安全工程特色流體力學課程的案例教學改革與實踐

康建宏

摘 要：流體力學是安全工程學科的一門研究生必修專業基礎課程。針對當前流體力學課堂教學與研究生課題研究之間存在的“兩張皮”矛盾現狀以及學生本科背景的差異化特點，提出了建立具有安全工程專業特色的流體力學教學案例庫，并開展了研討式案例教學。教學實踐表明，將流體力學知識要點融入安全學科領域的工程案例和科研案例，不僅能夠吸引學生的學習興趣，而且提高了研究生的科研能力，對于礦業工程等相近專業和其他類似課程也有一定的推廣和借鑒意義。

關鍵詞：案例教學；安全工程；流體力學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0138-03

Abstract： Fluid mechanics is a compulsory course for graduate students in the major of safety engineering. In light of the inconsistency between classroom teaching and scientific research and the diversity in graduates' education background， the case building of fluid mechanics course with safety engineering characteristics is proposed， and case teaching is carried out. The teaching practice indicates that incorporating the knowledge of fluid mechanics into engineering and science cases can not only inspire the learning interests of graduate students， but also improve their research ability.

Keywords： case teaching； safety engineering； fluid mechanics

引言

流體力學是安全工程專業研究生必修的一門重要專業基礎課程，是銜接基礎課程和專業課程的橋梁和紐帶，設置課程的目的在于培養研究生的理論分析能力，要求研究生能夠運用流體力學的基本原理和基本規律解決專業研究過程中遇到的復雜流動問題，為從事安全工程專業的理論研究和安全技術研發奠定基礎。流體力學課程具有內容繁多，概念抽象，理論復雜，難于掌握等特點，如何選取恰當的教學內容、使用合適的教學方法讓學生在有限的學時內掌握流體力學的一般原理和方法，這是當前教學中的一個難題。

國內許多高校的教學工作者探索了工程技術類專業流體力學的課程改革和教學方法。申潔等提出了工程流體力學課程混合教學模式和教學方法，包括任務驅動教學模式、案例解析教學模式、引導講授教學模式、自學自測教學模式等[1]。吳迪等提出以工程實例為導向的課程教學模式改革，引導學生結合工程背景深刻理解所學知識點[2]。馬進偉等在環境與能源應用工程專業流體力學課程教學過程中采取案例教學，并提出“提問-啟發-引導式學習”教學方法[3]。閆小康等將有關化工學科的科研案例、工程案例融入到教學內容中去，提出了建設具有專業特色的案例教學資源庫，探討了案例教學的實施過程[4]。馮軍發等以“問題-調研-分享-研討”案例式教學法組織設計為突破口，構建了突出礦業工程特色的流體力學課程體系[5]。重慶大學在重慶市研究生重點課程教改項目“高等流體力學”的資助下，對教學內容、教學方法等進行改革，力圖使流體力學教學內容反映學科的特色[6]。

然而，目前應用型流體力學課程體系主要是針對航空航天、水利、化工以及機械等傳統工程學科而設計的，很少涉及安全工程領域的流體力學問題，在內容設置和教學方法上與安全工程專業研究生的培養目標不匹配，因此有必要圍繞安全工程學科特色、服務學科發展的原則進行課程改革研究。中國礦業大學安全工程學科是教育部“雙一流”建設學科，近兩年研究生培養質量和數量穩步上升，每年流體力學研究生選課人數100人左右。筆者基于多年的流體力學教學經驗及承擔的相關安全類研究課題，對現有流體力學課程教學進行改革，構建具有安全工程特色的應用型流體力學案例資源庫，并開展案例教學實踐，使研究生課程教學與課題研究互相促進，對于提高課程的教學效果具有一定的示范意義。

一、安全工程專業流體力學教學現狀

安全工程專業研究生流體力學課程開設已久，但教學效果并不理想，主要表現在兩方面：

1. 傳統教學內容與研究生的課題研究之間普遍存在“兩張皮”現象，矛盾突出。現有流體力學教材以航空航天、水利及機械等工程為背景，在內容編排上具有完善的理論體系，如吳望一編著的《流體力學（上、下冊）》（北京大學出版社）、周光 等編著的《流體力學（上、下冊）》（高等教育出版社）廣為各大高校教學使用，主要包括流體基本概念、流動基本方程、渦流運動、理想流體、粘性流體以及湍流流動等。這些內容雖然具有一定的普適性，但不具有鮮明的工科專業特色，特別是與安全工程密切相關的多組份氣體流動、多孔介質流動、多相流動、非牛頓流體、傳熱傳質以及化學反應流動很少講授，使得有的同學認為流體力學和安全工程專業沒有關系，選課的主要目的是取得學分；有的同學則對于流體力學如何應用到礦井通風、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災防控等課題研究中感到困惑，缺乏學習的興趣，而等日后科學研究中真正遇到流體力學問題時才恍然大悟，又回頭翻課本自學，極大地降低了其科研效率及應用能力。

2. 傳統教學方法以課堂講授為主，教學內容側重于流體力學一般理論的介紹，以張量、場論、復變函數、數值方法等數學知識為基礎，計算推導過程復雜晦澀，導致教師難于教學。另一方面，安全工程專業研究生的本科背景差異性較大，對流體力學的學習基礎和接受能力不同。以中國礦業大學安全工程學院為例，每年招收的研究生來自化工、力建、資源、電力以及管理等不同專業背景，有力學基礎知識的學生學習流體力學知識相對較容易；對于管理等本科背景的學生，理論功底不扎實，力學基礎相對薄弱，而流體力學理論抽象深奧，在學習過程中易產生畏難、厭學心理，導致課堂互動性不夠，學生學習積極性不高。

二、案例教學法在安全工程研究生流體力學教學中的應用

研究生教學與本科教學有很大的區別，首先研究生流體力學課程一般學時較短、集中授課，以中國礦業大學安全工程學院為例，流體力學授課對象是一年級研究生，一共32學時，分8次課授完，如此高強度的授課，學生注意力容易分散，削弱教學效果。因此，采取恰當的教學方法、選取合理的教學內容是流體力學教學需要解決的問題。其次，本科生的培養理念為“寬口徑、厚基礎”，而研究生的培養則傾向于“強實踐、重創新”，所以研究生流體力學教學不能片面追求理論體系的完整性，應該更加注重理論聯系實際，解決安全工程領域的現實問題。

案例教學是以安全工程中的科研和工程問題為背景，將流體力學教學知識點融入工程案例，通過教師和研究生對案例的共同分析和討論，逐步引出問題中所包含的流體力學知識。這一教學方法，不僅可以吸引學生的學習興趣，還能培養學生的科研和創新能力[7]。

（一）安全工程特色的案例教學資源庫建設

案例庫建設是案例教學的前提，案例庫建設既要與流體力學課程教學方案相互配合，又要凸顯與安全工程密切聯系的知識點。案例設計需要涉及流體力學在安全工程領域的幾大應用，主要包括：多元混合氣體流動，氣液固多相流動，多孔介質流動，非牛頓流體，傳熱傳質與流動，化學反應與流動，氣固耦合流動、相變流動以及計算流體力學等模塊和知識要點。由于學時限制，案例教學時這些知識點不必面面俱到，可以選擇其中幾個重點講授。

特色案例均來自安全工程領域常見的工程問題和科研課題，涵蓋礦山安全領域的煤層瓦斯抽采與滲流、井下采空區瓦斯涌出、礦井綜掘工作面除塵、礦井通風機性能測定與優化、煤層及采空區注漿以及液氮防滅火等主要方向，也包括消防工程領域的建筑煙氣流動、管道排水和火災蔓延等相關內容。這些案例既要反映流體力學的基本知識點，具有真實性和代表性，也要考慮一年級研究生的接受能力和學習興趣。同時，每個案例要具有一定的完整性和獨立性，包含題目，摘要，案例背景，教學目的，案例分析，問題討論，參考文獻等部分，便于礦業工程等相近專業推廣應用以及學生課后研討。

根據多年的教學經驗，筆者將案例庫資源建設分成五個階段：1. 調研國內外相關書籍、文獻、煤礦企業并結合自身的研究課題，搜集工程實踐和科研課題中關于通風、除塵、滅火、瓦斯抽采等方面的流體力學問題；2. 將搜集得到的案例素材按照流體力學知識點進行歸類，并劃分模塊；3. 對案例素材模塊進行整合、精簡，按照案例的格式規范編輯案例初稿，形成案例庫；4. 選取適當的案例添加到相應的教學章節，開展案例教學；5. 通過問卷調查的形式，反饋案例教學效果，以此為依據再次完善教學案例。

（二）案例教學實踐

鑒于案例教學法的優點，筆者在流體力學教學過程中連續三年采用了案例教學，授課對象是中國礦業大學安全工程專業2015級、2016級和2017級一年級工程碩士。以2017級為例，選課人數108人，32學時，每周2次課，每次4學時，案例教學分為以下三個階段：

1. 案例導入。圍繞某一流體力學知識點，教師從案例庫中選取教學案例，簡要介紹案例的工程背景和科研價值，引導學生凝練核心的流體力學問題，提出解決方法。以“綜掘工作面粉塵運移的氣固兩相流模擬”的教學案例為例，教學目的是使學生了解氣固兩相流體力學理論，掌握多相流動建模的一般過程和方法，培養學生運用流體力學知識解決礦井粉塵防治中的工程問題。課堂導入以我國煤礦綜掘工作面粉塵產量大且危害嚴重為切入點，循循善誘地引導學生從流體力學角度考慮這一問題，例如：如何優化通風布局改善工作面惡劣的工況環境？→工作面通風流場分布情況？→工作面沿程粉塵運移沉降規律？→風筒位置和配風量對粉塵的影響？在案例教學的前一周，教師根據教學要求和授課難點，對案例中的理論知識（離散相模型、組份運輸模型、連續相湍流模型）進行簡單的講解，給出相關參考文獻，并分組布置任務。

2. 學生調研與課堂討論。學生在課下根據案例任務獨立自主地查閱文獻資料，分析問題的重點和難點，給出解決方案，并制作多媒體課件。學生匯報內容主要圍繞粉塵和瓦斯在巷道和工作面運移規律的建模與數值模擬展開，設計幾何模型、網格劃分、粉塵和瓦斯流場邊界條件設置，多相流模型選擇，流場特性分析以及后處理等方面。學生匯報結束后，教師與其他同學一起對匯報內容提出和討論，比如各種多相流模型的適用條件是什么，移動邊界條件、工作面粉塵源怎么處理等。條件允許的情況下，教師可以播放教學視頻，結合煤礦現場事故進行分析和延伸，加深學習興趣和教學效果。

3. 案例總結。案例教學結束后，教師根據學生的匯報情況和課堂討論情況，要求學生寫作案例學習心得，反饋案例教學存在的問題，教師及時更新完善案例庫。

（三）教學效果檢驗

為了掌握案例教學改革的效果及其存在的問題，制作了“研究生課程認同度調查問卷”，在案例教學前、案例教學后分別發放調查問卷并回收統計。案例教學前學生普遍認為概念、定理、公式、經驗參數和理論模型抽象和深奧，無法將所學流體力學知識應用于導師布置的科研課題。案例教學后，40%學生認為案例教學將流體力學理論與工程實踐相結合，對于學生創新能力的提升有很大的作用，16%的學生認為流體力學內容深入淺出，解決了課程深奧、枯燥難懂的缺點，還有39%的同學認為學習興趣得到了提升。但在問題調查中，仍然有31%學生認為相關理論知識過難，這說明具有不同專業背景的學生對于流體力學的學習能力存在差異。此外，由于教學條件的限制，58%的學生認為數值計算的軟件學習課時少（如圖1所示）。這些調查結果為持續改進案例庫資源提供了重要參考依據。

三、案例教學的實踐意義與價值

1. 我國研究生培養數量不斷增加，但培養質量與國際先進水平相比還有較大差距，課堂教學在研究生培養過程中的作用較弱。安全工程專業流體力學課程開設已久，使用教材種類繁多，但內容千篇一律，傳統的“課前學生預習-課堂教師講授-課后教師評閱”的3段串行教學模式，很難激發研究生的興趣，更難適應國家“雙一流”學科建設、創新型人才培養的需要。探索符合不同專業學位特點的教學內容和教學方法對與當前研究生教育改革具有重要實踐意義[8]。

2. 以實際應用需求為導向，將安全工程學科領域的工程案例、科研案例融入流體力學教學內容中，能夠有效破解當前課堂教學與研究生課題研究之間的“兩張皮”現象，使研究生課堂教學與課題研究、人才培養互相促進。案例教學資源庫涉及流體力學在安全工程領域中的幾大應用，包括多元混合氣體流動，氣液固多相流動，多孔介質流動，非牛頓流體，傳熱傳質與流動，化學反應與流動，氣固耦合流動以及計算流體力學等知識要點，這些內容是對傳統研究生流體力學教學內容的擴充，也可供礦業工程、動力工程等專業研究生教學參考，有較強的推廣價值。

3. 研討式案例教學以學生為主體，教師精心設計教學環節，引導學生自主探索專業技術知識，學生變“被動接受”為“主動探索”，強化了課程教學對研究生的科學方法訓練和學術素養培養的作用。同時這種教學方法尊重研究生的主體地位，讓研究生參與教學設計、教學改革和教學評價，可以有針對性地持續完善和改進案例庫。

四、結束語

案例教學在美國和歐洲國家的教學過程中已普遍運用，但在國內高校開展的相對較少。教育部《關于深化研究生教育改革的意見》中明確指出要進一步提高研究生教育質量，加強案例教學，探索不同形式的實踐教學[8]。在安全工程特色流體力學課例教學實踐過程中，筆者有三點心得：

1. 案例資源庫要隨著專業的發展、社會經濟的進步、教學評價等及時更新和擴充，才能彰顯安全工程學科特色，滿足創新型人才培養目標。

2. 在課堂上再現真實的安全工程案例、科學研究案例，不僅能夠吸引學生的學習興趣，而且鍛煉了學生的知識應用能力，可以達到事半功倍的教學效果。

3. 流體力學是一門專業基礎課，課程涵蓋內容豐富，在不同的專業領域應用廣泛，面向安全工程領域的案例教學資源庫亦可供其他相關專業和相關院校教學使用，案例教學實踐對同行教師也有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]申潔，陳小榆，肖東，等.混合教學模式在工程流體力學課程教學中的探索與實踐[J].西部素質教育，2018（7）：160-161.

[2]吳迪，宋維源，孫可明.以工程實例為導向的流體力學教學模式改革初探[J].科教導刊，2017（15）：93-94.

[3]馬進偉，胡寧，王晏平.建筑環境與能源應用工程專業流體力學教學方式的探索與思考[J].江西建材，2017（17）：267.

[4]閆小康，王利軍.化工高等流體力學案例教學研究[J].廣州化工，2017，45（21）：195-197.

[5]馮軍發，李海軍，金志遠，等.突顯礦業工程特色的流體力學課程案例式教學改革與實踐[J].高教學刊，2018（13）：136-138.

[6]劉方.研究生高等流體力學課程教學改革[J].教育教學論壇，2014（10）：192-194.

[7]案例教學法在應用文寫作教學中的應用[J].昆明冶金高等專科學校學報，2007，23（6）：76-79.

[8]王戰軍.加強研究生教育科學研究促進研究生教育改革與發展[J].學位與研究生教育，2014（8）：1-5.