以學生發展為中心的“雙一流”能源動力類《工程流體力學》教材建設思路

摘要：針對“雙一流”專業創新型人才培養要求，文章圍繞教材內容、案例設計、作業和問題設置、科學精神和愛國主義教育四個方面，探討以學生發展為中心的《工程流體力學》教材設計途徑，為“雙一流”能源動力類專業基礎課程教材建設提供參考。

關鍵詞：工程流體力學課程；教材建設；學生發展；雙一流學科

工程流體力學課程是高等工科院校能源動力類專業中的一門主干專業基礎課程，課程內容覆蓋了動力工程及工程熱物理、船舶與海洋工程、輪機工程、過程裝備、海洋工程等后續專業所需的通用理論基礎。工程流體力學課程建設對于保障動力專業創新型人才培養具有極其重要的作用。由于流體與剛體、一般彈性體相比，在物性、運動原理和表現形式上存在很大的差異，學生在學習過程中需要理解大量全新的概念和分析方法，普遍感覺流體力學概念抽象，難以理解，因此對該課程產生畏難情緒和厭學現象。在以學生為主體的新工科教材轉型中，《工程流體力學》教材編寫中仍存在諸多薄弱環節，亟待完善。

教材建設過程很大程度上體現了編者對教學途徑的思考，目前國內出版的《工程流體力學》教材大多存在“學術性強，教學性弱”“理論性強，實踐性弱”“思政教育親和力不足”的問題，教材在對學生終身學習習慣、創新能力和自我學習意識的培養方面存在明顯短板，這也客觀反映了我國工程流體力學課程的教學現狀。在教材的建設過程中，編者從“學”的角度，充分考慮教材內容編排的系統性和邏輯性、內容的豐富性和實效性、理論性和實踐性的融合、現代數字媒體資源的利用，對于推進教學方式改革和提升人才培養質量都具有重要意義。

一、《工程流體力學》教材建設現狀

李曉鋒等指出“以學生發展為中心，體現教學性要求；以結構內容為核心，體現科學性要求；以媒體融合為亮點，體現多形態特征是新形勢下高校優秀教材的主要特征。”針對“雙一流”高校對拔尖創新型人才培養的要求，張燕等通過以工程案例為導向的《工程流體力學》教材的建設、開展以問題為導向的教學手段改革，結合傳統課堂和現代可視化教學手段，將科研項目中的工程實際問題轉化為流體力學問題，實現了教學和科研的深度融合，提高了學生分析和解決實際工程問題的能力。陳更林等人論述了“雙一流”建設背景下的《工程流體力學》教材改革思路，提出教材改革應遵循“通用性與針對性相結合的原則”“系統性與靈活性相結合的原則”“經典性與先進性相結合的原則”和“科學性與實用性相結合的原則”。《工程流體力學》教材需要引入新理論、新進展，使學生能夠了解本學科領域的發展前沿動態，達到培養學生實踐能力和創新能力的目的。李棟等建立了以案例教學為主的課堂教學模式，整合國內外資源，重新編制了《工程流體力學》教材，采用數值模擬以及實驗研究的手段，形成工程案例數據庫。推動網絡互動式教學模式的探索與實踐，按照“以學生為中心”的教學理念，在工程流體力學課程教學中嘗試以“互聯網公眾平臺實時互動教學”輔助傳統教學。

工程流體力學課程作為工科院校重要的基礎課程，教材建設在立足學生發展，結合現代網絡資源的立體化教材建設、以問題為導向的探究性教學模式以及科學性與實踐性密切結合方面的趨勢越發明顯，增強教材的教學性，提升內容科學性和多元化的教材建設是《工程流體力學》教材未來發展的必然要求，對于“雙一流”動力專業高水平拔尖人才培養具有重要意義。

二、《工程流體力學》教材設計分析

工程流體力學課程是流體力學的分支，在內容上更加側重于無黏流動，且流體運動的基本原理推導多以積分形式為主。教材涵蓋流體的性質和流體微團上的作用力、流體靜力學、流體運動學、流動動力學、相似理論、考慮黏性的管道流動、邊界層理論、湍流初步和可壓縮性等內容。從“問題導向、探究性學習、理論實踐相融合”的新工科人才培養理念來看，當前教材在內容編排和結構組織方面仍存在不足。新工科下的《工程流體力學》教材應具有以下方面的特征。

首先，《工程流體力學》教材要充分考慮流體力學的學科特點和學習規律。客觀上來講，流體力學一直是一門“視覺”學科——需要學習者通過觀察的手段，理解流體的性質和發現流動中有趣的規律。隨著技術進步，教材可以使更多的視覺組件融入學習環境當中，并成為流體力學學習的重要組成部分。《工程流體力學》教材范疇應逐步納入具備更新功能的電子素材庫，素材庫以照片、插圖和視頻動畫等形式貫穿于教材正文、案例問題分析和頁邊插圖等教材的功能模塊之中。電子素材庫在更加清楚地說明教材正文所討論的各個要點的同時，能夠通過視頻手段展示現實世界中流體力學原理支配的有趣的流動現象以及如何進行應用。電子素材庫也更有利于展示計算流體力學等流體力學新興分支的資料和前沿成果，從而激發學生對解決科學問題的興趣。此外，教材還可以通過將課后習題和電子素材庫中的流動現象、規律相關聯，達到強化學生對流體力學現象的理解的目的。

其次，具有“代入式”特征的案例設計是《工程流體力學》教材設計的重要方面。為此，案例設計中需要更多的引入對日常身邊流體流動現象的分析，案例提出的實際問題能夠很容易地使學生和教師聯系起來，引起共鳴。教材中的案例應更加強調對問題解決方案形成過程的分析，可以針對具體案例設置“設定、查找、解決和評論”等欄目來增加學生對案例設計的參與度，改善學生對流體力學基本原理學習的體驗感。教材中還可以通過設計一些與作業相關的“新聞中的流體”故事，來反映流體力學影響我們生活的一些最近發生的重要而新穎的方式。

再次，《工程流體力學》教材中的作業和習題設置要充分考慮學生自我學習能力的培養，尤其重視教材中知識的關聯性，以此來提高學生自學的樂趣。作業和習題需要側重物理原理的實際應用，并根據不同的教學目的分類習題。可以從“原理性問題、計算問題、討論類問題、要提供數據的問題、解決方案回顧類的問題、基于教材中話題的問題、基于流體視頻的問題、基于實驗的問題、終身學習類問題、根據流動情況的照片/圖像、需要學生自主獲取新知識的問題、計算流體力學使用問題、需要在網上查找解決的工程基礎考試類問題”等角度對習題進行新穎的分類。

在流體力學概念的講解方面，教材設計需要充分考慮如何在流體問題解決過程中逐漸培養初學者的學習信心。在引入更復雜的章節之前，每個重要的概念都需要通過簡單易懂的方式進行解釋。通過簡短總結句子的方式，提醒學生所討論的重要概念。教材可以在每一章添加額外的注釋，幫助學生理解本章中獲得的關鍵知識在整本書中的作用。教材可以在章節開頭處設計簡短的學習目標，完成本章內容的學習后，提醒讀者對學習目標完成的邏輯過程進行回顧，從而確保學生對概念的準確理解。這個過程對于學生自主推理和獨立學習能力的培養十分必要。教材的最后可以對各章節中的關鍵概念和原理進行簡要的總結，并隨附學生應知悉的重要術語清單來幫助學生理解教材中的概念，建立信心。

在《工程流體力學》教材章節的組織方面，教材的編寫要更多地從學生學習規律的角度考慮安排內容。例如，在講解有關伯努利方程的內容之前，實際上學生已經了解了流體特性、流動狀態、靜止和運動流體的壓力變化、流體運動學以及流體描述和分析的方法這些基本知識，能夠理解伯努利方程支配的一些有趣的流動現象，此時，教材可以考慮在流體動力學之前引入伯努利方程部分的教學內容，將有助于引起學生對流體力學的興趣。在掌握基本概念之后，教材再引入流體動力學原理也能夠提高學生對更復雜的動力學內容的學習熱情。隨后的章節以流體動力學為基礎，教材逐步介紹解決流體動力學問題的基本分析方法，重點放在幫助學生理解如何應用數學方法描述復雜流動現象，以及何時和如何使用無窮小和有限控制體積概念解決流體動力學問題，從而激勵學生進行獨立思考和培養自主學習意識。接下來，教材討論使用量綱分析和相似理論來組織試驗數據和開展模化實驗所涉及的原理和方法，為學生理解流體力學的工程應用進行鋪墊。此外，教材介紹其他一些重要概念，如邊界層、從層流到湍流的過渡、湍流建模和流動分離，以及葉輪機械中的流動問題等。由于計算流體動力學在工程設計和分析中的重要性日益增加，教材中可以增加有關基本概念的講解，并引入計算流體力學軟件解決各種有趣流動問題的示例和分析。

在教材需要提供的學習資源方面，新教材應該能夠為學生和教師提供多元的學習資料和學習途徑，例如Munson等配合流體力學教材出版了《學生解決方案手冊和學習指南》的補充文本，為教材中的習題提供了詳細的解決方案，并簡述了大多數章節的要點，以及方程、插圖和工作案例。教材通過在線資源為學生和教師提供視頻庫、CFD示例、習題與答案，同時針對課堂的教學使用，提供有關教師解決方案，包含完整的、詳細的解決方案。

最后，新工科背景下的《工程流體力學》教材應能夠體現對學生科學精神的培養和愛國主義教育。教材可以從著名流體力學人物傳記、流體力學典型現象解析、經典公式背后的歷史故事、重要科學成果研究歷程等角度，將科學家精神融入教材當中，在保持高等院校教材知識體系的完整性和邏輯性的同時，引發學生的思考和共鳴。教材中應結合我國現代化建設在流體力學基礎研究領域和動力專業領域取得的偉大成就及面臨的挑戰，通過展現現代科學家及行業內工程師的故事進行愛國主義教育，使思想政治教育與愛國主義教育在工科專業基礎課程教材中的呈現形式更具有親和力和感染力。

三、結語

本文從“雙一流”能源動力類專業對本科生學習創新能力培養的角度討論了《工程流體力學》教材從“教”向“學”轉化的問題和思路，通過分析國外經典教材案例，分別從章節安排、呈現手段、案例設置、作業設計和概念理解等方面進行了分析，希望能夠為新工科下雙一流專業的《工程流體力學》教材編寫和課程改革提供參考。

參考文獻：

[1]李曉鋒.新形勢下高校優秀教材的特征與開發建設[J].中國大學教學，2020（9）.

[2]張燕，周永潮，邵煜，等.基于拔尖創新人才培養的工程流體力學課程體系改革探討[J].現代職業教育，2018（13）.

[3]陳更林，郭楚文.“雙一流”建設背景下的工程流體力學教材改革[J].教育現代化，2019（87）.

[4]李棟.工程流體力學課程教學模式的探索與實踐[J].大學教育，2017（10）.

基金項目：哈爾濱工程大學教改項目“以學生發展為中心的動力專業《工程流體力學》教材建設思路研究”，項目編號：JG2021B0302。

（作者單位：哈爾濱工程大學）