學科交叉融合下的流體力學課程改革探討

葉志洪，安強，龍天渝，王會麗

(重慶大學環境與生態學院，重慶 400045)

0 引言

“十四五”時期，面對新經濟發展，開啟以“寬口徑、夯基礎、重交叉、強實踐”為特色的教學改革探索，推進不同課程交叉融合，造就身懷愛國之心且擁有儲備豐富的交叉學科基礎知識的卓越“新工科”人才，為我國制造業高質量發展和綜合國力的提高提供堅實的智力支持和科技支撐是高校應當持續探索的時代命題[1-3]。

流體力學作為力學的一個分支，主要研究在各種外力下，流體自身特性、流體平衡和運動規律[4]。作為環境專業基礎課程之一，該課程的學習使學生能對廢水、廢氣等流體在流動或平衡狀態情況下的力學規律進行定性、定量分析，理解環境流體與固體(例如管道)之間的相互作用以及流體傳遞過程規律[5]。但由于其本身具有理論性強、內容抽象晦澀、專業跨度大的特點，對邏輯思維能力與理論基礎都有較高要求；同時課程具有較強的應用性，在教學過程中需要與應用實例相結合，通過多種方式引導學生積極思考，培養學生理論聯系實際能力與創新實踐能力。因此，傳統的單一學科模式已不適用于該課程的傳授與學習[6]。本文分析了環境工程專業流體力學課程在教學過程中存在的不足以及學科交叉的必要性和可行性，通過打破學科專業壁壘，融通多學科知識體系，加強思政引領，以提升學生創新實踐能力、理論聯系實際能力和自主學習能力，培養既有理論深度又有實踐基礎的高素質人才。流體力學課程主要教學體系如圖1 所示。

圖1 流體力學課程主要教學體系

1 開展學科交叉的必要性與可行性

將兩門或兩門以上的不同學科相互融合滲透，打破學科之間壁壘的方式稱為學科交叉(interdisciplinary)。學科交叉融合不僅可以增強基礎學科的育人功能，還可以打破學生的刻板思維，拓寬視野，提高學生創新能力，是高等教育發展的新引擎[7]。

1.1 學科交叉的必要性

流體力學出現至今，從未在人類社會發展中缺席，尤其是近現代高新技術領域，如：航空航天、交通運輸、裝備制造等行業，流體力學的創新性應用所展現出的潛在優勢更是不容小覷。如果僅僅圍繞課本內容“閉門造車”，由此造成的局限性將導致這門課程失去原有的“活力”，所以增強學生的交叉學科知識儲備成為在流體力學授課過程中亟待解決的關鍵問題。只有打破學科屏障，適度的將其他學科的知識體系與流體力學相融合，提升學生相關領域的了解與認識，引導學生深入理解相關原理與應用，進一步激發學生創新性探索與嘗試，才能更好助力學生成長成才。

1.2 學科交叉的可行性

20 世紀60 年代以來，流體力學逐漸與其他學科交叉滲透。經過多年的發展，先后形成了物理-化學流體動力學、磁流體力學、高超聲速空氣動力學等新的交叉學科或邊緣學科。在實際教學工作中，由于流體力學本身涵蓋了多個學科知識，通過學科之間相互交叉滲透，使學科融合、思政引領、知識傳授三者有效結合，提升學生解決實際問題的能力。

2 教學過程存在的不足

2.1 學生對課程的重要性認識不足，主觀能動性差

傳統單一學科授課中，教師所教授的內容以教材為基礎，對知識的處理與本專業相關知識的聯系較少，缺乏創新性與拓展性，教學模式和考核形式相對單一，導致課程與專業學習短期內看起來相關性不大。學生的學習抱有“應試”心態，缺乏獨立思考，難以發現所學知識與今后工作生活或科學研究的相關性，導致學生學習流體力學的主觀能動性和解決問題的自主性較差。

2.2 教師傳授知識方法單一

由于流體力學課程本身涉及專業名詞較多，且需要以高等數學、大學物理等課程為基礎進行相關物理意義的理解和數學模型的構建，加之相關的現象、修正公式、修正系數等紛繁復雜，理解起來較為抽象。且教材中便于理解的直觀案例較少，所以學生較難對所學知識有深入的認識和掌握。無法聯系實際，運用所學知識解決實際工程問題[8-9]。

2.3 教學模式固化

當前流體力學的教學多以講授的方式為主，但由于教學內容的滯后性、教學平臺缺乏多樣化以及教學資源的局限性，導致教師的授課大多為“填鴨式”教學，學生自主性不足。教師與學生的互動是幫助學生深入理解知識的重要途徑之一，但由于知識的高階性與復雜性，傳統教學模式中的互動方式，如簡單的“問答”、單一的課后作業形式，難以提供師生的有效溝通，易導致教師對課程安排、教學方案的誤判，使學生無法高效的掌握相關知識。

3 “交叉型”教學改革后的課堂內容

“交叉型”教學是一種以核心課程為主，多學科交叉融合，實現“學科無界限”的教學模式。與傳授單一性知識為主的傳統教學模式相比，交叉型教學以主講課程內容為基礎，融入其他學科的相關知識，讓學生們認識到各學科之間的相互聯系、相互融合。

3.1 計算機學科交叉

計算機科學在許多理論研究領域和實際的工程應用中都扮演著十分重要的角色，同樣，在環境流體力學課程中也占有一席之地。在計算機學科中，能夠模擬環境流體動力學問題的軟件主要有Fluent、Abaqus、Origin 等，它們在環境專業領域廢水、廢氣等流體的模擬和處置方面都有著廣泛的應用[10]。Fluent是一種研究空氣動力學等問題的常用軟件，為了能夠讓學生初步了解計算機在環境流體力學中的應用，可以在課堂上講述Fluent 這個典型軟件的一些基本操作步驟和具體的模擬案例。例如：模擬飛機的機翼在空氣中形成的流場、建立動態分析的毒性氣體擴散模型[11]、分析某空間中污染物的擴散過程等。無論是在大氣還是在水等其他方向的研究中，都可以培養學生相關的理論知識，讓學生了解環境流體力學和計算機之間的學科交叉融合，為學生解決復雜問題提供新思想和新方法[12]。

3.2 化工學科交叉

在環境流體力學中，空氣和水是最為常見的研究對象，相關分析與流體的性質和流體之間的化學反應息息相關，它們影響著流體的流動狀態和傳質行為。為了讓學生了解化學在環境流體力學中的作用，以雷諾數為例進行解釋：雷諾準數是環境流體力學中表示流體黏性的相似準數，與流體的黏性力、密度有關。隨著化學反應的進行，流體物質也不斷發生著改變，物質的改變也會引起流體黏性力、密度的改變，層流可能會變為湍流加快物質混合，進而促進化學反應，而反應的加劇又促進了湍流的不穩定性，導致雷諾數的變化[13]。另外，化學試劑的濃度、反應速率等也都影響著流體力學的計算。通過講解化學學科對環境流體力學方程式的影響，直觀地讓學生認識到化學反應在流體相關計算中的重要作用，開闊學生的思維，培養學生多方位思考的能力。

3.3 機械設備學科交叉

廢氣、廢水處理過程中構筑物及反應器的設計與內部流體的性質和狀態等都有著較大的聯系。在氣、液兩相反應中，反應器的形狀對流體動力學行為有著顯著的影響，直徑的大小影響氣、液接觸面積和氣、液之間的傳質行為[14]，直徑越大反應器內流體越均一，流動狀態就越穩定。在攪拌反應器的設計中，攪拌槳的形狀，攪拌槳離釜底的距離，攪拌速率[15]等都影響著流體的狀態；攪拌速率越慢，擴散不均勻，而攪拌速率越快，分子運動越劇烈，也會加劇湍流的不穩定性。在教學過程中，引入環境專業廢水、廢氣處理過程中構筑物、反應設備對內部流體的影響，可以增強學生對環境流體力學的理解，提高對環境專業的認識，培養學生多學科交叉融合的思維模式。

3.4 思政學科交叉

多學科交叉融合的另一個重要體現還在于人文素養、堅韌的品格、工匠精神、正確世界觀等思想政治素質的培養。大學生的世界觀、人生觀、價值觀還沒有穩定形成，高校思想政治教育工作至關重要。圍繞愛黨、愛國、愛人民這條主線，將環境專業流體力學課程和思想政治教育充分結合，在學習科學知識的同時，幫助學生形成良好的價值觀。

3.4.1 工程案例融合

從介紹我國流體力學史上典型工程案例入手，如：都江堰、三峽大壩、南水北調等工程，增強學生對國家的文化自信及對民族的自豪感。例如，三峽大壩是我國綜合規模和年發電量最大、防洪效益最顯著、建設難度最大的重大水利工程。三峽工程涉及環境水力學、土木與建筑學等多學科，在教學過程中可自由選擇并添加相關案例。比如，壩體和各種水利設施主要是運用了水靜力學的知識，水輪機主要涉及到葉輪機械的理論，包括多相流，三元理論正反問題，歐拉方程，伯努利方程等。在講解氣體問題時，可以列出與土木建筑類專業有關的流體力學問題，如：風對高聳結構、高層建筑的載荷作用和風振問題等。

通過這些工程實例的挖掘融入，使學生在學習的過程中提高對環境流體力學的認識，開闊學生的視野，增強對我國重大基礎工程的使命感和認同感，提高學生的學習熱情[16]。

3.4.2 海空軍事融合

結合實際軍事裝備應用去講解環境流體力學中的理論知識，可以使學生更加有認同感和獲得感。例如，遼寧號航母上殲-15 艦載機的成功研發為提高空軍裝備水平奠定了基礎，以其機翼減阻設計為例，對繞流物體的阻力和升力進行解釋。以蛟龍潛航器下潛7 000 m 為例(課本例題)，講解靜液作用于平面壁面和曲面壁面的總壓。在講解畢托管時，以C919 大型飛機工程為例，在前端、機翼前部或座艙兩側都有一些向前突出的管道，這是用來測量飛機速度的空速管—畢托管。

從國家國防領域的重大成就實例引入，可以引起學生的學習興趣，增強學生的愛國情懷，培養學生的責任與擔當[17-18]。

3.4.3 歷史人文融合

從歷史人物中發掘思政元素，介紹流體力學奠基人的經歷，豐富學生的愛國精神，為學生樹立好的榜樣。以錢學森的事跡及對國家的貢獻為例：錢學森是中國著名的空氣動力學家，兩彈一星功勛獎章獲得者等。他早年留學美國，師從現代流體力學名家馮卡門。而在新中國成立后，他毅然放棄優越條件，在經歷被美國當局非法扣押、拘留等不公平待遇后，歷經千辛萬苦終于回到了祖國，為研制“兩彈一星”貢獻力量。此外，還可以介紹吳仲華、周培源等其他開拓者和建設者的事跡，將其故事與環境專業流體力學的知識相結合，揭示專業知識與國家命運緊密相連的歷史規律，幫助學生樹立正確的價值觀念，在潛移默化中讓學生接受思想的洗禮，達到潤物無聲的教學效果。

3.4.4 理論與實踐融合

將環境專業流體力學中的理論與現實生活中的現象相聯系，可以給學生一種親切感和現實感，更容易接受抽象的理論知識。比如坐高鐵時，需要站在黃線之外，否則，就有可能會被吸進軌道而受傷。這是因為列車在高速行駛過程中會帶動周圍空氣快速流動，導致其靜壓下降，會造成人體兩側的靜壓差。此外，以乒乓球為例，講解旋轉如何產生。當乒乓球被順時針摩擦時，產生了旋轉，因為表面摩擦加速了氣流，速度越大，壓強越小，在兩邊形成了壓強差，使乒乓球原來的運動軌跡發生變化。通過列舉一些生活中的實例，讓學生更好地理解伯努利方程以及其他流體力學知識的實際應用，幫助學生更好的理解課堂知識。

此外，流體力學是一門需要緊密聯系實踐的課程。學生們如果僅僅機械地背知識做習題，很難做到融會貫通、靈活運用。為改善這種狀況，可以引入眾多實踐環節：例如，讓全班學生嘗試做紙飛機，通過設計不同的飛機模型讓飛機飛得更遠，從而讓學生在動手實踐的過程中真正理解繞流物體的阻力和升力等相關知識。另一方面，可以加強流體力學實驗環節。以往的實驗大多流于形式，很多學生甚至不清楚實驗原理，只是照本宣科地做實驗，沒有思考和創新。為此，可以讓學生參與流體力學實驗設計，數據獲取，數據分析，實驗總結等全部過程，充分發揮學生的動手能力和思考能力，將實驗過程中的表現納入實驗考核中去，實現學生的全過程參與。

4 結語

學科之間的交叉融合是現階段高校教學的改革方向，也是適應現代科學技術發展的趨勢，在今后很長一段時間課堂教學都應該朝著學科交叉的方向前進。在環境專業流體力學課程的教學過程中引入其他相關學科的知識，可以開闊學生的視野，更好的幫助學生理解知識，提高學生的學習熱情。將思政融入課堂教學中，可以增強學生的歷史認同感和愛國情懷，形成正確的價值觀念。在課堂知識的學習中，鼓勵動手實踐，提高學生的操作能力和人創新能力，對于培養專業知識扎實、思維活躍的創新型人才具有重要的意義。