基于工程教育认证的流体力学课程的教学改革

张雪龄　金听祥　张琦　王燕令 程传晓　吴学红

【摘 要】在工程教育的大背景下，流体力学作为能源与动力工程专业的三大专业基础课之一，它是毕业要求中的重要的指标点的支撑课程，需要承担起工程教育改革排头兵的作用。本人经过四年的教学经验，进行了基于工程教育的教学改革的探索，主要方案为选准合适的教材，建立以案例教学为主的课堂教学模式，进行研究性启发教学，采用课程项目管理方式，构建方便快捷的网络沟通平台，完善评价考核方式等。这些改革方案是以学生为中心，以持续改进为目的，可以更好地提高工程教育的教学质量，契合工程教育认证的申请和实施。

【关键词】流体力学;工程教育;案例教学;研究性启发教学

中图分类号： TB126-4;G712 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0109-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.050

Teaching Reform of the Fluid Mechanics Based on Engineering Education Certification

ZHANG Xue-ling JIN Ting-xiang ZHANG Qi WANG Yan-ling CHENG Chuan-xiao WU Xue-hong

（School of Energy and Power Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou Henan 450002， China）

【Abstract】Fluid mechanics is an important supporting course for the graduation requirements of engineering education for the Energy and Power Engineering. I have exploited the teaching reform based on engineering education， the main schemes are choosing a suitable textbook， adopting a case teaching mode， research-inspired teaching method and a course project management， building a convenient network communication platform and perfecting the evaluation examination method. These reforms are students-centered and aimed to continuous improvement， which can improve the teaching quality of engineering education， and provide guidelines for the application and implementation of engineering education certification.

【Key words】Fluid Mechanism; Engineering Education Certification; Case Teaching; Research-Inspired Teaching

0 引言

工程教育关注学生达到了什么，课程教学过程是“如何有效地帮助学生取得这些学习效果”。这种基于结果为导向的课程体系的设置，使得每一门课程都要支撑具体的毕业要求指标点，任课教师通过课程改革与实施，将毕业要求指标点的知识和能力的培养落实到日常的教學中[1-2]，因此针对工程教育的课程教学的改革势在必行。

郑州轻工业大学能源与动力工程专业是国家级特色专业、国家卓越工程师计划试点专业、河南省专业综合改革试点专业，拥有动力工程及工程热物理河南省一级重点学科、动力工程及工程热物理一级学科硕士学位授权点和动力工程硕士专业学位授权领域。今年已经开始全力准备申请工程教育认证工作。

流体力学作为能源与动力工程专业的三大基础课之一，具有相当重要的地位，其课程教学效果的好坏对学生的影响至关重要。而流体力学涉及的概念和原理对本科生来说几乎是全新的。这就对流体力学的教学提出了新的挑战，课程教中不仅要让学生全面掌握流体力学的相关理论和研究方法，更要培养学生运用知识解决实际工程问题的能力，帮助其建立流体力学基础理论体系，为今后的工作和学习打下坚实基础[3]。面对工程教育的迫切需求，作为一名流体力学教师急需思考应对流体力学课程的改革方案。

1 工程教育专业认证对流体力学课程的要求

为了满足最新的工程教育专业认证通用标准对毕业的要求，郑州轻工业大学能源与动力工程专业在2017版培养方案中初步列出了专业目标和课程和毕业要求的矩阵表。初步的方案仍有很多不足需要改进，本人在通过对工程认证理念的学习，认为流体力学可以支撑的毕业要求及指标点，如表1所示。

2 工程教育理念的流体力学课程教学改革的手段

针对以上的目标，基于工程教育理念的流体力学课程教学可以从以下方面进行改革。

2.1 选定合适的流体力学教材

本专业一直采用了中国建筑工业出版社的刘鹤年主编的《流体力学》。经过教学发现，本教材中除了静力学，运动学和动力学，量纲分析和相似原理，流动阻力和水头损失外，还有明渠流动，堰流，渗流，这三章是不纳入到教学大纲的，说明本书是不适应能源与动力工程专业的使用的需要的，急需更换教材。根据能源与动力工程专业的培养要求，除了掌握流体静力学，运动学动力学，量纲分析相似原理等基本内容外，还应该学会管内流动和水力计算，液体出流，气体的一维流动，理想流体的有旋流动和无旋流动;黏性流体绕流这些内容。经过调研，当前关于能源与动力工程类专业适用的流体力学的教材主要有10本，通过对比分析，发现孔珑的教材难度适中，内容适宜，与工程实际结合的非常紧密，使用量较大。因此，我们选用了中国电力出版社孔珑编著的《工程流体力学》第四版。本学期使用本书后，学生对工程实例的认识量极大提高，对问题的分析理解更加深刻到位，和本专业的结合更加密切，符合工程教育的要求。

2.2 案例教学为主的课堂教学模式

现有高校工程流体力学课程教学模式主要还是以“课堂理论教学”的教学模式为主，辅以实验课，课后布置习题巩固课堂教学内容。在这样的教学模式中，采用案例教学[4]，可以显著提高教学效果，尤其是在上课开始阶段，引入案例，让学生理解学习的目的和意义所在，激发学生的兴趣，进而思考如何解决问题，有助于学生养成良好的工科思维方式，提高学生解决实际工程问题的能力。

例如，在讲第二章第七节流体的表面性质时，我们引入电脑CPU的散热方法这一工程问题，从而引出高效的散热技术——热管技术，蒸发端的气态可以扩散到冷凝端，但冷凝端的液相如何快速回到蒸发段呢？从而引出了毛管力这一现象，再讲产生毛管力的原因，继而引出界面张力这一概念。这一案例教学，既契合了能源与动力工程专业的工程应用，又引发了学生的兴趣，极大提高了学习效果。此外，还可以让学生自己制作热管，改进电脑散热难，噪音大的难题，参加创新竞赛。

如在讲曲面边界层分析现象时，我们可以引入汽车前进过程的阻力这一案例。通过汽车前后的曲面特点分析汽车前后的速度和压力变化，从而引出了边界层分离这一现象，并总结边界层分离的原因，特点，从而引出压差阻力，并分析减小压差阻力的方法，如可以减小迎风面积以及采用流线型设计减小的方法。还可以通过引入粗糙的高尔夫球飞得远，是因为增加了球体表面的紊动能，也减小压差阻力。用这些常见的案例，使学生更加喜爱课程。

工程案例需要教研组成员齐心协力，收集日常生活中或工程实际中的流体力学案例，形成工程流体力学工程案例数据库，便于教师在课堂讲授过程中调用。

2.3 进行研究性启发教学

研究性启发教学是将科学研究的思路引进教学并注重发挥学生的主观能动性[5]，旨在通过教学与研究实践的结合，引导学生创造性地运用知识自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研究中积累经验、培养能力和锻炼思维。

教师可在实验中引导学生进行研究思考。如在雷诺实验中，由于设备较简陋，学生初步测试的下临界雷诺数从结果从500多3000多，范围变化大。面对这一问题，我引导学生分析问题，主要是从实验精度上入手，学生通过仔细观察，发现流线在速度很小的情况下仍然抖动厉害，大家分析这可能是由于实验平台本身的振动导致的，需要降低平台的振动对实验的干扰。为了减少误差，学生们进行了实验改造，如在潜水泵底部垫上海绵，减少水箱的振动;在水槽底部也垫上海绵，防止出水直接打击在水箱壁面，减少震动;溢流口中让水面高一些，防止空气进入溢流口，产生震动;将针头尽量水平摆正;还提出有一些拟改进的方案，如水箱出口管路采用减缩管以减少局部水头损失和水的紊动;采用小孔口的溢流口，防止水流不能完全充满管道使空气进入产生振动和噪声等。通过这些简单方法的改进，最后的测量结果逐渐接近理论值2300，学生的成就感大增。

此外，教师在教学过程中可以穿插自己的科研项目的流体力学问题[6]，进行研究性启发教学。教师也可以多参与到学生的“挑战杯”，“节能减排大赛”，“制冷空调大赛”等创新创业竞赛中，带领学生进行创新思维，启发问题的创新性解决方案，从而达到研究性启发教学的目的。

2.4 采用课程项目管理方式

课下的巩固除了常规的布置纸质作业外，还可以采取项目化管理方式分组完成某个专题的任务。考核的过程是让学生自由组成团队，以团队形式完成项目任务，最后进行答辩。每位学生都被要求参与并展示自己对团队工作的贡献，最后教师给整个团队打分。如流体力学中的真空现象在教材中出现过多次，它在流体静力学中的真空度，测压管，等角速旋转容器中液体的相对平衡，离心泵，离心风机，管嘴出流，虹吸管，边界层分离的尾流区等很多地方都出现了，可以针对这一问题，设置项目组，分析真空现象和原因，真空的利与弊，与真空有关的设备或过程，分析如何利用真空现象。通过项目讨论后形成共识由项目组长发表意见，教师点评结果。通过项目管理方式，使学生学会自主学习，并形成团队合作，对问题加深理解，以后再面对这样的问题，不再是零散的记忆，而是系统调用项目展示的情景。

2.5 构建方便快捷的网络沟通平台

课堂教学过程和学生的沟通有限，为了增加与学生的互动性，需要构建方便快捷的网络沟通平台，譬如采用学习通软件。课前教师将相关的学习视频（可以是现有的网络教学视频资源，也可以由教师亲自录制微课）和其他资料（包括課件、学术论文、硕博论文、典型案例、考研真题等）发在网络平台供学生预习，学生总结学习收获和疑点难点，以便带着问题上课。在课堂中增加在线签到，互动练习，抢答等环节，增强学习效果。也可以在课后完成相关的作业题，学生有问题可以直接留言，老师点评，所有学生都可以看到其点评，增强了师生的互动性，也提高了学生的参与度，使学生在课下和课上都能够真正参与到课程学习中。

2.6 完善评价考核方式

流体力学以往的考核方式是考试占80%，平时成绩占20%，包括出勤和作业，这种考核方式偏重期末考试成绩，不重视学生的平时的表现，这种考核方式无法满足工程教育专业认证对毕业要求的条件。为了激发学生在课堂上的参与度，全面考察学生的综合素质能力并客观评价学生的各环节学习表现，本课程改革将平时考核比例提高到50%，包括课堂考勤（10分）、作业及实验表现（15分）、课堂表现（10分）和完成任务环节（15分）。其中，作业指独立完成作业的情况，实验课程中的积极表现以及实验报告的完成质量;课堂表现环节包括课堂老师随机提问、学生主动提问、项目管理方式的表现、课堂遵守纪律的表现情况;完成任务环节指教师根据课程重点、难点内容，布置任务让学生完成，如查阅文献资料，综述流体力学在制冷与空调领域的应用等专题，并安排学生制作PPT到讲台宣讲，以及网络平台的资料下载、作业完成情况和抢答等任务完成情况。在“期末考核”环节，降低试卷中简单的纯知识考察试题的比例，重点考核学生的综合素质和能力。

3 结语

流体力学作为能源与动力工程专业的三大专业基础课之一，面对工程教育的背景下，它是毕业要求中的重要的指标点的支撑课程，需要承担起工程教育改革排头兵的作用，需要教师在教学过程中不断探索基于工程教育的改革方案，以此提高工程教育的教学质量。

【参考文献】

[1]曹丽华，张艾萍，曹诺，马玉秋.基于工程能力培养的能源与动力工程专业教育教学改革的研究[J].才智，2019（06）：37.

[2]齐旭东，李志会.工程流体力学的教学难点与教学方法衔接技巧探析[J].中国电力教育，2013（34）：130-131+133.

[3]张成良，王超，刘磊.工程教育专业认证背景下流体力学课程教学改革探讨[J].西部素质教育，2018，4（04）：187-188.

[4]吴学红，尹亚领，赵敏，龚毅，吕彦力.案例教学模式在能源动力工程专业课程综合改革中的应用与实践[J].中国现代教育装备，2015（09）：64-66.

[5]程传晓，张玉，张军，吴学红，郑季历.“储能原理及应用”课程教学改革创新与实践[J].科技视界，2016（26）：32+24.

[6]李栋.工程流体力学课程教学模式的探索与实践[J].大学教育，2017（10）：60-62.