流體力學與液壓傳動貫通式教學改革與實踐

周俊杰 陳泰然

摘?要：通過對流體力學與液壓傳動課程教學現(xiàn)狀進行分析，以流體力學與液壓傳動研究型課程為案例，開展貫通式教學改革研究，提出貫通理論基礎、強化科研導向、突出能力塑造三方面改革舉措，構建研究型課程，重構課程知識體系，注重開展實踐活動，調動學生自主學習、團隊協(xié)作、改革創(chuàng)新能力，取得了良好教學效果，為新工科建設提供參考。

關鍵詞：流體力學；液壓傳動；貫通式；研究型；教學改革

近年來，隨著創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、中國制造2025、2035遠景目標等的出現(xiàn)和發(fā)展，引發(fā)了新一輪科技革命與產業(yè)變革［12］。新工科建設是我國高等教育的主要改革方向，是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的。新工科教育理念的提出，工程類專業(yè)的國際工程教育認證，以及以企業(yè)需求為導向的人才培養(yǎng)教育，都對高等院校的專業(yè)建設和人才培養(yǎng)模式提出了新要求。

本文針對流體力學與液壓傳動兩門課程教學現(xiàn)狀存在的問題，提出了流體力學與液壓傳動貫通式教學改革思路，從貫通理論基礎、強化科研導向、突出能力塑造三方面入手，重構課程知識體系，構建研究型課程，調動學生自主學習、團隊協(xié)作、改革創(chuàng)新能力，取得了良好教學效果，希望為相關課程改革提供參考。

1?問題分析

近年來，研究型課程教學法在各大高校得到廣泛應用，是一種以學生為中心，培養(yǎng)學生的基礎理論、個人技能以及團隊協(xié)作等能力的方法［3］。該方法要求學生通過個人或團隊合作完成項目任務，利用必要的學習資料，解決現(xiàn)實中的問題，從而獲取知識和技能，成長為兼有探索精神與動手能力的實踐型人才。在項目的驅動下，學生從“被動接受”變?yōu)椤爸鲃訁⑴c”，親身參與到每一個步驟，從項目的構思到設計、實施，都由學生團隊和老師一起探討完成，在發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的過程中綜合培養(yǎng)學生的工程基礎知識、個人、團隊協(xié)作和工程系統(tǒng)能力四個層次的能力。“流體力學與液壓傳動”作為面向工科專業(yè)本科生所開設的一門專業(yè)基礎課程，對于培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質人才意義重大。

當前專業(yè)基礎課程中通常將流體力學與液壓傳動兩門課分立，而液壓傳動的基礎部分則為液壓流體力學，兩者內容存在重疊，且課程內容沒有銜接，學生不清楚內在聯(lián)系，另外，課程內容理論性強，實驗課程浮于“體驗”而不重視“深入理解”，學生不容易具體化，導致“學了不會用”的問題突出，針對以上痛點，在教學中需要解決的問題包括：（1）理論知識重疊，課程內容銜接不順暢。（2）缺乏實際科研問題的結合與導向。（3）欠缺知識轉化為能力的環(huán)節(jié)。

2?改革思路

基于“理論認知，實踐強化”的人才培養(yǎng)理念，以項目需求為牽引，以問題為導向，引導學生學習流體力學和液壓傳動的基本知識，掌握流體靜力學、運動學與動力學、液壓系統(tǒng)、液壓傳動以及液壓元件和系統(tǒng)的基本概念，引入有關流體的仿真工具，進行實踐學習。然后在掌握理論知識的基礎上，理論與實踐相結合，學習流體的CFD仿真方法、基于集中參數的仿真方法，并針對無人平臺和車輛液壓系統(tǒng)開展課程實踐。最后以解決源于工程實踐的具體問題為導向，基于OBE理念，引導學生進行水陸平臺、車輛液壓系統(tǒng)的設計與優(yōu)化。

課程組將依托于具體項目，重構課程知識體系，構建合理的教學評價體系，注重學生對研究問題的思考、解決物理問題的能力和對研究結果的處理、釋義與再創(chuàng)新能力，調動學生自主學習、團隊協(xié)作、改革創(chuàng)新的積極性與潛在能力，力爭培養(yǎng)能夠獨立思考解決問題，具有團隊協(xié)作和創(chuàng)新思維的復合型人才。

3?教學實踐舉措

針對課程存在的問題，結合研究目標和總體方案，提出教學改革的研究思路和具體改革舉措，如下圖所示。

改革思路與實踐舉措圖

3.1?貫通理論基礎

流體力學是一門基礎力學分支，液壓傳動是一門機械基礎專業(yè)課程，兩者都以流體為基本研究對象，理論相通且知識脈絡聯(lián)系緊密。我國的液壓技術開始發(fā)展于20世紀50年代，與世界頂尖國家相比落后了至少50年的時間［4］。經過多年艱苦的探索和研究，我國已經從向國外學習相關技術的階段發(fā)展到如今自主研發(fā)先進液壓產品的階段，液壓傳動技術已廣泛應用于施工機械、航空航天、船舶重工等領域，真正實現(xiàn)了“從無到有，從有到精”的巨大轉變。但是，與世界頂尖液壓水平相比，我國仍處于落后地位，國產液壓件仍處于技術薄弱期。由于起步晚、發(fā)展不平衡、基礎產業(yè)落后、缺乏追求完美的科學精神等原因，我國液壓產業(yè)重主機，輕配件，產業(yè)結構不合理；許多產品仍處于模仿，創(chuàng)新能力不足；缺少基礎產業(yè)支持，基礎工藝以及基礎材料質量落后；產品性能、可靠性仍低于國外同類產品。目前最亟待解決的是核心零部件高度依賴進口的問題，諸如軸承、齒輪以及一些高精度液壓器件在市場上一直被美、德、日等進口產品占據主導地位，很大程度上阻礙了我國液壓產業(yè)的發(fā)展。因此，加強液壓知識教育，培養(yǎng)液壓領域高端人才任重而道遠。

流體力學與液壓傳動是機械類各專業(yè)的一門主要技術基礎課程，與機械工程和動力工程熱物理學科中大量的工程實際問題聯(lián)系密切，是學習相關專業(yè)課程和專業(yè)發(fā)展最重要的技術基礎理論。流體力學主要研究流體處于流動狀態(tài)和平衡狀態(tài)時的流動規(guī)律以及流體與流體或者流體與固體（例如管道）之間的相互作用；液壓傳動主要研究以液體為工作介質，基于帕斯卡原理的流體傳動元件和系統(tǒng)。流體力學講述的流體性質、流體靜力學、流體動力學以及縫隙流動均是學習液壓傳動的基礎，可以說液壓傳動的流體問題是流體力學的一種特例，設計的流動問題也是普通流動問題的一種具體化，因此兩者存在共性理論基礎。擬通過優(yōu)化教學設計、引入例證說明，使學生能掌握有關流體從基礎知識到工程技術的知識體系，夯實學術基礎。學習課程后，學生應達到以下基本要求：

（1）了解流體力學發(fā)展歷史及趨勢，掌握流體靜力學基本知識和基本理論。

（2）掌握流體動力學基本知識，具備初步工程計算能力。

（3）了解和掌握液壓傳動技術的基本知識，熟悉基本液壓元件的結構特點和工作原理。

（4）掌握液壓基本回路的組成，了解液壓回路的基本設計方法以及典型液壓傳動系統(tǒng)的工作原理。

（5）掌握液壓系統(tǒng)的分析方法，能夠獨立設計簡單的液壓系統(tǒng)，并且能夠獨立分析較復雜的液壓系統(tǒng)。

（6）能夠熟練運用Fluent和AMESim仿真軟件進行具體問題的研究與分析。

（7）在老師的引導下，團隊配合完成水陸平臺、車輛液壓系統(tǒng)項目的設計與仿真。

3.2?強化科研導向

流體力學和液壓傳動兩門課程都具有理論性強的特點，課程內容涉及不同領域知識點較多，對知識儲備量的要求較高，包含了“大學物理”“工程熱力學”“機械原理”“高等數學”等課程的基礎知識，概念多而且抽象，公式推導煩瑣復雜，理解比較困難，雖然大多數借助實驗和多媒體教學來幫助學生理解，但和真正的實踐要求還相去甚遠。另外，教學模式單一，學生參與度不高。課堂教學多以原理與方法的講授為主，學生興趣和主動性不足，不能體現(xiàn)系統(tǒng)性和層次性的教學目標［5］。我們在指導本科生畢業(yè)設計時經常發(fā)現(xiàn)，大多數同學只是掌握了一些概念和基本知識，但面對問題時往往不知所措，就算知道涉及了知識范疇，也沒有工具去分析實踐問題。

將OBE理念融入本課程的教學設計，實現(xiàn)從教師為中心到學生為中心，從學科導向到目標導向，從質量監(jiān)控到持續(xù)改進三個轉變，教學過程需要做到以“學生”為中心，以“學習結果產出”為導向，提高教學效率和教學質量。以“學”為中心，關注的是“學什么，怎么學，學得如何”的問題，更加注重培養(yǎng)學生的自我探索和自我學習等多方面能力，因此需要根據對學生的期望而進行教學內容設計。在教學過程中，要建立一個具有完善功能的質量管理體系，使其具備“評價—反饋—改進”的閉環(huán)特征，做到持續(xù)改進培養(yǎng)目標，讓它始終與內、外部需求相符合；持續(xù)地改進畢業(yè)要求，讓它始終與培養(yǎng)目標相符合；持續(xù)地改進教學活動，讓它始終與畢業(yè)要求相符合。

為培養(yǎng)能夠獨立思考解決科研問題，具有團隊協(xié)作和創(chuàng)新思維的復合型人才，本項目擬發(fā)揮課程老師的科研經歷和特長，在教師的科研實踐中提取問題，設計研究型課程，講授本領域的科研動向以及發(fā)展趨勢，特別結合水陸兩棲平臺設計中的流體力學問題、車輛液壓系統(tǒng)設計中液壓傳動問題開展項目制研究，并依托項目剖析有關流體的分析問題、解決問題的方法和步驟，使學生學有所得，學有所思。

3.3?突出能力塑造

能力的培養(yǎng)是課程學習的最終目的，流體力學和液壓傳動兩門課程也具有很強的實踐性，傳統(tǒng)的以作業(yè)為主的課程內容復習和鞏固有助于學生對知識的理解和掌握，但對于知識的應用和技能的培養(yǎng)作用有限。本項目在課程教授的基礎上引入仿真軟件學習，包括計算流體力學仿真（Fluent）和一維的液壓動力學仿真（AMESim），通過對學生在具體問題上的訓練提升對象分析、理論構建、仿真分析以及結果輸出的能力，直接對標課題的研究過程，使學生完成課程學習后有知識、有手段、有興趣繼續(xù)該領域的學習和研究。

CFD（計算流體力學）是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析的方法和工具。Fluent誕生于1975年，經過幾十年的發(fā)展，如今已成為最流行的CFD軟件之一。Fluent憑借其易用性、高效性、穩(wěn)定性以及在航空航天、汽車設計、流體分析等領域的廣泛應用實現(xiàn)了其最初設定的目標——工程師無須耗費大量時間與精力去開發(fā)代碼，只要使用現(xiàn)成的軟件即可求解真實世界中的工程問題。

AMESim最早由法國的Imagine公司開發(fā)，旨在將液壓伺服執(zhí)行機構與有限單元機械結構耦合起來去控制復雜的動態(tài)系統(tǒng)，是一種工程系統(tǒng)高級建模和仿真平臺，常用于基于集中參數的仿真。AMESim的建模方法是基于功率鍵合圖，與鍵合圖相比，它具有直觀圖形的界面，可實現(xiàn)面向原理圖建模，在整個仿真過程中，仿真系統(tǒng)都是通過直觀的圖形界面展現(xiàn)出來的。AMESim具有多種仿真方式，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及結果的準確性，并且每個接口都能傳遞多種變量，使不同領域的模塊可以相互連接，極大程度地簡化了模型的復雜度。憑借界面直觀、系統(tǒng)穩(wěn)定、結果準確、模型簡單等優(yōu)點，AMESim在系統(tǒng)建模仿真領域得到了用戶的一致認可。

在流體力學方面，課程實踐環(huán)節(jié)要求學生開展水陸兩棲車輛外形設計，結合計算流體力學仿真開展外形優(yōu)化。同學們紛紛創(chuàng)新，提出了一系列新的外形方案，并利用Fluent軟件仿真得到車輛周圍的壓強分布圖，實現(xiàn)了從概念構想到仿真模擬，再到比較優(yōu)化的全流程設計。在液壓傳動方面，課程實踐環(huán)節(jié)要求學生針對車輛ABS制動系統(tǒng)，搭建AMESim仿真模型，并對ABS制動系統(tǒng)原理開展仿真和參數設計，同學們從系統(tǒng)組成和原理出發(fā)，成功對ABS制動系統(tǒng)開展了研究，掌握了從原理到物理模型，再到仿真結果分析的全套科研過程的實踐。通過實踐，學生們掌握了實踐技能，并通過實踐加深了理論理解，并鍛煉了創(chuàng)新思維。對Fluent和AMESim的熟練使用能夠幫助他們解決生活中遇到的實際問題以及課題組中的科研問題，做到學以致用，知行合一。

另外，擬引入教學輔助，秉承自愿原則，任命學習興趣濃厚、責任感強的同學作為助教，主要負責老師與學生之間的溝通。這種方式對老師、助教本身以及同學群體都有益處，實現(xiàn)了三贏。對老師而言，助教幫忙收發(fā)作業(yè)、答疑解難，可以有效提高課堂效率，緩解老師壓力，另外，還可以根據助教的反饋了解學生整體學習進度以及學習體驗，從而及時調整上課進度和風格。對助教本身而言，為了完成老師的任務提前學習以及為同學的答疑有助于鞏固知識，加深對課程的理解，認真對待助教的工作也能夠培養(yǎng)工作能力和責任心，這對以后的科研和工作都大有裨益。對同學群體而言，不僅可以向助教尋求學習上的幫助，詢問課程安排，還可以通過助教向老師表達自己的需求。教學輔助在課程中起到潤滑劑的作用，能夠讓整個教學系統(tǒng)運行得更加穩(wěn)定、高效。

結語

本文以流體力學與液壓傳動研究型課程為案例，針對當前流體力學與液壓傳動課程教學存在知識重疊、缺乏科研實際、缺少能力訓練等問題，開展了貫通式教學改革研究，提出貫通理論基礎、強化科研導向、突出能力塑造三方面舉措，構建了研究型課程，注重開展實踐活動，使學生在自主學習、團隊協(xié)作、改革創(chuàng)新能力方面得到了更好鍛煉，本項改革為新時代下新工科建設工作提供了有益探索。

參考文獻：

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［3］翁崇濤.構建適合普通學生的研究型課程［J］.現(xiàn)代教學，2017，381，382（Z3）：6667.

［4］尚俊亮，石曉軍.液壓傳動技術在機械制造中的應用［J］.技術與市場，2015，22（04）：75.

［5］萬蕾.應用型本科院校環(huán)境工程專業(yè)流體力學教學的幾點思考［J］.大學教育，2017（3）：2.

項目支撐：北京理工大學項目制課程教改項目培育項目（2022ZXJG018）

作者簡介：周俊杰（1986—?），男，漢族，河北衡水人，博士，副教授，博士生導師，特別研究員，研究方向：流體傳動與控制；陳泰然（1990—?），男，漢族，云南人，博士，副研究員，研究方向：流體機械及工程。