(wǎng)絡(luò)平臺供學(xué)生預(yù)習(xí)，學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)收獲和疑點難點，以便帶著問題上課。在課堂中增加在線簽到，互動練習(xí)，搶答等環(huán)節(jié)，增強學(xué)習(xí)效果。也可以在課后完成相關(guān)的作業(yè)題，學(xué)生有問題可以直接留言，老師點評，所有學(xué)生都可以看到其點評，增強了師生的互動性，也提高了學(xué)生的參與度，使學(xué)生在課下和課上都能夠真正參與到課程學(xué)習(xí)中。

2.6 完善評價考核方式

流體力學(xué)以往的考核方式是考試占80%，平時成績占20%，包括出勤和作業(yè)，這種考核方式偏重期末考試成績，不重視學(xué)生的平時的表現(xiàn)，這種考核方式無法滿足工程教育專業(yè)認證對畢業(yè)要求的條件。為了激發(fā)學(xué)生在課堂上的參與度，全面考察學(xué)生的綜合素質(zhì)能力并客觀評價學(xué)生的各環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)表現(xiàn)，本課程改革將平時考核比例提高到50%，包括課堂考勤（10分）、作業(yè)及實驗表現(xiàn)（15分）、課堂表現(xiàn)（10分）和完成任務(wù)環(huán)節(jié)（15分）。其中，作業(yè)指獨立完成作業(yè)的情況，實驗課程中的積極表現(xiàn)以及實驗報告的完成質(zhì)量;課堂表現(xiàn)環(huán)節(jié)包括課堂老師隨機提問、學(xué)生主動提問、項目管理方式的表現(xiàn)、課堂遵守紀律的表現(xiàn)情況;完成任務(wù)環(huán)節(jié)指教師根據(jù)課程重點、難點內(nèi)容，布置任務(wù)讓學(xué)生完成，如查閱文獻資料，綜述流體力學(xué)在制冷與空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用等專題，并安排學(xué)生制作PPT到講臺宣講，以及網(wǎng)絡(luò)平臺的資料下載、作業(yè)完成情況和搶答等任務(wù)完成情況。在“期末考核”環(huán)節(jié)，降低試卷中簡單的純知識考察試題的比例，重點考核學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。

3 結(jié)語

流體力學(xué)作為能源與動力工程專業(yè)的三大專業(yè)基礎(chǔ)課之一，面對工程教育的背景下，它是畢業(yè)要求中的重要的指標點的支撐課程，需要承擔起工程教育改革排頭兵的作用，需要教師在教學(xué)過程中不斷探索基于工程教育的改革方案，以此提高工程教育的教學(xué)質(zhì)量。

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