新工科背景下《工程流體力學(xué)》課程思政的教學(xué)實(shí)踐

摘 要：基于知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造“三位一體”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以流體的運(yùn)動(dòng)方程為例，探索了新工科背景下《工程流體力學(xué)》課程的思政教育，實(shí)現(xiàn)了教育與教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：新工科建設(shè)，工程流體力學(xué)，課程思政

新工科建設(shè)對(duì)中國(guó)高等教育的改革和發(fā)展發(fā)揮了示范和引領(lǐng)作用，培養(yǎng)工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的新工科人才[1-2]成為高等教育面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。另一方面，2016年在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要把思想政治工作貫穿教育教學(xué)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人[3]，這對(duì)專業(yè)課程教學(xué)提出了新要求。如何打造新工科背景下的專業(yè)課程思政，在努力培養(yǎng)新工科人才的同時(shí)，將德育教育貫穿于課程教學(xué)，成為專業(yè)課程教師必須深入思考的問(wèn)題。

本文以《工程流體力學(xué)》中的流體運(yùn)動(dòng)方程為例，基于學(xué)情分析，以新工科人才培養(yǎng)的新要求和專業(yè)課程發(fā)揮立德樹人的教育新理念為抓手，進(jìn)行了課程教學(xué)思考與設(shè)計(jì)。

一、學(xué)情分析

《工程流體力學(xué)》課程本身具有理論性強(qiáng)、概念抽象、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，其中流體的運(yùn)動(dòng)方程這一內(nèi)容，更是涉及了偏微分方程的推導(dǎo)與求解，要求學(xué)生具有扎實(shí)的物理力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等知識(shí)作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，導(dǎo)致有相當(dāng)一部分同學(xué)覺得這部分內(nèi)容晦澀難懂，產(chǎn)生畏難情緒，喪失了學(xué)習(xí)興趣。

二、課程教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

基于知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造“三位一體”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，從新工科人才培養(yǎng)要求和課程育人要求兩個(gè)角度出發(fā)，進(jìn)行了課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，探索了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)——課程學(xué)習(xí)——反思提升的閉環(huán)式教學(xué)模式。

教學(xué)實(shí)施路徑如下：

首先是案例導(dǎo)入和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)。以圖片和視頻資料為載體，選取1912年泰坦尼克號(hào)姐妹艦與巡洋艦相撞，以及2019年美國(guó)海軍彈藥補(bǔ)給艦撞傷導(dǎo)彈巡洋艦作為案例，引出問(wèn)題：什么原因?qū)е聝伤蚁嗑噍^近的并行的船相撞，船吸現(xiàn)象指的是什么，從而引入流體的運(yùn)動(dòng)方程這一教學(xué)內(nèi)容。

通過(guò)介紹典型工程案例，并以工程案例中隱含的科學(xué)問(wèn)題作為驅(qū)動(dòng)，在理論知識(shí)與工程應(yīng)用間構(gòu)建橋梁，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)，適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的新要求。在思政方面，在介紹典型案例時(shí)，明確指出工程活動(dòng)中的實(shí)施者由于無(wú)視自然規(guī)律，不遵守崗位工作規(guī)范，付出了慘痛的代價(jià)，強(qiáng)調(diào)工程活動(dòng)中的責(zé)任意識(shí)，強(qiáng)調(diào)工程人員應(yīng)具備的職業(yè)素養(yǎng)，做到愛崗敬業(yè)。

第二階段是課程學(xué)習(xí)，這又細(xì)分為兩個(gè)層次。

第一層次主要講授理想流體與實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)微分方程。在回顧理想流體與實(shí)際流體區(qū)別的基礎(chǔ)上，以牛頓第二定律為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)回顧靜止流體的平衡微分方程，導(dǎo)出理想流體的歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程組，再通過(guò)引入內(nèi)摩擦力，導(dǎo)出實(shí)際流體的Navier-Stokes運(yùn)動(dòng)微分方程組（以下簡(jiǎn)稱N-S方程組）。教學(xué)過(guò)程由簡(jiǎn)到難，通過(guò)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)入引發(fā)新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，構(gòu)建起不同知識(shí)點(diǎn)的橫向聯(lián)系。

在課程教學(xué)中，通過(guò)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的分析，舍棄次要因素、抓住本質(zhì)特征，實(shí)現(xiàn)理想流體與實(shí)際流體的過(guò)渡，體會(huì)從“特殊”到“一般”的思維歷程，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力和工程思維能力[4]。在推導(dǎo)獲得N-S方程組后，指出N-S方程組無(wú)法獲得準(zhǔn)確的解析解。目前主要借助計(jì)算流體力學(xué)，利用數(shù)值模擬獲得滿足工程精度要求的近似解，并選取教師科研項(xiàng)目中計(jì)算流體力學(xué)的典型工程案例進(jìn)行展示，使同學(xué)們了解本學(xué)科領(lǐng)域的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生利用新知識(shí)、新技術(shù)解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在思政方面，指出Navier-Stokes運(yùn)動(dòng)微分方程，由Navier在1827年首次提出，經(jīng)過(guò)近二十年的修正，最終于1845年由Strokes確定。通過(guò)科學(xué)家們的典型案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，堅(jiān)持不懈、勇于探索的科學(xué)精神。

由于流體運(yùn)動(dòng)方程的微分形式使用不方便，從工程應(yīng)用角度考慮，我們更希望獲得它們的積分形式，由此進(jìn)入課程學(xué)習(xí)的第二層次。由于歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程是一個(gè)一階非線性偏微分方程組，只能獲得特定條件下的積分形式。通過(guò)一步步地限定條件，獲得了理想流體的伯努利方程。進(jìn)一步地，考慮到克服粘性內(nèi)摩擦力消耗的機(jī)械能，對(duì)理想流體的伯努利方程進(jìn)行修正，得到實(shí)際流體的伯努利方程。

在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，通過(guò)條件限定讓復(fù)雜問(wèn)題的求解變得簡(jiǎn)單可行，體會(huì)從“復(fù)雜”到“簡(jiǎn)單”的思維歷程，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)模型求解能力，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、靈活解決問(wèn)題的工程思維能力。在思政方面，通過(guò)解釋理想流體伯努利方程的物理意義，不僅加強(qiáng)學(xué)生對(duì)公式的理解，而且明確指出伯努利方程正是能量守恒定律的體現(xiàn)，讓同學(xué)們體會(huì)到辯證唯物主義的核心思想。

最后就是反思提升。通過(guò)同學(xué)們的反思、總結(jié)，揭秘課程之初提出的問(wèn)題，并以日常生活中乘坐地鐵時(shí)為何要站在警戒線之外候車為例，讓同學(xué)們運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)解釋日常生活中的問(wèn)題，為后續(xù)利用實(shí)際流體的伯努利方程解決工程實(shí)際問(wèn)題打下良好基礎(chǔ)，起到了很好的教學(xué)效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

以知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造“三位一體”的人才培養(yǎng)目標(biāo)為根本，通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，在知識(shí)傳授的同時(shí)強(qiáng)化了學(xué)生工程意識(shí)、工程思維能力和創(chuàng)新思維能力，適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的新要求;挖掘課程蘊(yùn)含的思政元素，將育人的價(jià)值引領(lǐng)內(nèi)生為課程的教學(xué)內(nèi)涵，使專業(yè)課程教育與思政教育同向并行，實(shí)現(xiàn)教育與教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，為課程改革提供了有益探索。

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作者簡(jiǎn)介：孫會(huì)，（1974-），女，漢族，江蘇省東?？h，教授，博士，研究方向：計(jì)算流體力學(xué)。