面向“双一流”学科的应用型特色流体力学案例库建设及案例教学实践

康建宏

摘要：流体力学是中国矿业大学安全工程专业的一门研究生必修基础课程。从安全工程学科“双一流”建设的需求出发，优化课程教学体系，建立应用型特色流体力学教学案例库，并开展了案例教学。教学实践证明，应用型特色流体案例库扩充了流体力学的教学资源，使研究生课堂教学与安全工程领域的科研问题紧密结合起来，激发了研究生学习的兴趣，强化了课程学习对研究生科研素养的培养，满足了优势学科的发展需求，对矿业工程等专业的类似课程教学改革亦有一定的推广价值和借鉴意义。

关键词：流体力学;案例教学;案例库建设

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）22-0181-02

一、引言

流体力学课程是安全工程学科研究生必修的一门重要专业基础课程，在矿井通风、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火灾防控等工程领域有广泛的应用。设置流体力学课程的目的在于培养研究生的理论分析能力，要求学生能够运用流体力学的基本原理解决专业研究过程中遇到的复杂流动问题。

中国矿业大学安全工程学科是教育部“双一流”建设学科，也是江苏省优势学科建设平台，近两年研究生培养质量稳步上升，对研究生课程体系要求不断提高。然而，流体力学研究生课程在内容设置和教学方法上已不能满足“双一流”学科建设的需求，有必要围绕学科特色、服务学科发展的原则进行课程改革研究。在有限的学时内，如何选取恰当的教学内容，使流体力学教学更好的服务于特定专业的需求，这是当前教学中的一个难题。笔者基于多年的流体力学教学经验及承担的相关安全类研究课题，以应用型特色流体力学课程体系为研究对象，以典型案例库建设为研究内容，对现有流体力学课程教学进行了改革，使课堂教学与研究生课题研究、专业需求互相促进，并开展了案例教学实践，取得了很好的教学效果。

二、应用型特色流体力学案例库建设

1.案例库建设的必要性。当前，研究生流体力学课程主要采用理论教学，课堂互动性不够，学生在学习过程中易产生畏难心理。针对现有流体力学课程内容陈旧、缺乏创新等突出问题，在学时限制的条件下，对教学内容进行适当取舍，通过建立教学案例库、开展案例教学等手段，使课堂教学更好地服务于安全工程学科“双一流”建设目标，是流体力学教育教学改革的方向之一。

2.特色案例库的建设过程。案例库是案例库教学的前提，案例库建设要与教学目的和教学内容相互契合。具有时效性、目的性、实践性的案例能使教学有序高效地进行。案例库建设分成五个阶段：（1）围绕教学内容，搜集国内外相关书籍文献、煤矿企业和科研课题资料，寻找安全工程实践中的热点流体力学问题（工程实践问题）;（2）将工程实践问题转化成案例素材，筛选并建立素材库，形成模块，以便案例库建设（素材库模块）;（3）对案例模块进行简化并修改，撰写编辑案例库初稿（案例库）;（4）进行案例教学（案例教学），主要讲解案例基础理論，并提前布置案例分析内容，将学生分成小组，让他们课后搜集资料、讨论分析并提出疑问;（5）通过问卷调查的形式，收集案例库教学过程中的优点及存在的问题（教学反馈），更新并完善案例库。

笔者选取安全工程里面具有代表性的流体力学问题，并结合科研团队的研究课题，在大量调研分析的基础上，建设了应用型特色教学案例库，主要包括矿井通风、瓦斯渗流、煤火防控、降温除尘、建筑烟气流动、管道排水、地热利用、稠化浆体等8个流体力学专题教学案例。然后，可以依据这些教学案例深入浅出地介绍流体力学中关于涡旋运动、能量耗散、非牛顿特性、多相流动、多孔介质流动特性、多元混合气体流动、气固耦合流动等教学难点，引导学生探讨流体力学在安全工程领域的应用。

三、应用型特色流体力学案例教学实践

1.传统教学。随着研究生培养质量和数量的不断提升，课堂教学对于培养硕士研究生科研创新能力的作用也日益剧增。流体力学课程开设已久，教材种类繁多，但课堂教育可归纳为“课前预习—课堂教师讲授—课后教师评阅”的3段串行模式，缺少创新、实践性较弱，很难适应“双一流”学科建设、创新型人才培养的需要。

2.案例教学。案例教学法是一种以工程案例为基础的教学方法，这种教学方法可以有效引导学生参与课堂讨论，提高学生的综合能力和解决实际问题的能力。选取适当的工程案例，精心设计教学环节引导学生自主探索、参与课堂讨论，充分调动学生的积极性。同时，利用板书、多媒体技术、网络辅助教学相结合的教学手段，给学生提供一个全面、简便、轻松的教学环境。

鉴于案例教学法的优点，笔者在流体力学教学过程中采用了案例教学，授课对象是本校安全工程专业2017级工程硕士，选课人数108人，一共32学时，前24学时介绍流体力学基本概念和基本方程、基本原理，侧重于公式的推导思路。后8个学时选取案例库中的4个案例进行课堂案例教学。案例教学的主要流程预计分为6个阶段：（1）学生分组;（2）将案例资料发给学生，布置预习任务;（3）课堂上应用案例教学法，以提问开头，引出各小组主要论点;（4）各组讨论得出主要结果;（5）小组代表发言;（6）教师总结案例。

以“基于Fluent数值模拟回采工作面粉尘及瓦斯分布规律”的案例教学为例，在开展案例教学之前，教师根据案例教学要求，确定授课重难点，对模拟中需要的理论知识（离散相模型、组份运输模型、多孔介质模型）进行了简单的讲解，并分组布置任务，让学生提前预习实践教学内容。分组讨论Fluent数值模拟粉尘和瓦斯在巷道和工作面的运移规律，模拟步骤包括：Gambit软件建模、模型网格的划分、掘进工作面粉尘、瓦斯流场边界条件设置、计算条件设置以及后处理。重点对边界条件的设置、模拟结果做讨论及讲解。

3.教学效果检验。为了掌握应用型特色流体力学案例库教学改革的效果及其存在的问题，制作“研究生课程认同度调查问卷”，在案例教学前、案例教学后分别发放调查问卷并回收统计。调查问卷包括以下几个方面：（1）掌握专业理论知识，帮助我更好的完成科研任务（学以致用）;（2）满足课程学分要求和毕业要求（满足要求）;（3）重视研究生课程考试成绩（重视成绩）;（4）课程死板，不感兴趣;（5）弃权或其他原因（其他原因）。案例教学前，学生普遍认为概念和理论模型抽象，计算求解过程复杂，无法将所学知识应用于实际情境中，课堂学习与工程实践严重脱节。开展案例教学后，学生加深了对抽象概念的理解，掌握了流体力学在工程实际中应用的研究思路和方法，为后期工程实践及科学研究夯实了良好的基础。课程认同度人数比例总体情况见下图。

四、结语

案例教学已在美国和欧洲国家的教学过程中普遍运用，但在国内高校开展的为数甚少。在应用型特色流体力学案例库建设与案例教学实践过程中，笔者有以下几点心得：（1）以学科应用需求为导向，建设应用型特色教学案例库，开展案例教学对研究生的培养可以达到事半功倍的效果;（2）进行案例教学后要及时对案例教学效果进行评价，并根据反馈信息及时更新扩充案例库，才能更好的服务于专业科学研究;（3）建立的应用型特色流体力学案例库可以推广到矿业工程等相关专业，案例教学实践工作对其他课程也有一定的借鉴意义。

参考文献：

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