新工科背景下应用型高校流体力学教学探究与思考

蔺海晓 陈欢琪 王钦亭

（河南理工大学土木工程学院 河南·焦作 454000）

1 概述

在以新技术、新产业、新业态、新模式为特征的新经济时代背景下，高等院校的本科生教育已成为人才强国战略的重要组成部分，随着新技术发展的同时也使新型产业和新经济形态紧密地联系在一起，并且对当前地方高校的教育工作提出了新的条件，在培养高素质应用型人才方面，应该提出更高的要求[1,2]。结合社会发展的新需求、学科交叉融合的新趋势、科学研究的新成果，从而打造出传统学科专业的升级版，推进具有新理念、新体系、新质量、新模式、新结构的“新工科”建设是大势所趋。当前，中国工程教育已迈入新时代，“新工科”建设势在必行[3]。建设教育强国是实现中华民族伟大复兴的基础工程之一，其总目标是建设具有中国特色、体现世界水平的高等教育强国，进一步优化专业结构，加强专业建设。新工科背景下专业建设改革的基础和核心是学科体系的课程改革。流体力学是土木工程专业的核心基础课程之一，在新工科背景下构建与工程应用相衔接的经典理论教学内容、积极开展教学模式创新、开展课程思政教育，协调好教与学的关系，把教书育人落到实处，成为流体力学课程改革的重要目标[4]。

2 流体力学现状及问题

《流体力学》是普通高校工科重要的专业基础课，内容一般包括流体静力学、流体运动学、流体动力学、量纲分析、气体动力学等。流体力学主要是研究流体的平衡状态、运动规律以及相关的工程问题，主要特点有知识点多、理论性强、抽象性高，对学生数学、力学素质要求较高。之前学生熟悉力学知识大多数是以固体为研究对象，研究对象换为比较抽象的流体时，学生学习起来就比较困难，在学习流体力学中，需要进行大量的公式推导，过程复杂且难理解[5]。各大院校开设流体力学课程的专业也有很多，比如土木类、水利类。学习《流体力学》课程，有助于学生形成良好的逻辑思维模式，锻炼分析问题、解决工程问题的能力，也为学生学习其他专业课程奠定基础。

2.1 教学内容多，知识结构系统性低

传统的流体力学教学，多采用课上进行PPT讲解与公式推导相结合的方式，教学过程多以课本章节安排为教授顺序，很少关注知识点的系统性、逻辑性。这就容易导致学生在学习流体力学时不能形成片状知识结构体系，大量分散的知识点就容易被遗忘。“即学即练”的教学方式，使学生对知识点的印象还较为深刻[6]。但传统的教学方式，在一次课上往往需要讲解3-4节的内容，可以带领学生进行“即学即练”的知识也是很小一部分。这就导致学生不能建立系统的知识结构，在遇到实际工程问题时，学生容易产生畏惧心理，从而导致学生很难主动地认识问题、分析问题、解决问题。

2.2 不能充分调动学生自主学习的能力

传统的流体力学中包含大量的新概念，如流线、迹线、水头损失等，教学内容复杂，教学过程枯燥，消磨了学生学习的主动性。学生形成了被动的接受知识的习惯，学生主动认识问题、分析问题、创新能力也受到了很大负面的影响。学生学习知识的过程不应该是一个机械的接受知识的过程，更不是被动的接受知识的过程，而应该是主动学习知识，把课本上的知识主动的转化为自己解决问题的工具的过程[7]。这样学生在实际工程问题中，不容易产生畏难情绪，才可以更自信的运用自己所学的知识去认识问题、解决问题。

2.3 理论和实践出现分层

专业课程的学习不仅为了学生可以考试过关，更重要的是为了学生可以在实际工程中快速的认识问题、分析问题、解决问题。传统的专业课教材中的习题，一般是比较典型的经过简化的问题，与实际工程问题之间存在着很大差距的。在教学过程中，理论推导、方程论证、公式换算已经占用了大量学时，导致后期对实际工程问题讲解内容被压缩，这是导致理论和实践脱节的原因之一[8-9]。在学期末开设的认知实践课程，目的是为了使理论知识和实践紧密结合。但由于认知实践课程与理论课程之间相隔时间较长，当学生真正与实际工程面对面时，理论知识也已经模糊，加上走马观花式的认知实践，往往达不到预期目的。同时，也浪费了大量的财力、物力。

在实际教学中，专业课程思政建设要求教师在授课过程中将知识传授、能力培养与价值引领三者有机统一起来，把专业课程教育与思政教育形成同向合力，但流体力学教师对课程思政的重视程度较低，存在着“智育”与“德育”相互分离的状态，因此应加强教师德育意识和德育能力建设，发挥教师的榜样力量，进行价值观的引领[10]；同时应加强课程思政教学质量保障体系建设，构建以专业知识教授为根本和思想政治教育为核心课程思政体系，在讲授流体力学课程时，以春风化雨的方式将思政元素自然贯穿相关教学环节，通过润物细无声的方式实现专业知识传授与思政教育有机结合，从而为国家培养大批有理想、有责任的新时代接班人。

3 教学改革研究重点及做法

3.1 教学方式的改革

首先，教师应该将实际工程应用贯穿于整个课程学习的始终，让学生时刻保持与实际工程问题紧密结合的状态。在理论课程学习之后，紧接着可以让学生进行一些课程设计，进行课程设计之前给一些选题让学生根据自己的实际情况进行题目的选择。目的是为了让学生对自己的能力有一个综合评估，根据这个评估再进行题目的选择，最后让学生主动对所学的理论知识进行升华，转化为适合学生自己的解决实际工程问题的工具。学生要想完成一份合格的课程设计，必须亲力亲为，必须对工程的每一个细节都要十分精准，小到粘度系数的测定。在设计的过程中，学生也要综合考虑工程的实用性、安全性、易操作性、价格。这样既锻炼了学生逻辑思维能力，让学生对所学知识进行整体的把握，也实现了理论知识和实际工程紧密相连的目的，也培养了学生的责任意识。最后教师应对学生的课程设计的各个方面给予一个综合指导和评价，让学生对自己的设计优点、不足有一个清楚的认识。

3.2 教学手段的改革

在教学手段方面，在传统的多媒体、板书基础上，可以加入三维数值模拟软件作为辅助教学手段。流体力学课程具有公式多、推导过程复杂、参数多的特点，而且流体力学很少直接体现在实际工程中，学生学习起来往往觉得枯燥、抽象。国内高校关于流体力学的课上实验主要是管道流动实验，这些实验设备可进行多个管道流动实验，但是由于维护保养不易、使用年限较长，实验误差很难缩小到理想的范围。由于设备数量有限，需要安排各个专业，在不同的时间段进行实验，有时为了让更多学生观察实验过程，每个分组中往往只有个别同学真正的参与到实验中。

和实验手段相比，三维数值模拟有着明显的优势：（1）真正做到人人动手参与到实验中。（2）减少购买昂贵设备、保养设备的资金。（3）锻炼学生学习软件，借助科技解决工程问题的能力。流体力学中常用三维数值模拟的软件有FLOW-3D、Fluent、Matlab，学生可以利用这些软件自主进行河流、水槽、液体流动、管道等流体力学模型的建造，细细体会流体力学中一个参数的微小变动，会引起实际工程的中的哪些问题，从而对实际工程中的一些问题发生的原因有一个更清楚的认识。老师可以让学生在课上进行成果展示，并让学生对自己的作品进行讲解，锻炼学生的语言表达能力、动手能力。老师在课上就可以对学生的成果进行评价、指导，激发学生自主的学习兴趣。

3.3 课程思政融入课程教学

课程思政是培养德才兼备的高素质“新工科”人才的长效方法。根据工科课程实行课程思政的难点和重要性，探讨对流体力学进行课程思政改革，建设一门有人文温度的精品专业课程的方法，促进新工科人才的培养。

流体力学课程教学运用现代教育手段，采用混合式教学、“翻转课堂”、线上导学线下讲授的教学形式，以案例式、专题式、讨论式等多元教学法，将核心价值引领与专业知识传授相融合，让学生养成工程思维，启迪“流体智力”工程智慧，唤起学生对社会责任与科学精神的敬畏和对社会使命的责任担当。

通过伯努利方程应用的“工程案例”，帮助学生领悟系统内部相互制约与相互协调的重要性，在对流体力学连续性方程讲解中，让学生理解质量守恒，引导学生树立“敬业、精益、专注、创新”的大国工匠精神，培养学生具有创新创业精神和良好的工程意识。

4 结论

按照“新工科”培养人才的理念，探索构建具有突出成效的流体力学课程教学手段方式。在方式上，让实际工程的例子贯穿教授理论知识过程的始终，使学生与实际工程时刻保持紧密相连的状态，让学生充分掌握如何用理论知识去解决工程实际中的问题，为学生以后的在解决工程实际问题，提供创新的灵感和自信。在手段上，利用FLOW-3D、Fluent、Matlab等三维数值模拟软件，提高学生发现流体力学中各种参数、边界条件、介质变化引起实际工程问题的灵敏度，增强流体力学课程在实际生活中实用性、可操作性。课程思政是我国高校促进学生全面发展的重要举措。新工科教育则是未来中国实现人才强国、制造强国等重大战略的主要抓手。通过课程思政，使知识累积突变升华成学生的综合素质和高尚情操，将思政融入更多基础类课程的教学工作中，提升学生的学习水平和综合素质。