石油高校高等流體力學研究生課程建設探索*

田 園，李亞茜，黃 茜，孟 江

(1 重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2 中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

1 高等流體力學課程建設背景及意義

高等流體力學是一門系統性、邏輯性較強的課程，是在本科課程《工程流體力學》基礎上的進一步拓展和加深[1]。高等流體力學已經成為石化類專業研究生的學位必修課程，對于石油高校中眾多相關學科的發展起著至關重要的支撐作用。但高等流體力學教學目前仍存在以下問題：

(1)高等流體力學課程基本理論較多，對數學知識的要求偏高，而工程應用方面卻涉獵很少[2]。需要花費許多的時間和精力給數理基礎相對薄弱的工科研究生介紹其中涉及的準備知識(如場論與張量分析)，而對于如何將這些基本理論應用于工程實際問題的分析和解決較少，不利于取得良好的教學效果。

(2)目前高等流體力學課程還需突出石化特色，在基本理論的學習和應用上應強調與油氣的處理工藝和設備相結合[3]，強化學生應用流體力學知識、認識并解決相關石化工程問題的能力，為石油高校培養石化領域的優秀研究生人才服務。

(3)近年來計算流體力學與各種工程實際問題的結合越來越密切，已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強有力工具，并已成功應用于建筑、環境、流體機械等技術科學領域[4-7]。在高等流體力學教學中應加強計算流體力學的教學，特別是商用流體分析軟件的應用教學。

隨著工科類研究生招生規模的迅速擴大，選擇高等流體力學作為學位必修課的學生也越來越多，如何將高等流體力學的基本理論應用于石油高校油氣田開發工程、油氣儲運工程、機械工程等專業的專業背景和學科研究方向，合理選擇課程教學內容和教學方式，注重理論與實踐相結合，保持基礎理論知識與工程應用知識的相對平衡是目前《高等流體力學》課程面臨的主要問題[8-9]。

2 高等流體力學課程建設方案

2.1 具體目標

通過深化教育教學改革、優化教學內容、健全案例資源庫及習題庫、制作課件、開發實驗項目、改革課程考核等方式，形成了適合于石化領域的碩士研究生核心課程內容體系和教學模式，有利于基礎理論水平提升及工程實踐能力培養，確保研究生培養質量。

2.2 具體建設內容

(1)教學內容優化

深入了解石油院校相關研究生專業學科及課程意見，力求課程的重點內容與研究生主要培養方向相接軌，在課程內容中突出石化特色，在基本理論的學習和應用上強調與油氣的處理工藝和設備相結合，強化學生應用流體力學知識，認識并解決相關石化工程問題的能力，為培養石化領域的優秀研究生人才服務。

針對石油院校教學要求及工程應用特色，在保障學生掌握流體力學基礎理論的基礎上，強化了理論的現代化應用，弱化了理論的證明及推導過程，引入了現代計算流體力學的數值計算理論，結合了流體力學工程分析軟件的實際應用。

將計算流體力學、數值傳熱學和Fluent軟件使用手冊的相關內容與《高等流體力學》進行整合，優化教學內容體系，按理論基礎、數值計算方法、實驗方法相結合的方式構建教學模塊，并在此基礎上，修訂課程教學大綱，完善相關教學支撐條件。整合后的課程內容體系如圖1所示。

圖1 整合后的高等流體力學內容體系Fig.1 The integrated advanced fluid mechanics content system

在數學工具教學模塊中增加數學軟件基礎教學內容，將理論推導與數學軟件符號計算相結合，理論結果與數學軟件繪圖功能相結合。在數值計算基礎教學模塊中增加數值計算方法和軟件應用兩個部分的內容。軟件包括建模軟件SolidWorks、網格剖分軟件ICEM、流場計算軟件Fluent和后處理軟件Tecplot[10]。還增加了流場測量方法教學模塊，增加了測量理論與PIV激光粒子測速方法教學內容。

(2)課程資源建設

以修訂后的課程教學大綱為準繩，以實際工程案例中的復雜流動問題為基礎，以提升學生基礎理論水平和工程實踐能力為核心目標，遵循典型性、完整性、綜合性和啟發性原則，重新構建具有實踐性強、形式多樣且具有一定廣度和深度的課程資源。首先，考慮到研究生的知識水平和知識結構與本科生有較大區別，且大多數學生已掌握工程流體力學的一些基礎知識，因此選取具有較高起點的教學內容，基于思維導圖軟件MindManager制作能反映高等流體力學體系的課件，與傳統課件相比，學生更能從總體上把握高等流體力學的理論系統框架。其次，將課題組任課教師從事的科研活動中涉及的流動問題轉化為教學案例庫，通過案例的討論和分析，增強學生學習理論知識的興趣，提升課堂教學的互動效果，增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力[11-13]。最后，基于激光粒子測速系統(PIV)開發流場檢測實驗項目，通過實驗增強學生學習理論知識的興趣，提升課程教學質量，提高學生對現代流體力學實驗方法的掌握。

(3)完善教學模式

高等流體力學這門課程具有理論性強、公式多、數理基礎要求高的特點，為幫助學生學習，構建了基于思維導圖軟件MindManager，結合數學軟件、繪圖軟件、flash動畫制作的理論教學課件，將高等流體力學的授課內容用多個層級的主題進行描述，各級主題關系用相互隸屬的層級圖形式清晰地表現出來[14]，形成的思維導圖如圖2所示。其發散性思維模式可讓學生突破思維定勢，激發學習興趣，最大限度地發揮現代化教學手段在流體力學教學中的優勢和強大功能。并且將流動理論和數學知識用圖形、動畫的方式講授，既能極大地提高學生的學習熱情又能更有效地掌握教材中的基本知識，同時思維導圖是一個開放的圖形框架，在高等流體力學教學中鼓勵學生在基本框架上自由增加相關流動問題主題，開展頭腦風暴，形成自由聯想和討論，產生新觀念或激發創新設想，從而改善傳統理論課講授的枯燥無味，既發揮了學生的主觀能動性，又鍛煉了學生的表達思辨能力。

圖2 高等流體力學課程思維導圖Fig.2 Advanced fluid mechanics course mind map

(4)考核方式優化

為強化學習效果，本著“量化細分、體現全面、突出重點”的原則，實施標準答案與非標準答案、過程與結果相結合的考試方式改革，實施考核方式多元化工程，由以考核學生知識為主向考核知識與技能并重轉變。構建模塊考核標準答案+綜合案例非標答案的考核方式，并制定考核評價標準。其中模塊考核由各個知識模塊考核構成，每個知識模塊成績由平時成績和考核成績兩部分構成，模塊考核總成績由各知識模塊加權求和得到(各模塊權重根據具體內容的重要程度確定)。綜合案例分析由平時成績、分析報告成績和答辯成績三個部分構成，采用非標準答案的考核方式，鼓勵研究生自由探索復雜流動現象中的科學規律。課程總成績由模塊標準答案考核和綜合案例分析非標答案考核加權求和。

(5)教學團隊建設

本著內部培養與外部聘任、專職與兼職相結合的原則，建設適合于研究生工程實踐能力培養的教學團隊，提升校內教師的實踐能力。通過團隊培養項目、教學進修與研修項目、工程實踐能力鍛煉項目、科研能力提升項目、學歷深造計劃和骨干教師出國深造計劃，對校內教師加強系統培養，進一步提升校內教師綜合工程實踐能力。

3 結 語

課程學習是保障研究生培養質量的重要環節，高等流體力學作為一門應用領域非常廣泛的研究生專業基礎課程，需要高水平建設。通過課程內容優化、課程資源建設、完善教學模式、考核方式優化和教學團隊建設等方式，提高課程教學質量，建設高水平課程。獲得了師生及同行專家的廣泛認可，起到了較強的示范引領作用。