學(xué)科交叉融合下的流體力學(xué)課程改革探討

葉志洪，安強(qiáng)，龍?zhí)煊?，王?huì)麗

(重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

“十四五”時(shí)期，面對(duì)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，開(kāi)啟以“寬口徑、夯基礎(chǔ)、重交叉、強(qiáng)實(shí)踐”為特色的教學(xué)改革探索，推進(jìn)不同課程交叉融合，造就身懷愛(ài)國(guó)之心且擁有儲(chǔ)備豐富的交叉學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的卓越“新工科”人才，為我國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綜合國(guó)力的提高提供堅(jiān)實(shí)的智力支持和科技支撐是高校應(yīng)當(dāng)持續(xù)探索的時(shí)代命題[1-3]。

流體力學(xué)作為力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究在各種外力下，流體自身特性、流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律[4]。作為環(huán)境專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生能對(duì)廢水、廢氣等流體在流動(dòng)或平衡狀態(tài)情況下的力學(xué)規(guī)律進(jìn)行定性、定量分析，理解環(huán)境流體與固體(例如管道)之間的相互作用以及流體傳遞過(guò)程規(guī)律[5]。但由于其本身具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象晦澀、專業(yè)跨度大的特點(diǎn)，對(duì)邏輯思維能力與理論基礎(chǔ)都有較高要求；同時(shí)課程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，在教學(xué)過(guò)程中需要與應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合，通過(guò)多種方式引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力與創(chuàng)新實(shí)踐能力。因此，傳統(tǒng)的單一學(xué)科模式已不適用于該課程的傳授與學(xué)習(xí)[6]。本文分析了環(huán)境工程專業(yè)流體力學(xué)課程在教學(xué)過(guò)程中存在的不足以及學(xué)科交叉的必要性和可行性，通過(guò)打破學(xué)科專業(yè)壁壘，融通多學(xué)科知識(shí)體系，加強(qiáng)思政引領(lǐng)，以提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)既有理論深度又有實(shí)踐基礎(chǔ)的高素質(zhì)人才。流體力學(xué)課程主要教學(xué)體系如圖1 所示。

圖1 流體力學(xué)課程主要教學(xué)體系

1 開(kāi)展學(xué)科交叉的必要性與可行性

將兩門或兩門以上的不同學(xué)科相互融合滲透，打破學(xué)科之間壁壘的方式稱為學(xué)科交叉(interdisciplinary)。學(xué)科交叉融合不僅可以增強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的育人功能，還可以打破學(xué)生的刻板思維，拓寬視野，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，是高等教育發(fā)展的新引擎[7]。

1.1 學(xué)科交叉的必要性

流體力學(xué)出現(xiàn)至今，從未在人類社會(huì)發(fā)展中缺席，尤其是近現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域，如：航空航天、交通運(yùn)輸、裝備制造等行業(yè)，流體力學(xué)的創(chuàng)新性應(yīng)用所展現(xiàn)出的潛在優(yōu)勢(shì)更是不容小覷。如果僅僅圍繞課本內(nèi)容“閉門造車”，由此造成的局限性將導(dǎo)致這門課程失去原有的“活力”，所以增強(qiáng)學(xué)生的交叉學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備成為在流體力學(xué)授課過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。只有打破學(xué)科屏障，適度的將其他學(xué)科的知識(shí)體系與流體力學(xué)相融合，提升學(xué)生相關(guān)領(lǐng)域的了解與認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解相關(guān)原理與應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性探索與嘗試，才能更好助力學(xué)生成長(zhǎng)成才。

1.2 學(xué)科交叉的可行性

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，流體力學(xué)逐漸與其他學(xué)科交叉滲透。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，先后形成了物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)等新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科。在實(shí)際教學(xué)工作中，由于流體力學(xué)本身涵蓋了多個(gè)學(xué)科知識(shí)，通過(guò)學(xué)科之間相互交叉滲透，使學(xué)科融合、思政引領(lǐng)、知識(shí)傳授三者有效結(jié)合，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)過(guò)程存在的不足

2.1 學(xué)生對(duì)課程的重要性認(rèn)識(shí)不足，主觀能動(dòng)性差

傳統(tǒng)單一學(xué)科授課中，教師所教授的內(nèi)容以教材為基礎(chǔ)，對(duì)知識(shí)的處理與本專業(yè)相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系較少，缺乏創(chuàng)新性與拓展性，教學(xué)模式和考核形式相對(duì)單一，導(dǎo)致課程與專業(yè)學(xué)習(xí)短期內(nèi)看起來(lái)相關(guān)性不大。學(xué)生的學(xué)習(xí)抱有“應(yīng)試”心態(tài)，缺乏獨(dú)立思考，難以發(fā)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)與今后工作生活或科學(xué)研究的相關(guān)性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的主觀能動(dòng)性和解決問(wèn)題的自主性較差。

2.2 教師傳授知識(shí)方法單一

由于流體力學(xué)課程本身涉及專業(yè)名詞較多，且需要以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等課程為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)物理意義的理解和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，加之相關(guān)的現(xiàn)象、修正公式、修正系數(shù)等紛繁復(fù)雜，理解起來(lái)較為抽象。且教材中便于理解的直觀案例較少，所以學(xué)生較難對(duì)所學(xué)知識(shí)有深入的認(rèn)識(shí)和掌握。無(wú)法聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題[8-9]。

2.3 教學(xué)模式固化

當(dāng)前流體力學(xué)的教學(xué)多以講授的方式為主，但由于教學(xué)內(nèi)容的滯后性、教學(xué)平臺(tái)缺乏多樣化以及教學(xué)資源的局限性，導(dǎo)致教師的授課大多為“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生自主性不足。教師與學(xué)生的互動(dòng)是幫助學(xué)生深入理解知識(shí)的重要途徑之一，但由于知識(shí)的高階性與復(fù)雜性，傳統(tǒng)教學(xué)模式中的互動(dòng)方式，如簡(jiǎn)單的“問(wèn)答”、單一的課后作業(yè)形式，難以提供師生的有效溝通，易導(dǎo)致教師對(duì)課程安排、教學(xué)方案的誤判，使學(xué)生無(wú)法高效的掌握相關(guān)知識(shí)。

3 “交叉型”教學(xué)改革后的課堂內(nèi)容

“交叉型”教學(xué)是一種以核心課程為主，多學(xué)科交叉融合，實(shí)現(xiàn)“學(xué)科無(wú)界限”的教學(xué)模式。與傳授單一性知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，交叉型教學(xué)以主講課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，融入其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)到各學(xué)科之間的相互聯(lián)系、相互融合。

3.1 計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉

計(jì)算機(jī)科學(xué)在許多理論研究領(lǐng)域和實(shí)際的工程應(yīng)用中都扮演著十分重要的角色，同樣，在環(huán)境流體力學(xué)課程中也占有一席之地。在計(jì)算機(jī)學(xué)科中，能夠模擬環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的軟件主要有Fluent、Abaqus、Origin 等，它們?cè)诃h(huán)境專業(yè)領(lǐng)域廢水、廢氣等流體的模擬和處置方面都有著廣泛的應(yīng)用[10]。Fluent是一種研究空氣動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題的常用軟件，為了能夠讓學(xué)生初步了解計(jì)算機(jī)在環(huán)境流體力學(xué)中的應(yīng)用，可以在課堂上講述Fluent 這個(gè)典型軟件的一些基本操作步驟和具體的模擬案例。例如：模擬飛機(jī)的機(jī)翼在空氣中形成的流場(chǎng)、建立動(dòng)態(tài)分析的毒性氣體擴(kuò)散模型[11]、分析某空間中污染物的擴(kuò)散過(guò)程等。無(wú)論是在大氣還是在水等其他方向的研究中，都可以培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)的理論知識(shí)，讓學(xué)生了解環(huán)境流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的學(xué)科交叉融合，為學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題提供新思想和新方法[12]。

3.2 化工學(xué)科交叉

在環(huán)境流體力學(xué)中，空氣和水是最為常見(jiàn)的研究對(duì)象，相關(guān)分析與流體的性質(zhì)和流體之間的化學(xué)反應(yīng)息息相關(guān)，它們影響著流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳質(zhì)行為。為了讓學(xué)生了解化學(xué)在環(huán)境流體力學(xué)中的作用，以雷諾數(shù)為例進(jìn)行解釋：雷諾準(zhǔn)數(shù)是環(huán)境流體力學(xué)中表示流體黏性的相似準(zhǔn)數(shù)，與流體的黏性力、密度有關(guān)。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，流體物質(zhì)也不斷發(fā)生著改變，物質(zhì)的改變也會(huì)引起流體黏性力、密度的改變，層流可能會(huì)變?yōu)橥牧骷涌煳镔|(zhì)混合，進(jìn)而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)的加劇又促進(jìn)了湍流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致雷諾數(shù)的變化[13]。另外，化學(xué)試劑的濃度、反應(yīng)速率等也都影響著流體力學(xué)的計(jì)算。通過(guò)講解化學(xué)學(xué)科對(duì)環(huán)境流體力學(xué)方程式的影響，直觀地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)在流體相關(guān)計(jì)算中的重要作用，開(kāi)闊學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生多方位思考的能力。

3.3 機(jī)械設(shè)備學(xué)科交叉

廢氣、廢水處理過(guò)程中構(gòu)筑物及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與內(nèi)部流體的性質(zhì)和狀態(tài)等都有著較大的聯(lián)系。在氣、液兩相反應(yīng)中，反應(yīng)器的形狀對(duì)流體動(dòng)力學(xué)行為有著顯著的影響，直徑的大小影響氣、液接觸面積和氣、液之間的傳質(zhì)行為[14]，直徑越大反應(yīng)器內(nèi)流體越均一，流動(dòng)狀態(tài)就越穩(wěn)定。在攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，攪拌槳的形狀，攪拌槳離釜底的距離，攪拌速率[15]等都影響著流體的狀態(tài)；攪拌速率越慢，擴(kuò)散不均勻，而攪拌速率越快，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，也會(huì)加劇湍流的不穩(wěn)定性。在教學(xué)過(guò)程中，引入環(huán)境專業(yè)廢水、廢氣處理過(guò)程中構(gòu)筑物、反應(yīng)設(shè)備對(duì)內(nèi)部流體的影響，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)環(huán)境流體力學(xué)的理解，提高對(duì)環(huán)境專業(yè)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的思維模式。

3.4 思政學(xué)科交叉

多學(xué)科交叉融合的另一個(gè)重要體現(xiàn)還在于人文素養(yǎng)、堅(jiān)韌的品格、工匠精神、正確世界觀等思想政治素質(zhì)的培養(yǎng)。大學(xué)生的世界觀、人生觀、價(jià)值觀還沒(méi)有穩(wěn)定形成，高校思想政治教育工作至關(guān)重要。圍繞愛(ài)黨、愛(ài)國(guó)、愛(ài)人民這條主線，將環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)課程和思想政治教育充分結(jié)合，在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，幫助學(xué)生形成良好的價(jià)值觀。

3.4.1 工程案例融合

從介紹我國(guó)流體力學(xué)史上典型工程案例入手，如：都江堰、三峽大壩、南水北調(diào)等工程，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)國(guó)家的文化自信及對(duì)民族的自豪感。例如，三峽大壩是我國(guó)綜合規(guī)模和年發(fā)電量最大、防洪效益最顯著、建設(shè)難度最大的重大水利工程。三峽工程涉及環(huán)境水力學(xué)、土木與建筑學(xué)等多學(xué)科，在教學(xué)過(guò)程中可自由選擇并添加相關(guān)案例。比如，壩體和各種水利設(shè)施主要是運(yùn)用了水靜力學(xué)的知識(shí)，水輪機(jī)主要涉及到葉輪機(jī)械的理論，包括多相流，三元理論正反問(wèn)題，歐拉方程，伯努利方程等。在講解氣體問(wèn)題時(shí)，可以列出與土木建筑類專業(yè)有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題，如：風(fēng)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑的載荷作用和風(fēng)振問(wèn)題等。

通過(guò)這些工程實(shí)例的挖掘融入，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中提高對(duì)環(huán)境流體力學(xué)的認(rèn)識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，增強(qiáng)對(duì)我國(guó)重大基礎(chǔ)工程的使命感和認(rèn)同感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[16]。

3.4.2 海空軍事融合

結(jié)合實(shí)際軍事裝備應(yīng)用去講解環(huán)境流體力學(xué)中的理論知識(shí)，可以使學(xué)生更加有認(rèn)同感和獲得感。例如，遼寧號(hào)航母上殲-15 艦載機(jī)的成功研發(fā)為提高空軍裝備水平奠定了基礎(chǔ)，以其機(jī)翼減阻設(shè)計(jì)為例，對(duì)繞流物體的阻力和升力進(jìn)行解釋。以蛟龍潛航器下潛7 000 m 為例(課本例題)，講解靜液作用于平面壁面和曲面壁面的總壓。在講解畢托管時(shí)，以C919 大型飛機(jī)工程為例，在前端、機(jī)翼前部或座艙兩側(cè)都有一些向前突出的管道，這是用來(lái)測(cè)量飛機(jī)速度的空速管—畢托管。

從國(guó)家國(guó)防領(lǐng)域的重大成就實(shí)例引入，可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)[17-18]。

3.4.3 歷史人文融合

從歷史人物中發(fā)掘思政元素，介紹流體力學(xué)奠基人的經(jīng)歷，豐富學(xué)生的愛(ài)國(guó)精神，為學(xué)生樹(shù)立好的榜樣。以錢學(xué)森的事跡及對(duì)國(guó)家的貢獻(xiàn)為例：錢學(xué)森是中國(guó)著名的空氣動(dòng)力學(xué)家，兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者等。他早年留學(xué)美國(guó)，師從現(xiàn)代流體力學(xué)名家馮卡門。而在新中國(guó)成立后，他毅然放棄優(yōu)越條件，在經(jīng)歷被美國(guó)當(dāng)局非法扣押、拘留等不公平待遇后，歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦終于回到了祖國(guó)，為研制“兩彈一星”貢獻(xiàn)力量。此外，還可以介紹吳仲華、周培源等其他開(kāi)拓者和建設(shè)者的事跡，將其故事與環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)的知識(shí)相結(jié)合，揭示專業(yè)知識(shí)與國(guó)家命運(yùn)緊密相連的歷史規(guī)律，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀念，在潛移默化中讓學(xué)生接受思想的洗禮，達(dá)到潤(rùn)物無(wú)聲的教學(xué)效果。

3.4.4 理論與實(shí)踐融合

將環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)中的理論與現(xiàn)實(shí)生活中的現(xiàn)象相聯(lián)系，可以給學(xué)生一種親切感和現(xiàn)實(shí)感，更容易接受抽象的理論知識(shí)。比如坐高鐵時(shí)，需要站在黃線之外，否則，就有可能會(huì)被吸進(jìn)軌道而受傷。這是因?yàn)榱熊囋诟咚傩旭傔^(guò)程中會(huì)帶動(dòng)周圍空氣快速流動(dòng)，導(dǎo)致其靜壓下降，會(huì)造成人體兩側(cè)的靜壓差。此外，以乒乓球?yàn)槔?，講解旋轉(zhuǎn)如何產(chǎn)生。當(dāng)乒乓球被順時(shí)針摩擦?xí)r，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楸砻婺Σ良铀倭藲饬?，速度越大，壓?qiáng)越小，在兩邊形成了壓強(qiáng)差，使乒乓球原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化。通過(guò)列舉一些生活中的實(shí)例，讓學(xué)生更好地理解伯努利方程以及其他流體力學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，幫助學(xué)生更好的理解課堂知識(shí)。

此外，流體力學(xué)是一門需要緊密聯(lián)系實(shí)踐的課程。學(xué)生們?nèi)绻麅H僅機(jī)械地背知識(shí)做習(xí)題，很難做到融會(huì)貫通、靈活運(yùn)用。為改善這種狀況，可以引入眾多實(shí)踐環(huán)節(jié)：例如，讓全班學(xué)生嘗試做紙飛機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的飛機(jī)模型讓飛機(jī)飛得更遠(yuǎn)，從而讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程中真正理解繞流物體的阻力和升力等相關(guān)知識(shí)。另一方面，可以加強(qiáng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。以往的實(shí)驗(yàn)大多流于形式，很多學(xué)生甚至不清楚實(shí)驗(yàn)原理，只是照本宣科地做實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有思考和創(chuàng)新。為此，可以讓學(xué)生參與流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)總結(jié)等全部過(guò)程，充分發(fā)揮學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)納入實(shí)驗(yàn)考核中去，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全過(guò)程參與。

4 結(jié)語(yǔ)

學(xué)科之間的交叉融合是現(xiàn)階段高校教學(xué)的改革方向，也是適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間課堂教學(xué)都應(yīng)該朝著學(xué)科交叉的方向前進(jìn)。在環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中引入其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，更好的幫助學(xué)生理解知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將思政融入課堂教學(xué)中，可以增強(qiáng)學(xué)生的歷史認(rèn)同感和愛(ài)國(guó)情懷，形成正確的價(jià)值觀念。在課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)中，鼓勵(lì)動(dòng)手實(shí)踐，提高學(xué)生的操作能力和人創(chuàng)新能力，對(duì)于培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)扎實(shí)、思維活躍的創(chuàng)新型人才具有重要的意義。