新工科背景下流體力學與農業航空植保創新實驗建設探討

楊嵩　朱先勇　王輝　朱航　于萍

[摘 要]新工科建設背景下，基于學科交叉融合的實驗教學改革和建設正在進行。本文以工科基礎課程流體力學為切入點，針對流體力學實驗教學的弊端，結合農業航空植保工程實際需求，探討面向學科交叉融合、創新實驗建設的可行性及融合方法。對創新實驗教學思路、教學方法、建設內容進行了詳細的探討。結合創新實驗的特點，提出了TTBL實驗教學方法、“審核+考核”準入制度及復合式成績評定法，并對上述方法與創新實驗之間的關系進行了研究。

[關鍵詞]流體力學;學科交叉;實驗教學;復合式成績評定法

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-5843（2020）04-0106-06

[DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2020.04.020

新一輪科技革命、產業變革和新經濟的發展都對高等教育尤其是高等工程教育的發展提出了新的挑戰[1]。新工科建設正是對這一挑戰的積極回應[2]。高等教育的發展水平是一個國家綜合國力和發展潛力的重要標志。新工科背景下，高等工程教育應與產業發展緊密聯系、相互支撐[3]。多學科交叉、融合成為工程創新人才培養的著力點和重大工程科技創新的突破點[4]。

農業作為初級生產的第一產業，是人類最大和最重要的經濟活動。農業現代化是傳統農業向現代農業轉化的過程和手段，亦是中國現代化的重要組成部分。農業病蟲害、農藥不合理施用作為影響農產品有效供給及農產品安全的重要制約因素，其防控手段的現代化是農業現代化的重要組成部分[5][6]。農業航空植保作為一種高效作業技術，是實現化肥和農藥使用量零增長，防控突發性農業災害，保障中國糧食安全與生態安全，提高農業作業質量和生產效率的重要方法，亦是戰略性新興產業的培育方向[7]。農業航空植保于1911年由德國人提出，1949年美國開始研制農業植保專用噴灑飛機。歷經百年發展，農業航空植保技術及產業取得了長足的進步，美、日兩國作為其中的佼佼者，美國是航空噴霧應用技術和標準最成熟的國家，日本是農用無人機噴藥第一大國。農業航空植保是現代農業的重要組成部分，也是反映農業現代化水平的重要標志[8]。

農業航空植保技術涉及到飛行器設計、飛機噴灑設備設計、飛機噴施設備技術測定、航空噴霧設備噴頭性能測試、噴霧飄移風洞實驗室測定等多方面的技術和規范[9]。縱觀以上所述的關鍵技術及規范可知，無論是飛行器設計還是噴灑裝置的設計及測定都與流體力學知識密切相關。流體力學作為基礎科學，以流體（包含氣體、液體、等離子體）流動現象及相關力學行為為研究對象。流體力學在推動科技發展方面發揮了廣泛且巨大的作用。其應用范圍及交叉學科涵蓋物理學、化學、航空工程、機械工程、醫學等諸多學科和領域[10][11]。流體力學教學包含理論教學和實驗教學兩個環節，實驗教學作為鞏固理論知識、關聯工程實踐的中間環節，是培養學生實踐、創新能力和綜合素質的重要環節[12][13]。在高等學校工程教育“新工科”的建設背景下，選擇流體力學與農業航空植保作為推進流體力學實驗教學“工程化”改革探索的試驗田，是傳統流體力學應對新機遇和挑戰的一次嘗試，更是實現流體力學這一專業基礎類課程建設從“老工科”到“新工科”轉變的一次探索。

一、流體力學實驗教學現狀及問題

流體力學是機械工程、土木工程、能源與動力工程等工科專業的一門專業基礎課，其基礎理論和概念較為抽象，流動現象復雜且不易表述[14]。流體力學實驗是對抽象復雜理論知識及流動現象的驗證與演示，是學生理解復雜理論知識的重要途徑，亦是學生實現知識與能力、理論與實踐相結合的重要紐帶[15]。依據筆者的實驗教學經驗，現階段流體力學實驗教學環節的現狀和存在的問題主要表現在如下幾個方面。

一是實驗教學內容陳舊、更新緩慢。傳統教學項目以驗證性實驗項目為主（如伯努利方程驗證），實驗內容單一且枯燥，不利于激發學生的學習興趣，抑制創新能力培養。

二是實驗教學方法單一，師生互動性不強。流體力學實驗教學多采用示范教學法，教師通過大量的講解，將實驗原理、實驗步驟等教學信息通過灌輸式教學傳授給學生，教學過程中，教師居于絕對主體位置，學生被動接受知識，整個教學過程師生互動性不強。

三是實驗教學整合度不足。流體力學各實驗項目多單獨運行，各實驗項目之間關聯性弱，缺少綜合性、創新性的實驗項目，造成了本應相互關聯的理論知識的實驗割裂，易導致學生理解和認知出現偏差。

四是實驗項目“工程化”程度弱。流體力學的實驗項目多圍繞基本原理的驗證、基本物理參數的測定進行展開，而實驗教學與工程實踐應用脫節，學生對如何將基本原理用于工程問題的解決感到茫然，經常有學生提出“這個實驗能干什么？”的疑惑。

五是實驗考核方式單一。流體力學實驗成績主要依據實驗報告質量進行評定，忽略實驗操作、實驗預習、實驗總結和實驗思考等表現，存在部分學生旁觀實驗、共享實驗數據等現象。

六是實驗開放性不足。流體力學實驗屬于基礎類科學技術實驗，實驗內容抽象、枯燥、工程延展性及關聯性弱，加之實驗設備陳舊，無法有效激發學生的實驗興趣。

新形勢下，流體力學實驗教學改革和建設應圍繞“工程教育”這一核心原點進行展開，以“新工科建設”為坐標軸，針對問題和不足展開討論和探索。國內高校針對流體力學相關實驗教學的新工科建設進行了廣泛的探索，研究內容以現有流體力學基本實驗的組合和拓展為主;研究方向涵蓋教學方法建設、實驗項目建設、虛擬實驗建設、實驗裝置建設、實驗運行模式建設等。隨著高等學校創新人才培養的持續推進，以問題為核心的探究性實驗教學方法逐漸成為主流。創新實驗作為一種以問題為基礎的研究性實驗教學模式，正成為一種培養學生創新精神、研究主動性和實踐能力的重要途徑[16][17]。

二、創新實驗教學思路及方法

創新實驗是聯通專業基礎理論、科學探索和工程實踐研究的橋梁環節，應同時具備“理論”“實踐”和“探索”的屬性[18][19]。學科交叉作為創新性人才培養和創新性產出的重要渠道，其為“新工科”背景下創新教學的開展提供了廣闊平臺和豐富內容[20]。農業航空植保所面臨的工程需求與流體力學關聯度較高。流體力學作為基礎類科學，其研究的對象為基本流動現象;農業航空植保所面臨的工程需求是基本流動現象的復雜化和綜合化再現。兩者之間是源與流的關系。

（一）創新實驗教學思路

創新實驗作為面向“新工科”教學改革的新型實驗，著重解決現有實驗教學環節所存在的不足。擬采用的基本教學思路為：以專業培養方案為準則，以學科交叉為依托，通過梳理課程知識點，開展成果導向式教學，培養學生的綜合研究能力和嚴謹的科學素養[21][22]。

在機械工程專業培養方案和培養目標的框架下，結合學科發展前言，搭建以流體力學和農業航空植保學科交叉為依托的創新實驗平臺。創新平臺通過對流體力學和農業航空植保基本知識進行理論維度、工程維度的雙向拓展，為實驗教學內容的更新、整合及工程化提供了廣闊空間;通過一系列設計型、探究型、開放型綜合創新實驗的開展，將流體力學理論知識點與農業航空植保工程應用進行有機整合，并以工程成果的形式進行實現。通過實驗的訓練，激發學生學習興趣和探索精神，培養嚴謹求實的科學精神，啟發學生創新思維，為人才培養質量的提升和流體力學及農業航空植保領域的雙創新提供堅實的基礎。

（二）創新實驗教學方法

教學方法是教學思路實現的方法論。創新實驗擬采用改進型TBL教學方法——TTBL（Team Task Based Learning）方法，即基于小組的任務驅動型實驗教學方法[23]。TTBL教學方法的基本特征是，學生作為教學主體，以任務小組為基本單位，采用任務驅動模式，是一種將教師啟發教授與學生創新實踐相結合，教學目標明確的教學方法，其基本教學流程（如圖1所示）。

教學團隊依據培養方案，在綜合考慮流體力學知識要點、農業航空植保工程應用實際、學生基本能力等因素的條件下規劃實驗項目;學生依據自己的興趣、專業優勢組建任務小組并選擇合適的實驗項目作為研究對象;實驗小組在教師的指導下完成資料查詢、問題解析、任務分工、方案制訂等工作。實驗小組以預約形式開展研究，研究過程中實驗小組可依據實驗運行情況對實驗方案進行調整，教師在實驗過程中對實驗小組進行輔助性指導。學生以小組為單位向教師提交實驗成果并進行實驗匯報;教師針對實驗小組的成果及表現對實驗進行考評，小組內進行互評。實驗過程中，學生和教師通過建立理論學習、問題分析、動手實踐、探究創新的學習鏈條，實現理論教學和實驗教學的交叉螺旋上升，達到理論知識鞏固、工程能力提升、科學精神和團隊協作精神的培養的目標。

TTBL教學方法在“開放性”“創新性”“探究性”上滿足創新實驗教學的需要，其優勢及內在邏輯主要表現為：（1）開放性。開放是創新實驗的基礎，TTBL教學方法在實驗項目選擇、任務小組組建、方案制訂、實驗預約等方面充分體現開放性，學生作為實驗的主體，可依據實際情況自由選擇;（2）創新性。TTBL教學方法的開放性為創新性的培養提供了平臺，學生在教師的指導下，針對問題進行發散性思維，通過組內“頭腦風暴”等形式對問題進行剖析，形成具有創新性的實驗方案和研究方法;（3）探究性。TTBL教學方法的開放和創新屬性為探究性研究提供可能，面向工程應用的任務驅動模式教學，通過工程應用將理論知識具體化。實驗過程中，學生在由實驗成果、興趣及探索精神所組成的正反饋閉環激勵下，不斷完成相關領域的探索。

三、創新實驗教學當前的建設重點

創新實驗教學建設是創新實驗教學思想和方法的具體化。筆者擬在實驗教學項目建設、實驗教學模式建設、實驗準入及考評體系建設、師資隊伍建設4個方面進行探討。

（一）實驗教學項目建設

實驗教學項目是實驗教學建設的核心，是實驗教學開展的載體。創新實驗教學項目的建設應堅持內核精練、外延寬泛的基本原則。為適應TTBL實驗教學方法，提出一種以STEP為內核，以開放性、可行性和發展性為外延的建設理念。內核與外延是靈魂與肉體的關系，實驗項目是內核和外延的統一體。

STEP是科學性（Science）、技術性（Technology）、工程性（Engineering）和流程性（Process）的簡稱，將STEP作為實驗項目的內核，其與創新實驗的匹配主要表現為：（1）科學性。實驗教學項目應包含學科領域的理論知識，實驗的開展應有益于學生對理論知識的理解、鞏固和拓展。（2）技術性。實驗教學項目應包含學科領域常用的分析方法，實驗的開展應有益于學生對實驗方法、先進設計方法、先進分析方法、儀器設備等的掌握和熟練;（3）工程性。實驗教學項目應具備足夠的工程屬性，實驗的開展應有益于學生理論與實踐結合、工程應用能力的鍛煉和拓展;（4）流程性。實驗教學項目應具備流程訓練內容，實驗的開展應有益于學生掌握工程開發流程，在流程訓練中培養學生創新能力和綜合素質養成。

實驗項目的外延主要表現在實驗的操作層面。實驗項目應具備開放性和挑戰性，有益于激發學生的探索欲望和創新潛能;符合教學發展和運行的基本規律，適合學生的知識結構和實踐能力水平，保證可行性;實驗項目內容具備更新、改進、完善、提升的空間，形成難易層次分布合理，具備足夠的發展、探索空間，兼顧發展性。依據上述實驗教學項目建設理念，針對現有教學環節在教學內容更新緩慢、實驗項目整合不足、“工程化”程度不強及實驗教學開放性不足等問題進行強化及修正。綜合考慮流體力學實驗教學目標、農業航空植保研究現狀、本校教學實際和專業優勢，擬在如下3方向開展實驗教學項目建設：無人機航空噴灑設備管路優化設計;無人機航空噴灑噴頭結構優化設計;航空噴灑流量精確標定及控制技術。

上述創新實驗教學項目研究方向均以農業航空植保領域的前沿技術及工程應用熱點為依托，作為涵蓋了流體力學基本理論（如伯努利方程、動量方程、流動阻力、流量控制理論及方法等）、工程分析方法（如聯合優化算法、3D建模及快速原型制造、有限元分析法等）及工程項目開發流程的統一體，充分體現了STEP內核理念。外延性主要表現為在教學實際中，教師依據任務組的實際情況，對研究方向進行具體化操作，通過量化相關實驗目標的方式，確定具體實驗項目，保障實驗的可行性及發展性。

（二）實驗教學模式建設

實驗教學模式是教學方法的實踐形式。為更好地適應TTBL教學方法，改進現有教學環節在教學方法單一和開放性不足的問題，創新實驗教學擬采取學生為主體、小組運行、項目引導、師生共建、成果驅動的導向式漸進教學模式。學生和指導教師作為教學活動參與者，其位置相對傳統實驗教學發生了根本性轉變，實驗教學方式由“填鴨式”向“覓食式”轉變。

學生所組成的任務小組是實驗運行的基本單元。學生作為實驗的主體參與到項目設計、方案制訂、研究開展、匯報展示、總結考評環節。實驗教學項目為“覓食式”教學的順利開展提供了良好的載體，任務小組為復雜型創新實驗項目的開展提供了有力的組織保障，實驗成果作為“食物”驅動學生在實驗研究的過程中不斷探索創新。教師作為實驗的指導及裁判，是實驗的靈魂規劃者。教師在實驗運行過程中堅持引導為主的基本原則，通過激勵、引導等方式為學生答疑解惑、提供決策支持，把握實驗運行方向，保障實驗安全順利運行。實驗教學模式能充分調動學生的主觀能動性，將信息檢索、問題分析、團隊協作、創新探索等訓練有機的整合到實驗過程中，為培育學生的探索精神和創新能力的培養提供保障。

（三）實驗準入及考評體系建設

實驗準入及考評體系是實驗運行的制度保障。為更好適應TTBL實驗教學方法，改進現有教學環節存在的不足，創新實驗擬采用“申請+考核”的準入制度及面向實驗運行全流程的綜合考評方法。通過學生在線申請及教師綜合審核形成“申請+考核”準入制度，可有效保證實驗生源的質量。與傳統課內實驗準入制度相比較，“申請制”保證了學生完全出于自愿及興趣而參與實驗，“審核制”增加了教師對學生知識體系、基本能力的評估，通過師生間的“雙向選擇”，確保了實驗參與人員的基本條件，滿足實驗開展要求。面向實驗運行全流程的綜合考評方法采用復合式成績評定法，即教師講評確定小組成績，組內互評確定成員成績，兩項成績經加權算法計算后成為學生的最終成績。小組成績由方案成績、運行成績、成果成績、匯報成績、創新成績5部分組成;互評成績由分工成績、出勤成績、貢獻成績、態度成績4個部分組成。小組成績和互評成績的組合覆蓋了創新實驗運行的全流程。教師主導的小組成績面向學生專業能力和創新能力的培養，學生主導的互評成績面向學生實際參與度、團隊協作等，由此所形成的分層成績評定體系符合創新實驗教學思想及運行規律。

（四）師資隊伍建設

師資隊伍是實驗教學運行的人員基礎。為更好適應TTBL實驗教學方法，保障實驗的順利開展，擬建立實驗教學團隊。實驗教學團隊由不同層次的專業教師、科研教師、實驗教師和研究生助教共同組成。教學團隊采用委員會負責制，以高級職稱教師組成指導委員會，對實驗項目的制訂、分配、指導、運行、評估進行全過程跟蹤和指導，保障實驗教學效果;研究生助教發揮自身專業和溝通優勢，提升實驗運行的平順性。實驗教學團隊定期進行教學培訓、討論和總結，確保實驗教學效果的穩步提升[24]。

四、創新實驗建設的挑戰及前景展望

創新實驗作為一種新型實驗教學方法，其在實驗建設理念、實驗內容、運行方式、考核評價方式等方面與傳統實驗教學存在一定的差異。“新工科”建設背景下，創新實驗的建設面臨挑戰和機遇并存的局面。目前，創新實驗的開展處于探索階段，創新實驗作為課內實驗教學的補充，以課外教學身份運行。

（一）挑戰

實驗教學項目的合理性及實驗教學模式的執行性是目前實驗建設所面臨的兩大挑戰。創新實驗因缺乏教學大綱的規范，在實驗教學項目的組成上有足夠的自由度。自由度所帶來的不確定性如同一把雙刃劍，合理的實驗項目能有效地將課程要點、學習規律、培養目標進行整合，形成實效性高、主動性強的實驗項目，對引導學生主動參與實驗，樹立正確的科學觀、價值觀起到積極作用;不合理的實驗項目有可能起到相反的作用。創新實驗教學所采用的小組“覓食式”教學模式與傳統的教學模式有較大的差異，長久的填鴨式教學形成了極強的學習模式慣性，學習模式快速而徹底的轉變成為創新性實驗順利開展的關鍵。上述挑戰主要存在于創新實驗的探索期，隨著創新實驗的逐步開展，教學理論的發展及教育經驗的積累，現階段所面臨的挑戰能得到有效的解決。

（二）前景展望

“新工科”建設為創新實驗的建設和發展提供了良好的契機，高等學校通識教育及學科交叉的廣泛開展為創新實驗的建設提供了堅實的人員基礎及廣闊平臺。基于流體力學與農業航空植保學科交叉的創新實驗建設，為流體力學實驗教學和人才培養注入新的活力，流體力學的強理論屬性也將為農業航空植保的發展提供強勁的支持，兩者共同支撐高等學校人才培養及科研建設。作為流體力學實驗教學改革探索的一部分，其為基于學科交叉的流體力學創新實驗的開展提供了參考。

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（責任編輯：郭彥松）

Discussion on the Construction of Innovation Experiment of Fluid Mechanics and Agricultural Aviation Industry for Plant Protection under the Background of Emerging Engineering Education

YANG Song，ZHU Xianyong，WANG Hui， ZHU Hang， YU Ping

（Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Abstract： Under the background of the emerging engineering education in higher education， the reform and construction of experimental teaching based on integration of discipline-crossing is ongoing. In this paper， we take fluid mechanics of engineering basic courses as the starting point， and in view of the disadvantages of fluid mechanics experimental teaching， combining with the actual needs of agricultural aviation industry for plant protection engineering， we explore the feasibility and fusion method of establishing a discipline-crossing innovative experiment. The creative experimental teaching ideas， teaching methods and construction contents are discussed in detail. Combining the characteristics of innovative experiments， the TTBL experimental teaching method， the "application + assessment" admission system， and the composite score evaluation method were proposed， and the relationship between the above methods and innovative experiments was studied.

Key words：?? fluid mechanics; discipline-crossing; experiment teaching; composite score evaluation method

[收稿日期]2019-12-21

[基金項目]吉林大學2019年實驗技術項目（流量計標定與校正實驗創新方法研究）吉林大學2019年度本科教學改革研究（項目編號：2019XYB160）。

[作者簡介]楊嵩（1987-），男，吉林伊通人，碩士，吉林大學機械與航空航天工程學院工程師;研究方向：流體力學實驗教學、精密制造。朱先勇（1968-），男，安徽合肥人，教授，吉林大學機械與航空航天工程學院博士生導師;研究方向：機械制造工藝與裝備。王輝（1963-），女，吉林永吉人，吉林大學機械與航空航天工程學院研究員;研究方向：機電一體化、流體力學實驗教學。朱航（1982-），女，吉林長春人，吉林大學機械與航空航天工程學院副教授;研究方向：機電一體化、農業航空植保。于萍（1963-），女，黑龍江密山人，吉林大學機械與航空航天工程學院教授;研究方向：流體力學、流體傳動。