新工科背景下流体力学课程项目式教学与考核评价体系研究

王燕 郑健

摘  要：流体力学是高等学校能源与动力类专业的学科基础课，计算流体力学软件是流体力学相关研究开展的重要工具。文章首先探讨了新工科背景下流体力学开展项目式教学的意义、优势与不足，进而提出了流体力学进行项目式教学的改革思路与实践，探讨了将CFD模拟技术引入流体力学项目式教学中的教学方法和考核评价。

关键词：流体力学;项目式教学;CFD技术;考核评价

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）28-0009-04

Abstract： As the basic curriculum and backbone of the majors of energy and power， Fluid Mechanics is an essential and fundamental course for the future development of students. Computational fluid dynamics（CFD） softwareis an important and effective tool in conducting the correlation research of fluid mechanics. In present study， the significance， advantages and disadvantages of project-based learning of flow mechanics in the new engineering background were firstly discussed， and then the paper put forward the reform ideas and practice of the project-based learning method of fluid mechanics， finally probed into the measures of teaching and assessment of introducing CFD simulation technology into the project-based learning of fluid mechanics.

Keywords： fluid mechanics; project-based learning; CFD technology; inspects appraisal system

一、新工科背景下流体力学课程开展项目式教学的意义

（一）新的人才需求对传统专业基础课程教育提出了新要求

新工科建设是国际工程教育认证下我国高等教育的主要改革方向，是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的[1]。新工科教育理念的提出，工程类专业的国际工程教育认证，以及以企业需求为导向的人才培养教育，都对高等院校的专业建设和人才培养模式提出了新要求[2-3]。因此，在新时期、新理念、新需求下，高校作为人才培养基地应及时调整培养目标、创新培养模式、改革课程体系与方法、更新教学内容、引进先进手段、提升教育质量，使培养的人才始终满足当前和未来产业发展需要，甚至引领产业的未来发展。

项目式教学法（Project-Based Learning， PBL）是近年来国际工程教育改革的研究热点[4]，是一种以学生为中心、培养学生的基础理论、个人技能以及团队协作等能力的方法。该方法要求学生通过一系列个人或团队合作完成项目任务，利用必要的学习资料，解决现实中的问题，从而获取知识和技能。在项目驱动下，融入CDIO理念，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四步骤[5]，将学生从“被动接受”变为“主动参与”，从项目的构思到设计、实施，都由学生团队和老师一起探讨完成，综合培养学生的工程基础知识、个人、团队协作和工程系统能力四个层次的能力，以培养出具有组织、协调、团队协作、决策与创新和工程意识的复合型人才。

（二）项目式教学是流体力学课程理论与实际联系的桥梁

流体力学是力学的一个分支，它是研究流体运动的基本规律及其应用的学科，具有较强的理论性，同时又密切联系实际，是水利、航空、航天、大气、能源、环保、土木、化工和石油等领域的重要专业基础课程，是学理基础知识与专业课程联系的桥梁[6]。多年以来，流体力学本科教学内容主要聚焦于经典的流体力学理论和传统的实验分析方法，偏重于理论分析和一些验证性实验讲解，教学内容比较艰涩、抽象和单一，没有将现代先进的流体力学发展成果应用于流体力学课程教学，不能反映当前流体力学学科发展的趋势，不利于培养学生的创新能力和自学能力[7]。同时，整个流体力学课程在建立静止与运动的基本控制方程后，就开始针对一些特殊的流动进行分析，比如不可压缩无旋与有旋流动、N-S方程、边界层理论等，这种“支离破碎”的知识加之深奥复杂的理论，容易使学生产生流体力学远离生活、流体力学学不懂、学懂了无法用的念头，缺乏理论与实际联系的桥梁，影响流体力学课程的教学效果和知识的吸收转化利用[8]。

同时，流体力学又是一个充满活力的学科，在实践中与社会生产力一起不断发展。当前，流体力学进入了一个新的發展时期：分析手段更加先进，与各类工程专业的结合更加紧密，与其他学科的交叉渗透更加广泛深入[9]。为了有效地实施素质教育，增强学生对流体力学知识的深入认识，激发学生的创新思维能力，提高学生解决实际问题的能力，先进的教学方法和手段不可或缺。如果能在流体力学的教学过程中，通过项目的形式，采用CFD方法，让学生应用流体力学的理论知识去求解实际的流动问题，比如在讲液体静压力的时候引入十几种不同安装位置、不同形状、不同功能的闸门的求解;在讲定常与非定常流动时让学生去计算翼型在定常与非定常状态下的气动性能和流场结构等;在讲层流与湍流的时候可以通过项目计算槽道流和管道流动的层流与湍流流体质点的运动特征;在讲边界层理论时让学生体会不同的边界层厚度对风力机二维翼型气动力计算的影响等……会使得学生对方程描述的重要性有很好的认识，融会贯通流体力学课程所讲的枯燥理论知识。同时，在项目研究过程中，还可以借助一些先进的技术手段，通过图片、动画等来展示流场结构与受压面的受力，有利于激发学生的学习积极性，开阔本科生视野，提高学生的科研创新能力，更好地适应新工科教育和创新复合型人才的培养。