新工科背景下應用型高校流體力學教學探究與思考

藺海曉 陳歡琪 王欽亭

（河南理工大學土木工程學院 河南·焦作 454000）

1 概述

在以新技術、新產業、新業態、新模式為特征的新經濟時代背景下，高等院校的本科生教育已成為人才強國戰略的重要組成部分，隨著新技術發展的同時也使新型產業和新經濟形態緊密地聯系在一起，并且對當前地方高校的教育工作提出了新的條件，在培養高素質應用型人才方面，應該提出更高的要求[1,2]。結合社會發展的新需求、學科交叉融合的新趨勢、科學研究的新成果，從而打造出傳統學科專業的升級版，推進具有新理念、新體系、新質量、新模式、新結構的“新工科”建設是大勢所趨。當前，中國工程教育已邁入新時代，“新工科”建設勢在必行[3]。建設教育強國是實現中華民族偉大復興的基礎工程之一，其總目標是建設具有中國特色、體現世界水平的高等教育強國，進一步優化專業結構，加強專業建設。新工科背景下專業建設改革的基礎和核心是學科體系的課程改革。流體力學是土木工程專業的核心基礎課程之一，在新工科背景下構建與工程應用相銜接的經典理論教學內容、積極開展教學模式創新、開展課程思政教育，協調好教與學的關系，把教書育人落到實處，成為流體力學課程改革的重要目標[4]。

2 流體力學現狀及問題

《流體力學》是普通高校工科重要的專業基礎課，內容一般包括流體靜力學、流體運動學、流體動力學、量綱分析、氣體動力學等。流體力學主要是研究流體的平衡狀態、運動規律以及相關的工程問題，主要特點有知識點多、理論性強、抽象性高，對學生數學、力學素質要求較高。之前學生熟悉力學知識大多數是以固體為研究對象，研究對象換為比較抽象的流體時，學生學習起來就比較困難，在學習流體力學中，需要進行大量的公式推導，過程復雜且難理解[5]。各大院校開設流體力學課程的專業也有很多，比如土木類、水利類。學習《流體力學》課程，有助于學生形成良好的邏輯思維模式，鍛煉分析問題、解決工程問題的能力，也為學生學習其他專業課程奠定基礎。

2.1 教學內容多，知識結構系統性低

傳統的流體力學教學，多采用課上進行PPT講解與公式推導相結合的方式，教學過程多以課本章節安排為教授順序，很少關注知識點的系統性、邏輯性。這就容易導致學生在學習流體力學時不能形成片狀知識結構體系，大量分散的知識點就容易被遺忘。“即學即練”的教學方式，使學生對知識點的印象還較為深刻[6]。但傳統的教學方式，在一次課上往往需要講解3-4節的內容，可以帶領學生進行“即學即練”的知識也是很小一部分。這就導致學生不能建立系統的知識結構，在遇到實際工程問題時，學生容易產生畏懼心理，從而導致學生很難主動地認識問題、分析問題、解決問題。

2.2 不能充分調動學生自主學習的能力

傳統的流體力學中包含大量的新概念，如流線、跡線、水頭損失等，教學內容復雜，教學過程枯燥，消磨了學生學習的主動性。學生形成了被動的接受知識的習慣，學生主動認識問題、分析問題、創新能力也受到了很大負面的影響。學生學習知識的過程不應該是一個機械的接受知識的過程，更不是被動的接受知識的過程，而應該是主動學習知識，把課本上的知識主動的轉化為自己解決問題的工具的過程[7]。這樣學生在實際工程問題中，不容易產生畏難情緒，才可以更自信的運用自己所學的知識去認識問題、解決問題。

2.3 理論和實踐出現分層

專業課程的學習不僅為了學生可以考試過關，更重要的是為了學生可以在實際工程中快速的認識問題、分析問題、解決問題。傳統的專業課教材中的習題，一般是比較典型的經過簡化的問題，與實際工程問題之間存在著很大差距的。在教學過程中，理論推導、方程論證、公式換算已經占用了大量學時，導致后期對實際工程問題講解內容被壓縮，這是導致理論和實踐脫節的原因之一[8-9]。在學期末開設的認知實踐課程，目的是為了使理論知識和實踐緊密結合。但由于認知實踐課程與理論課程之間相隔時間較長，當學生真正與實際工程面對面時，理論知識也已經模糊，加上走馬觀花式的認知實踐，往往達不到預期目的。同時，也浪費了大量的財力、物力。

在實際教學中，專業課程思政建設要求教師在授課過程中將知識傳授、能力培養與價值引領三者有機統一起來，把專業課程教育與思政教育形成同向合力，但流體力學教師對課程思政的重視程度較低，存在著“智育”與“德育”相互分離的狀態，因此應加強教師德育意識和德育能力建設，發揮教師的榜樣力量，進行價值觀的引領[10]；同時應加強課程思政教學質量保障體系建設，構建以專業知識教授為根本和思想政治教育為核心課程思政體系，在講授流體力學課程時，以春風化雨的方式將思政元素自然貫穿相關教學環節，通過潤物細無聲的方式實現專業知識傳授與思政教育有機結合，從而為國家培養大批有理想、有責任的新時代接班人。

3 教學改革研究重點及做法

3.1 教學方式的改革

首先，教師應該將實際工程應用貫穿于整個課程學習的始終，讓學生時刻保持與實際工程問題緊密結合的狀態。在理論課程學習之后，緊接著可以讓學生進行一些課程設計，進行課程設計之前給一些選題讓學生根據自己的實際情況進行題目的選擇。目的是為了讓學生對自己的能力有一個綜合評估，根據這個評估再進行題目的選擇，最后讓學生主動對所學的理論知識進行升華，轉化為適合學生自己的解決實際工程問題的工具。學生要想完成一份合格的課程設計，必須親力親為，必須對工程的每一個細節都要十分精準，小到粘度系數的測定。在設計的過程中，學生也要綜合考慮工程的實用性、安全性、易操作性、價格。這樣既鍛煉了學生邏輯思維能力，讓學生對所學知識進行整體的把握，也實現了理論知識和實際工程緊密相連的目的，也培養了學生的責任意識。最后教師應對學生的課程設計的各個方面給予一個綜合指導和評價，讓學生對自己的設計優點、不足有一個清楚的認識。

3.2 教學手段的改革

在教學手段方面，在傳統的多媒體、板書基礎上，可以加入三維數值模擬軟件作為輔助教學手段。流體力學課程具有公式多、推導過程復雜、參數多的特點，而且流體力學很少直接體現在實際工程中，學生學習起來往往覺得枯燥、抽象。國內高校關于流體力學的課上實驗主要是管道流動實驗，這些實驗設備可進行多個管道流動實驗，但是由于維護保養不易、使用年限較長，實驗誤差很難縮小到理想的范圍。由于設備數量有限，需要安排各個專業，在不同的時間段進行實驗，有時為了讓更多學生觀察實驗過程，每個分組中往往只有個別同學真正的參與到實驗中。

和實驗手段相比，三維數值模擬有著明顯的優勢：（1）真正做到人人動手參與到實驗中。（2）減少購買昂貴設備、保養設備的資金。（3）鍛煉學生學習軟件，借助科技解決工程問題的能力。流體力學中常用三維數值模擬的軟件有FLOW-3D、Fluent、Matlab，學生可以利用這些軟件自主進行河流、水槽、液體流動、管道等流體力學模型的建造，細細體會流體力學中一個參數的微小變動，會引起實際工程的中的哪些問題，從而對實際工程中的一些問題發生的原因有一個更清楚的認識。老師可以讓學生在課上進行成果展示，并讓學生對自己的作品進行講解，鍛煉學生的語言表達能力、動手能力。老師在課上就可以對學生的成果進行評價、指導，激發學生自主的學習興趣。

3.3 課程思政融入課程教學

課程思政是培養德才兼備的高素質“新工科”人才的長效方法。根據工科課程實行課程思政的難點和重要性，探討對流體力學進行課程思政改革，建設一門有人文溫度的精品專業課程的方法，促進新工科人才的培養。

流體力學課程教學運用現代教育手段，采用混合式教學、“翻轉課堂”、線上導學線下講授的教學形式，以案例式、專題式、討論式等多元教學法，將核心價值引領與專業知識傳授相融合，讓學生養成工程思維，啟迪“流體智力”工程智慧，喚起學生對社會責任與科學精神的敬畏和對社會使命的責任擔當。

通過伯努利方程應用的“工程案例”，幫助學生領悟系統內部相互制約與相互協調的重要性，在對流體力學連續性方程講解中，讓學生理解質量守恒，引導學生樹立“敬業、精益、專注、創新”的大國工匠精神，培養學生具有創新創業精神和良好的工程意識。

4 結論

按照“新工科”培養人才的理念，探索構建具有突出成效的流體力學課程教學手段方式。在方式上，讓實際工程的例子貫穿教授理論知識過程的始終，使學生與實際工程時刻保持緊密相連的狀態，讓學生充分掌握如何用理論知識去解決工程實際中的問題，為學生以后的在解決工程實際問題，提供創新的靈感和自信。在手段上，利用FLOW-3D、Fluent、Matlab等三維數值模擬軟件，提高學生發現流體力學中各種參數、邊界條件、介質變化引起實際工程問題的靈敏度，增強流體力學課程在實際生活中實用性、可操作性。課程思政是我國高校促進學生全面發展的重要舉措。新工科教育則是未來中國實現人才強國、制造強國等重大戰略的主要抓手。通過課程思政，使知識累積突變升華成學生的綜合素質和高尚情操，將思政融入更多基礎類課程的教學工作中，提升學生的學習水平和綜合素質。