服务于高水平研究生培养的课程教学探索与实践

季斌 罗先武 龙新平

摘要：“流体机械空化多相流”课程是以能源与动力工程专业及相关专业研究生为对象的一门学位课。本文主要针对该课程教学中遇到的典型问题，从教学目标与定位、授课内容与形式、学生综合评价等方面进行大胆探索、实践。实施以来，有效强化了研究生的理论素质与专业能力拓展，取得了令人满意的教学效果。

关键词：流体机械；研究生培养；教学方法改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）43-0140-03

一、引言

流体机械空化多相流课程是面向能源与动力工程专业的研究生开设的一门专业课程，选课的学生既有作为流体机械与工程二级学科学位课选修的研究生，也有水利、机械等专业的研究生[1]。该课程的主要内容包含相互关联的三部分：经典空泡动力学理论、水动力空化的机理研究，以及水力机械空化流动模拟及工程应用研究。由于该课程的相关研究属于学科前沿，尚处于不断进展中，知识体系的脉络不如其他专业课程清晰；而以前的教学主要以课堂讲授方式进行，教学内容相对固定，师生缺乏互动，往往教学效果不够理想。对选课学生而言，他们认为课程涉及学科发展的前沿，非常希望学到一些实用的知识和方法，但课堂教学的内容枯燥、难懂，难以深入学习。

我们调研了国内外一些大学的课程教学情况。如瑞士洛桑联邦理工学院开设有研究生课程“Cavitation in Hydraulic Machines”，主要结合水力机械中的空化问题进行讲解，课程内容与研究生的研究方向有紧密联系；国内一些大学设置“多相流体动力学”，内容涉及气—固、气—液或固—液的两相流动，课程教学以讲课为主。据选课研究生反映，课程学习的效果一般。

为了较大幅度改善流体机械空化多相流课程教学效果，使课程教学真正为高水平研究生培养提供强有力的支撑，对课程教学实行改革势在必行。因此，在详细调研的基础上，我们逐步进行了一系列教学探索。一是以学生为本，调查选课学生尤其是博士生对课程学习的愿望，确定教学内容改革的方向；二是与国内外同行进行广泛交流，找准空化多相流研究发展的重要方向，一方面为课程改革准备优质素材，另一方面更直接为博士生的学位论文工作指引前沿；三是深入挖掘课程内涵，将课程的基本原理和方法以适当的方式，与实际科学问题联系起来。这样，既可以使学生感受到科学理论的勃勃生机，也可以引导学生更加主动地将课程学习与自己的研究有机联系起来；四是改进授课方式，从多层次引导学生参与课堂教学，活跃课堂气氛，激发学生的学习热情。通过这些课堂教学改革，较大幅度地提高了教学效能，尤其对高水平博士生的培养产生了积极的影响。

二、课程改革的主要思路及措施

流体机械及工程专业的研究生毕业后多从事能源、航天、船舶、水利等国家重要领域的应用研究与技术管理工作。因此，本专业培养的研究生除了具备扎实的理论功底、系统而宽广的专业知识，还必须具有良好的科研素质。

根据目前的课程体系，我们在原有本科课程的教学基础上[2]，认为非常有必要在研究生课程教学中拓宽学生的视野，培养学生对科学问题的把握能力以及捕捉研究前沿的敏锐眼光，使研究生课程教学成为学生开展高水平研究工作的源泉[3]。而流体机械空化多相流课程的内容正好涉及了一系列前沿科学问题，完全可以作为研究生加强基础理论学习与科研能力培养的“试验田”。为此，我们在教学实践中重新确定了该课程的目标，对教学内容、课堂管理等方面进行了探索。具体说明如下。

（一）改革的主要思路。

重新定位课程目标，使课程教学服务于人才培养，尤其是高水平博士生培养；注重以人为本，增强研究生的创新思维培养；不断丰富教学资源，在夯实研究生理论知识的基础上努力拓宽学生的视野；坚持理论联系实际的课堂教学特色，引导研究生立足学科前沿；改革课程的教学过程，加强研究生的科學素质训练。

（二）主要措施

基于上述教学改革的思路，主要采取如下措施进行课程改革。

1.注重以人为本，增强与研究生创新培养相关的教学内容。我们认为，研究生的课程教学一方面要服务于高素质人才培养的知识体系，即需要传授必要的专业理论，更重要的是在课程学习中引导学生养成创新思维，为学生今后的发展奠定基础。即所谓“授人以渔”，而非“授人以鱼”。因此，可以将课程教学内容分为两大部分：基础内容，扩展内容。其中，流体机械空化多相流课程基础内容包括空化的基本概念、原理、方法与规律，是组成专业知识体系的主干内容；拓展内容则可以根据研究生的学习意愿进行适当调整，力争将学生所关心的科学问题，尤其是博士生学位论文涉及的关键理论与分析方法溶入讲授内容。如许多研究生希望采用数值模拟来验证水力机械空化实验结果，或细致分析实验中无法反映的流动本质。而空化湍流属于非常复杂的流动现象，控制其发展的因素多种多样，很难以一种模型来解析所有的空化问题。因此，解决问题的关键是如何建立特定条件下的空化模型。在课程的拓展内容中，我们在讲解空泡动力学的基础上，着重分析了构筑适应特定空化流动模拟模型的思路，以及考虑各种影响因素形成控制方程源项的方法。这一举措带来的直接成效是，每届都有部分研究生（尤其是博士生）脱颖而出。他们根据自己的研究需要，在教师引导下组建新的空化模型，或改进已有的空化模型，这些工作也成为一些博士生学位论文的重要创新点。

2.不断丰富教学素材与资源，拓展学生的科学视野。著名科学家牛顿曾谦虚地将自己的成就归结为“站在前人的肩膀上”。而我国宋代政治家王安石写有著名的诗句，“不畏浮云遮望眼，只缘身在最高层”。这两位伟人留给我们的启示是：要培养创新人才，就得让人才尽可能接近科学的前沿。因此，我们在教学过程中不断更新教学素材，非常注重展示当今世界上相关研究的最重要成果与前沿方向，这样激发了学生的学习热情，培养了学生的研究兴趣，对营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境也有重要作用。

到目前为止，收集了英国Warwick University的单空泡快速摄影（世界最小曝光时间间隔）影像，瑞士洛桑联邦理工学院的微重力环境下单空泡发育试验的视频，日本东京大学的超声诱导空化碎石资料，美国University of Minnesota荣誉教授Roger Arndt空化研究报告，等。在历年课程教学中，曾聘请了日本大阪大学Yoshinobu Tsujimoto教授、瑞士洛桑联邦理工学院Francois Avellan、中国船舶科学研究中心潘森森研究员等世界知名学者参与课堂教学，或与研究生座谈。这些教学资源对于拓宽研究生的视野，把握学科的发展方向无疑发挥了重要的作用。

此外，课程教学中也注重发挥学生的主观能动性，布置学生利用课余时间广泛阅读国内外技术文献，总结与课程内容相关的新技术与新进展，通过课堂报告的形式进行研讨，进一步增强研究生的创新学习意识。

3.坚持课程教学紧密联系实际，使之成为高水平研究生培养的源泉。研究生课程教学归根究底在于增强研究生处理实际科研问题的能力。因此，我们在课程改革中，坚持理论联系实际，以国民生产或国家战略的重大需求为背景，结合学科前沿研究进行课堂教学，力求使研究生达到“知行统一”、理论水平与实践能力均衡发展。

一方面，在课程基础部分的课堂教学安排中强化了背景知识的讲授，旨在使学生理解基础理论与自然界各种现象的有机联系，认识到理论是实践活动的制高点，而不是一个个孤立的岛屿。在有关空化内容的教学中，分别以超空化高速鱼雷、雀尾螳螂虾、大型水利水电工程等为对象，讲述其中的空化与空蚀现象，并分析了各种空化问题的特征；

另一方面，我们鼓励研究生学会总结、提炼科学问题，带着课题进课堂。这样，既增强了课堂教学内容的“真实性”，也有助于学生解决研究中存在的问题。近年来，研究生带进课堂的实例包括非均匀来流中螺旋桨的空化流动[4]、超小型泵内空化流动[5]、燃油泵隔舌区空化流动[6]、轴对称腔体诱导空化振荡射流[7]、同轴受限射流空化流动[8]等。

在课堂教学中注重理论结合实际非常有助于学生对理论学习的兴趣培养，对研究生今后的研究活动有重要的启迪。因此，研究生的课程学习将成为高水平研究生培养的源泉。

4.改革课程教学形式，多方位强化研究生的科研素质培养。流体机械空化多相流的课程特点是内容多，因而授课时间与内容编排一直都是一对矛盾。在本项目的改革中，我们在保证课程基本教学要求的基础上，将过去单一的教师授课方式改为教师讲授+师生讨论+学生报告的形式，大大增加了研究生参与课堂教学的比重。这种做法的效果在于：使学生直接参与教学，激发学生的学习热情，增强了责任感与使命感；引导研究生对所关注的科学问题进行探索，提高分析问题的能力；作为“临时教师”，在锻炼研究生科学表达能力的同时，也加强了严谨与科学作风的培养。

此外，摈弃过去以考试确定学生课程学习成绩的单一评价方式，将课程考核与课程教学过程有机联系起来，充分体现学生在课堂教学与课外研究中取得的成果，通过多种形式的综合评价来进一步激发研究生的学习热情。

三、课程改革实施的效果

本课程改革的实施效果分述如下。

1.明显提高了研究生的基础理论水平，促进了高水平博士生的培养。研究生在课程学习之后，能够主动利用所掌握的基本原理与方法，分析学位论文工作中的关键问题，在理论研究及实际应用方面取得了很好的成绩。近年来，清华大学和武汉大学涌现了一批理论基础好、研究成果突出的优秀研究生。如清华大学博士生张瑶根据超小型流道中空化流动的特点，在空泡动力学基本方程的基础上建立了包括流体物性、温度变化与表面张力影响的空化模型，并成功应用于论文的数值模拟中。这一工作也成为其博士学位论文的重要创新点，并获得了论文评阅人的高度评价[5]。武汉大学博士生肖龙洲将课堂讲授的空化流动基础理论运用到同轴受限射流空化剪切流动机理研究之中，阐述了射流剪切空化与漩涡相互作用的若干机理[8]。

2.激发了博士研究生钻研基础理论的热情，促成了一批高水平学术论文（SCI论文）的发表。以前，很多能源动力工程领域的研究生认为学位论文工作有很强的实际工程背景，不容易做出理论上的成果。然而，一些博士生在学习本课程的过程中，通过认真学习真正把握了物理现象的本质，为学位论文研究及未来的工作打下了坚实的基础。如成果实施单位清华大学、武汉大学的研究生近年来均先后在International Journal of Multiphase Flow（著名流体动力学国际期刊）、Journal of Fluids Engineering（流体工程领域重要国际期刊）等上发表多篇与本课程相关（关键词“空化”或“空化流动”）的高水平SCI论文。

3.极大活跃了课程的课堂教学气氛，达到了良好的教学效果。通过改革课堂教学形式，并丰富课堂教学资源，使研究生能够设身处地参与教学过程，感受到课堂教学与学位论文研究以及实际工程紧密相關。在每学期两次的学习报告会上，很多选课学生都愿意将自己科研中遇到的实际问题提出来，以便在课堂讨论中获得启示。这样，将看似枯燥无味的基础理论知识与学生的研究活动联系起来，教学内容因此变得生动、活泼，极大地提高了学生的学习积极性，达到了良好的教学效果。

4.逐步创建了课程教学的各种资源，为进一步提高课程教学质量与人才培养质量奠定了坚实的基础。结合教学内容和教学形式的改革，我们逐步完成了课程多媒体课件，建成了资源量庞大的课程教学资源（包括视频、图片、多媒体讲稿等）。这些资料已经成为研究生拓展学习的重要保障，对进一步提高课程教学质量、创新型人才（尤其是高水平博士生）培养质量具有重要的意义。

四、结束语

为了培养高水平研究型人才，清华大学和武汉大学针对能源与动力工程专业研究生课程流体机械空化多相流课程开展了多方位的探索和改革实践。几年的教学实施效果表明，本次课程教学改革较好的开拓了研究生的学术视野，强化了研究生的理论素质与学术思维能力，对能源与动力工程专业高水平创新型研究生的培养具有重要意义。

參考文献：

[1]袁寿其，等.高等工程创新人才培养体系研究——以江苏大学流体机械专业为例[J].高等教育管理，2009，（3）.

[2]罗先武，等.流体机械设计及优化[M].清华大学出版社，2012.

[3]李飞，等.以科教融合、学科交叉提升工科人才培养质量[J].高等工程教育研究，2015，（4）.

[4]季斌.非均匀来流下螺旋桨空化流动及其诱导的压力脉动研究[D].清华大学博士学位论文，2011.

[5]张瑶.超小尺度翼型及离心泵空化湍流的数值模拟和试验研究[D].清华大学博士学位论文，2011.

[6]薛梅新.加力燃油泵隔舌空化机理及抑制方法研究[D].清华大学博士学位论文，2012.

[7]王玉川.轴对称腔体诱导空化振荡射流的机理研究[D].清华大学博士学位论文，2012.

[8]肖龙洲.同轴受限射流空化流动机理及其杀菌应用研究[D].武汉大学博士学位论文，2015.

Abstract：Cavitating multiphase flow in fluid machinery is a degree course that targets the postgraduates majoring Energy and Power Engineering or other relative fields.In the view of instructional objectives，teaching content and form，student comprehensive evaluation and so on，this paper focuses on the typical problems during the curriculum，and makes bold exploration and practice.Since the implementation of the practice，it has effectively improved theoretical attainment and professional development for the postgraduates，and achieved satisfactory results.

Key words：fluid machinery；postgraduate training；teaching methods reform