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(dòng)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(biāo)點(diǎn)的支撐課程，需要承擔(dān)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(yàn)，進(jìn)行了基于工程教育的教學(xué)改革的探索，主要方案為選準(zhǔn)合適的教材，建立以案例教學(xué)為主的課堂教學(xué)模式，進(jìn)行研究性啟發(fā)教學(xué)，采用課程項(xiàng)目管理方式，構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺(tái)，完善評(píng)價(jià)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(jìn)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(rèn)證的申請(qǐng)和實(shí)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(hào)： TB126-4;G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dá)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(biāo)點(diǎn)，任課教師通過課程改革與實(shí)施，將畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的知識(shí)和能力的培養(yǎng)落實(shí)到日常的教學(xué)中[1-2]，因此針對(duì)工程教育的課程教學(xué)的改革勢(shì)在必行。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)是國家級(jí)特色專業(yè)、國家卓越工程師計(jì)劃試點(diǎn)專業(yè)、河南省專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)，擁有動(dòng)力工程及工程熱物理河南省一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科、動(dòng)力工程及工程熱物理一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)和動(dòng)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(zhǔn)備申請(qǐng)工程教育認(rèn)證工作。

流體力學(xué)作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的三大基礎(chǔ)課之一，具有相當(dāng)重要的地位，其課程教學(xué)效果的好壞對(duì)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(duì)本科生來說幾乎是全新的。這就對(duì)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(yùn)用知識(shí)解決實(shí)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。面對(duì)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(duì)流體力學(xué)課程的改革方案。

1 工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)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(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)畢業(yè)的要求，鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)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(biāo)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(jìn)，本人在通過對(duì)工程認(rèn)證理念的學(xué)習(xí)，認(rèn)為流體力學(xué)可以支撐的畢業(yè)要求及指標(biāo)點(diǎn)，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(duì)以上的目標(biāo)，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(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，量綱分析和相似原理，流動(dòng)阻力和水頭損失外，還有明渠流動(dòng)，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(dòng)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(dòng)力工程專業(yè)的培養(yǎng)要求，除了掌握流體靜力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)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(huì)管內(nèi)流動(dòng)和水力計(jì)算，液體出流，氣體的一維流動(dòng)，理想流體的有旋流動(dòng)和無旋流動(dòng);黏性流體繞流這些內(nèi)容。經(jīng)過調(diào)研，當(dāng)前關(guān)于能源與動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)工程實(shí)例的認(rèn)識(shí)量極大提高，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(shí)，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(kuò)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(dòng)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(jìn)電腦散熱難，噪音大的難題，參加創(chuàng)新競(jìng)賽。

如在講曲面邊界層分析現(xiàn)象時(shí)，我們可以引入汽車前進(jìn)過程的阻力這一案例。通過汽車前后的曲面特點(diǎn)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(diǎn)，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(fēng)面積以及采用流線型設(shè)計(jì)減小的方法。還可以通過引入粗糙的高爾夫球飛得遠(yuǎn)，是因?yàn)樵黾恿饲蝮w表面的紊動(dòng)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(shí)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(jìn)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(jìn)教學(xué)并注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性[5]，旨在通過教學(xué)與研究實(shí)踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)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(yàn)、培養(yǎng)能力和鍛煉思維。

教師可在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究思考。如在雷諾實(shí)驗(yàn)中，由于設(shè)備較簡(jiǎn)陋，學(xué)生初步測(cè)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(duì)這一問題，我引導(dǎo)學(xué)生分析問題，主要是從實(shí)驗(yàn)精度上入手，學(xué)生通過仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)流線在速度很小的情況下仍然抖動(dòng)厲害，大家分析這可能是由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本身的振動(dòng)導(dǎo)致的，需要降低平臺(tái)的振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。為了減少誤差，學(xué)生們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改造，如在潛水泵底部墊上海綿，減少水箱的振動(dòng);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(dòng);溢流口中讓水面高一些，防止空氣進(jìn)入溢流口，產(chǎn)生震動(dòng);將針頭盡量水平擺正;還提出有一些擬改進(jìn)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(dòng);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(jìn)入產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等。通過這些簡(jiǎn)單方法的改進(jìn)，最后的測(cè)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(xiàng)目的流體力學(xué)問題[6]，進(jìn)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(jìng)賽中，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維，啟發(fā)問題的創(chuàng)新性解決方案，從而達(dá)到研究性啟發(fā)教學(xué)的目的。

2.4 采用課程項(xiàng)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(xiàng)目化管理方式分組完成某個(gè)專題的任務(wù)。考核的過程是讓學(xué)生自由組成團(tuán)隊(duì)，以團(tuán)隊(duì)形式完成項(xiàng)目任務(wù)，最后進(jìn)行答辯。每位學(xué)生都被要求參與并展示自己對(duì)團(tuán)隊(duì)工作的貢獻(xiàn)，最后教師給整個(gè)團(tuán)隊(duì)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(cè)壓管，等角速旋轉(zhuǎn)容器中液體的相對(duì)平衡，離心泵，離心風(fēng)機(jī)，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(duì)這一問題，設(shè)置項(xiàng)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(xiàng)目討論后形成共識(shí)由項(xiàng)目組長發(fā)表意見，教師點(diǎn)評(píng)結(jié)果。通過項(xiàng)目管理方式，使學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，并形成團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)問題加深理解，以后再面對(duì)這樣的問題，不再是零散的記憶，而是系統(tǒng)調(diào)用項(xiàng)目展示的情景。

2.5 構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺(tái)

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(dòng)性，需要構(gòu)建方便快捷的網(wǎng)絡(luò)溝通平臺(tái)，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(tái)供學(xué)生預(yù)習(xí)，學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)收獲和疑點(diǎn)難點(diǎn)，以便帶著問題上課。在課堂中增加在線簽到，互動(dòng)練習(xí)，搶答等環(huán)節(jié)，增強(qiáng)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(diǎn)評(píng)，所有學(xué)生都可以看到其點(diǎn)評(píng)，增強(qiáng)了師生的互動(dòng)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(píng)價(jià)考核方式

流體力學(xué)以往的考核方式是考試占80%，平時(shí)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(shí)的表現(xiàn)，這種考核方式無法滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)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(píng)價(jià)學(xué)生的各環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)表現(xiàn)，本課程改革將平時(shí)考核比例提高到50%，包括課堂考勤（10分）、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)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(dú)立完成作業(yè)的情況，實(shí)驗(yàn)課程中的積極表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成質(zhì)量;課堂表現(xiàn)環(huán)節(jié)包括課堂老師隨機(jī)提問、學(xué)生主動(dòng)提問、項(xiàng)目管理方式的表現(xiàn)、課堂遵守紀(jì)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(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，布置任務(wù)讓學(xué)生完成，如查閱文獻(xiàn)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(tái)宣講，以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(jiǎn)單的純知識(shí)考察試題的比例，重點(diǎn)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(dòng)力工程專業(yè)的三大專業(yè)基礎(chǔ)課之一，面對(duì)工程教育的背景下，它是畢業(yè)要求中的重要的指標(biāo)點(diǎn)的支撐課程，需要承擔(dān)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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹麗華，張艾萍，曹諾，馬玉秋.基于工程能力培養(yǎng)的能源與動(dòng)力工程專業(yè)教育教學(xué)改革的研究[J].才智，2019（06）：37.

[2]齊旭東，李志會(huì).工程流體力學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)與教學(xué)方法銜接技巧探析[J].中國電力教育，2013（34）：130-131+133.

[3]張成良，王超，劉磊.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下流體力學(xué)課程教學(xué)改革探討[J].西部素質(zhì)教育，2018，4（04）：187-188.

[4]吳學(xué)紅，尹亞領(lǐng)，趙敏，龔毅，呂彥力.案例教學(xué)模式在能源動(dòng)力工程專業(yè)課程綜合改革中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（09）：64-66.

[5]程傳曉，張玉，張軍，吳學(xué)紅，鄭季歷.“儲(chǔ)能原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實(shí)踐[J].科技視界，2016（26）：32+24.

[6]李棟.工程流體力學(xué)課程教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2017（10）：60-62.