“OBE理念+課程思政”融入“流體力學”課程的教學改革與探索

李興華 孫也

摘 ? ?要：“流體力學”是環境工程專業培養人才的重要專業基礎課程，對于核心專業課“大氣污染工程”和“水污染控制工程”的學習具有關鍵的支撐作用。文章基于國際工程教育專業認證的OBE理念，旨在打破傳統教學存在的問題，從成果導向、持續改進等視角，優選前沿和工程應用的教學資源、改革多元化教學模式、重點突出實驗教學能力培養，同時結合“流體力學”課程中的思政元素，最終促進“OBE理念+課程思政”教學目標的達成。

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2022）03-0055-03

“綠水青山就是金山銀山”已成為人民的共識，國家重視環境保護和生態文明，對高水平環境工程人才需求提高，高校作為培養人才的基地，培養適應國家發展需求的高水平環境工程人才已成為其人才培養的重要任務。“流體力學”課程是環境工程專業的一門非常重要的專業基礎課，支撐著水和大氣污染控制技術的發展。因該課程通過研究流體機械運動規律支撐工程實際中流動問題[1]，課程內容多、概念抽象、專業性較強，課程的設計直接關系到學生的理論知識基礎和工程實踐能力培養，所以，在工程教育認證產出導向（Outcome based education，OBE）的要求下，必須積極進行教學改革和設計。

一、“流體力學”課程介紹及存在的問題

“流體力學”課程在環境工程教學中的重點，一是研究環境流體（包括水、廢氣、環境空氣等）在流體流動狀態或平衡狀態情況下的力學規律;二是研究環境流體與固體（例如管道）之間相互作用。作為專業基礎課，“流體力學”一般在本科大二春季學期開課，先修課程包括“大學物理”“高等數學”公共基礎課。實際上“流體力學”可以分為兩部分：理論流體力學和工程流體力學，針對環境工程專業，后者更偏重于工程應用，因此常常以工程流體力學作為教學重點，例如利用流體力學知識解決污水處理廠設計。“流體力學”理論體系主要由流體靜力學、流體運動學和流體動力學三部分組成[2-3]，課程主要是建立在連續介質假設基礎上，通過牛頓經典力學和高等數學等基礎知識對流體靜止和運動規律進行研究，可通過運用高等數學中微積分等方法首先對流動現象進行數學建模，根據模型解決不同流體流動的問題，“流體力學”教學體系如圖1所示。

“流體力學”課程在教學過程中存在一些問題，一是課程內容涉及面廣，儲備知識較多，涉及到“高等數學”“大學物理”“熱力學”“工程力學”等基礎知識;二是流體力學內容抽象，理解比較困難，該課程的研究對象是流體，但是流體性質復雜，課程理論抽象，公式推導繁瑣復雜，理想模型、修正公式、修正系數較多，其物理意義也比較難理解;三是教學模式單一，學生參與度不高。課堂教學多以原理與方法的講授為主，學生興趣和主動性不足，不能體現系統性和層次性的教學目標[4]。

二、OBE理念融入“流體力學”課程的教學設計

OBE理念即為成果導向教育，隨著國際工程教育專業認證的推廣，越來越多的國家接受并踐行，OBE先進教育理念核心是實現三個轉變，一是教師為中心到學生為中心，二是學科導向到目標導向，三是質量監控到持續改進。基于OBE理念分析了工程教育認證“流體力學”課程支撐的畢業要求、指標點，如表1所示，因此教學設計根據對應的畢業要求，應當優選前沿和工程應用的教學資源、改革多元化教學模式、突出實驗教學，體現課程設置、教學、考核評價與培養目標的一致性[5-7]。

（一）強化與專業前沿方向和工程應用的教學內容

梳理環境工程專業課程，分析“水污染控制工程”“大氣污染控制工程”“泵站與管道工程設計”“大氣污染控制課程設計”等課程對“流體力學”核心知識點的需求，重構流體力學課題體系，確定《流體力學泵與風機》第五版作為主要授課教材，高教出版社的《工程流體力學（水力學）》第三版作為參考教材，對兩本教材中與環境工程專業相近的內容進行合理取舍和補充，對于流體靜力學、繞流運動、流動阻力和能量損失、一元氣體動力學基礎、一元流體動力學、孔口管嘴管路流動、氣體射流等內容進行重點講授[10]。

由于該課程公式較多，適當降低對環境工程學生的公式推導要求，重點通過公式的基本概念、參數的物理意義、應用條件等方面引導學生理解公式的具體應用場景，學會應用公式解決環境工程問題。課程除講述基本概念與原理外，注重結合環境工程中實際流體力學問題進行講述，通過與水、環境空氣和廢氣的應用實例培養學生分析和解決工程實際問題的能力。在繞流阻力與升力章節中，通過除塵工藝中顆粒物在氣流中的繞流阻力、浮力和重力的分析，確定顆粒物在氣流中的狀態，使學生能夠作出符合工程實際的判斷。在減小阻力的措施章節中，選取典型的高分子聚合物添加劑，增加前沿研究案例，教會學生結合環境工程管道，對減阻起始點、濃度效應和抗剪切性能等參數進行精確的定量估計，正確解決環境工程專業流體力學管道相關的設計和計算問題。

（二）改革多元化教學模式

為打造高校的“流體力學”課堂，必須對以往單一的教學模式進行改革。通過仿真內容引入課堂教學、動畫圖片演示教學、翻轉課堂與適當傳統板書的有機結合，加強學生感性認識、加深概念理解、激發學習興趣[11-12]。

1.“流體力學”的很多概念比較抽象，難以理解;以動畫、圖片等形式演示課程的部分內容，將各種流動形態形象展示出來，使原本抽象的概念變得清晰易懂。

2.就課程特點而言，公式推導過程繁多，完全采用多媒體教學，學生很難理解整個推導過程，因此利用多媒體教學和傳統板書教學相結合的方式，多媒體展示應用場景和動畫模型，板書結合多媒體分步推導，達到最佳的教學效果。

3.采用雨課堂等在線教育手段，向學生提供方便、靈活的自主學習環境，教師通過雨課堂發布預習和課后作業，學生可根據要求進行預習和復習，同時查閱教學課件;每周固定在線答疑時間，學生可在線與教師互動答疑。

4.流體力學的發展同許多偉大科學家和工程師的貢獻是分不開的，教師可在課堂穿插講授這些大家的故事，例如北京航空航天大學建校元老陸士嘉先生和普朗特、馮卡門等科學家的科學精神，激發學生的學習興趣。

（三）突出實驗教學環節

實驗對于流體力學課程是一個重要的環節，但是受實驗條件和課時的限制，可通過以下方式解決。

1.仿真實驗讓學生通過觀看動畫的方式理解理論原理和公式，例如雷諾實驗中可更加清晰地理解層流和紊流的現象及其特點[12]。

2.通過實驗室測量儀表如液柱測壓計、壓差計、皮托管、文丘里流量計等課堂展示，制作小型實驗裝置（包括風機、管道和皮托管）課堂演示，同時學生完成氣體流速的測量。

3.鼓勵學生到實驗室開展流體力學相關的自主實驗，公布兩個自主綜合實驗題目，學生可選做實驗，以加深對理論和概念的理解，開拓視野。

三、深入挖掘“流體力學”課程中的思政元素

環境工程專業的“流體力學”不僅是傳授專業知識的課程，也蘊含著大量的思政元素，同樣具有思政教育的作用，因此深挖課程所蘊含的思政元素，通過不斷探索和總結，把古代中國智慧、科學家故事、哲學思維、科學精神、正確的社會主義核心價值觀巧妙融入課程教學中，為培養有理想、有信念的新時代環保人作出貢獻[13-14]。

本課程結合“流體力學”特點找出課程思政切入點，圍繞愛黨、愛國、愛人民的主線，從我國流體力學史上典型的都江堰水利工程、三峽工程等案例入手，增強學生對國家的文化自信及對民族的自豪感，同時拓展科學家的故事，讓學生學習他們的堅持和科學精神，并從模型設計和量綱分析等方面，讓學生學會從自然辯證法的哲學思維角度去思考問題。思政案例與理論課程相結合的方式，能夠很好地將案例融入教學大綱的內容、課程討論及評價等不同的教學環節，與工程教育認證產出導向理念相融合，提高學生能力培養，實現工程教育認證的教學目標[15]。設計的部分流體力學思政案例如表2所示。

四、結語

新時代OBE理念和課程思政要求給“流體力學”課程提高環境工程人才培養水平帶來了新的抓手，打破了傳統的教學方式，通過改革課程的多元化教學模式、增加了前沿和工程應用的教學內容、探索融入“流體力學”中課程思政元素，注重“教師的教”向“學生的學”的轉變，充分調動學生的學習積極性，形成了一套以滿足環境工程教育認證要求、塑造學生遠大理想和奉獻精神的“流體力學”教學體系。

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