＊伍勇 魏文韞 譚帥

（四川大學(xué)化工學(xué)院 四川 610065）

1.引言

所謂創(chuàng)新型人才，是具備優(yōu)良的道德品質(zhì)、強烈的創(chuàng)新意識與創(chuàng)造能力，能通過創(chuàng)新實踐取得創(chuàng)新成果的優(yōu)秀人才[1]。創(chuàng)新型人才是國家建設(shè)和社會發(fā)展的生力軍，是推動民族進步的源泉。我國正處于實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時期，在國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、中國制造2025、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，以學(xué)生為中心著力培養(yǎng)創(chuàng)新能力已經(jīng)成為當(dāng)代高等教育的首要任務(wù)，服務(wù)于國家“堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢”的需求[2-5]。與美國、英國、日本等典型創(chuàng)新型國家相比，我國在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面尚有差距[6]?！吨袊逃F(xiàn)代化2035》將一流的人才培養(yǎng)與創(chuàng)新能力作為衡量教育現(xiàn)代化水平的重要標準，提出要通過系列改革促進學(xué)生主動把學(xué)習(xí)、觀察、實踐同思考緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力[7]。為適應(yīng)新形勢下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)特點，課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)由單純的傳授知識向引導(dǎo)靈活運用知識轉(zhuǎn)變，學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)由被動接受向主動探究轉(zhuǎn)變[8]。四川大學(xué)以“雙創(chuàng)”為引導(dǎo)，積極探索教育教學(xué)改革，將制度措施落地到課程體系建設(shè)、課堂教學(xué)、實習(xí)實踐、國際化教育等各環(huán)節(jié)之中[9]，打破了通識教育、素質(zhì)教育和專業(yè)教育之間的壁壘，創(chuàng)建了良好的創(chuàng)新教育大平臺。通過在專業(yè)培養(yǎng)計劃中納入人文素質(zhì)課程、跨專業(yè)課程以及創(chuàng)新學(xué)分，實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新教育的全覆蓋。

過程裝備與控制工程專業(yè)具有機械工程、化學(xué)工程、動力工程和控制工程等學(xué)科交叉的特點，專業(yè)內(nèi)容涉及到現(xiàn)代過程裝備的設(shè)計、開發(fā)以及應(yīng)用等諸多環(huán)節(jié)，支撐化工、制造、能源、環(huán)保等基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展[10]。而作為機械類專業(yè)，過程裝備與控制工程的創(chuàng)新人才培養(yǎng)對推動“中國制造2025”的進程也將發(fā)揮核心作用[11]。四川大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)源自于1952年組建的化工設(shè)備與機械專業(yè)，該專業(yè)秉承“立足基礎(chǔ)，面向工業(yè)，服務(wù)社會”的辦學(xué)理念，依托學(xué)?；?、動力、機械等學(xué)科群優(yōu)勢，服務(wù)于國家重大戰(zhàn)略需求與過程工業(yè)，培養(yǎng)人文素養(yǎng)高、創(chuàng)新能力強的高級人才?！豆こ塘黧w力學(xué)》是本校過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，銜接自然基礎(chǔ)科學(xué)與專業(yè)應(yīng)用知識，對學(xué)生工程知識體系的構(gòu)建及專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要作用。本文以該課程教學(xué)為例，探討如何利用課堂講授、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽等教學(xué)環(huán)節(jié)，貫穿理論與實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.改革教學(xué)內(nèi)容與方式培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

《工程流體力學(xué)》課程講授流體流動與受力的關(guān)系，分析在裝備中以流動為手段實現(xiàn)“三傳一反”的過程。主要教學(xué)內(nèi)容包括“流體的力學(xué)性質(zhì)”“流體流動的基本概念” “流體靜力學(xué)”“流體流動的守恒原理”“不可壓縮流體的一維層流流動”“流體流動微分方程”等板塊。課程教學(xué)目標是使學(xué)生：掌握流體的力學(xué)特性、流體運動學(xué)及動力學(xué)的基本概念，并能運用于分析解釋工程實際流體中的基本物理現(xiàn)象；掌握流體流動的守恒原理及基本方程，并能正確應(yīng)用于過程設(shè)備系統(tǒng)的物料衡算、能量衡算及受力分析計算；掌握運用守恒原理建立流體流動微分方程的基本方法與步驟，并能針對簡單流動問題進行數(shù)學(xué)建模與分析，從中獲取有效結(jié)論；掌握過程設(shè)備系統(tǒng)中典型流動過程的行為特征，具備對工程實際流動問題進行抽象簡化、數(shù)學(xué)建模及綜合分析的經(jīng)驗知識；建立“設(shè)備結(jié)構(gòu)影響流動行為進而有不同傳熱傳質(zhì)行為”的思維觀點，初步具備從流體動力學(xué)角度對過程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與創(chuàng)新進行綜合分析與評判的能力。《工程流體力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容與各教學(xué)目標的主要對應(yīng)關(guān)系，如 表1所示。圍繞課程目標，所有知識點按照“基本概念+理論與方法+實際應(yīng)用”的線索展開[15]，對于基本概念按現(xiàn)象、機理、數(shù)學(xué)描述、應(yīng)用及引申的遞進方式進行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維方法。對于重要方程（如守恒積分方程、N-S方程等）注重通過例題等方式闡明其物理意義及應(yīng)用要點，增強學(xué)生對現(xiàn)有知識工具的應(yīng)用能力。通過典型流動問題案例分析，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識分析解決工程復(fù)雜問題的能力。課程教學(xué)從現(xiàn)象認知切入并回歸到工程應(yīng)用，層層遞進培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的習(xí)慣和嚴謹科學(xué)的態(tài)度。

表1 《工程流體力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標對應(yīng)關(guān)系

(1)通過“概念+理論+應(yīng)用”培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力

《工程流體力學(xué)》在教學(xué)內(nèi)容組織上采用漸進方式，對各知識點首先通過自然現(xiàn)象引入基本概念，然后基于力學(xué)思想認識該現(xiàn)象的物理實質(zhì)，進而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型解析其規(guī)律，最后展示該知識點在過程裝備設(shè)計運行中的應(yīng)用。例如，對應(yīng)流體黏度的教學(xué)，首先從水、食用油和糖漿等生活中常見液體流動的難易程度引入黏性的概念。再基于流體分子內(nèi)聚力與熱運動分析闡明黏性的實質(zhì)是流體內(nèi)部的摩擦力，是分子水平的動量交換，其作用是抵抗剪切力產(chǎn)生的變形。類比胡克定律，流體單位面積的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）與變形速率（速度梯度）成正比即為描述黏性的數(shù)學(xué)規(guī)律—牛頓剪切定律。進一步說明牛頓剪切定律的適用條件，及如何通過公式變換求解流體的黏度、剪切力以及流動壓差等參數(shù)。最后應(yīng)用牛頓剪切定律分析一個滑動軸承的運轉(zhuǎn)，基于轉(zhuǎn)速和潤滑油黏度計算轉(zhuǎn)軸受到的剪切力，說明流體黏性在過程裝備中的應(yīng)用。在完成黏度知識點的系統(tǒng)教學(xué)后，讓后學(xué)生從流體黏性的實質(zhì)出發(fā)思考為什么液體黏度隨溫度升高而降低，進而理解為什么滑動軸承在工作過程中需要冷卻。教學(xué)內(nèi)容通過流體力學(xué)基本原理在過程裝備中的典型應(yīng)用讓學(xué)生建立基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，并培養(yǎng)學(xué)生基于問題導(dǎo)向的分析能力。

(2)通過“應(yīng)用邊界+問題演化”培養(yǎng)學(xué)生靈活思維的能力

與理論流體力學(xué)相比，《工程流體力學(xué)》具有更加強烈的工程應(yīng)用背景和特色。面對復(fù)雜的工程問題，往往需要將對象抽象簡化為可求解模型，抓住問題的主要矛盾獲得有效結(jié)論。這就需要讓學(xué)生明白求解過程的近似和簡化是有條件的，且求解結(jié)果的合理性是有邊界的。例如，在分析滑動軸承環(huán)形間隙間潤滑油的摩擦力矩時，將環(huán)形間隙展開簡化為水平狹縫可以在直角坐標系中簡便地得到答案。但同時也明確指出這種模型簡化不可避免地會引入誤差，并定量分析簡化計算導(dǎo)致的誤差大小與幾何尺寸的關(guān)系，從而根據(jù)工程計算精度合理確定簡化模型的適用邊界。類似的邊界思想可以推廣至工程流體力學(xué)課程其它簡化模型的選擇與應(yīng)用，使學(xué)生建立約束求解的意識。在應(yīng)用動量守恒定律進行管道流動受力分析時，選取一段任意夾角的等徑彎管為研究對象，然后基于管徑與彎管夾角的改變演化出直管、減縮（擴）管及彎頭等過程管道的受力結(jié)果。在不可壓縮流體一維層流流動分析中，基于相同的微分方程對應(yīng)固-液邊界條件、液-液邊界條件以及氣-液邊界條件演化出剪切流、壓差流和重力流的求解，從而通過問題擴展演化培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用知識的思維。

(3)通過“課堂知識延伸”培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力

工程問題往往需要綜合多學(xué)科知識來分析解決，根據(jù)過程裝備與控制工程專業(yè)的知識構(gòu)架，《工程流體力學(xué)》授課內(nèi)容中設(shè)計了與相關(guān)課程結(jié)合的延伸分析。例如，在講授非牛頓流體時，分析剪切增稠流體的切應(yīng)力隨變形速率增大的特點后延伸介紹其在智能減速帶和防摔手機殼上的應(yīng)用。講授流體能量守恒定律的工程應(yīng)用時，以離心泵為研究對象建立伯努利方程分析泵吸入口的壓力變化，從而引出汽蝕現(xiàn)象及其成因。在充分認識汽蝕的對離心泵的危害后，以課后思考題的形式讓學(xué)生綜合各門課程知識提出抗汽蝕失效的措施。有學(xué)生基于流體力學(xué)知識提出增大泵的進口截面減小入口速度，從而增加入口壓力避免汽蝕。有學(xué)生基于工程材料知識提出選用高硬度的韌性材料來制作葉輪，增加葉輪耐磨損和腐蝕的能力抵抗汽蝕。有學(xué)生基于自動控制技術(shù)提出在入口壓力與葉輪轉(zhuǎn)速之間建立反饋控制，通過運行參數(shù)調(diào)控避免汽蝕。通過類似的教學(xué)內(nèi)容，用具體工程問題引導(dǎo)學(xué)生建立各課程間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力。

3.將理論應(yīng)用于實踐環(huán)節(jié)培育學(xué)生創(chuàng)新能力

實踐教學(xué)是培養(yǎng)工科學(xué)生的一個重要環(huán)節(jié)，靈活運用所學(xué)知識解決實際問題是發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵因素。 《工程流體力學(xué)》課堂教學(xué)的特點是以觀察到的自然現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)基本原理與定律，而在實踐應(yīng)用中則需要反向從表觀現(xiàn)象追溯到基本原理。這需要學(xué)生建立抽象思維的能力，將過程裝備相關(guān)的復(fù)雜工程問題簡化為已知模型進而對其求解，該能力的培養(yǎng)可以通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽等諸多實踐性環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。

(1)在畢業(yè)設(shè)計中靈活應(yīng)用流體力學(xué)知識開展局部創(chuàng)新

畢業(yè)設(shè)計是過程裝備與控制工程專業(yè)的必修實踐環(huán)節(jié)，旨在訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識解決工程實際問題的能力。畢業(yè)設(shè)計的目標和條件通常是相對確定的，在涉及流體流動的題目中可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識對過程裝備的局部結(jié)構(gòu)和細節(jié)進行改進創(chuàng)新。例如“煙氣余熱回收熱管換熱器”畢業(yè)設(shè)計題目，設(shè)計任務(wù)是用熱管換熱將高溫?zé)煔獾臒崃炕厥沼糜谔嵘仩t入口燃氣的溫度從而實現(xiàn)節(jié)能的目標。該題目可基于流動形態(tài)和邊界層分析，對熱管換熱器進行傳熱強化設(shè)計。對于熱管外壁的傳熱，學(xué)生通過分析發(fā)現(xiàn)煙氣側(cè)的對流換熱是制約熱管換熱能力的瓶頸。通過梳理對流換熱系數(shù)的影響因素，確定了流形與邊界層厚度兩個強化管外傳熱的關(guān)鍵對象。學(xué)生在查閱文獻后確定采用不規(guī)則開縫翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計，在增加熱管外管壁傳熱面積的同時，增強氣流繞動并阻礙邊界層的連續(xù)發(fā)展，從而提高對流換熱系數(shù)。盡管這只是一種局部改進，但有效訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。

在有些畢業(yè)設(shè)計題目中，過程裝備的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計沒有模型化的理論公式可參考。對于涉及到流體流動的裝備，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD軟件將流場“可視化”來分析判斷設(shè)計的合理性。例如，在“氣流干燥塔”畢業(yè)設(shè)計題目，設(shè)計任務(wù)是在干燥塔內(nèi)用熱空氣干燥碳酸銨顆粒物料。學(xué)生基于質(zhì)量和熱量衡算完成干燥塔的工藝參數(shù)設(shè)計后，需要確定諸如氣體分布器等內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。此時借助Fluent軟件進行模擬計算，可對比分析不同氣體分布器結(jié)構(gòu)對應(yīng)的干燥塔內(nèi)部速度場和溫度場分布云圖。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的開孔面積條件下，均布孔氣體分布器的對應(yīng)的塔內(nèi)速度場不規(guī)則分布。在對照流場云圖信息將氣體分布器調(diào)整為非均布孔結(jié)構(gòu)后，流場均勻性顯著提升從而有助于改善干燥效果。學(xué)生借助流體力學(xué)軟件可深化對流體流動問題的認知，在豐富設(shè)計手段的同時有助于提升創(chuàng)新能力。

(2)在學(xué)科競賽中運用流體力學(xué)知識綜合設(shè)計創(chuàng)新作品

過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生可參加各類學(xué)科競賽獲得創(chuàng)新學(xué)分，并在實踐中發(fā)展自身的創(chuàng)新能力。學(xué)科競賽通常是相對開放的主題，學(xué)生可以自主選擇對象和題目完成競賽作品。在涉及流體流動的參賽作品中，學(xué)生可以充分借助流體力學(xué)知識開展創(chuàng)新設(shè)計。例如，在參加過程裝備創(chuàng)新實踐大賽時選擇以“相變控溫散熱片設(shè)計”為題，通過液相工質(zhì)在粗糙銅質(zhì)表面的汽化相變吸收芯片產(chǎn)生的熱量以保障計算機穩(wěn)定運行。設(shè)計中基于熱量平衡確定液相工質(zhì)的流量后，通過流道截面漸變的液體分布結(jié)構(gòu)可滿足工質(zhì)在散熱片上均勻分布的要求。而對于汽化后的氣相工質(zhì)則基于質(zhì)量守恒定律確定其體積流量，并合理增大氣相流道截面減小流動阻力，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的相變散熱操作。對于散熱片則通過調(diào)節(jié)液相工質(zhì)與材料表面的接觸角保持潤濕效應(yīng)，提出了工質(zhì)自適應(yīng)分布的高效相變散熱新模式。該作品基于流體流動的基本知識開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了芯片散熱的創(chuàng)新實踐。

4.結(jié)語

過程裝備與控制工程專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程，需要教育教學(xué)各個環(huán)節(jié)的配合與協(xié)同?！豆こ塘黧w力學(xué)》作為一門專業(yè)核心課起到了承接自然科學(xué)基礎(chǔ)與專業(yè)知識的作用，將流體力學(xué)理論方法與過程裝備設(shè)計運行問題緊密結(jié)合，通過合理的教學(xué)設(shè)計使創(chuàng)新教育在學(xué)生課內(nèi)外學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生持續(xù)效應(yīng)。該課程貫穿理論與實踐教學(xué)使學(xué)生建立“理論為根本，應(yīng)用為導(dǎo)向”的思維，牢固掌握流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與工程知識，初步獲得基于流體流動進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的能力，是培養(yǎng)過程裝備與控制工程創(chuàng)新人才的重要保障。