面向“卓越計劃”的車輛工程專業工程流體力學課程改革與實踐

黃粉蓮 畢玉華 申立中 雷基林

（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室 云南·昆明 650500）

隨著“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）的實施和推進，加強學生工程能力和創新能力培養的教學環節顯得愈加重要。[1]“工程流體力學”課程是“卓越計劃”學科、車輛工程專業的必修專業基礎課，課程與大量的工程實際問題聯系密切，是銜接工程流體力學理論與工程應用的紐帶，在理工科教學體系中占有重要地位。工程流體力學是一門理論性較強的基礎性學科，課程用到的數學方法廣泛且繁難，既有理論深度又涉及大量工程實踐問題。[2]學生通過本課程的學習，能夠初步掌握流體的基本力學性質、工程流體力學的基本概念、基礎理論和分析計算方法及其工程應用知識等，具備對工程實際工程流體力學問題進行分析和求解的能力，為后續專業課程的學習及相關專業工作的開展奠定初步的工程流體力學理論基礎。

推動工程教育改革的基礎和核心在于學科體系中具體課程的改革。[3]車輛工程專業“工程流體力學”課程長期存在教學模式單調、理論教學抽象不易理解、與專業前沿方向及工程應用脫節等問題，導致課程的教學效果不夠理想。學生的理論基礎差異較大，部分學生的學習能力有所欠缺、學習方法不夠高效、學習態度不夠端正，探索更為積極有效的教學方式，給學生多元化、全過程、全方位的學習指導至關重要。面向“卓越工程師”培養核心，如何在新工科背景下構建與工程應用相銜接的經典理論課程體系、重新組織與優化教學內容、開發適用于車輛工程專業的流體力學立體化教學資料、創新教學模式、強化工程實踐、提高學生的工程能力與創新能力，成為“工程流體力學”課程改革的首要任務。

圍繞貫徹落實習近平總書記關于新時代教育改革及思想政治工作系列重要講話精神，堅持目標達成與過程管理相統一的原則，以“卓越工程師”培養為核心，以學生為中心，從轉變教學理念、重構課程內容、設計多元化授課模式、強化專業與工程實踐、開發立體化教學包等方面對工程流體力學課程教學進行立體化改革，激發學生學習興趣，改善課堂氛圍與教學效果、大幅提升學生的自主學習能力、創新能力和工程應用能力。基于信息化智慧教學平臺，實現全過程、全方位對學生的學習態度、學習習慣、學習方法進行引導和培育，努力使本門課程教學更有溫度、思想引領更有力度、立德樹人更有效度。采用“翻轉課堂”的教學組織方式，讓學生成為教學的主人，采用線上線下結合的方式引導學生對典型案例進行思考，以點帶面探索學生終身成長學習能力的培養模式。

1 流體力學課程的教學現狀

“工程流體力學”課程是車輛工程專業的一門重要專業基礎課，是研究流體平衡、運動及能量間內在聯系與相互轉換規律的一門學科。學生通過本門課程的學習，能夠系統地掌握流體的基本力學性質、流體靜力學、流體運動學、流體動力學以及相似原理與量綱分析的基本理論和規律，掌握連續性方程、粘性流體的運動微分方程、伯努利方程的理論推導、物理意義及工程應用，了解流體力學對工程實際問題的解決方法和思路。能夠綜合運用流體力學的基本原理、基礎理論和分析計算方法，具備從流體力學的角度對涉及流體流動的車輛部件構造、工作原理、工作過程進行識別、分析與求解的初步能力，為后續專業課程的學習及相關專業工作的開展奠定初步的流體力學理論基礎。流體力學知識體系邏輯性、系統性、理論性較強，專業術語比較抽象。目前，“工程流體力學”課程在教學內容、教學模式和考核方式等方面存在較多問題，主要表現在以下幾個方面。

第一，流體力學理論抽象，流體表現出來的性質與生活中積累的直觀經驗存在差異，教學過程難以調動類似的場景經歷。

第二，授課形式單調，對現代信息化教學工具的應用不足，缺乏創新思維的刻意訓練，以“教師為中心”單向灌輸，難以驅動學生自主學習。

第三，課程內容未能充分與專業前沿研究及工程應用建立關聯，學生抱著通過考試、順利畢業的心態，學習僅僅是暫時的知識編碼和理解存儲，不能適應新形勢下工程教育的發展。

2 構建以“卓越工程師”培養為核心的“互聯網+”教學體系

“工程流體力學”課程處在理工類課程體系的轉折點，對后續車輛工程專業多門專業課程的學習起著重要的橋梁和引導作用。針對工程應用需要，重新構建課程體系，優化和完善教學資源，開發適合教學使用的、有益于提高教學效果和提升專業培養質量的多樣性的教學環境和資源，集各種教學手段之所長，將聲音、圖像、動畫、視頻等信息輸入方式相結合，多角度、多方位、多層次配合教學過程，使教與學在時間和空間上都得到極大地延展。利用信息化智慧教學工具及愛課程中國大學MOOC平臺的相關服務，采用線上線下混合教學模式，廣泛應用在線開放課程優質資源，基于互聯網、虛擬現實等現代信息技術，探索虛擬實驗教學平臺建設，實現課堂教學與網絡平臺、理論教學與實驗教學的有機結合，構建包含多媒體課件、視頻教材、網絡資源、工程流體力學仿真模型等元素的移動教學資源庫和立體教材，以豐富的資料充實教學內容。立體化教學平臺建設是對教學資源、技術資源和教學實施過程的整合與優化，是提升專業內涵，提高教學質量的根本保障。在學生掌握流體力學的基本原理和計算方法后，引入大量車輛工程背景材料，習題、思考題、案例及場景教學應與車輛工程專業的汽車發動機原理、發動機設計、傳熱學、液壓與氣壓傳動、汽車理論、汽車設計等課程充分結合。

3 探索以“以學生為中心”的理論與實踐耦合人才培養實踐路徑

3.1 創新授課手段，促進學生專注學習

借助信息化智慧教學工具（如：雨課堂、速課堂等）管理課前、課堂、課后、階段性測試及期末復習等全周期教學過程，全方位改善教學問題。課前環節，通過預習課件、優質MOOC資源、語音PPT、課前任務單等完成難點、重點內容的預習，引導學生仔細研讀基本知識，挖掘、理解公式及定理的核心內涵。通過“雨課堂”等工具發布習題測試來反饋預習效果，摸清授課重點，讓學生認識自己的不足之處。課前階段對學生課前預習具有有效約束與促進作用，充分了解學生需求，針對性解決學生課堂學習能力不足問題。

課堂環節，按照教學進程組織教學活動，采用“雨課堂”全面跟進學生學習行為，記錄學習數據。PPT授課、MOOC視頻、專題討論、翻轉課堂等多種教學模式交叉融合，發揮各自的特色和優勢。通過設計系列測試題，實現課堂主體轉換，改變傳統課堂授課方式。理論講解與測試相結合，實時檢測學習效果，提高學生參與度，切實提高學生課堂注意力、抬頭率。根據學生學習特點和知識特點設計測試題型，針對性、循序漸進地給學生盡可能多的參與機會和訓練。采用多選題的形式提煉講解完成知識點的核心信息，多個選項相互提示，利于發現正確選項，錯誤與正確選項對比分析有利于培養思維嚴謹性，鞭策學生認真思考，引導幫助學生進行知識總結。主觀題的求解實現學生對知識的綜合性掌握，訓練解題嚴謹性。難度較大的主觀題采用小組作戰，提高解題效率，培養團隊合作能力，通過小組互評，學生換角度參與，加深對知識點的理解，激發自主學習興趣、責任心，提升教學成效。采用答題即時評價工具幫助學生鞏固難點、易錯點，引導學生進行知識總結，教學內容和考核實現針對性漸進，改善學生學習體驗、建立學習自信、逐步改善學習習慣。尊重學生學習特點、考慮學生需求，設計趣味互動活躍課堂氛圍，明顯提升教學效果。逐漸實現老師講的越來越少，學生參與度越來越高，循序漸進，多方式提升學生參與度。課后環節，通過“雨課堂”進行單元測試、習題實時評分，課后作業即時批改，答案解析隨時查詢，引導學生對知識點進行回顧總結、錯題分析、知識鞏固提升，實現教學過程化評價，查漏補缺。通過階段性測試，了解學生真實學習成效，針對性進行教學設計、教學改進，正向激勵，反向鞭策。注重學生高階學習能力培養，激發學生的學習積極性和學習內驅力，實現學生動起來，課堂活起來，教學相長。

課前、課中、課后系列測試題及討論課題的設計明確目標，難度循序漸進，與各階段能力相匹配，通過即時評分形成有效的反饋，促進學生在學習過程中獲得“心流”體驗，點燃學生的內在學習驅動，從而更加專注和投入課程學習。通過課堂學習、課后習題和階段性測試，實現對課程知識的編碼、鞏固和檢索，促進學生掌握輕松學習的心理學規律，打造自己的心智模型，找到高效的學習方法。刻意訓練學生“深度學習”和“終身學習”的思維模式，引導學生自覺抵制網絡和手機的誘惑，強化自主學習和終身學習的意識，提升學習專注力，獲得更高質量的人生體驗。

3.2 優化授課模式，提升學生的工程能力

“卓越工程師”培養的關鍵是培養實際動手能力強的實用型人才。改變“以教師為中心、課本為中心”的單向灌輸式教學模式，探索以產業發展實際問題、綜合復雜問題和未來前沿問題等為導向，以老師主導、學生自主探究學習和小組研究學習相結合的“以學生為中心”的多元化教學模式。變被動灌輸為主動探尋，體驗主動思考和探索帶來的求知樂趣。采用基于問題的學習（problem based learning，簡稱PBL）教學法，以發動機潤滑問題、缸內燃燒與傳熱等為例，學生為主體、教師為導向，把課程學習設置于工程實際問題情境中。通過讓學生合作解決實際問題，來學習隱含于問題背后的工程流體力學知識，通過采用AMESim軟件對發動機潤滑系統進行仿真，分析潤滑系統關鍵節點的流量與壓力分布、最小油膜厚度等。以雙燃料發動機反應活性控制壓燃（RCCI）技術為例，通過查閱文獻資料，了解RCCI燃燒產生的背景和當前存在的問題，通過簡化物理問題，借助商業軟件建立數學模型、設置邊界條件及相關參數、實施數值求解過程，詳細分析和討論計算結果等，使學生在具體的實踐過程中，建立發動機工質流動、燃燒特性、性能之間的科學關聯，訓練學生解決工程實際問題的系統思維，提高對工程流體力學知識的應用能力，實現理論教學與實踐教學的最佳結合。教學中將工程流體力學與車輛工程專業的課程設計、創新實踐、畢業設計、畢業實習等有機結合起來，形成系統化的實踐教學體系。聯系車輛工程專業的學科內容，設計與工程流體力學課程相關的學習和設計任務。積極探索并采用多樣化教學手段與啟發誘導的方法，讓學生真正提高學習的興趣與積極性，學會如何主動探索性學習，并將理論學習與實踐相結合，最終提高分析、解決問題的能力。

3.3 改革考核手段，打造學生終身學習的心智模型

為提升學生自主學習驅動力和強化學習效果，基于教學過程控制，對“工程流體力學”課程的考核方法進行全面改革，把自主學習能力的提高和創新實踐思維的訓練作為考核的重點，采取多元綜合考核方式，主要包括隨堂測驗、課堂討論、課后作業、項目實踐及成果分析、期末考試等環節。隨堂測驗主要針對基本概念、基本原理和基本計算方法的考核；課堂討論主要針對復雜公式、工程實際問題分析能力的考核，根據教學內容合理安排；根據理論學習內容設置車輛工程專業相關的科研項目實踐環節，學習相關工具及商用軟件，通過分析工程實際問題的物理過程，建立數學模型，并利用軟件工具進行仿真分析，根據學生軟件學習與運用、文獻閱讀與分析、模型建立與仿真分析、成果報告撰寫等情況綜合評分。期末考試擬采用開卷+閉卷相結合的方式：基本概念、原理和計算方法的考核采用閉卷方式；復雜公式和理論的應用、圖表分析和解決問題能力的考核采用開卷方式。加大過程化評價比例，平時成績占到最終成績的70%，有效防止平時不學、考前突擊的現象。改革考核手段，綜合考查學生對基本理論知識的內化和工程應用能力，通過階段性考核反饋學習效果，通過輸出促進學生輸入。整理課前、課中、課后、期末考試等教學過程全部試題，針對核心知識點，提煉各章節的測試習題和答案，基于信息化智慧教學工具組織成評測試卷，形成教學過程全周期試題庫。通過課前、課中、課后環節的考核，促進學生對知識進行編碼、鞏固和檢索，提升自主學習能動性和學習效果，掌握高效學習的技能和心理學規律，打造終身學習的心智模型。

4 結語

隨著“卓越工程師教育培養計劃”的廣泛實施和積極推進，昆明理工大學車輛工程專業“工程流體力學”課程教學以此為核心進行的改革與創新實踐符合教育規律和現代高等教育的教學原則，通過面向“卓越計劃”為核心，“以學生為中心”的多元化教學模式改革，線上線下混合教學模式與一定程度的課堂翻轉，使得“工程流體力學”課堂教學狀況煥然一新，課堂氣氛活躍，學生的參與度和抬頭率明顯提高，學生的主動學習能力、解決工程實際問題的能力都得到綜合提升，強化了深度學習、終身學習的思維模式。