機(jī)械本科專業(yè)“流體力學(xué)”課程創(chuàng)新探索

［摘 要］ 隨著智能裝備制造及人工智能的迅速發(fā)展，很多復(fù)雜的流體工程內(nèi)容應(yīng)運(yùn)而生，而傳統(tǒng)的流體課程教學(xué)長(zhǎng)期存在授課只講書本、課程內(nèi)容還停留在理論層面的問(wèn)題，不能滿足實(shí)際工程的需要，導(dǎo)致學(xué)生理解不深入，不能將理論和工程結(jié)合起來(lái)，無(wú)法學(xué)有所用。針對(duì)上述問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承“以理論為中心，以成果為導(dǎo)向”的教育教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)院特色，將人工智能和“流體力學(xué)”專業(yè)課進(jìn)行融會(huì)貫通，并利用廣東省產(chǎn)業(yè)特色，通過(guò)和企業(yè)的接觸和交流，利用現(xiàn)代信息技術(shù)在教學(xué)方法與教學(xué)實(shí)踐等方面長(zhǎng)期探索，不斷完善，持續(xù)創(chuàng)新。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入企業(yè)，了解企業(yè)需求，組織團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)。教師幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)及實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)學(xué)有所用，深入掌握理論專業(yè)課，服務(wù)地方企業(yè)發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］ 流體力學(xué)；人工智能；產(chǎn)業(yè)特色；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)理念

［基金項(xiàng)目］ 2017年度教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目“佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院校外實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)”（201702171028）

［作者簡(jiǎn)介］ 李 健（1983—），男，河北石家莊人，博士，佛山大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)械高級(jí)工程師，特聘青年研究員，主要從事傳熱傳質(zhì)、流體力學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）52-0105-04 ［收稿日期］ 2024-03-20

“流體力學(xué)”是面向機(jī)械、冶金與能源、航空航天等工科類本科生開(kāi)設(shè)的專業(yè)課，是本科大三、大四專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的需要，流體力學(xué)將會(huì)對(duì)全社會(huì)關(guān)心的生態(tài)環(huán)境的維護(hù)問(wèn)題發(fā)揮積極的作用，重點(diǎn)是研究陸氣、海氣界面過(guò)程，污染物的遷移，風(fēng)沙、泥沙、泥石流運(yùn)動(dòng)，以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)中的水循環(huán)等［1-4］。此外，與生物、地球和天文的結(jié)合也將會(huì)涌現(xiàn)重大的研究成果。因此，“流體力學(xué)”課程創(chuàng)新探索與實(shí)踐在培養(yǎng)學(xué)生深入理解力學(xué)基本知識(shí)體系、對(duì)具體復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別和表達(dá)、使用先進(jìn)的工業(yè)軟件進(jìn)行專業(yè)研究等方面有著重要的地位。

一、課程發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前普遍采用的流體力學(xué)教材、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法還比較傳統(tǒng)，通常存在以下教學(xué)“痛點(diǎn)”問(wèn)題。

（一）課程專業(yè)化程度高，主要是以課堂講授為主

流體力學(xué)理論性強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)功底要求高。因?yàn)榱黧w本身具有復(fù)雜的性質(zhì)和行為，確定流體的性質(zhì)和行為需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)的單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的變化很快，需要高速的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，所以要深入了解流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)理是一件比較困難的事情。目前，一些教師所教授的知識(shí)還僅停留在書本上，對(duì)流體知識(shí)及應(yīng)用領(lǐng)域拓展知識(shí)并不了解，仍采用講授理論加課后作業(yè)的方式，還停留在把書本上內(nèi)容灌輸給學(xué)生的教學(xué)模式。學(xué)生在上課過(guò)程中接收教師傳遞的信息，課后完成作業(yè)，這種模式嚴(yán)重影響了“流體力學(xué)”課程的深度和廣度，使學(xué)生所掌握的知識(shí)僅停留在表面［5-6］。

（二）課程專業(yè)性強(qiáng)，課堂內(nèi)容缺乏時(shí)代性和前沿性

流體流動(dòng)的力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)的物理意義難以理解。描述流體流動(dòng)的納維-斯托克斯方程和能量方程唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但近年來(lái)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢(shì)［7-8］。如果不能準(zhǔn)確把握所涉及的相關(guān)流體流動(dòng)的物理本質(zhì)，會(huì)使部分學(xué)生覺(jué)得“流體力學(xué)”是難以接近的一門課。現(xiàn)在雖然有了工程流體力學(xué)等偏向工程化方面的案例，但是這些針對(duì)如今工業(yè)的迅速發(fā)展也顯得很薄弱［9-10］。例如，在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)前正開(kāi)發(fā)一些高新的操縱技術(shù)，如獨(dú)立變槳操縱、早先變槳操縱等，利用感應(yīng)流體流速的具體改變，調(diào)節(jié)葉片的夾角，讓整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組越發(fā)的智能化，能夠有效地減輕葉片的流體負(fù)荷。在架構(gòu)和用料方面，利用彎扭耦合的流體裁剪設(shè)計(jì)，使得葉片形態(tài)改變后具備主動(dòng)減輕流動(dòng)負(fù)荷的功能，而目前課堂上這種專業(yè)方面的講述還是非常少。

（三）學(xué)無(wú)所用，缺乏與科研和企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目的相關(guān)性

很多學(xué)生認(rèn)為，考上大學(xué)之后，學(xué)習(xí)任務(wù)就完成了，把大學(xué)時(shí)光浪費(fèi)在了混時(shí)間、混文憑上。這樣的想法往往導(dǎo)致在大學(xué)期間學(xué)習(xí)的知識(shí)都是不扎實(shí)的，不知道流體力學(xué)的應(yīng)用在哪里，能解決什么問(wèn)題，只是以考試合格為最終目標(biāo)。結(jié)果導(dǎo)致工作之后，面對(duì)流體力學(xué)專業(yè)性的問(wèn)題無(wú)從下手，即使曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)的內(nèi)容，也無(wú)法解決問(wèn)題。

二、具體創(chuàng)新舉措

經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐，本課程在教學(xué)中多措并舉，對(duì)自身專業(yè)素質(zhì)提升方法及傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行了大膽的改革與創(chuàng)新，具體實(shí)施如下。

（一）高教專業(yè)教師要走出去

雖然高校教師受過(guò)專業(yè)課的培訓(xùn)，但是對(duì)于發(fā)展迅速的科技前沿，還是要及時(shí)積累教學(xué)資料、豐富教學(xué)儲(chǔ)備，更新自己的知識(shí)庫(kù)。為此，教師首先更要多深入流體制造相關(guān)企業(yè)，比如具有佛山本土特色的制造陶瓷衛(wèi)浴中的花灑、噴淋頭、馬桶等的企業(yè)，家電行業(yè)中的熱水器、風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)等裝備制造業(yè)。通過(guò)和企業(yè)技術(shù)人員深入交流，了解企業(yè)面臨的專業(yè)技術(shù)問(wèn)題，從實(shí)際產(chǎn)品角度深入理解，并將目前所掌握的技術(shù)關(guān)鍵難題作為以后上課的素材。理論聯(lián)系實(shí)際，不但能提高教師本身的流體專業(yè)素質(zhì)水平，更能激發(fā)學(xué)生在看得見(jiàn)、摸得著的產(chǎn)品上體會(huì)學(xué)習(xí)流體力學(xué)的樂(lè)趣，從而更深刻地意識(shí)到學(xué)習(xí)流體力學(xué)的重要性。

（二）舉辦小組論壇，開(kāi)闊學(xué)生眼界

基于基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，讓學(xué)生結(jié)合流體力學(xué)的發(fā)展歷程在日常生活、國(guó)防和各類工業(yè)中廣泛應(yīng)用，并突出與專業(yè)相結(jié)合，為學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。此外，讓學(xué)生多看一些流體力學(xué)的國(guó)際論文以及知名的流體SCI期刊，了解這個(gè)專業(yè)的研究方向及應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)分組的形式讓學(xué)生進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)，每節(jié)課安排兩組學(xué)生根據(jù)以上調(diào)研和學(xué)習(xí)進(jìn)行匯報(bào)，讓學(xué)生掌握專業(yè)創(chuàng)新的思維模式和具備處理實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題的能力，為學(xué)生將來(lái)從事工程實(shí)踐或科學(xué)研究時(shí)，解決流體力學(xué)實(shí)際問(wèn)題提供必要的知識(shí)基礎(chǔ)。

（三）參與實(shí)際課題，掌握理論知識(shí)，解決工程問(wèn)題

黨的二十大報(bào)告提出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。新技術(shù)的導(dǎo)入將對(duì)教育產(chǎn)生重大影響。在此背景下成立廣東省高等教育學(xué)會(huì)產(chǎn)教融合與校企合作研究分會(huì)，能夠搭建起高校與高校之間、高校與企業(yè)之間溝通交流的平臺(tái)，助推廣東省產(chǎn)教融合事業(yè)的健康發(fā)展，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。各高校要科學(xué)識(shí)變、主動(dòng)求變，準(zhǔn)確把握產(chǎn)教融合內(nèi)涵，推進(jìn)產(chǎn)教融合實(shí)踐，促進(jìn)大學(xué)生高質(zhì)量就業(yè)。為此，讓學(xué)生參與企業(yè)課題，既可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，又可以使學(xué)生在項(xiàng)目中有效利用理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。同時(shí)，流體力學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，在進(jìn)行項(xiàng)目的過(guò)程中，教師通過(guò)將理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三種常用的流體力學(xué)研究方法相結(jié)合，著力培養(yǎng)學(xué)生的流體力學(xué)科學(xué)研究能力。通過(guò)“項(xiàng)目研究”的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，與各類工程專業(yè)結(jié)合更為密切，與其他學(xué)科的交叉滲透更加廣泛深入。

三、案例分析

筆者自畢業(yè)以來(lái)，在明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司、佛山市中山大學(xué)研究院及中山大學(xué)進(jìn)行工作和科研，因此具備了在企業(yè)、研究院所及高校進(jìn)行研發(fā)及學(xué)習(xí)的工作經(jīng)歷，這些都可以作為素材對(duì)學(xué)生進(jìn)行展示。

第一，在教學(xué)過(guò)程中普及流體力學(xué)的應(yīng)用場(chǎng)景。首先，向?qū)W生介紹企業(yè)背景，讓他們知道這門專業(yè)應(yīng)用的具體行業(yè)。比如，明陽(yáng)智能作為全球化清潔能源整體解決方案提供商，位居中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)和全球新能源企業(yè)500強(qiáng)，全球海上風(fēng)電創(chuàng)新排名第一位，正奮力打造全球知名的千億級(jí)新能源產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。其次，講述流體力學(xué)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，作為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可再生能源，風(fēng)能對(duì)于減少碳排放至關(guān)重要。風(fēng)電設(shè)備的安裝需要面對(duì)空氣動(dòng)力較復(fù)雜的環(huán)境，風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電設(shè)備的安全性成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的CFD方法越來(lái)越多地應(yīng)用到風(fēng)電設(shè)計(jì)與研究中。為了保證風(fēng)電場(chǎng)更高效、更低維護(hù)成本的可持續(xù)性運(yùn)營(yíng)，流體力學(xué)從風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、浮式海上風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)等多個(gè)方面提出解決方案，保證不同風(fēng)況變化下風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)健性。最后，結(jié)合自己在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)SCI期刊Renewable Energy發(fā)表的“Numerical Simulation and Application of Noise for High-power Wind Turbines with Double Blades Based on Large Eddy Simulation Model”進(jìn)行應(yīng)用案例講解，分析流體力學(xué)在風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性中的應(yīng)用及在研發(fā)中的應(yīng)用。

第二，每節(jié)課安排10～15分鐘為學(xué)生進(jìn)行前沿講座。首先，當(dāng)講到流體力學(xué)無(wú)量綱理論時(shí)，會(huì)提前讓學(xué)生進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)調(diào)研，讓學(xué)生充分了解這門課程講的具體內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)到無(wú)量綱量具有數(shù)值的特性。在科研中，無(wú)量綱數(shù)對(duì)于理論求解、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算都有指導(dǎo)意義。其次，讓學(xué)生去查找一些相應(yīng)的無(wú)量綱數(shù)組的應(yīng)用，了解無(wú)量綱數(shù)在研發(fā)及工程上的應(yīng)用點(diǎn)，比如雷諾數(shù)、歐拉數(shù)、弗勞德數(shù)、韋伯?dāng)?shù)、馬赫數(shù)等。再次，讓學(xué)生有針對(duì)性地查找一些流體會(huì)議及論文，整理好相應(yīng)的素材，指定分組學(xué)生進(jìn)行課上匯報(bào)講解，提高學(xué)生的主動(dòng)性。最后，根據(jù)自己在科研過(guò)程中針對(duì)半導(dǎo)體裝備MOCVD遇到的流體、傳熱、腔體穩(wěn)定性等，發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院二區(qū)流體力學(xué)頂刊Physics of Fluids上的“Theoretical Adjustment of Metalorganic Chemical Vapor Deposition Process Parameters for High-quality Gallium Nitride Epitaxial Films”給大家詳細(xì)講解如何利用無(wú)量綱數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝參數(shù)指導(dǎo)，讓學(xué)生對(duì)所掌握的無(wú)量綱數(shù)組這個(gè)知識(shí)點(diǎn)找到具體的應(yīng)用場(chǎng)景。

第三，針對(duì)企業(yè)實(shí)際“卡脖子”問(wèn)題讓學(xué)生去思考解決。《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出，建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，支持粵港澳企業(yè)、高校、科研院所共建高水平的協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化。實(shí)施粵港澳科技創(chuàng)新合作發(fā)展計(jì)劃和粵港聯(lián)合創(chuàng)新資助計(jì)劃，支持設(shè)立粵港澳產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟。為此，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)深入企業(yè)進(jìn)行交流，了解企業(yè)“卡脖子”問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)有所用。例如，某油煙機(jī)廠家提出了客戶針對(duì)他們產(chǎn)品在風(fēng)量和噪聲上存在的問(wèn)題，為此我們針對(duì)該項(xiàng)目分小組進(jìn)行了研發(fā)和討論：A小組進(jìn)行產(chǎn)業(yè)調(diào)研，確定共性問(wèn)題；B小組通過(guò)流體力學(xué)理論進(jìn)行風(fēng)機(jī)建模；C小組通過(guò)計(jì)算進(jìn)行流體力學(xué)分析確定結(jié)果可靠性；D小組進(jìn)行測(cè)試及樣機(jī)驗(yàn)證。

通過(guò)小組協(xié)調(diào)分工，最終實(shí)現(xiàn)了大風(fēng)量、低噪聲的風(fēng)機(jī)樣機(jī)研發(fā)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)和工作之間進(jìn)行融合，深入地掌握課程理論與應(yīng)用結(jié)合的方法。

四、成效與收獲

本文基于長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐和廣闊的國(guó)際視野，針對(duì)流體力學(xué)目前存在的理論及專業(yè)性強(qiáng)、時(shí)代前沿性等問(wèn)題實(shí)行以下有效的改革措施：通過(guò)豐富教師的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，讓教師率先進(jìn)入企業(yè)，了解不同領(lǐng)域的流體力學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展?fàn)顩r，積累教學(xué)素材。在上課過(guò)程中，除了講授課本基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)以外，通過(guò)學(xué)生參與國(guó)際論壇在線學(xué)習(xí)以及專業(yè)論文的閱讀，讓學(xué)生掌握流體力學(xué)的前沿知識(shí)。學(xué)生走入項(xiàng)目組，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，利用先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)解決實(shí)際的工程問(wèn)題，體驗(yàn)成功的樂(lè)趣。

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Exploration and Practice of Teaching Innovation in Fluid Mechanics for Mechanical

Undergraduate Majors

LI Jian， JI Yi-ting， WANG Dong

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Foshan University， Foshan，

Guangdong 528225， China）

Abstract： With the rapid development of intelligent equipment manufacturing and artificial intelligence， many complex fluid engineering contents have emerged. However， traditional fluid course teaching has long only taught textbooks， and the course content still stays at the theoretical level， which cannot meet the needs of practical engineering. This leads to a lack of in-depth understanding and inability to combine theory and engineering， students connot apply what they have learned. In response to the above issues， the teaching team adheres to the educational and teaching philosophy of “theory centered， results oriented”， fully leverages the characteristics of the college， and integrates the courses of artificial intelligence and Fluid Mechanics. And utilizing the industrial characteristics of Guangdong Province， through contacts and communication with enterprises， the teaching team fully uses modern information technology to explore teaching methods and practices for a long time， continuously improving and innovating. And they encourage students to enter enterprises， understand their needs， and organize teams to tackle technical challenges. Teachers help students “discover problems”， “analyze problems”， and “solve problems” in the process of learning and practice， achieving practical application of knowledge， in-depth mastery of theoretical and professional courses， and serving the development of local enterprises.

Key words： Fluid Mechanics; artificial intelligence; industrial characteristics; teaching practice; teaching philosophy