“流體力學(xué)”課程思政教學(xué)探索與實(shí)踐

王 會(huì), 刁永發(fā)

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620)

2016年底,習(xí)近平總書(shū)記在全國(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)全過(guò)程,實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人,努力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[1]。隨后,國(guó)務(wù)院、中華人民共和國(guó)教育部以及上海市教育委員會(huì)等先后印發(fā)相關(guān)文件,深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于教育的重要論述和全國(guó)教育大會(huì)精神[2-4]。

2017年我校(東華大學(xué))被列為上海高校課程思政教育教學(xué)改革試點(diǎn)“重點(diǎn)培育?！??！傲黧w力學(xué)”課程是我校能源與環(huán)境系統(tǒng)工程、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、環(huán)境工程等多個(gè)本科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,同時(shí)也是我校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院精品改革領(lǐng)航課程。本文首先結(jié)合“流體力學(xué)”課程的特點(diǎn)和主要教學(xué)內(nèi)容,提出了課程思政的目標(biāo),繼而以“理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程及伯努利方程”這一節(jié)為例,詳細(xì)設(shè)計(jì)了融入課程思政的教學(xué)方案,實(shí)現(xiàn)了課程思政和專業(yè)課程教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

一、“流體力學(xué)”課程思政的目標(biāo)

能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)“流體力學(xué)”課程的教學(xué)對(duì)象為本科二年級(jí)學(xué)生,每年教學(xué)人數(shù)為30人左右,計(jì)3.5學(xué)分,共56學(xué)時(shí)。課程教學(xué)內(nèi)容主要包括緒論、流體靜力學(xué)、一維流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、流動(dòng)阻力和能量損失、孔口管嘴管路流動(dòng)、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、繞流運(yùn)動(dòng)、相似性原理和因次分析等[5]?！傲黧w力學(xué)”在專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。對(duì)于后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課“傳熱學(xué)”和“燃燒學(xué)基礎(chǔ)”、核心專業(yè)課“能源轉(zhuǎn)化(含鍋爐原理)”和“熱力系統(tǒng)工程”等課程的學(xué)習(xí)起著關(guān)鍵的支撐作用?！傲黧w力學(xué)”課程涉及大量的高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理知識(shí),由于學(xué)生在本科一年級(jí)時(shí)已經(jīng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí),他們具備一定的偏微分理論知識(shí)和基本的物理規(guī)律認(rèn)識(shí)。

“流體力學(xué)”悠久的發(fā)展歷史及其與工程實(shí)際緊密相關(guān)的特點(diǎn),使其蘊(yùn)含大量的思政元素。課程內(nèi)容豐富,理論性較強(qiáng),涉及大量的公式推導(dǎo)和高等數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。因此,如何在有限的課時(shí)內(nèi)合理融入課程思政元素是對(duì)教師提出的較大挑戰(zhàn)。根據(jù)“流體力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和課程特點(diǎn),提煉“流體力學(xué)”課程的思政目標(biāo),并概括為以下四個(gè)方面:

(1)提升學(xué)生的民族自豪感和文化自信,厚植愛(ài)國(guó)情懷。通過(guò)在“緒論”中介紹我國(guó)應(yīng)用流體力學(xué)所取得的偉大成就,如都江堰、三峽工程等大型利國(guó)利民水利工程的建設(shè)[6-7],提升學(xué)生的專業(yè)自信,樹(shù)立民族自豪感,增強(qiáng)文化自信。錢(qián)學(xué)森、郭永懷等老一輩流體力學(xué)科學(xué)家不計(jì)個(gè)人利益,義無(wú)反顧放棄國(guó)外的優(yōu)厚待遇,歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦回到祖國(guó),為我們國(guó)家的科學(xué)發(fā)展作出了卓越的貢獻(xiàn)[8-9],通過(guò)對(duì)他們的事跡介紹引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)他們百折不撓、知恩圖報(bào)的崇高品質(zhì)和集體主義精神,厚植愛(ài)國(guó)情懷。

(2)培養(yǎng)學(xué)生唯物辯證法的科學(xué)思維方法。在講解完第二章的“流體平衡微分方程”、第三章的“理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程”和第七章的“實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)微分方程”后,將三者進(jìn)行對(duì)比分析,讓學(xué)生意識(shí)到這3組方程之間存在從特殊到一般的邏輯關(guān)系,但都遵循牛頓第二定律這一相同的物理規(guī)律。通過(guò)對(duì)方程左右兩邊每一項(xiàng)所代表的物理含義進(jìn)行分析,即可發(fā)現(xiàn)3組方程的左邊都是代表流體所受的合外力,方程的右邊都是代表流體的質(zhì)量與加速度的乘積,其中流體平衡微分方程的加速度為零,只是在流體所受外力不同以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同時(shí),其具體的方程展現(xiàn)形式不一樣。以此培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力,真正做到透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。

(3)強(qiáng)化工程倫理教育,提高社會(huì)責(zé)任意識(shí)。講解卡門(mén)渦街知識(shí)點(diǎn)前,先通過(guò)視頻展示塔科馬吊橋的坍塌事故,引導(dǎo)學(xué)生思考,再循序漸進(jìn)地講解塔科馬吊橋坍塌主要是由風(fēng)吹過(guò)橋梁時(shí)形成的卡門(mén)渦街的震動(dòng)頻率與橋梁本身的固有頻率發(fā)生共振引起的[10]。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)者過(guò)于追求美觀以及不合理的節(jié)省材料等,忽略了流體力學(xué)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的作用,最終導(dǎo)致這座斥巨資建設(shè)的大橋僅僅維持了不到5個(gè)月就坍塌了。由此可見(jiàn),流體力學(xué)在橋梁、高樓等建筑施工中起著非常重要的作用,專業(yè)從業(yè)者必須具備強(qiáng)烈的責(zé)任意識(shí)。

(4)引導(dǎo)學(xué)術(shù)創(chuàng)新,弘揚(yáng)科學(xué)家精神。講解描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法時(shí),分別講解基于質(zhì)點(diǎn)系的拉格朗日法和基于“場(chǎng)”的歐拉法[11],指出雖然拉格朗日法理解起來(lái)更容易,但是它關(guān)注的對(duì)象是無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)本身,這種方法在流體力學(xué)中是不適用的。瑞士科學(xué)家歐拉發(fā)現(xiàn)了這一不足,并通過(guò)不懈的努力,在雙目失明的情況下,提出了歐拉法,這極大地方便了流體運(yùn)動(dòng)的研究,其為流體力學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻(xiàn)。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)歐拉追求真理、善于創(chuàng)新、堅(jiān)韌不拔的科學(xué)家精神。

二、“流體力學(xué)”課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

以“理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程及伯努利方程”這一節(jié)課(45分鐘)的講解為例,詳細(xì)說(shuō)明“流體力學(xué)”課程思政教學(xué)的設(shè)計(jì)。本節(jié)課先從漏斗吹乒乓球的演示性小實(shí)驗(yàn)和歷史上發(fā)生的鄂洛多克慘案的講述導(dǎo)入,讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)伯努利原理,產(chǎn)生對(duì)這種物理現(xiàn)象的興趣。進(jìn)而引入主要知識(shí)點(diǎn)的講解和拓展,同時(shí)適時(shí)引入課程思政環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)思維方法,并融入生命觀教育,最后對(duì)本章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

1.課程導(dǎo)入(5分鐘)

首先向?qū)W生提出問(wèn)題:在1個(gè)倒扣的漏斗底下放置1個(gè)乒乓球,從漏斗管往下吹氣,乒乓球會(huì)不會(huì)被吹走?然后,請(qǐng)學(xué)生上講臺(tái)做演示性小實(shí)驗(yàn),證實(shí)猜想的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示小球并不會(huì)被吹走,而是被“吸住”。通過(guò)演示性小實(shí)驗(yàn),既可以活躍課堂氣氛,又可以啟發(fā)學(xué)生思考,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

接著給學(xué)生講述鄂洛多克慘案的故事:1905年的冬天,站長(zhǎng)率38名員工在俄國(guó)鄂洛多克車(chē)站列隊(duì)恭候沙皇派來(lái)視察的欽差大臣。然而當(dāng)列車(chē)駛?cè)胲?chē)站時(shí),所有迎接人員紛紛摔下站臺(tái),造成34人死亡、4人終身殘疾的重大事故。事故調(diào)查顯示:機(jī)車(chē)狀況良好,司機(jī)及員工無(wú)違章操作。那么,是什么導(dǎo)致員工摔下站臺(tái)的呢?

教師通過(guò)指出以上兩個(gè)現(xiàn)象都可以用本節(jié)課將要學(xué)習(xí)的伯努利方程來(lái)解釋,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.講解知識(shí)點(diǎn)(35分鐘)

教師快速回顧流體平衡微分方程的推導(dǎo)過(guò)程,指出利用六面體微元受力分析的方法同樣可以推導(dǎo)出理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程;以微元x方向的受力分析為例,詳細(xì)講解x方向理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程的推導(dǎo)過(guò)程;引導(dǎo)學(xué)生類比推出y方向和z方向的理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程,培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。進(jìn)而講解理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程中每一項(xiàng)的物理意義。

接著,將流體平衡微分方程和理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行比較,指出兩者的區(qū)別和聯(lián)系。兩者都是基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出來(lái)的,前者反映的是流體在質(zhì)量力和壓差力的作用下達(dá)到受力平衡,后者反映的是流體在質(zhì)量力和壓差力的作用下產(chǎn)生一個(gè)加速度。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考:實(shí)際流體除了受質(zhì)量力和壓差力外,還受黏性力,那么實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)微分方程是怎樣的呢?這就是后面要學(xué)習(xí)的實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)微分方程(N-S方程),將3組方程放到一起再次比較分析。

通過(guò)流體平衡微分方程、理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程以及實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)微分方程的比較,可以發(fā)現(xiàn)這3組方程雖然形式不同,但是其本質(zhì)都是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)。實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)微分方程是最一般的形式,理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程是當(dāng)流體黏性可以忽略時(shí)的一種特殊情況,而流體平衡微分方程是當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)運(yùn)動(dòng)方程的一種特殊情況。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生要掌握透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的唯物辯證法的科學(xué)思維方法。

在理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程的基礎(chǔ)上,依次給出流場(chǎng)恒定、質(zhì)量力只有重力、沿流線進(jìn)行積分和不可壓縮流體等4個(gè)假設(shè),推導(dǎo)化簡(jiǎn)得到伯努利方程的表達(dá)式,指出方程的適用條件、每一項(xiàng)的物理意義及幾何意義。

由伯努利方程可知,當(dāng)流體做等高流動(dòng)時(shí),流體速度越大的地方,壓強(qiáng)越小。所以鄂洛多克慘案中,當(dāng)列車(chē)進(jìn)站時(shí),列車(chē)和火車(chē)站工作人員之間的空氣通道速度比較大,壓強(qiáng)比較小;火車(chē)站工作人員背后遠(yuǎn)離列車(chē)的地方則空氣流速比較小,壓強(qiáng)比較大。那么,人前后兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)壓差力,就是這個(gè)作用力使得人摔下站臺(tái),引發(fā)了事故。這也是現(xiàn)在高鐵站、地鐵站站臺(tái)設(shè)置黃色安全警戒線的原因。引導(dǎo)學(xué)生要遵守交通規(guī)則和秩序,引出生命觀教育。

3.總結(jié)并布置課后作業(yè)(5分鐘)

回顧理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程和伯努利方程的推導(dǎo)過(guò)程以及伯努利方程的物理意義和幾何意義。課后作業(yè)要求學(xué)生查閱資料,自行思考生活中利用伯努利原理的例子,并進(jìn)行解釋。

在上述的教學(xué)設(shè)計(jì)中,課程導(dǎo)入為引出課程思政進(jìn)行了鋪墊,講解知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中將思政內(nèi)容和課本知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起,學(xué)生更容易接受思政教育,同時(shí)使得課本知識(shí)更加生動(dòng)有趣。

三、結(jié)語(yǔ)

“流體力學(xué)”以工程技術(shù)為背景,具有豐富的思政元素,通過(guò)對(duì)民族文化、科學(xué)思維方法、工程倫理教育、科學(xué)家精神等思政元素的挖掘,將思政元素與課程內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,使得枯燥難懂的“流體力學(xué)”理論知識(shí)變得有血有肉、充滿趣味,利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)習(xí)效率,提升綜合素質(zhì)。