以卓越工程師為目標的《工程流體力學》實踐教學模式研究

李艷，張開升，柳枝

摘要：將已開展的海洋機電設備開發項目所取得的成果應用于教學過程，將流體力學知識與實際工程項目有機結合。探討教學模式內容，科研成果轉化為教學案例的教學設計及保障條件，促進學生學習的熱情和科研教學團隊的融合發展。

關鍵詞：流體力學；科研案例；教學設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0157-02

工程流體力學課程是機械類各專業的一門重要的專業技術基礎課，該課程主要講述流體力學的基本原理及其在機械工程中的實際應用，是學生專業學習的基礎。學校機械設計制造及其自動化專業也在教學計劃改革中增加了這門課程，并在2011級學生的第五學期開設。由于該課程涉及高等數學、大學物理、工程力學等，基本概念多且抽象，對學生的綜合分析和處理問題的能力要求高，因此學生普遍感覺學習較為困難。為了使學生了解該課程在學科體系中的作用，掌握更多的流體力學知識和技能，如何將已開展的海洋機電設備開發項目所取得的成果應用于教學展開研究，將流體力學知識與實際科研有機結合，促進學生學習工程流體力學的熱情，激發學生的學習興趣和科研創新意識[1，2]，是本文研究的主要內容。

現在各個學校幾乎都采用了電子教案，提倡啟發式、討論式教學等，但這些方法和方式仍然沒有擺脫以教師為中心的課堂教學模式。西方院校已采用所謂“Problem-Oriented Teaching”的方法，課程學時中只有30%～40%或更少的時間由教師講解基本概念，其余時間則由學生自己圍繞幾個綜合性或設計性項目鉆研和解決問題，并在解決問題過程中學習和提高。這樣的教學顯然更利于學生生動活潑地學習，更利于學生盡快學會用基本方程和數學工具解決實際問題，滿足卓越工程師的培養目標，同時也對教師提出了更高的要求[3]。

綜合性或設計性案例的來源可由已經獲得的科研成果總結凝練。現階段工程學院機電系開展了海洋能利用的研究課題若干項。包括海洋機電裝備設計與制造技術及海洋流體動力學，主要研究海洋裝備設計及其與海水和其他流體之間的相互作用原理、水下裝備所涉及的流體動力學等問題。科研項目涉及潮流能水輪機水動力學特性研究、潮流能發電裝置研究、海洋環境中小型浮游生物在壁面邊界層質量傳遞機理研究、海洋溫差驅動的氨水解吸-再熱循環原理和海水換熱器強化傳熱研究、基于聲納和水下視覺的深海復雜環境下AUV組合導航系統關鍵技術、海上環境及船舶運動實時監測系統研制、水下錨系系統研究等，都涉及廣泛的工程流體動力學知識。這些項目的研究成果轉化為教學案例，可以激發學生學習的興趣，拓展教學實踐模式。這個項目實施過程將使教師和學生同時受益。首先增強教師立足本職，提升個人實踐能力的意識，將科研成果轉化為教學案例是對教學效果的有益補充；對學生而言，了解實際項目的需求，增強其探索與創新意識，有利于海洋特色人才的培養。

一、以海洋機電設備研發驅動的《工程流體力學》實踐教學教學模式內容

1.凝練科研項目中的代表性問題。將現有的科研課題及相關成果依據涉及的工程流體力學知識點進行有機的分類，制作相關教學案例。海洋機電設備研發科研成果轉化教學實例，例如：將水下機器人C-RangerⅡ原型樣機、2600kw拖輪拉錨計算機仿真試驗、海洋平臺模態分析的設計過程中涉及的流體運動學、流體動力學、波浪、潮汐運動等工程流體力學問題提取出來，作為課程各章節的案例。結合教學案例，進而凝練SRDP課題（Student Research Develop Program），提高學生的探索興趣。科研項目中涉及多種學科、多門課程，如何將科研成果中涉及工程流體力學的問題提煉出來引導學生探索，是實現該實踐教學的前提。

2.以案例為主導的實踐教學模式的研究。將這些成果案例帶入課堂，由學生自己圍繞幾個綜合性或設計性項目鉆研和解決問題，并在解決問題過程中學習和提高。這一實踐教學模式的組織，教師在這個過程中的引導是案例實踐教學的關鍵。

案例實踐教學的合理課堂和課外組織模式。以設備研發成果轉化的實踐案例為主導的教學模式需要有效的指導和組織。需要拓展實踐教學的方式方法，增強教師引導、協助和評價的能力，使學生投身于探索案例知識點和評價案例的過程中。以應用相關理論公式代替硬性記憶，學生應用技能通過使用CFD等模擬仿真軟件及參與模型試驗得以有效提高。

3.建立海洋機電設備創新人才所需流體力學知識儲備和工程流體力學教學科研互補的團隊。課程彌補了海洋機電設計制造專業學生的知識欠缺，構建合理的知識模塊和教學科研互相銜接的團隊，提升海洋機電人才培養的特色。在經典的流體實驗如伯努利實驗、雷諾實驗之外，展開海浪和潮汐實驗探索，利用海洋能獲能機構的模型，促進學生對波浪理論中波能量及其傳播進行理解。

二、改革方案設計和解決問題的方法

1.將海洋機電設備研發項目的成果合理轉化為教學實踐環節的案例。將現有的科研課題及相關成果依據涉及的工程流體力學知識點進行分類，制作相關教學案例。海洋特色的工程流體力學教學，在通用的工程流體力學教學體系中，增加水波理論[4]，介紹波浪運動的基本方程與邊界條件以及波浪的能力和波阻，拓寬學生的海洋流體知識。例如：新能源應用體系下海洋能發電，涉及了流體運動學、流體動力學、波浪、潮汐運動等工程流體力學問題。引導學生掌握海流的水力特性，探討適應該水力特性并具有雙向作用、排水與提水蓄能、緩慢的波浪運動轉換增速的裝置特點，結合流體力學與機械原理和設計的多重知識點，使課程間相互結合與貫穿。

2.科研成果轉化為教學實例的教學設計。在上課時，以目標驅動，圍繞設備研制流程，從流體力學分析入手，進行受力分析，這些計算是進行設備結構設計、水動力學設計、抗疲勞性能設計等的前提條件。融合流體力學教學大綱中的流體靜力學、流體運動學、流體動力學、水波理論、邊界層理論等知識體系。先提出研發案例存在的問題，接著是要解決問題需要哪方面的知識，引出工程流體力學的知識范圍及主要解決的問題所在，講完幾次相關課程后就將一臺設備水力計算部分的設計完成。

3.以引導課外鉆研探索實踐教學內容。簡單的課后練習題可以幫助學生理解基本概念，將機電設備研發案例布置成學期大作業的形式，訓練學生將實際工程問題簡化為數學物理模型，并選用恰當的數學工具加以求解的能力。在這一過程中可以增強學生對流動過程本質的理解，將數學工具與物理問題有機地結合起來。

三、實施科研案例教學課程改革保障條件

1.從事高等流體力學教學的教授、從事流體力學和海洋機電設備研究的專家構成的人員保障。承擔機械工程、動力工程碩士研究生的《高等工程流體力學》和機械設計制造及其自動化本科的《工程流體力學》課程的教師構成教學團隊。承擔了海洋機電設備研發的國家級及省市級科研項目，具有成熟的成果案例和教學實踐經驗。

2.流體力學實驗室、海洋工程實驗室等實驗條件的保障。實驗室具有海洋工程波浪模擬實驗和振動實驗設備。能夠在海洋結構波浪導致振動控制技術方面解決工程問題。實驗室利用物理模擬與數值模擬相結合的方式，可培養學生掌握工程流體力學理論分析、數值模擬和實驗模擬相結合的三大研究方法。

四、結論

凝練實際機電設備研發為教學案例，科研與教學的結合增加了課程教學的新穎性和實用性。流體力學及工程流體力學在海洋學科及工科中應用很廣，有利于交叉學科的發展。科研水平和團隊力量的提升使科研成果推陳出新。以研發驅動的教學實踐模式，能夠將科研與教學有機融合，彰顯學科知識魅力。把眾多專家老師在研究過程中產生的思路、方法、觀點和邏輯向學生傳遞，并通過教學互動接受學生信息反饋，使學生在課堂中汲取研究思想并結合自身理解進行拓展、解釋、創新、評價和改善，具有跨學科推廣的應用價值。

參考文獻：

[1]潘良明，何川，陳紅.流體力學立體教學法初探[J].中國電力教育，2008，（11）：73-74.

[2]李小川，黃癢永.工程流體力學教學改革模式的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2012，（19）：61-67.

[3]張鳴遠.對工科流體力學教學改革的一些思考[R].第四屆力學課程報告論壇，2009.

[4]宋秋紅，夏泰淳，等.工程流體力學（第二版）[M].上海交通出版社，2012.