基于流體力學多尺度實驗課的卓越人才創新意識培養分析

蔡偉華,李 倩,李浩然,孫建闖,王 悅,李洪偉,洪文鵬

(東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)

0 引言

2020年9月22日,我國提出了“2030碳達峰、2060碳中和”的重大戰略目標[1],積極穩妥推進碳達峰碳中和,必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力”[2],為實現能源轉型、人才培養提出了新要求。國家提出的雙碳戰略目標對高校能源動力類專業發展而言既是機遇,也是挑戰,也對專業學生的培養提出了更高的要求。東北電力大學作為傳統電力能動類高校,培養了大批專業人才,更肩負了新時代能源轉型創新性人才培養的重任。

“工程流體力學”課程在能源動力類專業學生培養體系中占據重要地位,是重要的專業基礎課。近年來,東北電力大學在“工程流體力學”課程的教學實踐中進行了大量探索,構建了“基礎理論-專題內容-工程應用”三段式教學體系及“引入日常生活現象、引入工程實際案例和創新科研成果,課程知識‘點、線、面’相結合”四位一體的教學方法,實現了課堂理論教學與工程實踐操作的有機融合,提高了學生解決工程實際問題的能力,取得了良好效果,推動該課程入選國家級一流本科課程。

本研究在東北電力大學能動卓越班開展“流體力學多尺度創新實驗課”課程,讓學生深入掌握理論,激發其學習興趣,培養其研究熱情,開發其創新意識與實踐能力,進一步推動應用研究型人才的培養[3]。

1 流體力學多尺度創新實驗課概況

“流體力學多尺度創新實驗課”依托東北電力大學能源與動力工程學院流體力學創新團隊(國家級精品資源共享課主講團隊)及國家級實驗教學示范中心,是對傳統工程流體力學教學和實驗的重要補充。通過一些創新性實驗,使學生認識到理論聯系實際的重要性。課程充分利用學院科研資源,為學生提供優質的教學培養平臺,構建“導而思,導而學”的教學模式,培養學生的實踐能力與創新意識。

課程授課對象為能動類專業卓越班大二、大三學生。課程實驗內容設計方面,流動尺度從宏觀、介觀過渡到微觀,流動介質由簡單流體(水、二氧化碳)過渡到復雜流體(粘彈性流體、納米流體)。開設7個創新性實驗:基于粒子圖像測試技術的二維速度場測量、粘彈性流體槽道湍流減阻、表界面張力測量、微尺度通道流動與換熱、多孔介質內Hele-Shaw Cell流動、界面光熱蒸發器熱濕平衡調控、液滴撞擊固體表面動力學行為。實驗內容新穎,涵蓋學科研究與實際工程應用領域的熱點問題,從簡單過渡到復雜,循序漸進,涉及知識面廣且深,實現了專業知識的交叉融合。

2 課程特色與創新點

流體力學多尺度創新實驗課相對于傳統課程而言,針對的教學對象有較大差異,更注重于培養卓越人才。課程在流體力學傳統實驗課的基礎上進行了大量補充升級[3-4],從學科前沿問題中的多尺度流動問題出發,與其他先修基礎課程交叉融通,在教學實踐過程中逐漸形成了以下特色與創新點:

1)教學內容緊跟前沿。課程基于粘彈性流體動力學、電子器件微通道散熱、多孔界面光熱蒸發、微納超疏水防除冰、二氧化碳地質封存等前沿技術,闡述多尺度流體力學對能源動力工程師職業發展的重要作用。針對特定應用場景的流體力學基礎問題,從單相到多相、從宏觀到微觀、從理想狀態到實際狀態、從基礎到實際應用,依次闡述表觀現象、流動規律和發生機制,形成循序漸進、由淺入深的教學體系,突破傳統課程從發展歷程切入的思路,基于工程實際問題引導學生逐漸了解教學內容,激發學生的學習熱情,使其不僅“學會”,而且“會學”。

2)教學方法創新多樣。課程重視學生在學習中的體驗感,以學生為中心設計多種教學方法。結合能源動力專業特點,建立多尺度流體力學“三引入”的實驗基礎教學內容:引入項目案例、科研報告、思政元素。融入“導而學,導而思”的教學理念,鼓勵學生親自操作實驗,讓學生意識到自己是實驗的主導者,理解實驗每個環節的重要性。與學生實時交互,隨時解決學生疑惑,激發學生的課堂參與感和代入感。要求學生在掌握各項新興技術測試原理和方法的同時,提升新問題提出能力、新方案設計能力、新數據分析能力,引導學生創新解決問題的途徑,助力其成長為卓越工程師。

3)科研式的實驗思考題。融入科學研究理念,培養學生深層次思考的意識。思考意識是創新型人才的基本素養,在思考中啟發學生加深對實驗中出現的重要問題的認識,進而理解學科前沿問題。例如,在液滴撞擊固體表面動力學行為實驗中,液滴撞擊親水、疏水及超疏水表面后,形態有何差異。液滴撞擊固體表面后,液滴的最大鋪展直徑、接觸時間、最大反彈高度與哪些因素有關。這些在機翼防冰、太陽能電池板除塵等領域提煉出的核心科學問題,可引導學生自由探索與思考。

4)全過程的教學評價體系。流體力學傳統實驗課對實驗教學目的的重視程度不夠,一般以簽到、實驗數據記錄及實驗報告為評定依據,與專業基礎課甚至通識性基礎課的考核方式沒有本質區別,評價方式過度倚重實驗報告。流體力學多尺度創新實驗課采用授課教師指導、課題直接相關研究生一對一跟蹤的方式,對參加實驗的學生進行全過程記錄與隨時指導。采用授課過程提問(20%)、實驗過程追蹤(30%)、實驗結果分析(20%)、實驗報告評分(30%)“四位一體”的教學全過程綜合評價體系,全面考查評價學生的學習效果。隨著全過程教學評價體系的逐步完善,基本消除了傳統課程中平時成績與期末成績反差較大的情況,學生的學習效果明顯提升。

5)優質的師資隊伍。自2021年開設流體力學多尺度創新實驗課以來,課題組把師資隊伍建設放在首位,通過賽課大賽擇優篩選授課教師,考核過程只看實力不看資歷,準入門檻較高。賽課大賽包括對參賽教師說課水平、教學計劃、教學方案、教學過程、實驗水平等方面的考核,是考核擬上課教師綜合能力、選拔優秀專業教師的重要環節。經過3年的發展,課題組建設了一支以教育部青年長江學者計劃入選者為帶頭人,多名擁有著名學府留學經歷的骨干教師為創新層,一批青年優質教師為人才梯隊的流體力學多尺度創新實驗課教學團隊。

3 課程教學成效

開設流體力學多尺度創新實驗課是對新教學模式和教學理念的創新性嘗試,著力于培養具有創新意識的卓越人才。因此,課程教學成效的考核尤為重要,主要考核學生是否從該課程中真正學到了知識、實踐能力是否有所提高、創新意識是否有所提升等。學生對課程教學質量的評價和建議十分重要,以學術提升為方向、以學生意見為中心持續改進課程,為課程持續優化奠定了良好基礎。

通過三輪實驗教學,選課人數達到82人。以調查問卷的形式開展教學質量評價,共發放和回收問卷82份,回收率100%。課程教學質量評價的具體指標詳見表1。

表1 流體力學多尺度創新實驗課程教學質量評價指標

問卷結果顯示,學生對該課程評價較高,96%的學生認為流體力學多尺度創新實驗課達到了很好的教學效果,受益頗多,主要體現在以下幾個方面:①課程內容新穎,具有很強的創新性,理論知識與實際應用緊密聯系。如基于粒子圖像測速技術的二維速度場測量,是歐拉法描述流體運動速度的體現。②對每個實驗的基本原理進行講解的同時,設置了具有創新性的思考問題,培養了學生分析解決問題的能力,鍛煉了學生的創新意識。③實驗內容非常貼近工程應用實際。如粘彈性流體槽道湍流減阻、二氧化碳在Hele-Shaw Cell中的流動,界面光熱蒸發器熱濕平衡調控等,教會了學生如何從實際工程應用中提煉科學問題。④學生親自操作實驗儀器,切身體會實驗過程,掌握獲取與分析實驗數據的方法,培養自身科學研究的嚴謹性。如在微尺度通道流動與換熱實驗中如何獲得微通道內流型、如何分析流動壓降的不穩定性等。

4 結束語

在東北電力大學能源與動力工程學院流體力學創新團隊的努力下,兩年多的創新實驗教學取得了良好的教學效果,學生主動學習、主動思考和創新意識得到了提升,分析與解決問題的能力得到了鍛煉。未來課題組將繼續致力于優化流體力學多尺度創新實驗課,根據科研平臺更新優化教學內容,修訂實驗指導用書,增加學生實踐與師生研討時間等。在國家雙碳戰略背景下,以該課程為契機,努力打造交叉性、創新性強的優秀實驗課程,培養能源轉型亟需的卓越創新型人才。