“OBE理念+課程思政”融入“流體力學(xué)”課程的教學(xué)改革與探索

李興華 孫也

摘 ? ?要：“流體力學(xué)”是環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)人才的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，對于核心專業(yè)課“大氣污染工程”和“水污染控制工程”的學(xué)習(xí)具有關(guān)鍵的支撐作用。文章基于國際工程教育專業(yè)認(rèn)證的OBE理念，旨在打破傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，從成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)等視角，優(yōu)選前沿和工程應(yīng)用的教學(xué)資源、改革多元化教學(xué)模式、重點(diǎn)突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力培養(yǎng)，同時結(jié)合“流體力學(xué)”課程中的思政元素，最終促進(jìn)“OBE理念+課程思政”教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2022）03-0055-03

“綠水青山就是金山銀山”已成為人民的共識，國家重視環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明，對高水平環(huán)境工程人才需求提高，高校作為培養(yǎng)人才的基地，培養(yǎng)適應(yīng)國家發(fā)展需求的高水平環(huán)境工程人才已成為其人才培養(yǎng)的重要任務(wù)?！傲黧w力學(xué)”課程是環(huán)境工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，支撐著水和大氣污染控制技術(shù)的發(fā)展。因該課程通過研究流體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律支撐工程實(shí)際中流動問題[1]，課程內(nèi)容多、概念抽象、專業(yè)性較強(qiáng)，課程的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，所以，在工程教育認(rèn)證產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome based education，OBE）的要求下，必須積極進(jìn)行教學(xué)改革和設(shè)計(jì)。

一、“流體力學(xué)”課程介紹及存在的問題

“流體力學(xué)”課程在環(huán)境工程教學(xué)中的重點(diǎn)，一是研究環(huán)境流體（包括水、廢氣、環(huán)境空氣等）在流體流動狀態(tài)或平衡狀態(tài)情況下的力學(xué)規(guī)律;二是研究環(huán)境流體與固體（例如管道）之間相互作用。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，“流體力學(xué)”一般在本科大二春季學(xué)期開課，先修課程包括“大學(xué)物理”“高等數(shù)學(xué)”公共基礎(chǔ)課。實(shí)際上“流體力學(xué)”可以分為兩部分：理論流體力學(xué)和工程流體力學(xué)，針對環(huán)境工程專業(yè)，后者更偏重于工程應(yīng)用，因此常常以工程流體力學(xué)作為教學(xué)重點(diǎn)，例如利用流體力學(xué)知識解決污水處理廠設(shè)計(jì)?！傲黧w力學(xué)”理論體系主要由流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動學(xué)和流體動力學(xué)三部分組成[2-3]，課程主要是建立在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)基礎(chǔ)上，通過牛頓經(jīng)典力學(xué)和高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識對流體靜止和運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究，可通過運(yùn)用高等數(shù)學(xué)中微積分等方法首先對流動現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)模型解決不同流體流動的問題，“流體力學(xué)”教學(xué)體系如圖1所示。

“流體力學(xué)”課程在教學(xué)過程中存在一些問題，一是課程內(nèi)容涉及面廣，儲備知識較多，涉及到“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“熱力學(xué)”“工程力學(xué)”等基礎(chǔ)知識;二是流體力學(xué)內(nèi)容抽象，理解比較困難，該課程的研究對象是流體，但是流體性質(zhì)復(fù)雜，課程理論抽象，公式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，理想模型、修正公式、修正系數(shù)較多，其物理意義也比較難理解;三是教學(xué)模式單一，學(xué)生參與度不高。課堂教學(xué)多以原理與方法的講授為主，學(xué)生興趣和主動性不足，不能體現(xiàn)系統(tǒng)性和層次性的教學(xué)目標(biāo)[4]。

二、OBE理念融入“流體力學(xué)”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

OBE理念即為成果導(dǎo)向教育，隨著國際工程教育專業(yè)認(rèn)證的推廣，越來越多的國家接受并踐行，OBE先進(jìn)教育理念核心是實(shí)現(xiàn)三個轉(zhuǎn)變，一是教師為中心到學(xué)生為中心，二是學(xué)科導(dǎo)向到目標(biāo)導(dǎo)向，三是質(zhì)量監(jiān)控到持續(xù)改進(jìn)?；贠BE理念分析了工程教育認(rèn)證“流體力學(xué)”課程支撐的畢業(yè)要求、指標(biāo)點(diǎn)，如表1所示，因此教學(xué)設(shè)計(jì)根據(jù)對應(yīng)的畢業(yè)要求，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選前沿和工程應(yīng)用的教學(xué)資源、改革多元化教學(xué)模式、突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)，體現(xiàn)課程設(shè)置、教學(xué)、考核評價與培養(yǎng)目標(biāo)的一致性[5-7]。

（一）強(qiáng)化與專業(yè)前沿方向和工程應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容

梳理環(huán)境工程專業(yè)課程，分析“水污染控制工程”“大氣污染控制工程”“泵站與管道工程設(shè)計(jì)”“大氣污染控制課程設(shè)計(jì)”等課程對“流體力學(xué)”核心知識點(diǎn)的需求，重構(gòu)流體力學(xué)課題體系，確定《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》第五版作為主要授課教材，高教出版社的《工程流體力學(xué)（水力學(xué)）》第三版作為參考教材，對兩本教材中與環(huán)境工程專業(yè)相近的內(nèi)容進(jìn)行合理取舍和補(bǔ)充，對于流體靜力學(xué)、繞流運(yùn)動、流動阻力和能量損失、一元?dú)怏w動力學(xué)基礎(chǔ)、一元流體動力學(xué)、孔口管嘴管路流動、氣體射流等內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講授[10]。

由于該課程公式較多，適當(dāng)降低對環(huán)境工程學(xué)生的公式推導(dǎo)要求，重點(diǎn)通過公式的基本概念、參數(shù)的物理意義、應(yīng)用條件等方面引導(dǎo)學(xué)生理解公式的具體應(yīng)用場景，學(xué)會應(yīng)用公式解決環(huán)境工程問題。課程除講述基本概念與原理外，注重結(jié)合環(huán)境工程中實(shí)際流體力學(xué)問題進(jìn)行講述，通過與水、環(huán)境空氣和廢氣的應(yīng)用實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。在繞流阻力與升力章節(jié)中，通過除塵工藝中顆粒物在氣流中的繞流阻力、浮力和重力的分析，確定顆粒物在氣流中的狀態(tài)，使學(xué)生能夠作出符合工程實(shí)際的判斷。在減小阻力的措施章節(jié)中，選取典型的高分子聚合物添加劑，增加前沿研究案例，教會學(xué)生結(jié)合環(huán)境工程管道，對減阻起始點(diǎn)、濃度效應(yīng)和抗剪切性能等參數(shù)進(jìn)行精確的定量估計(jì)，正確解決環(huán)境工程專業(yè)流體力學(xué)管道相關(guān)的設(shè)計(jì)和計(jì)算問題。

（二）改革多元化教學(xué)模式

為打造高校的“流體力學(xué)”課堂，必須對以往單一的教學(xué)模式進(jìn)行改革。通過仿真內(nèi)容引入課堂教學(xué)、動畫圖片演示教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂與適當(dāng)傳統(tǒng)板書的有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識、加深概念理解、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[11-12]。

1.“流體力學(xué)”的很多概念比較抽象，難以理解;以動畫、圖片等形式演示課程的部分內(nèi)容，將各種流動形態(tài)形象展示出來，使原本抽象的概念變得清晰易懂。

2.就課程特點(diǎn)而言，公式推導(dǎo)過程繁多，完全采用多媒體教學(xué)，學(xué)生很難理解整個推導(dǎo)過程，因此利用多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書教學(xué)相結(jié)合的方式，多媒體展示應(yīng)用場景和動畫模型，板書結(jié)合多媒體分步推導(dǎo)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

3.采用雨課堂等在線教育手段，向?qū)W生提供方便、靈活的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，教師通過雨課堂發(fā)布預(yù)習(xí)和課后作業(yè)，學(xué)生可根據(jù)要求進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，同時查閱教學(xué)課件;每周固定在線答疑時間，學(xué)生可在線與教師互動答疑。

4.流體力學(xué)的發(fā)展同許多偉大科學(xué)家和工程師的貢獻(xiàn)是分不開的，教師可在課堂穿插講授這些大家的故事，例如北京航空航天大學(xué)建校元老陸士嘉先生和普朗特、馮卡門等科學(xué)家的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)對于流體力學(xué)課程是一個重要的環(huán)節(jié)，但是受實(shí)驗(yàn)條件和課時的限制，可通過以下方式解決。

1.仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過觀看動畫的方式理解理論原理和公式，例如雷諾實(shí)驗(yàn)中可更加清晰地理解層流和紊流的現(xiàn)象及其特點(diǎn)[12]。

2.通過實(shí)驗(yàn)室測量儀表如液柱測壓計(jì)、壓差計(jì)、皮托管、文丘里流量計(jì)等課堂展示，制作小型實(shí)驗(yàn)裝置（包括風(fēng)機(jī)、管道和皮托管）課堂演示，同時學(xué)生完成氣體流速的測量。

3.鼓勵學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室開展流體力學(xué)相關(guān)的自主實(shí)驗(yàn)，公布兩個自主綜合實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生可選做實(shí)驗(yàn)，以加深對理論和概念的理解，開拓視野。

三、深入挖掘“流體力學(xué)”課程中的思政元素

環(huán)境工程專業(yè)的“流體力學(xué)”不僅是傳授專業(yè)知識的課程，也蘊(yùn)含著大量的思政元素，同樣具有思政教育的作用，因此深挖課程所蘊(yùn)含的思政元素，通過不斷探索和總結(jié)，把古代中國智慧、科學(xué)家故事、哲學(xué)思維、科學(xué)精神、正確的社會主義核心價值觀巧妙融入課程教學(xué)中，為培養(yǎng)有理想、有信念的新時代環(huán)保人作出貢獻(xiàn)[13-14]。

本課程結(jié)合“流體力學(xué)”特點(diǎn)找出課程思政切入點(diǎn)，圍繞愛黨、愛國、愛人民的主線，從我國流體力學(xué)史上典型的都江堰水利工程、三峽工程等案例入手，增強(qiáng)學(xué)生對國家的文化自信及對民族的自豪感，同時拓展科學(xué)家的故事，讓學(xué)生學(xué)習(xí)他們的堅(jiān)持和科學(xué)精神，并從模型設(shè)計(jì)和量綱分析等方面，讓學(xué)生學(xué)會從自然辯證法的哲學(xué)思維角度去思考問題。思政案例與理論課程相結(jié)合的方式，能夠很好地將案例融入教學(xué)大綱的內(nèi)容、課程討論及評價等不同的教學(xué)環(huán)節(jié)，與工程教育認(rèn)證產(chǎn)出導(dǎo)向理念相融合，提高學(xué)生能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證的教學(xué)目標(biāo)[15]。設(shè)計(jì)的部分流體力學(xué)思政案例如表2所示。

四、結(jié)語

新時代OBE理念和課程思政要求給“流體力學(xué)”課程提高環(huán)境工程人才培養(yǎng)水平帶來了新的抓手，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，通過改革課程的多元化教學(xué)模式、增加了前沿和工程應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容、探索融入“流體力學(xué)”中課程思政元素，注重“教師的教”向“學(xué)生的學(xué)”的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，形成了一套以滿足環(huán)境工程教育認(rèn)證要求、塑造學(xué)生遠(yuǎn)大理想和奉獻(xiàn)精神的“流體力學(xué)”教學(xué)體系。

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