工程流體力學課程思政元素的挖掘及應用

程 敢，張會菊，張傳祥，范云場

(河南理工大學 化學化工學院，河南 焦作 454003)

2016 年12 月的全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記提出“把思想政治工作貫穿教育教學全過程”“不斷提高學生思想水平、政治覺悟、道德品質、文化素養，讓學生成為德才兼備、全面發展的人才”。2019年3 月召開的學校思想政治理論課教師座談會上，習近平總書記強調“思想政治理論課是落實立德樹人根本任務的關鍵課程”。2020 年6 月教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》通知中強調，把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量。2021年5 月31 日至6 月1 日的河南省本科高校課程思政建設研討推進會指出，全省本科高校要積極回應新時代高等教育新要求，切實增強加快課程思政建設的責任感使命感……推動課程思政建設不斷取得新進展新成效。將專業知識的傳授與“課程思政”教育相結合，不僅能夠全面提升思想道德素質，還能夠同時實現“知識傳授與價值引領”，符合當前社會對人才培養的需求。

工程流體力學主要介紹流體力學的基本概念、理論、計算方法以及實驗技能等，是一門歷史悠久的學科，現已成為化工、機械、能源動力、航空航天和土木建筑類專業的基礎必修課程。在實際生活、工程中，工程流體力學應用相當廣泛，涉及工業、農業、交通運輸、航天航空、機械和建筑工程等多個領域，蘊含豐富的思政元素，將其挖掘并貫穿在課程知識教學過程中，對于知識傳授、學生培養、社會發展等都具有積極意義。

一、工程流體力學課程內容及發展

工程流體力學是高校很多工科專業的基礎課程，課程內容與高等數學、大學物理、工程力學、工程熱力學等多門學科相互交融，主要講授流體力學的基本概念與原理、基本理論與計算方法，通過課程學習使學生建立流體力學基礎知識體系、了解流體的性質和流體動力學等知識，培養學生分析與解決實際工程中流體的相關問題的能力。同時，在工程流體力學的課程實驗過程中，學生們的實踐動手能力與團隊協作能力得到鍛煉，有利于提高學生們科研能力、培養科研興趣。作為流體力學的一個分支，工程流體力學更側重解決工程中的實際問題，而流體力學歷史悠久，內容更豐富且與日常生活息息相關(如圖1 所示)。

圖1 流體力學的發展進程[12-36]

公元前30000 世紀的舊石器時代，流體力學就已經出現。在當時，我們的祖先利用石頭和木材打造粗糙工具去狩獵，在投擲工具的時候發現固體在流體中的運動問題。隨著人類社會的進步，工具也在不斷革新，人們通過不斷觀察、測量、實踐，逐漸認識流體運動的一般性質與規律，這個過程發展緩慢直到公元前20 世紀出現了重大轉折。

進入公元前20 世紀，人們開始由經驗知識逐漸轉變為理論知識的傳播。人們將自己所獲得的知識進行分享，知識量不斷豐富且傳播速度逐漸加快。1638 年，伽利略將實驗研究方法引入力學研究，從此實驗研究方法成為了流體力學研究不可或缺的研究方法。

從17 世紀下葉到20 世紀，流體力學學科初步形成并進入了發展時期。1738 年伯努利首次以“水動力學”命名其專著并出版，后來又出現了“空氣動力學”。1935 年后人們綜合了水動力和空氣動力的知識，建立了流體力學體系，流體力學的發展突飛猛進，取得了驚人的進展。

20 世紀40 年代后，流體力學原理的應用和理論取得了很大進展，實驗室及實驗設備不斷充實，具備專業流體力學知識的高水平人才不斷涌現，一些工程流體力學相關實際問題相繼解決。例如：P4 實驗室通過“定向負壓系統”，阻止危險病毒的外逃；通過對大氣環境的監測，顯著提高了天氣預報的準確性；風洞技術廣泛應用于競速類項目運動員的訓練之中；被國際泳聯禁用的“鯊魚皮”泳衣，根據鯊魚的皮膚構造而設計，可以自動引導周邊水流，減少運動員體力的消耗。

經過三萬多世紀的發展，流體力學取得的成就數不勝數，但是新的問題仍然不斷出現，需要科技工作者不懈努力來解決。

二、工程流體力學課程思政設計與實踐

由于工程流體力學課程內容較多，受學時影響，實際教學過程中無法拿出較多的時間單獨進行思政教育。因此，需要將思政元素與課程內容有機結合，通過課程設計將靈活、分散的思政元素無縫融合進所講的流體力學課程知識里，達到潛移默化的德育效果?；诠こ塘黧w力學的教學內容，挖掘和梳理了課程中的思政資源，將其融入課程教學過程中，達到更好的教學效果。

(一)培養學生鍥而不舍的奮斗精神，鼓勵學生致力科學研究

流體力學在科學家們的不斷探索中發展。經典流體力學奠基人瑞士科學家歐拉，一生歷盡挫折，直到去世仍未停止科學研究。我國著名科學家錢學森在流體力學拓展領域也作出了許多開創性的貢獻，其中包括空氣動力學、航空工程和噴氣推進等方面。被譽為“中國的居里夫人”的流體力學家陸士嘉，在黏性流體力學研究方面造詣深厚，創立了我國第一個空氣動力學專業，一生致力于航空教育事業，為我國培養了大批優秀人才。從科學家的身上，學生可以學到不屈不撓的鉆研精神、鍥而不舍的奮斗精神和大公無私的愛國精神，激發學生對科研的興趣，鼓勵學生投身科學研究。

(二)培養學生科技強國的技術自信，激發學生的愛國主義心

工程流體力學在工業中應用廣泛，極大地促進了我國工業發展。如公元前120 年，由于山腳的黃土土質非常松軟，經常出現渠岸倒塌，為解決這一問題，水工發明了井渠法，該法將60 萬畝左右鹽堿地變成了良田；利用邊界層理論分析殲-20 鴨翼的主要作用，鴨翼能夠產生脫體渦，對主翼上翼段形成有利干擾，從而改善主翼的升力特性和操控性能。另外，殲-20 的鴨翼帶有的上反角，為了隱身，鴨翼和主翼根部只能設置在同一個平面上，為發揮鴨翼的增升作用，需要拉開一段距離。除此之外，兩棲裝甲車輛的噴水推進系統的設計與流體運動連續性方程的知識相關，潛射戰略導彈水下發射過程與黏性流體動力學等專業知識緊密聯系。在相關課程的講授中，不僅能夠引領學生了解我國裝備制造業創新發展的進程，還能用實例證明流體力學具有很大的用途，提升學生的科技自信、培養愛國主義熱情。

(三)培養學生一心為國的家國情懷，增強學生的民族自豪感

我國五千年的歷史進程中，先輩在勞動中總結經驗，修建了一個又一個重大工程，對人們的生活產生了重要影響。在這些工程的建造過程中，不乏流體力學知識的應用。如：4000 多年前大禹治水時，為解決中原地帶的水患，采用改“堵”為“疏”的方法。公元前256—前210 年間，我國修建了都江堰、鄭國渠和靈渠三大水利工程，都江堰不僅有利于岷江洪水的疏排，還能常年用于灌溉農田。東漢光武帝時，南陽太守創造水排、興修水利，將流水的動能和勢能轉化為機械能，使鼓風囊不斷伸縮，給冶金高爐加氧，較西歐早了約1 100 年?！斑|寧號”航母在海面航行英姿颯爽，航母甲板寬闊，能起降飛機而不會傾覆。在課程講授中，以流體力學為背景，介紹流體力學對我國古今工程的突出貢獻，能夠培養學生家國情懷、增強學生民族自豪感及激發學生樹立為民族偉大復興而奮斗的理想。

(四)培養學生辯證唯物的哲學思想，形成辯證唯物法的思維

工程流體力學是一門蘊含豐富哲學思想和元素的自然科學，其相關定律和法則實質是自然界普遍規律的具體表現。如：理想流體研究屬于理想化方法。理想化方法是物理研究中特別重要的一種科學抽象的思維方法，它根據所研究問題的需要，舍棄次要的因素，只考慮主要的因素，從而簡明扼要地揭示問題的本質。從流體流動的守恒方程及規律中可知，復雜多變的流體運動也可以像固體運動那樣使用數學方程來求解和描述，說明了力和運動存在的必然聯系，反映了自然萬物中客觀存在的內在本質關系。在教學過程中運用哲學思維能夠使學生在學習專業知識時更清楚地認識事物的本質，掌握事物運動的規律，同時還能更加深刻地理解自然辯證法的唯物主義思想。

(五)引導學生樹立科學抗疫的理念，培養學生團結奮斗精神

2020 年年初，新型冠狀病毒肺炎疫情猝不及防地在全國蔓延，疫情期間我們隔離病毒但不能隔離愛，在災難面前，中華民族精誠團結，以實際行動踐行愛國、敬業、誠信、友善的社會主義核心價值觀。疫情中也體現出很多流體力學知識，例如：新冠病毒突襲而來之際，火神山醫院、雷神山醫院的建設現場4 萬多名建設者聽黨召喚、不畏艱險、團結奮斗、使命必達，用10 天時間建成了火神山醫院，用12 天時間建成了雷神山醫院，創造“火雷”建設奇跡。在建設過程中需要考慮供水管道、污水管道、排風中管內流動和氣流等問題，與流體力學密切相關。再比如流體力學歷史上著名的伯努利家族，一個橫跨兩個世紀、三代人，誕生了8 位杰出數學家的“豪門”。伯努利家族科學精神的傳承吸引了學生對科學精神的探索與渴望，而這種科學精神正是對抗當前復雜形勢下“謠言滿天飛”的有力武器。面對疫情中真真假假的信息流，相信科學、“不信謠、不傳謠”，眾志成城合力攻堅是戰勝疫情的基礎。在課程中引入與疫情相關的知識，能夠激發同學們學習流體力學課程的興趣，引導學生樹立科學抗疫理念，培養同學們的愛國主義思想與團結奮斗精神。

(六)培養學生嚴謹細致的工作作風，提高學生的事故警惕性

在實際工程中，有很多因元件回路堵塞等污染造成工程事故的案例，在課程中可利用流體力學的相關知識，分析事故發生的原因。如：1996 年10 月2 日，秘魯航空603 號航班在首都利馬墜毀，造成61 名乘客和9名機組人員死亡。事故調查發現，技師在執行飛行前的清潔任務時，用膠布貼住靜壓孔以保護畢托管，但忘記撕下來，而當晚負責驗收的督查人員因病請假及機長在飛行前檢查疏忽，導致飛機升空后，儀表讀取的是被膠布封死后的靜壓孔數據，空速和高度指示錯誤。2009 年6 月1 日，法國航空公司447 航班飛行過程中畢托管被冰覆蓋失效，引起空速計算錯誤、自動駕駛等系統關閉，最終在大西洋上空失事，216 名乘客及12 名機組人員全部罹難。通過對事故的分析，教導學生在今后從事相關專業工作時，必須要盡職盡責，培養學生的職業使命感與責任感。

(七)鼓勵傳承中華優秀的傳統文化，激發學生中華文化自信

我國優美的古詩句中也蘊含豐富的流體力學思想，值得我們學習借鑒。詩仙李白《早發白帝城》中“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還”。北魏地理學家、散文家酈道元的《三峽》也描繪了洶涌的江流，“有時朝發白帝，暮到江陵，其間千二百里，雖乘奔御風，不以疾也”。使用連續性方程可以解釋為什么長江三峽處水流湍急。古詩詞匯聚了我國祖先的智慧和經驗，在傳播我國古文化的同時，激發學生的文化自信。再比如水的浮力可行舟船，而舟船的穩定問題與水力學原理中靜水總壓力垂直分力的分析與計算有關，即與舟船形體形成的壓力體密切相關。只有當定傾中心高于重心時，舟船才能穩定平衡，否則會發生傾覆現象，即“水可載舟，亦可覆舟”，載舟是浮力作用，覆舟是失去平衡。黨和人民的關系就好比舟和水的關系，人民不僅能載舟，人民更能推舟。嘉興南湖的紅船在人民力量的推動下，正朝著“兩個一百年”奮斗目標前進。通過對流體力學中先人智慧和經驗的了解，可以讓學生們更好地了解并傳承中華優秀傳統文化，從而激發學生的文化自信。

三、工程流體力學課程教學方法及效果

(一)重視緒論教學激發興趣，結合哲學發展整體思維

緒論是課程的概述，其學習效果的好壞直接影響學生對課程的第一印象。在緒論的學習中，不僅要讓學生大致了解課程主要涉及的內容，還要講述課程的發展過程、歷史地位、與其他學科和專業課程的聯系以及該課程對社會工業和經濟發展的作用，以激發學生對該門課程的學習熱情，為課程學習做好充足的準備。

(二)采用啟發式的教學手段，培養學生自主創新能力

在工程流體力學課程教學中，以啟發學生的思維為核心，從學生的實際出發，采用多種方法調動學生學習的主動性與積極性，可以顯著增強學習效果。如，在講授完伯努利方程之后，啟發學生思考生活實際中的一些現象如何用伯努利方程來解釋，體現科學原理的普適性，縮短學生與科研之間的距離感。在這個過程中學生對科學問題的發現、分析和解決能力得到提升，學習和體會科學的研究思路、分析考慮問題的方法和解決問題的方式，培養創新性思維。

(三)充分利用互動教學模式，促進教與學的有機統一

為實現更有效的教學，應該改變以往嚴肅的教學環境，營造一種輕松、活潑、平等的氛圍來吸引學生的注意力。這種互動式教學模式更有利于調動學生的學習積極性，達到事半功倍的教學效果。通過課前作業的方式讓學生提前對教材或者本節課知識點進行學習，以這種方式讓學生對本節課知識進行基本了解并做出思考判斷，這樣一來教師不必在課堂上對知識過多的講授，只需幫助、引導學生們進行思考、分析。課后作業主要是教師每節課針對本節課知識點留出的習題，這些習題需要學生們將本節課知識點吸收并靈活運用。教師通過對課后作業的查閱，可以了解到學生是否掌握知識點，同時可以通過做題方法了解到學生的思維方式，有利于對接下來的課程做出針對性的教學。這種教學方法既節省了課堂時間，也啟發了學生思維、鍛練了學生知識應用的能力。

(四)加強理論與實際的聯系，注重實驗培養實踐能力

在講課時要著重講授理論知識與工程實際的聯系，因為學生對實際工程了解較少，對較為復雜的理論知識的接受能力較差。如，流體的流動性的定義是在剪切力作用下，無論這個剪切力多么微小，流體都會發生連續不斷的變形。在講流動性時，可以展示切斷流水的現象，使學生對現象有直觀地認識，從而加深對流動性概念的理解；鑒于“工程”這一特點，在流體力學知識的講解中應該與工程應用相聯系，通過舉例分析實際工程問題的解決思路，不斷提高學生的能力。授課過程中可以將當前講解的知識與后續課程相結合，如將浮力矩與怎么設計航母甲板能起降飛機而不會傾覆結合；將靜力場靜止流體中的壁面受力與“蛟龍號”深潛到7 000 m 以下的應力狀態相結合，既能充實教學內容也能激發學生的學習興趣，最終達到提高學習效果的目的。通過在教學設計中引入這些內容，學生感知到自己所學知識在大國重器中大有用武之地，從而激發學生為國家學習、為民族學習的熱情和動力，激發愛國主義情懷。

另外，由于工程流體力學具有很強的實踐性，光靠理論教學學生難以理解一些抽象知識點。開設一些綜合創新性實驗，將實驗教學與理論知識的講解相結合，使學生能夠掌握基本知識并通過實驗增強對知識的理解，由學生自己完成提出問題到得出結論的實驗過程，能夠有效鍛煉學生動手操作、團隊協作、分析與解決問題、創新等能力。

四、結束語

作為專業基礎核心課程，工程流體力學課程蘊含著豐富的思政元素，以更加豐富的教學方式和手段將思政教學引入工程流體力學中，才能將思政教育真正落到實處，才能做到“思想有啟迪、靈魂有提領、人格有感召”，把愛撒進孩子的心靈里，才能真正完成“立德樹人”的根本任務。