地质工科“工程流体力学”课程思政探索与实践

2022-03-16王志乔周辉峰吕建国

科教导刊 2022年1期

王志乔王瑜周辉峰凌雪吕建国

（中国地质大学（北京）工程技术学院北京 100083）

“新工科”是以立德树人为引领主动应对新一轮科技革命与产业变革的国家教育改革战略选择；提出培养适应当前国际竞争新形势的高素质复合型创新人才。在新工科建设背景下，随着地质类行业的转型和相关技术的升级，地质类高校进入新的发展建设阶段，面临新机遇和新挑战。在“厚基础、宽口径、个性培养”的人才培养模式下，为满足新时代人才培养的需求，对传统地质类工科专业[1,2]（涉及地质工程、安全工程、油气工程、资源勘查、非常规能源工程、环境工程、机械工程等专业）的基础课程建设和教学模式提出了更新、更高的要求。在专业课程教学过程中，不仅传授科学知识，还要把思想引领和价值观塑造融入其中。帮助学生掌握客观规律，树立正确的世界观、人生观和价值观，传承和弘扬优秀传统文化。使专业课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。[3,4,5,6]

工程流体力学是地质类工科专业的重要基础课程，渗透力极强、介入的课程群极为广泛、对其他课程牵引作用非常大。在传统的工程流体力学教学中，难以有效地将科学知识讲授与思政教育自然融合，亟须探索以思想引领的工程流体力学课程建设和新教学模式。本文通过工程流体力学模块化课程体系构建、学科和德育层面的思政元素挖掘、课程思政教学设计和实践，以期用好课堂教学主渠道，把思政教育落实到每一堂课中，探索和实践把“立德树人”作为工程流体力学课程教育的根本任务的一种嵌入式教育新理念。培养具有创新实践能力、可持续发展思维和家国情怀的地质类工科新型人才。

1 模块化工程流体力学课程体系构建

考虑我校地质类行业特色以及工程流体力学课程的应用基础特点，以全面培养学生创新精神和实践能力为核心，优化建立模块化工程流体力学课程教学体系，满足不同工科专业和不同层次学生对课程的需求。[7]突破传统框架，实现相关模块的融合、贯通。课程涉及流体力学性质、流体静力学、流体动力学、流动阻力、有压管流、明渠流、地质介质渗流、缝隙流、流体力学新进展等多个模块，供不同专业选择。通过对流体力学的基本概念、基本理论及基本方法和实验技能的学习，理解流体静止及运动时的规律及流体与固体之间的相互作用等理论基础（包括流体特性与受力种类、流体静止时的压强分布规律及压力计算，连续方程、能量方程和动量方程进行流动的分析和计算，能量损失产生的原因、计算方法等），掌握流动问题分析与建模技巧、工程实际典型流动问题的行为与特点。既为其他课程学习打下坚实基础，又为实际工程中流体问题的分析提供解决办法与依据。

工程流体力学课程思政建设不是开设新课程，而是抓住课程改革建设核心环节，在原有内容基础上挖掘育人元素和育人逻辑并融入教学中。在模块化工程流体力学课程教学中，除了要注重理论与实践教学有机结合、准确把握各单元模块的内涵及相互链接关系外，另一个重要的思想就是要聚焦思政融入，构建宏微观的一体化育人课程知识体系。建立基于学习产出教育模式OBE（Outcomes-based Education）理念的工程流体力学课程体系，明确课程思政具体目标，解决专业知识讲授与思政教育有机结合难的问题。结合个性化学习的具体要求，使学生实现自我挑战，再将信息反馈从而完善课程设计与教学。

2 工程流体力学思政元素挖掘

传统的工程流体力学课程设计上，尚未充分有效挖掘梳理德育元素、思政资源，使其与课程内容和教学目标自然交互有机融合，充分发挥课程的育人功能，实现全程育人、全方位育人和全员育人。工程流体力学思政元素挖掘应坚持实事求是、创新思维、突出重点和注重实效原则，以达到潜移默化的育人效果。从学科和德育两个不同的层面进行深入系统的挖掘。学科层面思政元素包括：重要人物、关键事件、人文精神和行业时事；德育方面课程思政元素包括：从大德层面结合学科领域挖掘家国情怀、政治认同等元素，从公德层面挖掘优秀传统文化、社会责任等元素，从私德方面挖掘职业操守方面的元素。

2.1 流体力学史融入，培养辩证唯物主义自然观和科学探索精神

流体力学是研究流体(包含气体、液体以及等离子体)现象以及相关力学行为的科学。[8]在古希腊时期，阿基米德就奠定了流体静力学的基础，建立了液体平衡理论（浮力定律和浮体稳定性）。从17 世纪开始，流体力学逐步大发展；关键的有静止流体压力概念（帕斯卡）、粘性力与速度梯度关系（牛顿）、测量流速的皮托管发明（皮托）、运动流体压力概念与欧拉方程建立（欧拉）、速度与压力关系的伯努利方程（伯努利）。18 世纪无粘位势流理论获得重要进展，并在潮汐、水波、涡旋运动等方面有广泛应用。19 世纪纳维-斯托克斯方程的建立为流体力学的发展奠定了完整的理论基础，并应用流体力学解决一系列工程实际问题（汽轮机、水力机械等）。20 世纪普朗特建立了划时代的边界层理论，极大的推动了喷气推进、火箭技术、弹道技术、航空航天技术、爆炸技术、生物技术、交通流控制理论等领域的发展。[8]流体力学是一门经典而又永葆青春的学科，其发展必然带有社会和经济发展的印记。通过发展史的融入，将各个模块化的工程流体力学知识链接起来，让学生了解社会发展的不同阶段必然催生相应的理论解决工程实际问题，培养学生辩证唯物主义自然观，以及淡泊名利、锲而不舍奋斗的科学探索精神和创新思维。

2.2 弘扬我国优秀文化，激励爱国热情，培养家国情怀

流体力学的发展既依赖于生产实践和科学实验，又受到社会因素的影响。我国古代劳动人民在流体力学知识的应用方面有着诸多流传至今的闪光点：大禹治水疏通江河的传说、秦朝李冰父子主持修建都江堰、曹冲称象浮力定律在一千八百多年前就很好地被应用。此外，流体力学与文学艺术曾有过流芳百世的交融，东晋时代王羲之在兰亭谱写了曲水流觞精美故事，兰亭诗人巧妙地利用了驻涡作用并把流动现象有机地与中国文学结合。

在欣赏我国古代优秀文化的同时，让学生了解流体力学源于西方，我国古代有流体力学知识的广泛应用，但没有发展为精确的科学。近代中国不断努力赶上西方的科学发展，并且涌现出一批杰出的应用力学科学家和技术人才。

杰出的科学家和教育家周培源，在二战初期赴美学术休假，当时美国急需科技人员，给予全家永久居留权，周培源对此一笑了之。回国后，抱着科学家应为反战服务，以科学拯救祖国危亡的志向，毅然转向流体力学研究。第二次赴美学术休假从事湍流和鱼雷空投入水的相关研究。他再次被应邀留美，却明确回复不做美国公民、只从事临时研究。回国后，推动我国力学事业的发展。在每一历史关键时刻，周培源总是以国家和民族的命运为己任而放弃个人的安逸和舒适条件。

著名科学家、应用力学家郭永怀长期从事航空领域研究，建国初期毅然放弃国外优厚条件回国。他注重理论结合实际，善于在实践中精准把握科学研究方向，倡导了我国高速空气动力学、电磁流体力学等重要学科研究，为我国核弹与导弹事业发展作出了毕生的贡献。1968 年在戈壁基地进行了数月试验的郭永怀，发现一个重要线索后紧急返京，飞机降落时不幸坠毁。在残骸中辨认出郭永怀遗体，发现他和警卫员仍紧紧地相拥在一起，绝密数据资料完好无损保护在他们胸前。

老一辈流体力学专家的卓越成就、学术思想和感人事迹的讲述或学生课外研读的引导，培养学生树立正确的价值观和人生观，激发学生的爱国热情，引导学生勇敢肩负起时代赋予的光荣使命。

2.3 依据行业需求，培养协同创新思维

中国近期提出碳达峰与碳中和战略，不仅是全球气候治理、保护地球家园、构建人类命运共同体的重大需求，也是中国高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理的内在需求。碳中和战略涉及深度社会经济发展转型，以期实现低碳甚至零碳排放和基于技术变革的增汇目标，是面向可持续发展的重大机遇。面对制约我国可持续发展的资源、能源、环境和气候中的重大难题和严峻挑战，工程流体力学是解决难题和应对挑战的重要理论基础之一，涉及转变能源发展方式、提高能源效率、开发非常规能源和深部地质资源、深海资源、二氧化碳地质封存与地质相互作用等各个领域。

地质类工科行业作为保障国家资源和能源需求的关键行业，有较好的长期发展潜力。在碳中和战略背景下，培养学生树立“大地质、大生态、大服务”的新发展理念；充分发挥地质类工科的专业技术优势，拓展地质工作服务领域，加强创新协作，将工程流体力学专业知识跨界运用于民生领域、生态环境领域。开展自然资源环境承载能力监测预警、水土污染调查与治理、地下空间开发适宜性评价、国土空间生态修复等。[1,2]依托国家和行业需求，培养地质类工科学生持之以恒精益求精的工匠精神，注重学生人文素养提升，激发他们科技报国的家国情怀和使命担当。

3 工程流体力学课程思政设计和实践

工程流体力学课程思政设计和实践具体思路：首先，在教学的顶层设计上，要把学生的德育培养作为课程教学的首位目标，并与人才培养方案和培养目标相结合。“课程思政”作为一种思维方式，需深入挖掘学科与思政高度契合的思政元素。在教学过程中，充分利用好融入载体（固有教学平台、潜在专业通道、创新教学环节）实践新方法。此外，创造性地推出新的育人手段，如通过课程群和公众号线上线下相结合推送在课堂上没有时间讲授的思政案例，利用在线课程组织思政案例的研讨等，并开展全过程课程思政教学评估（诊断、过程、总结）。

在教学实践中，传统教师一言堂、学生填鸭式学的工程流体力学课程模式为：给出概念→推导理论与方法→应用提高（做习题）。难以有效地调动大多数学生学习的积极性和主动性，培养他们创造性思维；难以有效地将思政教育融合教学内容。在深入优化教学内容和课时分配的基础上，实践工程流体力学课程思政的研究性学习和教学新模式：观察现象→发现问题→引出概念→探索方法与理论→应用提高并思考。以问题和价值导向引领工程流体力学课程教学，以课程思政的融入来创新研究性学习新模式。[3，9]