基于工程教育認證的流體力學課程的教學改革

張雪齡　金聽祥　張琦　王燕令 程傳曉　吳學紅

【摘 要】在工程教育的大背景下，流體力學作為能源與動力工程專業的三大專業基礎課之一，它是畢業要求中的重要的指標點的支撐課程，需要承擔起工程教育改革排頭兵的作用。本人經過四年的教學經驗，進行了基于工程教育的教學改革的探索，主要方案為選準合適的教材，建立以案例教學為主的課堂教學模式，進行研究性啟發教學，采用課程項目管理方式，構建方便快捷的網絡溝通平臺，完善評價考核方式等。這些改革方案是以學生為中心，以持續改進為目的，可以更好地提高工程教育的教學質量，契合工程教育認證的申請和實施。

【關鍵詞】流體力學;工程教育;案例教學;研究性啟發教學

中圖分類號： TB126-4;G712 文獻標識碼： A 文章編號： 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

工程教育關注學生達到了什么，課程教學過程是“如何有效地幫助學生取得這些學習效果”。這種基于結果為導向的課程體系的設置，使得每一門課程都要支撐具體的畢業要求指標點，任課教師通過課程改革與實施，將畢業要求指標點的知識和能力的培養落實到日常的教學中[1-2]，因此針對工程教育的課程教學的改革勢在必行。

鄭州輕工業大學能源與動力工程專業是國家級特色專業、國家卓越工程師計劃試點專業、河南省專業綜合改革試點專業，擁有動力工程及工程熱物理河南省一級重點學科、動力工程及工程熱物理一級學科碩士學位授權點和動力工程碩士專業學位授權領域。今年已經開始全力準備申請工程教育認證工作。

流體力學作為能源與動力工程專業的三大基礎課之一，具有相當重要的地位，其課程教學效果的好壞對學生的影響至關重要。而流體力學涉及的概念和原理對本科生來說幾乎是全新的。這就對流體力學的教學提出了新的挑戰，課程教中不僅要讓學生全面掌握流體力學的相關理論和研究方法，更要培養學生運用知識解決實際工程問題的能力，幫助其建立流體力學基礎理論體系，為今后的工作和學習打下堅實基礎[3]。面對工程教育的迫切需求，作為一名流體力學教師急需思考應對流體力學課程的改革方案。

1 工程教育專業認證對流體力學課程的要求

為了滿足最新的工程教育專業認證通用標準對畢業的要求，鄭州輕工業大學能源與動力工程專業在2017版培養方案中初步列出了專業目標和課程和畢業要求的矩陣表。初步的方案仍有很多不足需要改進，本人在通過對工程認證理念的學習，認為流體力學可以支撐的畢業要求及指標點，如表1所示。

2 工程教育理念的流體力學課程教學改革的手段

針對以上的目標，基于工程教育理念的流體力學課程教學可以從以下方面進行改革。

2.1 選定合適的流體力學教材

本專業一直采用了中國建筑工業出版社的劉鶴年主編的《流體力學》。經過教學發現，本教材中除了靜力學，運動學和動力學，量綱分析和相似原理，流動阻力和水頭損失外，還有明渠流動，堰流，滲流，這三章是不納入到教學大綱的，說明本書是不適應能源與動力工程專業的使用的需要的，急需更換教材。根據能源與動力工程專業的培養要求，除了掌握流體靜力學，運動學動力學，量綱分析相似原理等基本內容外，還應該學會管內流動和水力計算，液體出流，氣體的一維流動，理想流體的有旋流動和無旋流動;黏性流體繞流這些內容。經過調研，當前關于能源與動力工程類專業適用的流體力學的教材主要有10本，通過對比分析，發現孔瓏的教材難度適中，內容適宜，與工程實際結合的非常緊密，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》第四版。本學期使用本書后，學生對工程實例的認識量極大提高，對問題的分析理解更加深刻到位，和本專業的結合更加密切，符合工程教育的要求。

2.2 案例教學為主的課堂教學模式

現有高校工程流體力學課程教學模式主要還是以“課堂理論教學”的教學模式為主，輔以實驗課，課后布置習題鞏固課堂教學內容。在這樣的教學模式中，采用案例教學[4]，可以顯著提高教學效果，尤其是在上課開始階段，引入案例，讓學生理解學習的目的和意義所在，激發學生的興趣，進而思考如何解決問題，有助于學生養成良好的工科思維方式，提高學生解決實際工程問題的能力。

例如，在講第二章第七節流體的表面性質時，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——熱管技術，蒸發端的氣態可以擴散到冷凝端，但冷凝端的液相如何快速回到蒸發段呢？從而引出了毛管力這一現象，再講產生毛管力的原因，繼而引出界面張力這一概念。這一案例教學，既契合了能源與動力工程專業的工程應用，又引發了學生的興趣，極大提高了學習效果。此外，還可以讓學生自己制作熱管，改進電腦散熱難，噪音大的難題，參加創新競賽。

如在講曲面邊界層分析現象時，我們可以引入汽車前進過程的阻力這一案例。通過汽車前后的曲面特點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象，并總結邊界層分離的原因，特點，從而引出壓差阻力，并分析減小壓差阻力的方法，如可以減小迎風面積以及采用流線型設計減小的方法。還可以通過引入粗糙的高爾夫球飛得遠，是因為增加了球體表面的紊動能，也減小壓差阻力。用這些常見的案例，使學生更加喜愛課程。

工程案例需要教研組成員齊心協力，收集日常生活中或工程實際中的流體力學案例，形成工程流體力學工程案例數據庫，便于教師在課堂講授過程中調用。

2.3 進行研究性啟發教學

研究性啟發教學是將科學研究的思路引進教學并注重發揮學生的主觀能動性[5]，旨在通過教學與研究實踐的結合，引導學生創造性地運用知識自主地發現問題、研究問題和解決問題，在研究中積累經驗、培養能力和鍛煉思維。

教師可在實驗中引導學生進行研究思考。如在雷諾實驗中，由于設備較簡陋，學生初步測試的下臨界雷諾數從結果從500多3000多，范圍變化大。面對這一問題，我引導學生分析問題，主要是從實驗精度上入手，學生通過仔細觀察，發現流線在速度很小的情況下仍然抖動厲害，大家分析這可能是由于實驗平臺本身的振動導致的，需要降低平臺的振動對實驗的干擾。為了減少誤差，學生們進行了實驗改造，如在潛水泵底部墊上海綿，減少水箱的振動;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;溢流口中讓水面高一些，防止空氣進入溢流口，產生震動;將針頭盡量水平擺正;還提出有一些擬改進的方案，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;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入產生振動和噪聲等。通過這些簡單方法的改進，最后的測量結果逐漸接近理論值2300，學生的成就感大增。

此外，教師在教學過程中可以穿插自己的科研項目的流體力學問題[6]，進行研究性啟發教學。教師也可以多參與到學生的“挑戰杯”，“節能減排大賽”，“制冷空調大賽”等創新創業競賽中，帶領學生進行創新思維，啟發問題的創新性解決方案，從而達到研究性啟發教學的目的。

2.4 采用課程項目管理方式

課下的鞏固除了常規的布置紙質作業外，還可以采取項目化管理方式分組完成某個專題的任務。考核的過程是讓學生自由組成團隊，以團隊形式完成項目任務，最后進行答辯。每位學生都被要求參與并展示自己對團隊工作的貢獻，最后教師給整個團隊打分。如流體力學中的真空現象在教材中出現過多次，它在流體靜力學中的真空度，測壓管，等角速旋轉容器中液體的相對平衡，離心泵，離心風機，管嘴出流，虹吸管，邊界層分離的尾流區等很多地方都出現了，可以針對這一問題，設置項目組，分析真空現象和原因，真空的利與弊，與真空有關的設備或過程，分析如何利用真空現象。通過項目討論后形成共識由項目組長發表意見，教師點評結果。通過項目管理方式，使學生學會自主學習，并形成團隊合作，對問題加深理解，以后再面對這樣的問題，不再是零散的記憶，而是系統調用項目展示的情景。

2.5 構建方便快捷的網絡溝通平臺

課堂教學過程和學生的溝通有限，為了增加與學生的互動性，需要構建方便快捷的網絡溝通平臺，譬如采用學習通軟件。課前教師將相關的學習視頻（可以是現有的網絡教學視頻資源，也可以由教師親自錄制微課）和其他資料（包括課件、學術論文、碩博論文、典型案例、考研真題等）發在網絡平臺供學生預習，學生總結學習收獲和疑點難點，以便帶著問題上課。在課堂中增加在線簽到，互動練習，搶答等環節，增強學習效果。也可以在課后完成相關的作業題，學生有問題可以直接留言，老師點評，所有學生都可以看到其點評，增強了師生的互動性，也提高了學生的參與度，使學生在課下和課上都能夠真正參與到課程學習中。

2.6 完善評價考核方式

流體力學以往的考核方式是考試占80%，平時成績占20%，包括出勤和作業，這種考核方式偏重期末考試成績，不重視學生的平時的表現，這種考核方式無法滿足工程教育專業認證對畢業要求的條件。為了激發學生在課堂上的參與度，全面考察學生的綜合素質能力并客觀評價學生的各環節學習表現，本課程改革將平時考核比例提高到50%，包括課堂考勤（10分）、作業及實驗表現（15分）、課堂表現（10分）和完成任務環節（15分）。其中，作業指獨立完成作業的情況，實驗課程中的積極表現以及實驗報告的完成質量;課堂表現環節包括課堂老師隨機提問、學生主動提問、項目管理方式的表現、課堂遵守紀律的表現情況;完成任務環節指教師根據課程重點、難點內容，布置任務讓學生完成，如查閱文獻資料，綜述流體力學在制冷與空調領域的應用等專題，并安排學生制作PPT到講臺宣講，以及網絡平臺的資料下載、作業完成情況和搶答等任務完成情況。在“期末考核”環節，降低試卷中簡單的純知識考察試題的比例，重點考核學生的綜合素質和能力。

3 結語

流體力學作為能源與動力工程專業的三大專業基礎課之一，面對工程教育的背景下，它是畢業要求中的重要的指標點的支撐課程，需要承擔起工程教育改革排頭兵的作用，需要教師在教學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質量。

【參考文獻】

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

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

[3]張成良，王超，劉磊.工程教育專業認證背景下流體力學課程教學改革探討[J].西部素質教育，2018，4（04）：187-188.

[4]吳學紅，尹亞領，趙敏，龔毅，呂彥力.案例教學模式在能源動力工程專業課程綜合改革中的應用與實踐[J].中國現代教育裝備，2015（09）：64-66.

[5]程傳曉，張玉，張軍，吳學紅，鄭季歷.“儲能原理及應用”課程教學改革創新與實踐[J].科技視界，2016（26）：32+24.

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