安全工程特色流体力学课程的案例教学改革与实践

2019-09-10康建宏

高教学刊 2019年1期

康建宏

摘要：流体力学是安全工程学科的一门研究生必修专业基础课程。针对当前流体力学课堂教学与研究生课题研究之间存在的“两张皮”矛盾现状以及学生本科背景的差异化特点，提出了建立具有安全工程专业特色的流体力学教学案例库，并开展了研讨式案例教学。教学实践表明，将流体力学知识要点融入安全学科领域的工程案例和科研案例，不仅能够吸引学生的学习兴趣，而且提高了研究生的科研能力，对于矿业工程等相近专业和其他类似课程也有一定的推广和借鉴意义。

关键词：案例教学；安全工程；流体力学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）01-0138-03

Abstract： Fluid mechanics is a compulsory course for graduate students in the major of safety engineering. In light of the inconsistency between classroom teaching and scientific research and the diversity in graduates' education background， the case building of fluid mechanics course with safety engineering characteristics is proposed， and case teaching is carried out. The teaching practice indicates that incorporating the knowledge of fluid mechanics into engineering and science cases can not only inspire the learning interests of graduate students， but also improve their research ability.

Keywords： case teaching； safety engineering； fluid mechanics

引言

流體力学是安全工程专业研究生必修的一门重要专业基础课程，是衔接基础课程和专业课程的桥梁和纽带，设置课程的目的在于培养研究生的理论分析能力，要求研究生能够运用流体力学的基本原理和基本规律解决专业研究过程中遇到的复杂流动问题，为从事安全工程专业的理论研究和安全技术研发奠定基础。流体力学课程具有内容繁多，概念抽象，理论复杂，难于掌握等特点，如何选取恰当的教学内容、使用合适的教学方法让学生在有限的学时内掌握流体力学的一般原理和方法，这是当前教学中的一个难题。

国内许多高校的教学工作者探索了工程技术类专业流体力学的课程改革和教学方法。申洁等提出了工程流体力学课程混合教学模式和教学方法，包括任务驱动教学模式、案例解析教学模式、引导讲授教学模式、自学自测教学模式等[1]。吴迪等提出以工程实例为导向的课程教学模式改革，引导学生结合工程背景深刻理解所学知识点[2]。马进伟等在环境与能源应用工程专业流体力学课程教学过程中采取案例教学，并提出“提问-启发-引导式学习”教学方法[3]。闫小康等将有关化工学科的科研案例、工程案例融入到教学内容中去，提出了建设具有专业特色的案例教学资源库，探讨了案例教学的实施过程[4]。冯军发等以“问题-调研-分享-研讨”案例式教学法组织设计为突破口，构建了突出矿业工程特色的流体力学课程体系[5]。重庆大学在重庆市研究生重点课程教改项目“高等流体力学”的资助下，对教学内容、教学方法等进行改革，力图使流体力学教学内容反映学科的特色[6]。

然而，目前应用型流体力学课程体系主要是针对航空航天、水利、化工以及机械等传统工程学科而设计的，很少涉及安全工程领域的流体力学问题，在内容设置和教学方法上与安全工程专业研究生的培养目标不匹配，因此有必要围绕安全工程学科特色、服务学科发展的原则进行课程改革研究。中国矿业大学安全工程学科是教育部“双一流”建设学科，近两年研究生培养质量和数量稳步上升，每年流体力学研究生选课人数100人左右。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，对现有流体力学课程教学进行改革，构建具有安全工程特色的应用型流体力学案例资源库，并开展案例教学实践，使研究生课程教学与课题研究互相促进，对于提高课程的教学效果具有一定的示范意义。

一、安全工程专业流体力学教学现状

安全工程专业研究生流体力学课程开设已久，但教学效果并不理想，主要表现在两方面：

1. 传统教学内容与研究生的课题研究之间普遍存在“两张皮”现象，矛盾突出。现有流体力学教材以航空航天、水利及机械等工程为背景，在内容编排上具有完善的理论体系，如吴望一编著的《流体力学（上、下册）》（北京大学出版社）、周光等编著的《流体力学（上、下册）》（高等教育出版社）广为各大高校教学使用，主要包括流体基本概念、流动基本方程、涡流运动、理想流体、粘性流体以及湍流流动等。这些内容虽然具有一定的普适性，但不具有鲜明的工科专业特色，特别是与安全工程密切相关的多组份气体流动、多孔介质流动、多相流动、非牛顿流体、传热传质以及化学反应流动很少讲授，使得有的同学认为流体力学和安全工程专业没有关系，选课的主要目的是取得学分；有的同学则对于流体力学如何应用到矿井通风、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火灾防控等课题研究中感到困惑，缺乏学习的兴趣，而等日后科学研究中真正遇到流体力学问题时才恍然大悟，又回头翻课本自学，极大地降低了其科研效率及应用能力。

2. 传统教学方法以课堂讲授为主，教学内容侧重于流体力学一般理论的介绍，以张量、场论、复变函数、数值方法等数学知识为基础，计算推导过程复杂晦涩，导致教师难于教学。另一方面，安全工程专业研究生的本科背景差异性较大，对流体力学的学习基础和接受能力不同。以中国矿业大学安全工程学院为例，每年招收的研究生来自化工、力建、资源、电力以及管理等不同专业背景，有力学基础知识的学生学习流体力学知识相对较容易；对于管理等本科背景的学生，理论功底不扎实，力学基础相对薄弱，而流体力学理论抽象深奥，在学习过程中易产生畏难、厌学心理，导致课堂互动性不够，学生学习积极性不高。

二、案例教学法在安全工程研究生流体力学教学中的应用

研究生教学与本科教学有很大的区别，首先研究生流体力学课程一般学时较短、集中授课，以中国矿业大学安全工程学院为例，流体力学授课对象是一年级研究生，一共32学时，分8次课授完，如此高强度的授课，学生注意力容易分散，削弱教学效果。因此，采取恰当的教学方法、选取合理的教学内容是流体力学教学需要解决的问题。其次，本科生的培养理念为“宽口径、厚基础”，而研究生的培养则倾向于“强实践、重创新”，所以研究生流体力学教学不能片面追求理论体系的完整性，应该更加注重理论联系实际，解决安全工程领域的现实问题。

案例教学是以安全工程中的科研和工程問题为背景，将流体力学教学知识点融入工程案例，通过教师和研究生对案例的共同分析和讨论，逐步引出问题中所包含的流体力学知识。这一教学方法，不仅可以吸引学生的学习兴趣，还能培养学生的科研和创新能力[7]。

（一）安全工程特色的案例教学资源库建设

案例库建设是案例教学的前提，案例库建设既要与流体力学课程教学方案相互配合，又要凸显与安全工程密切联系的知识点。案例设计需要涉及流体力学在安全工程领域的几大应用，主要包括：多元混合气体流动，气液固多相流动，多孔介质流动，非牛顿流体，传热传质与流动，化学反应与流动，气固耦合流动、相变流动以及计算流体力学等模块和知识要点。由于学时限制，案例教学时这些知识点不必面面俱到，可以选择其中几个重点讲授。

特色案例均来自安全工程领域常见的工程问题和科研课题，涵盖矿山安全领域的煤层瓦斯抽采与渗流、井下采空区瓦斯涌出、矿井综掘工作面除尘、矿井通风机性能测定与优化、煤层及采空区注浆以及液氮防灭火等主要方向，也包括消防工程领域的建筑烟气流动、管道排水和火灾蔓延等相关内容。这些案例既要反映流体力学的基本知识点，具有真实性和代表性，也要考虑一年级研究生的接受能力和学习兴趣。同时，每个案例要具有一定的完整性和独立性，包含题目，摘要，案例背景，教学目的，案例分析，问题讨论，参考文献等部分，便于矿业工程等相近专业推广应用以及学生课后研讨。

根据多年的教学经验，笔者将案例库资源建设分成五个阶段：1. 调研国内外相关书籍、文献、煤矿企业并结合自身的研究课题，搜集工程实践和科研课题中关于通风、除尘、灭火、瓦斯抽采等方面的流体力学问题；2. 将搜集得到的案例素材按照流体力学知识点进行归类，并划分模块；3. 对案例素材模块进行整合、精简，按照案例的格式规范编辑案例初稿，形成案例库；4. 选取适当的案例添加到相应的教学章节，开展案例教学；5. 通过问卷调查的形式，反馈案例教学效果，以此为依据再次完善教学案例。

（二）案例教学实践

鉴于案例教学法的优点，笔者在流体力学教学过程中连续三年采用了案例教学，授课对象是中国矿业大学安全工程专业2015级、2016级和2017级一年级工程硕士。以2017级为例，选课人数108人，32学时，每周2次课，每次4学时，案例教学分为以下三个阶段：

1. 案例导入。围绕某一流体力学知识点，教师从案例库中选取教学案例，简要介绍案例的工程背景和科研价值，引导学生凝练核心的流体力学问题，提出解决方法。以“综掘工作面粉尘运移的气固两相流模拟”的教学案例为例，教学目的是使学生了解气固两相流体力学理论，掌握多相流动建模的一般过程和方法，培养学生运用流体力学知识解决矿井粉尘防治中的工程问题。课堂导入以我国煤矿综掘工作面粉尘产量大且危害严重为切入点，循循善诱地引导学生从流体力学角度考虑这一问题，例如：如何优化通风布局改善工作面恶劣的工况环境？→工作面通风流场分布情况？→工作面沿程粉尘运移沉降规律？→风筒位置和配风量对粉尘的影响？在案例教学的前一周，教师根据教学要求和授课难点，对案例中的理论知识（离散相模型、组份运输模型、连续相湍流模型）进行简单的讲解，给出相关参考文献，并分组布置任务。

2. 学生调研与课堂讨论。学生在课下根据案例任务独立自主地查阅文献资料，分析问题的重点和难点，给出解决方案，并制作多媒体课件。学生汇报内容主要围绕粉尘和瓦斯在巷道和工作面运移规律的建模与数值模拟展开，设计几何模型、网格划分、粉尘和瓦斯流场边界条件设置，多相流模型选择，流场特性分析以及后处理等方面。学生汇报结束后，教师与其他同学一起对汇报内容提出和讨论，比如各种多相流模型的适用条件是什么，移动边界条件、工作面粉尘源怎么处理等。条件允许的情况下，教师可以播放教学视频，结合煤矿现场事故进行分析和延伸，加深学习兴趣和教学效果。

3. 案例总结。案例教学结束后，教师根据学生的汇报情况和课堂讨论情况，要求学生写作案例学习心得，反馈案例教学存在的问题，教师及时更新完善案例库。

（三）教学效果检验

为了掌握案例教学改革的效果及其存在的问题，制作了“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。案例教学前学生普遍认为概念、定理、公式、经验参数和理论模型抽象和深奥，无法将所学流体力学知识应用于导师布置的科研课题。案例教学后，40%学生认为案例教学将流体力学理论与工程实践相结合，对于学生创新能力的提升有很大的作用，16%的学生认为流体力学内容深入浅出，解决了课程深奥、枯燥难懂的缺点，还有39%的同学认为学习兴趣得到了提升。但在问题调查中，仍然有31%学生认为相关理论知识过难，这说明具有不同专业背景的学生对于流体力学的学习能力存在差异。此外，由于教学条件的限制，58%的学生认为数值计算的软件学习课时少（如图1所示）。这些调查结果为持续改进案例库资源提供了重要参考依据。

三、案例教学的实践意义与价值

1. 我国研究生培养数量不断增加，但培养质量与国际先进水平相比还有较大差距，课堂教学在研究生培养过程中的作用较弱。安全工程专业流体力学课程开设已久，使用教材种类繁多，但内容千篇一律，传统的“课前学生预习-课堂教师讲授-课后教师评阅”的3段串行教学模式，很难激发研究生的兴趣，更难适应国家“双一流”学科建设、创新型人才培养的需要。探索符合不同专业学位特点的教学内容和教学方法对与当前研究生教育改革具有重要实践意义[8]。

2. 以实际应用需求为导向，将安全工程学科领域的工程案例、科研案例融入流体力学教学内容中，能够有效破解当前课堂教学与研究生课题研究之间的“两张皮”现象，使研究生课堂教学与课题研究、人才培养互相促进。案例教学资源库涉及流体力学在安全工程领域中的几大应用，包括多元混合气体流动，气液固多相流动，多孔介质流动，非牛顿流体，传热传质与流动，化学反应与流动，气固耦合流动以及计算流体力学等知识要点，这些内容是对传统研究生流体力学教学内容的扩充，也可供矿业工程、动力工程等专业研究生教学参考，有较强的推广价值。

3. 研讨式案例教学以学生为主体，教师精心设计教学环节，引导学生自主探索专业技术知识，学生变“被动接受”为“主动探索”，强化了课程教学对研究生的科学方法训练和学术素养培养的作用。同时这种教学方法尊重研究生的主体地位，让研究生参与教学設计、教学改革和教学评价，可以有针对性地持续完善和改进案例库。

四、结束语

案例教学在美国和欧洲国家的教学过程中已普遍运用，但在国内高校开展的相对较少。教育部《关于深化研究生教育改革的意见》中明确指出要进一步提高研究生教育质量，加强案例教学，探索不同形式的实践教学[8]。在安全工程特色流体力学课例教学实践过程中，笔者有三点心得：

1. 案例资源库要随着专业的发展、社会经济的进步、教学评价等及时更新和扩充，才能彰显安全工程学科特色，满足创新型人才培养目标。

2. 在课堂上再现真实的安全工程案例、科学研究案例，不仅能够吸引学生的学习兴趣，而且锻炼了学生的知识应用能力，可以达到事半功倍的教学效果。

3. 流体力学是一门专业基础课，课程涵盖内容丰富，在不同的专业领域应用广泛，面向安全工程领域的案例教学资源库亦可供其他相关专业和相关院校教学使用，案例教学实践对同行教师也有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]申洁，陈小榆，肖东，等.混合教学模式在工程流体力学课程教学中的探索与实践[J].西部素质教育，2018（7）：160-161.

[2]吴迪，宋维源，孙可明.以工程实例为导向的流体力学教学模式改革初探[J].科教导刊，2017（15）：93-94.

[3]马进伟，胡宁，王晏平.建筑环境与能源应用工程专业流体力学教学方式的探索与思考[J].江西建材，2017（17）：267.

[4]闫小康，王利军.化工高等流体力学案例教学研究[J].广州化工，2017，45（21）：195-197.

[5]冯军发，李海军，金志远，等.突显矿业工程特色的流体力学课程案例式教学改革与实践[J].高教学刊，2018（13）：136-138.