安全工程特色流體力學(xué)課程的案例教學(xué)改革與實(shí)踐

康建宏

摘 要：流體力學(xué)是安全工程學(xué)科的一門研究生必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。針對當(dāng)前流體力學(xué)課堂教學(xué)與研究生課題研究之間存在的“兩張皮”矛盾現(xiàn)狀以及學(xué)生本科背景的差異化特點(diǎn)，提出了建立具有安全工程專業(yè)特色的流體力學(xué)教學(xué)案例庫，并開展了研討式案例教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明，將流體力學(xué)知識要點(diǎn)融入安全學(xué)科領(lǐng)域的工程案例和科研案例，不僅能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提高了研究生的科研能力，對于礦業(yè)工程等相近專業(yè)和其他類似課程也有一定的推廣和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；安全工程；流體力學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0138-03

Abstract： Fluid mechanics is a compulsory course for graduate students in the major of safety engineering. In light of the inconsistency between classroom teaching and scientific research and the diversity in graduates' education background， the case building of fluid mechanics course with safety engineering characteristics is proposed， and case teaching is carried out. The teaching practice indicates that incorporating the knowledge of fluid mechanics into engineering and science cases can not only inspire the learning interests of graduate students， but also improve their research ability.

Keywords： case teaching； safety engineering； fluid mechanics

引言

流體力學(xué)是安全工程專業(yè)研究生必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是銜接基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的橋梁和紐帶，設(shè)置課程的目的在于培養(yǎng)研究生的理論分析能力，要求研究生能夠運(yùn)用流體力學(xué)的基本原理和基本規(guī)律解決專業(yè)研究過程中遇到的復(fù)雜流動(dòng)問題，為從事安全工程專業(yè)的理論研究和安全技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。流體力學(xué)課程具有內(nèi)容繁多，概念抽象，理論復(fù)雜，難于掌握等特點(diǎn)，如何選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容、使用合適的教學(xué)方法讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握流體力學(xué)的一般原理和方法，這是當(dāng)前教學(xué)中的一個(gè)難題。

國內(nèi)許多高校的教學(xué)工作者探索了工程技術(shù)類專業(yè)流體力學(xué)的課程改革和教學(xué)方法。申潔等提出了工程流體力學(xué)課程混合教學(xué)模式和教學(xué)方法，包括任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式、案例解析教學(xué)模式、引導(dǎo)講授教學(xué)模式、自學(xué)自測教學(xué)模式等[1]。吳迪等提出以工程實(shí)例為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式改革，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合工程背景深刻理解所學(xué)知識點(diǎn)[2]。馬進(jìn)偉等在環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)過程中采取案例教學(xué)，并提出“提問-啟發(fā)-引導(dǎo)式學(xué)習(xí)”教學(xué)方法[3]。閆小康等將有關(guān)化工學(xué)科的科研案例、工程案例融入到教學(xué)內(nèi)容中去，提出了建設(shè)具有專業(yè)特色的案例教學(xué)資源庫，探討了案例教學(xué)的實(shí)施過程[4]。馮軍發(fā)等以“問題-調(diào)研-分享-研討”案例式教學(xué)法組織設(shè)計(jì)為突破口，構(gòu)建了突出礦業(yè)工程特色的流體力學(xué)課程體系[5]。重慶大學(xué)在重慶市研究生重點(diǎn)課程教改項(xiàng)目“高等流體力學(xué)”的資助下，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行改革，力圖使流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容反映學(xué)科的特色[6]。

然而，目前應(yīng)用型流體力學(xué)課程體系主要是針對航空航天、水利、化工以及機(jī)械等傳統(tǒng)工程學(xué)科而設(shè)計(jì)的，很少涉及安全工程領(lǐng)域的流體力學(xué)問題，在內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法上與安全工程專業(yè)研究生的培養(yǎng)目標(biāo)不匹配，因此有必要圍繞安全工程學(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。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，近兩年研究生培養(yǎng)質(zhì)量和數(shù)量穩(wěn)步上升，每年流體力學(xué)研究生選課人數(shù)100人左右。筆者基于多年的流體力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及承擔(dān)的相關(guān)安全類研究課題，對現(xiàn)有流體力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行改革，構(gòu)建具有安全工程特色的應(yīng)用型流體力學(xué)案例資源庫，并開展案例教學(xué)實(shí)踐，使研究生課程教學(xué)與課題研究互相促進(jìn)，對于提高課程的教學(xué)效果具有一定的示范意義。

一、安全工程專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

安全工程專業(yè)研究生流體力學(xué)課程開設(shè)已久，但教學(xué)效果并不理想，主要表現(xiàn)在兩方面：

1. 傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與研究生的課題研究之間普遍存在“兩張皮”現(xiàn)象，矛盾突出。現(xiàn)有流體力學(xué)教材以航空航天、水利及機(jī)械等工程為背景，在內(nèi)容編排上具有完善的理論體系，如吳望一編著的《流體力學(xué)（上、下冊）》（北京大學(xué)出版社）、周光 等編著的《流體力學(xué)（上、下冊）》（高等教育出版社）廣為各大高校教學(xué)使用，主要包括流體基本概念、流動(dòng)基本方程、渦流運(yùn)動(dòng)、理想流體、粘性流體以及湍流流動(dòng)等。這些內(nèi)容雖然具有一定的普適性，但不具有鮮明的工科專業(yè)特色，特別是與安全工程密切相關(guān)的多組份氣體流動(dòng)、多孔介質(zhì)流動(dòng)、多相流動(dòng)、非牛頓流體、傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)很少講授，使得有的同學(xué)認(rèn)為流體力學(xué)和安全工程專業(yè)沒有關(guān)系，選課的主要目的是取得學(xué)分；有的同學(xué)則對于流體力學(xué)如何應(yīng)用到礦井通風(fēng)、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災(zāi)防控等課題研究中感到困惑，缺乏學(xué)習(xí)的興趣，而等日后科學(xué)研究中真正遇到流體力學(xué)問題時(shí)才恍然大悟，又回頭翻課本自學(xué)，極大地降低了其科研效率及應(yīng)用能力。

2. 傳統(tǒng)教學(xué)方法以課堂講授為主，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于流體力學(xué)一般理論的介紹，以張量、場論、復(fù)變函數(shù)、數(shù)值方法等數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，計(jì)算推導(dǎo)過程復(fù)雜晦澀，導(dǎo)致教師難于教學(xué)。另一方面，安全工程專業(yè)研究生的本科背景差異性較大，對流體力學(xué)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和接受能力不同。以中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院為例，每年招收的研究生來自化工、力建、資源、電力以及管理等不同專業(yè)背景，有力學(xué)基礎(chǔ)知識的學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)知識相對較容易；對于管理等本科背景的學(xué)生，理論功底不扎實(shí)，力學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，而流體力學(xué)理論抽象深?yuàn)W，在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生畏難、厭學(xué)心理，導(dǎo)致課堂互動(dòng)性不夠，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。

二、案例教學(xué)法在安全工程研究生流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

研究生教學(xué)與本科教學(xué)有很大的區(qū)別，首先研究生流體力學(xué)課程一般學(xué)時(shí)較短、集中授課，以中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院為例，流體力學(xué)授課對象是一年級研究生，一共32學(xué)時(shí)，分8次課授完，如此高強(qiáng)度的授課，學(xué)生注意力容易分散，削弱教學(xué)效果。因此，采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、選取合理的教學(xué)內(nèi)容是流體力學(xué)教學(xué)需要解決的問題。其次，本科生的培養(yǎng)理念為“寬口徑、厚基礎(chǔ)”，而研究生的培養(yǎng)則傾向于“強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”，所以研究生流體力學(xué)教學(xué)不能片面追求理論體系的完整性，應(yīng)該更加注重理論聯(lián)系實(shí)際，解決安全工程領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)問題。

案例教學(xué)是以安全工程中的科研和工程問題為背景，將流體力學(xué)教學(xué)知識點(diǎn)融入工程案例，通過教師和研究生對案例的共同分析和討論，逐步引出問題中所包含的流體力學(xué)知識。這一教學(xué)方法，不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力[7]。

（一）安全工程特色的案例教學(xué)資源庫建設(shè)

案例庫建設(shè)是案例教學(xué)的前提，案例庫建設(shè)既要與流體力學(xué)課程教學(xué)方案相互配合，又要凸顯與安全工程密切聯(lián)系的知識點(diǎn)。案例設(shè)計(jì)需要涉及流體力學(xué)在安全工程領(lǐng)域的幾大應(yīng)用，主要包括：多元混合氣體流動(dòng)，氣液固多相流動(dòng)，多孔介質(zhì)流動(dòng)，非牛頓流體，傳熱傳質(zhì)與流動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)與流動(dòng)，氣固耦合流動(dòng)、相變流動(dòng)以及計(jì)算流體力學(xué)等模塊和知識要點(diǎn)。由于學(xué)時(shí)限制，案例教學(xué)時(shí)這些知識點(diǎn)不必面面俱到，可以選擇其中幾個(gè)重點(diǎn)講授。

特色案例均來自安全工程領(lǐng)域常見的工程問題和科研課題，涵蓋礦山安全領(lǐng)域的煤層瓦斯抽采與滲流、井下采空區(qū)瓦斯涌出、礦井綜掘工作面除塵、礦井通風(fēng)機(jī)性能測定與優(yōu)化、煤層及采空區(qū)注漿以及液氮防滅火等主要方向，也包括消防工程領(lǐng)域的建筑煙氣流動(dòng)、管道排水和火災(zāi)蔓延等相關(guān)內(nèi)容。這些案例既要反映流體力學(xué)的基本知識點(diǎn)，具有真實(shí)性和代表性，也要考慮一年級研究生的接受能力和學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，每個(gè)案例要具有一定的完整性和獨(dú)立性，包含題目，摘要，案例背景，教學(xué)目的，案例分析，問題討論，參考文獻(xiàn)等部分，便于礦業(yè)工程等相近專業(yè)推廣應(yīng)用以及學(xué)生課后研討。

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者將案例庫資源建設(shè)分成五個(gè)階段：1. 調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)書籍、文獻(xiàn)、煤礦企業(yè)并結(jié)合自身的研究課題，搜集工程實(shí)踐和科研課題中關(guān)于通風(fēng)、除塵、滅火、瓦斯抽采等方面的流體力學(xué)問題；2. 將搜集得到的案例素材按照流體力學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行歸類，并劃分模塊；3. 對案例素材模塊進(jìn)行整合、精簡，按照案例的格式規(guī)范編輯案例初稿，形成案例庫；4. 選取適當(dāng)?shù)陌咐砑拥较鄳?yīng)的教學(xué)章節(jié)，開展案例教學(xué)；5. 通過問卷調(diào)查的形式，反饋案例教學(xué)效果，以此為依據(jù)再次完善教學(xué)案例。

（二）案例教學(xué)實(shí)踐

鑒于案例教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，筆者在流體力學(xué)教學(xué)過程中連續(xù)三年采用了案例教學(xué)，授課對象是中國礦業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)2015級、2016級和2017級一年級工程碩士。以2017級為例，選課人數(shù)108人，32學(xué)時(shí)，每周2次課，每次4學(xué)時(shí)，案例教學(xué)分為以下三個(gè)階段：

1. 案例導(dǎo)入。圍繞某一流體力學(xué)知識點(diǎn)，教師從案例庫中選取教學(xué)案例，簡要介紹案例的工程背景和科研價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生凝練核心的流體力學(xué)問題，提出解決方法。以“綜掘工作面粉塵運(yùn)移的氣固兩相流模擬”的教學(xué)案例為例，教學(xué)目的是使學(xué)生了解氣固兩相流體力學(xué)理論，掌握多相流動(dòng)建模的一般過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用流體力學(xué)知識解決礦井粉塵防治中的工程問題。課堂導(dǎo)入以我國煤礦綜掘工作面粉塵產(chǎn)量大且危害嚴(yán)重為切入點(diǎn)，循循善誘地引導(dǎo)學(xué)生從流體力學(xué)角度考慮這一問題，例如：如何優(yōu)化通風(fēng)布局改善工作面惡劣的工況環(huán)境？→工作面通風(fēng)流場分布情況？→工作面沿程粉塵運(yùn)移沉降規(guī)律？→風(fēng)筒位置和配風(fēng)量對粉塵的影響？在案例教學(xué)的前一周，教師根據(jù)教學(xué)要求和授課難點(diǎn)，對案例中的理論知識（離散相模型、組份運(yùn)輸模型、連續(xù)相湍流模型）進(jìn)行簡單的講解，給出相關(guān)參考文獻(xiàn)，并分組布置任務(wù)。

2. 學(xué)生調(diào)研與課堂討論。學(xué)生在課下根據(jù)案例任務(wù)獨(dú)立自主地查閱文獻(xiàn)資料，分析問題的重點(diǎn)和難點(diǎn)，給出解決方案，并制作多媒體課件。學(xué)生匯報(bào)內(nèi)容主要圍繞粉塵和瓦斯在巷道和工作面運(yùn)移規(guī)律的建模與數(shù)值模擬展開，設(shè)計(jì)幾何模型、網(wǎng)格劃分、粉塵和瓦斯流場邊界條件設(shè)置，多相流模型選擇，流場特性分析以及后處理等方面。學(xué)生匯報(bào)結(jié)束后，教師與其他同學(xué)一起對匯報(bào)內(nèi)容提出和討論，比如各種多相流模型的適用條件是什么，移動(dòng)邊界條件、工作面粉塵源怎么處理等。條件允許的情況下，教師可以播放教學(xué)視頻，結(jié)合煤礦現(xiàn)場事故進(jìn)行分析和延伸，加深學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

3. 案例總結(jié)。案例教學(xué)結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)情況和課堂討論情況，要求學(xué)生寫作案例學(xué)習(xí)心得，反饋案例教學(xué)存在的問題，教師及時(shí)更新完善案例庫。

（三）教學(xué)效果檢驗(yàn)

為了掌握案例教學(xué)改革的效果及其存在的問題，制作了“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(jì)。案例教學(xué)前學(xué)生普遍認(rèn)為概念、定理、公式、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和理論模型抽象和深?yuàn)W，無法將所學(xué)流體力學(xué)知識應(yīng)用于導(dǎo)師布置的科研課題。案例教學(xué)后，40%學(xué)生認(rèn)為案例教學(xué)將流體力學(xué)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，對于學(xué)生創(chuàng)新能力的提升有很大的作用，16%的學(xué)生認(rèn)為流體力學(xué)內(nèi)容深入淺出，解決了課程深?yuàn)W、枯燥難懂的缺點(diǎn)，還有39%的同學(xué)認(rèn)為學(xué)習(xí)興趣得到了提升。但在問題調(diào)查中，仍然有31%學(xué)生認(rèn)為相關(guān)理論知識過難，這說明具有不同專業(yè)背景的學(xué)生對于流體力學(xué)的學(xué)習(xí)能力存在差異。此外，由于教學(xué)條件的限制，58%的學(xué)生認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的軟件學(xué)習(xí)課時(shí)少（如圖1所示）。這些調(diào)查結(jié)果為持續(xù)改進(jìn)案例庫資源提供了重要參考依據(jù)。

三、案例教學(xué)的實(shí)踐意義與價(jià)值

1. 我國研究生培養(yǎng)數(shù)量不斷增加，但培養(yǎng)質(zhì)量與國際先進(jìn)水平相比還有較大差距，課堂教學(xué)在研究生培養(yǎng)過程中的作用較弱。安全工程專業(yè)流體力學(xué)課程開設(shè)已久，使用教材種類繁多，但內(nèi)容千篇一律，傳統(tǒng)的“課前學(xué)生預(yù)習(xí)-課堂教師講授-課后教師評閱”的3段串行教學(xué)模式，很難激發(fā)研究生的興趣，更難適應(yīng)國家“雙一流”學(xué)科建設(shè)、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。探索符合不同專業(yè)學(xué)位特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法對與當(dāng)前研究生教育改革具有重要實(shí)踐意義[8]。

2. 以實(shí)際應(yīng)用需求為導(dǎo)向，將安全工程學(xué)科領(lǐng)域的工程案例、科研案例融入流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，能夠有效破解當(dāng)前課堂教學(xué)與研究生課題研究之間的“兩張皮”現(xiàn)象，使研究生課堂教學(xué)與課題研究、人才培養(yǎng)互相促進(jìn)。案例教學(xué)資源庫涉及流體力學(xué)在安全工程領(lǐng)域中的幾大應(yīng)用，包括多元混合氣體流動(dòng)，氣液固多相流動(dòng)，多孔介質(zhì)流動(dòng)，非牛頓流體，傳熱傳質(zhì)與流動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)與流動(dòng)，氣固耦合流動(dòng)以及計(jì)算流體力學(xué)等知識要點(diǎn)，這些內(nèi)容是對傳統(tǒng)研究生流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充，也可供礦業(yè)工程、動(dòng)力工程等專業(yè)研究生教學(xué)參考，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

3. 研討式案例教學(xué)以學(xué)生為主體，教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生自主探索專業(yè)技術(shù)知識，學(xué)生變“被動(dòng)接受”為“主動(dòng)探索”，強(qiáng)化了課程教學(xué)對研究生的科學(xué)方法訓(xùn)練和學(xué)術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)的作用。同時(shí)這種教學(xué)方法尊重研究生的主體地位，讓研究生參與教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)改革和教學(xué)評價(jià)，可以有針對性地持續(xù)完善和改進(jìn)案例庫。

四、結(jié)束語

案例教學(xué)在美國和歐洲國家的教學(xué)過程中已普遍運(yùn)用，但在國內(nèi)高校開展的相對較少。教育部《關(guān)于深化研究生教育改革的意見》中明確指出要進(jìn)一步提高研究生教育質(zhì)量，加強(qiáng)案例教學(xué)，探索不同形式的實(shí)踐教學(xué)[8]。在安全工程特色流體力學(xué)課例教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者有三點(diǎn)心得：

1. 案例資源庫要隨著專業(yè)的發(fā)展、社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步、教學(xué)評價(jià)等及時(shí)更新和擴(kuò)充，才能彰顯安全工程學(xué)科特色，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2. 在課堂上再現(xiàn)真實(shí)的安全工程案例、科學(xué)研究案例，不僅能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且鍛煉了學(xué)生的知識應(yīng)用能力，可以達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

3. 流體力學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程涵蓋內(nèi)容豐富，在不同的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，面向安全工程領(lǐng)域的案例教學(xué)資源庫亦可供其他相關(guān)專業(yè)和相關(guān)院校教學(xué)使用，案例教學(xué)實(shí)踐對同行教師也有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]申潔，陳小榆，肖東，等.混合教學(xué)模式在工程流體力學(xué)課程教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].西部素質(zhì)教育，2018（7）：160-161.

[2]吳迪，宋維源，孫可明.以工程實(shí)例為導(dǎo)向的流體力學(xué)教學(xué)模式改革初探[J].科教導(dǎo)刊，2017（15）：93-94.

[3]馬進(jìn)偉，胡寧，王晏平.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)方式的探索與思考[J].江西建材，2017（17）：267.

[4]閆小康，王利軍.化工高等流體力學(xué)案例教學(xué)研究[J].廣州化工，2017，45（21）：195-197.

[5]馮軍發(fā)，李海軍，金志遠(yuǎn)，等.突顯礦業(yè)工程特色的流體力學(xué)課程案例式教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2018（13）：136-138.

[6]劉方.研究生高等流體力學(xué)課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2014（10）：192-194.

[7]案例教學(xué)法在應(yīng)用文寫作教學(xué)中的應(yīng)用[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2007，23（6）：76-79.

[8]王戰(zhàn)軍.加強(qiáng)研究生教育科學(xué)研究促進(jìn)研究生教育改革與發(fā)展[J].學(xué)位與研究生教育，2014（8）：1-5.