化工類課程中流體力學所體現的課程思政及“邊界層分離”教學創新

莫文龍，任鐵真，高歌，劉曉玲，馬空軍，黃雪莉

(新疆大學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引言

2017年9月24日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化教育體制機制改革的意見》，指出“要建立以學生發展為本的新型教學關系。改進教學方式和學習方式，變革教學組織形式，創新教學手段”[1]。足以看出，高等學校應以科學發展觀、現代教育思想為指導，社會需求和學生就業為導向，更新教育理念；堅持知識、能力及素質的協調發展；以培養高素質應用型人才為目標，突出和加強學生的基本實踐技能，提高大學生的學習能力及創新能力和實踐能力[2-3]。基于此，作者結合化工傳遞過程、化工原理和化工工藝學課程的基礎知識，在指導學生實習和撰寫畢業論文過程中，分析講解重要化工設備的原理、功能與注意事項，提高學生對工程實際裝置的興趣，營造良好的求知氛圍[4-5]。經近幾年對化工傳遞過程、化工原理等課程教學內容的理解，關于該課程流體力學部分“邊界層的分離”知識點也形成了些許看法。

1 流體力學相關課程在化工類專業中的地位

化工類專業課程中，與流體力學相關的主要有化工傳遞過程和化工原理課程。其中，化工傳遞過程課程是化工原理、化工工藝學、化工設計、化工過程與分析等化工類課程的基礎課，是化工類專業的專業理論核心課，注重從理論深度揭示各單元操作過程和設備的基本原理。該課程結合特定的單元操作過程和設備深入研究動量、熱量和質量傳遞現象，并歸結為速率問題進行綜合探討，同時研究和歸納3類傳遞現象基本理論之間存在的類似性。作為化學工程與技術等過程學科本科生、碩士生的必修課程，一直以來都是解決化學過程工業實際問題的基礎。同時，對石油化工、冶金工程、高分子化工、生物工程、環境工程等相關專業的研究人員，此課程也具有較高的學習和參考價值。

化工原理課程是化工類專業核心課程群中最為重要的專業基礎課之一，是基礎課與專業課的橋梁，主要講授化工生產過程中各單元操作的基本概念和基本原理。擬通過本課程教學，循序漸進地引導學生逐漸學會用馬克思辯證唯物主義的哲學觀認知、學習、領會和掌握化工生產過程中各單元操作的基本概念、基本理論，掌握典型設備的結構及設計計算、操作、選型的基本步驟及方法，掌握研究工程實際問題的方法與技能，使學生逐漸建立工程概念，形成工程思維，具有工程頭腦，形成工程觀念。

上述兩門課程均講述流體力學的基本知識，涉及流體流動、流體輸送機械、液體的攪拌、流體通過顆粒層的流動、顆粒的沉降和流態化等，是后續學習傳熱、蒸發、氣體吸收、液體精餾、氣液傳質設備、液液萃取、熱質同時傳遞過程、固體干燥等的基礎[6]。其中，流體流動部分“流體流動的內部結構”中“邊界層及邊界層脫體”小節關于“邊界層的分離”是相關專業學生必須掌握的一個重要知識點。教學過程發現，學生普遍反映邊界層分離的內容比較深奧，附圖較為晦澀難懂，特別是關于逆壓強梯度的敘述，大部分學生無法通過圖示聯系原理進行理解。作者受教學過程中融入課程思政之科創精神啟發，根據自己的理解與分析，將附圖略加修改，結合理想流體的機械能守恒方程—伯努利方程，就“邊界層的分離”談一點自己的認識。

2 流體力學中體現的課程思政

作者經近幾年的教學實施，挖掘出關于流體力學的系列課程思政點，其中的4個典型案例如表1所示。

表1 流體力學中體現的課程思政典型案例

2.1 政治認同之文化自信—理想與現實的較量

從理想流體機械能守恒方程和實際流體機械能守恒方程，引申“理想與現實的較量”，進而通過對比引出中國傳統文化中關乎理想與現實的古詩詞經典詩句，如“咬定青山不放松，立根原在破巖中”“老驥伏櫪，志在千里。烈士暮年，壯心不已”“大鵬一日同風起，扶搖直上九萬里”等，凸顯中華優秀古典詩詞的現實意義，提升學生對我國傳統詩詞的文化自信。此外，由理論與實踐的辯證關系，通過連續性假定分析流動流體的質量守恒，得出理想流體與實際流體的機械能守恒方程，找出二者的區別和聯系，引申辯證統一的馬克思主義哲學觀點。

2.2 家國情懷之國家重大工程—蛟龍號

基于流體靜力學方程，引申深海潛水器所受的壓力，其值隨著下潛深度的增加直線上升。相關技術既是對設備本身抗壓能力的考驗，更是深海環境各項操作與運行面臨的巨大挑戰。進而引出我國的“蛟龍號”載人潛水器的開發過程。2002年，中國科技部將深海載人潛水器研制列為國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)重大專項，啟動“蛟龍號”載人深潛器的自行設計、自主集成研制工作。2009年至2012年，接連取得1 000米級、3 000米級、5 000米級和7 000米級海試成功。2012年6月，在馬里亞納海溝下潛7 062米，創造了中國載人深潛紀錄，這也是也是世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。介紹具有自主知識產權的高技術研究工作，增強學生的國家自豪感和民族自信心。

2.3 職業操守之老一輩化工專家及教育家的精神—顧毓珍

流體力學中含有許多較為經典的經驗公式，其中關于摩擦系數λ(或f)與直管雷諾數和相對粗糙度之間的方程就比較多。通過學習摩擦系數是雷諾數和相對粗糙度的函數，引申我國著名化工學者—華東理工大學顧毓珍先生的故事。顧毓珍先生早年在美國MIT深入研究上述函數關系，得到著名的顧毓珍公式1932年顧先生獲博士學位，1933年學成后回國報效國家。顧先生的回國體現了愛國主義、理想信念和科學家精神。由此，給學生進一步深化，家是最小國，國是最大家；科學無國界，但科學家有國籍；作為中國人首先要有一顆“中國人的心”。

2.4 科創精神與愛國情懷—新疆坎兒井

通過常見的關于過濾的生活實例，如豆漿、咖啡的獲取過程，泥水的過濾處理等，引出我國古代的三大工程之一—新疆坎兒井(另外兩大工程為長城、京杭大運河)。告知學生，新疆坎兒井為高山融雪通過地表層過濾，首先進入“暗渠”，而后引到“明渠”供生產生活使用。新疆坎兒井早在《史記》中便有記載，時稱“井渠”，是荒漠地區的特殊灌溉系統，普遍存在于我國新疆吐魯番地區，為解決當地的生產生活用水提供了極大便利，更體現了古代我國西部地區勞動人民的勤勞和智慧。清末鴉片戰爭后林則徐被貶新疆，大力推廣坎兒井在當地被譽為佳話。通過學習本節課內容，引導學生面對問題，要有不畏艱難險阻、迎難而上的精神，更要有先輩那種為了中華復興而不顧個人得失，腳踏實地建設祖國邊陲的愛國情懷。

3 科創精神之“邊界層分離”附圖優化與分析

3.1 原文和附圖及學生比較困惑的地方

3.1.1 原文和附圖

圖1所示是流體對一圓柱體的繞流，因上下對稱，圖中只畫出上半部分。

圖1 流體對圓柱體的繞流(一般性原圖)

流體對圓柱體的繞流一般性的描述為：均速流體繞過圓柱體時，A點處速度為零，來流的動能全部轉化成壓強能，該處壓強最大。當流體自A點附近向兩側流去時，因圓柱體側表面的阻滯作用，形成了邊界層。流體自點A附近流至點B附近，即流經圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小，點B附近壓強變小，在流動方向上的壓強梯度為負(或稱順壓強梯度)。當流體流過B點以后，流道逐漸擴大，壓強變大，邊界層內流體處于減速加壓過程。此時，在剪應力消耗動能和逆壓強梯度的雙重阻礙作用下，壁面附近的流體速度迅速下降，最終在C點附近流速降為零。離壁稍遠的流體質點因具有較大的速度和動能，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零。將流體中速度為零的各點連成一線，如圖中C-C’線所示，該線與邊界層上緣之間的區域即成為脫離了物體的邊界層。這一現象稱為邊界層的分離或脫體[6]。

3.1.2 學生比較困惑的地方

(1)關于“當流體自A點附近向兩側流去時……”，“兩側”在圖中并未顯示出來，直觀標示的是向右上方流去，因此“兩側”的說法不易理解。

(2)關于“流體自點A附近流至點B附近，即流經圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小……”“流道”具體在哪里？很多學生誤以為邊界層界限與圓柱體之間的區域即為流道。這樣一來，流體自點A流至點B附近，這個“區域”是逐漸增大的，與“流道逐漸縮小”不符。

(3)關于“離壁稍遠的流體質點因具有較大的速度和動能，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零”。①“離壁稍遠”，到底在哪里？②流體質點具有“速度”亦即具有“動能”，兩者是一回事，為何要寫成“和”的關系？

(4)上述分析未直接聯系機械能守恒方程，即伯努利方程進行說明，給學生的印象是與前述學習的內容關聯度不大。實際上，可通過寫出伯努利方程，根據改進后的附圖，對圖中各段及邊界層的分離進行更為清晰的分析。

3.2 修改后的附圖及描述

基于“3.1.2學生比較困惑的地方”，作者在原圖基礎上，對附圖進行了修改。結合伯努利方程和原文，針對“邊界層的分離”，給出了自己的理解。

3.2.1 修改后的附圖

在流體對圓柱體的繞流原圖基礎上，進行了2處修改，如圖2所示。其一，增加了流道區域的大致范圍，從中可明顯看出流道從大到小，再從小到大的變化趨勢；其二，拓寬了流體可能流通的區域，見圖2中虛線部分。

圖2 流體對圓柱體的繞流(修改后)

3.2.2 理論依據

“邊界層的分離”理論依據主要有2個。其一，不可壓縮流體在管道中作定態流動時的質量守恒方程，如公式(1)：

式中：u1、u2分別為截面1處和截面2處流體的平均流速(m2/s)；A1、A2分別為截面1處和截面2處流體的流通截面積(m2)。

其二，流體的機械能守恒方程，該方程的表達式：

式中：gz1、p1/ρ和u12/2分別為截面1處流體所具有的位能、靜壓能和動能(J/kg)；gz2、p2/ρ和u22/2分別為截面2處流體所具有的位能、靜壓能和動能(J/kg)；hf為截面1到截面2流體的機械能損失(J/kg)。

僅作理論分析，圖1和圖2均忽略位能的影響，且不計機械能損失，則公式(2)轉化為公式(3)：

據此，可分析“邊界層的分離”現象。

3.3 修改后的分析與描述

圖2所示是流體對一圓柱體的繞流，因上下對稱，圖中只畫出上半部分。

流體對圓柱體的繞流修改后描述為：均速流體繞過圓柱體時，A點處速度為零，來流的動能全部轉化成壓強能，該處壓強最大。當流體自A點附近向右上方及兩側(解惑1)流去時，因圓柱體側的阻滯作用，形成了邊界層。流體自點A附近流至點B附近，即流經圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小(如圖，已標示出流道，解惑2)，流通截面積降低，流速增加(公式(1))，根據公式3，點B附近壓強變小，在流動方向上的壓強梯度為負(或稱順壓強梯度)。當流體流過B點以后，流道逐漸擴大，流通截面積增加，流速減小(公式(1))，同樣由公式(3)可知，壓強變大，邊界層內流體處于減速加壓過程。此時，在剪應力消耗動能和逆壓強梯度的雙重阻礙作用下，壁面附近的流體速度迅速下降，最終在C點附近流速降為零。離壁稍遠(如C點右前方)(解惑3)的流體質點因具有較大的速度(刪除“和動能”3字，解惑3)，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零。將流體中速度為零的各點連成一線，如圖中C-C’線所示，該線與邊界層上緣之間的區域即成為脫離了物體的邊界層。這一現象稱為邊界層的分離或脫體。

4 結語

化工傳遞過程、化工原理等課程是化工類專業學生的必修基礎課，對專業素養的提升具有舉足輕重的作用，相關理論及實際運用涉及面廣，專業性強，也具有一定難度。作者結合專業課融入課程思政的教學體會，從科創精神角度就“邊界層分離”知識點中學生的疑惑進行了一些思考，通過對原圖進行局部修改，對分析描述進行細微增減，以期更有利于學生結合所學基礎理論，聯系實際分析和理解邊界層的分離現象。