面向“卓越计划”的车辆工程专业工程流体力学课程改革与实践

黄粉莲 毕玉华 申立中 雷基林

（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室 云南·昆明 650500）

随着“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）的实施和推进，加强学生工程能力和创新能力培养的教学环节显得愈加重要。[1]“工程流体力学”课程是“卓越计划”学科、车辆工程专业的必修专业基础课，课程与大量的工程实际问题联系密切，是衔接工程流体力学理论与工程应用的纽带，在理工科教学体系中占有重要地位。工程流体力学是一门理论性较强的基础性学科，课程用到的数学方法广泛且繁难，既有理论深度又涉及大量工程实践问题。[2]学生通过本课程的学习，能够初步掌握流体的基本力学性质、工程流体力学的基本概念、基础理论和分析计算方法及其工程应用知识等，具备对工程实际工程流体力学问题进行分析和求解的能力，为后续专业课程的学习及相关专业工作的开展奠定初步的工程流体力学理论基础。

推动工程教育改革的基础和核心在于学科体系中具体课程的改革。[3]车辆工程专业“工程流体力学”课程长期存在教学模式单调、理论教学抽象不易理解、与专业前沿方向及工程应用脱节等问题，导致课程的教学效果不够理想。学生的理论基础差异较大，部分学生的学习能力有所欠缺、学习方法不够高效、学习态度不够端正，探索更为积极有效的教学方式，给学生多元化、全过程、全方位的学习指导至关重要。面向“卓越工程师”培养核心，如何在新工科背景下构建与工程应用相衔接的经典理论课程体系、重新组织与优化教学内容、开发适用于车辆工程专业的流体力学立体化教学资料、创新教学模式、强化工程实践、提高学生的工程能力与创新能力，成为“工程流体力学”课程改革的首要任务。

围绕贯彻落实习近平总书记关于新时代教育改革及思想政治工作系列重要讲话精神，坚持目标达成与过程管理相统一的原则，以“卓越工程师”培养为核心，以学生为中心，从转变教学理念、重构课程内容、设计多元化授课模式、强化专业与工程实践、开发立体化教学包等方面对工程流体力学课程教学进行立体化改革，激发学生学习兴趣，改善课堂氛围与教学效果、大幅提升学生的自主学习能力、创新能力和工程应用能力。基于信息化智慧教学平台，实现全过程、全方位对学生的学习态度、学习习惯、学习方法进行引导和培育，努力使本门课程教学更有温度、思想引领更有力度、立德树人更有效度。采用“翻转课堂”的教学组织方式，让学生成为教学的主人，采用线上线下结合的方式引导学生对典型案例进行思考，以点带面探索学生终身成长学习能力的培养模式。

1 流体力学课程的教学现状

“工程流体力学”课程是车辆工程专业的一门重要专业基础课，是研究流体平衡、运动及能量间内在联系与相互转换规律的一门学科。学生通过本门课程的学习，能够系统地掌握流体的基本力学性质、流体静力学、流体运动学、流体动力学以及相似原理与量纲分析的基本理论和规律，掌握连续性方程、粘性流体的运动微分方程、伯努利方程的理论推导、物理意义及工程应用，了解流体力学对工程实际问题的解决方法和思路。能够综合运用流体力学的基本原理、基础理论和分析计算方法，具备从流体力学的角度对涉及流体流动的车辆部件构造、工作原理、工作过程进行识别、分析与求解的初步能力，为后续专业课程的学习及相关专业工作的开展奠定初步的流体力学理论基础。流体力学知识体系逻辑性、系统性、理论性较强，专业术语比较抽象。目前，“工程流体力学”课程在教学内容、教学模式和考核方式等方面存在较多问题，主要表现在以下几个方面。

第一，流体力学理论抽象，流体表现出来的性质与生活中积累的直观经验存在差异，教学过程难以调动类似的场景经历。

第二，授课形式单调，对现代信息化教学工具的应用不足，缺乏创新思维的刻意训练，以“教师为中心”单向灌输，难以驱动学生自主学习。

第三，课程内容未能充分与专业前沿研究及工程应用建立关联，学生抱着通过考试、顺利毕业的心态，学习仅仅是暂时的知识编码和理解存储，不能适应新形势下工程教育的发展。

2 构建以“卓越工程师”培养为核心的“互联网+”教学体系

“工程流体力学”课程处在理工类课程体系的转折点，对后续车辆工程专业多门专业课程的学习起着重要的桥梁和引导作用。针对工程应用需要，重新构建课程体系，优化和完善教学资源，开发适合教学使用的、有益于提高教学效果和提升专业培养质量的多样性的教学环境和资源，集各种教学手段之所长，将声音、图像、动画、视频等信息输入方式相结合，多角度、多方位、多层次配合教学过程，使教与学在时间和空间上都得到极大地延展。利用信息化智慧教学工具及爱课程中国大学MOOC平台的相关服务，采用线上线下混合教学模式，广泛应用在线开放课程优质资源，基于互联网、虚拟现实等现代信息技术，探索虚拟实验教学平台建设，实现课堂教学与网络平台、理论教学与实验教学的有机结合，构建包含多媒体课件、视频教材、网络资源、工程流体力学仿真模型等元素的移动教学资源库和立体教材，以丰富的资料充实教学内容。立体化教学平台建设是对教学资源、技术资源和教学实施过程的整合与优化，是提升专业内涵，提高教学质量的根本保障。在学生掌握流体力学的基本原理和计算方法后，引入大量车辆工程背景材料，习题、思考题、案例及场景教学应与车辆工程专业的汽车发动机原理、发动机设计、传热学、液压与气压传动、汽车理论、汽车设计等课程充分结合。

3 探索以“以学生为中心”的理论与实践耦合人才培养实践路径

3.1 创新授课手段，促进学生专注学习

借助信息化智慧教学工具（如：雨课堂、速课堂等）管理课前、课堂、课后、阶段性测试及期末复习等全周期教学过程，全方位改善教学问题。课前环节，通过预习课件、优质MOOC资源、语音PPT、课前任务单等完成难点、重点内容的预习，引导学生仔细研读基本知识，挖掘、理解公式及定理的核心内涵。通过“雨课堂”等工具发布习题测试来反馈预习效果，摸清授课重点，让学生认识自己的不足之处。课前阶段对学生课前预习具有有效约束与促进作用，充分了解学生需求，针对性解决学生课堂学习能力不足问题。

课堂环节，按照教学进程组织教学活动，采用“雨课堂”全面跟进学生学习行为，记录学习数据。PPT授课、MOOC视频、专题讨论、翻转课堂等多种教学模式交叉融合，发挥各自的特色和优势。通过设计系列测试题，实现课堂主体转换，改变传统课堂授课方式。理论讲解与测试相结合，实时检测学习效果，提高学生参与度，切实提高学生课堂注意力、抬头率。根据学生学习特点和知识特点设计测试题型，针对性、循序渐进地给学生尽可能多的参与机会和训练。采用多选题的形式提炼讲解完成知识点的核心信息，多个选项相互提示，利于发现正确选项，错误与正确选项对比分析有利于培养思维严谨性，鞭策学生认真思考，引导帮助学生进行知识总结。主观题的求解实现学生对知识的综合性掌握，训练解题严谨性。难度较大的主观题采用小组作战，提高解题效率，培养团队合作能力，通过小组互评，学生换角度参与，加深对知识点的理解，激发自主学习兴趣、责任心，提升教学成效。采用答题即时评价工具帮助学生巩固难点、易错点，引导学生进行知识总结，教学内容和考核实现针对性渐进，改善学生学习体验、建立学习自信、逐步改善学习习惯。尊重学生学习特点、考虑学生需求，设计趣味互动活跃课堂氛围，明显提升教学效果。逐渐实现老师讲的越来越少，学生参与度越来越高，循序渐进，多方式提升学生参与度。课后环节，通过“雨课堂”进行单元测试、习题实时评分，课后作业即时批改，答案解析随时查询，引导学生对知识点进行回顾总结、错题分析、知识巩固提升，实现教学过程化评价，查漏补缺。通过阶段性测试，了解学生真实学习成效，针对性进行教学设计、教学改进，正向激励，反向鞭策。注重学生高阶学习能力培养，激发学生的学习积极性和学习内驱力，实现学生动起来，课堂活起来，教学相长。

课前、课中、课后系列测试题及讨论课题的设计明确目标，难度循序渐进，与各阶段能力相匹配，通过即时评分形成有效的反馈，促进学生在学习过程中获得“心流”体验，点燃学生的内在学习驱动，从而更加专注和投入课程学习。通过课堂学习、课后习题和阶段性测试，实现对课程知识的编码、巩固和检索，促进学生掌握轻松学习的心理学规律，打造自己的心智模型，找到高效的学习方法。刻意训练学生“深度学习”和“终身学习”的思维模式，引导学生自觉抵制网络和手机的诱惑，强化自主学习和终身学习的意识，提升学习专注力，获得更高质量的人生体验。

3.2 优化授课模式，提升学生的工程能力

“卓越工程师”培养的关键是培养实际动手能力强的实用型人才。改变“以教师为中心、课本为中心”的单向灌输式教学模式，探索以产业发展实际问题、综合复杂问题和未来前沿问题等为导向，以老师主导、学生自主探究学习和小组研究学习相结合的“以学生为中心”的多元化教学模式。变被动灌输为主动探寻，体验主动思考和探索带来的求知乐趣。采用基于问题的学习（problem based learning，简称PBL）教学法，以发动机润滑问题、缸内燃烧与传热等为例，学生为主体、教师为导向，把课程学习设置于工程实际问题情境中。通过让学生合作解决实际问题，来学习隐含于问题背后的工程流体力学知识，通过采用AMESim软件对发动机润滑系统进行仿真，分析润滑系统关键节点的流量与压力分布、最小油膜厚度等。以双燃料发动机反应活性控制压燃（RCCI）技术为例，通过查阅文献资料，了解RCCI燃烧产生的背景和当前存在的问题，通过简化物理问题，借助商业软件建立数学模型、设置边界条件及相关参数、实施数值求解过程，详细分析和讨论计算结果等，使学生在具体的实践过程中，建立发动机工质流动、燃烧特性、性能之间的科学关联，训练学生解决工程实际问题的系统思维，提高对工程流体力学知识的应用能力，实现理论教学与实践教学的最佳结合。教学中将工程流体力学与车辆工程专业的课程设计、创新实践、毕业设计、毕业实习等有机结合起来，形成系统化的实践教学体系。联系车辆工程专业的学科内容，设计与工程流体力学课程相关的学习和设计任务。积极探索并采用多样化教学手段与启发诱导的方法，让学生真正提高学习的兴趣与积极性，学会如何主动探索性学习，并将理论学习与实践相结合，最终提高分析、解决问题的能力。

3.3 改革考核手段，打造学生终身学习的心智模型

为提升学生自主学习驱动力和强化学习效果，基于教学过程控制，对“工程流体力学”课程的考核方法进行全面改革，把自主学习能力的提高和创新实践思维的训练作为考核的重点，采取多元综合考核方式，主要包括随堂测验、课堂讨论、课后作业、项目实践及成果分析、期末考试等环节。随堂测验主要针对基本概念、基本原理和基本计算方法的考核；课堂讨论主要针对复杂公式、工程实际问题分析能力的考核，根据教学内容合理安排；根据理论学习内容设置车辆工程专业相关的科研项目实践环节，学习相关工具及商用软件，通过分析工程实际问题的物理过程，建立数学模型，并利用软件工具进行仿真分析，根据学生软件学习与运用、文献阅读与分析、模型建立与仿真分析、成果报告撰写等情况综合评分。期末考试拟采用开卷+闭卷相结合的方式：基本概念、原理和计算方法的考核采用闭卷方式；复杂公式和理论的应用、图表分析和解决问题能力的考核采用开卷方式。加大过程化评价比例，平时成绩占到最终成绩的70%，有效防止平时不学、考前突击的现象。改革考核手段，综合考查学生对基本理论知识的内化和工程应用能力，通过阶段性考核反馈学习效果，通过输出促进学生输入。整理课前、课中、课后、期末考试等教学过程全部试题，针对核心知识点，提炼各章节的测试习题和答案，基于信息化智慧教学工具组织成评测试卷，形成教学过程全周期试题库。通过课前、课中、课后环节的考核，促进学生对知识进行编码、巩固和检索，提升自主学习能动性和学习效果，掌握高效学习的技能和心理学规律，打造终身学习的心智模型。

4 结语

随着“卓越工程师教育培养计划”的广泛实施和积极推进，昆明理工大学车辆工程专业“工程流体力学”课程教学以此为核心进行的改革与创新实践符合教育规律和现代高等教育的教学原则，通过面向“卓越计划”为核心，“以学生为中心”的多元化教学模式改革，线上线下混合教学模式与一定程度的课堂翻转，使得“工程流体力学”课堂教学状况焕然一新，课堂气氛活跃，学生的参与度和抬头率明显提高，学生的主动学习能力、解决工程实际问题的能力都得到综合提升，强化了深度学习、终身学习的思维模式。