石油高校高等流体力学研究生课程建设探索*

田 园，李亚茜，黄 茜，孟 江

(1 重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2 中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

1 高等流体力学课程建设背景及意义

高等流体力学是一门系统性、逻辑性较强的课程，是在本科课程《工程流体力学》基础上的进一步拓展和加深[1]。高等流体力学已经成为石化类专业研究生的学位必修课程，对于石油高校中众多相关学科的发展起着至关重要的支撑作用。但高等流体力学教学目前仍存在以下问题：

(1)高等流体力学课程基本理论较多，对数学知识的要求偏高，而工程应用方面却涉猎很少[2]。需要花费许多的时间和精力给数理基础相对薄弱的工科研究生介绍其中涉及的准备知识(如场论与张量分析)，而对于如何将这些基本理论应用于工程实际问题的分析和解决较少，不利于取得良好的教学效果。

(2)目前高等流体力学课程还需突出石化特色，在基本理论的学习和应用上应强调与油气的处理工艺和设备相结合[3]，强化学生应用流体力学知识、认识并解决相关石化工程问题的能力，为石油高校培养石化领域的优秀研究生人才服务。

(3)近年来计算流体力学与各种工程实际问题的结合越来越密切，已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，并已成功应用于建筑、环境、流体机械等技术科学领域[4-7]。在高等流体力学教学中应加强计算流体力学的教学，特别是商用流体分析软件的应用教学。

随着工科类研究生招生规模的迅速扩大，选择高等流体力学作为学位必修课的学生也越来越多，如何将高等流体力学的基本理论应用于石油高校油气田开发工程、油气储运工程、机械工程等专业的专业背景和学科研究方向，合理选择课程教学内容和教学方式，注重理论与实践相结合，保持基础理论知识与工程应用知识的相对平衡是目前《高等流体力学》课程面临的主要问题[8-9]。

2 高等流体力学课程建设方案

2.1 具体目标

通过深化教育教学改革、优化教学内容、健全案例资源库及习题库、制作课件、开发实验项目、改革课程考核等方式，形成了适合于石化领域的硕士研究生核心课程内容体系和教学模式，有利于基础理论水平提升及工程实践能力培养，确保研究生培养质量。

2.2 具体建设内容

(1)教学内容优化

深入了解石油院校相关研究生专业学科及课程意见，力求课程的重点内容与研究生主要培养方向相接轨，在课程内容中突出石化特色，在基本理论的学习和应用上强调与油气的处理工艺和设备相结合，强化学生应用流体力学知识，认识并解决相关石化工程问题的能力，为培养石化领域的优秀研究生人才服务。

针对石油院校教学要求及工程应用特色，在保障学生掌握流体力学基础理论的基础上，强化了理论的现代化应用，弱化了理论的证明及推导过程，引入了现代计算流体力学的数值计算理论，结合了流体力学工程分析软件的实际应用。

将计算流体力学、数值传热学和Fluent软件使用手册的相关内容与《高等流体力学》进行整合，优化教学内容体系，按理论基础、数值计算方法、实验方法相结合的方式构建教学模块，并在此基础上，修订课程教学大纲，完善相关教学支撑条件。整合后的课程内容体系如图1所示。

图1 整合后的高等流体力学内容体系Fig.1 The integrated advanced fluid mechanics content system

在数学工具教学模块中增加数学软件基础教学内容，将理论推导与数学软件符号计算相结合，理论结果与数学软件绘图功能相结合。在数值计算基础教学模块中增加数值计算方法和软件应用两个部分的内容。软件包括建模软件SolidWorks、网格剖分软件ICEM、流场计算软件Fluent和后处理软件Tecplot[10]。还增加了流场测量方法教学模块，增加了测量理论与PIV激光粒子测速方法教学内容。

(2)课程资源建设

以修订后的课程教学大纲为准绳，以实际工程案例中的复杂流动问题为基础，以提升学生基础理论水平和工程实践能力为核心目标，遵循典型性、完整性、综合性和启发性原则，重新构建具有实践性强、形式多样且具有一定广度和深度的课程资源。首先，考虑到研究生的知识水平和知识结构与本科生有较大区别，且大多数学生已掌握工程流体力学的一些基础知识，因此选取具有较高起点的教学内容，基于思维导图软件MindManager制作能反映高等流体力学体系的课件，与传统课件相比，学生更能从总体上把握高等流体力学的理论系统框架。其次，将课题组任课教师从事的科研活动中涉及的流动问题转化为教学案例库，通过案例的讨论和分析，增强学生学习理论知识的兴趣，提升课堂教学的互动效果，增强学生运用理论知识分析并解决工程实际问题的能力[11-13]。最后，基于激光粒子测速系统(PIV)开发流场检测实验项目，通过实验增强学生学习理论知识的兴趣，提升课程教学质量，提高学生对现代流体力学实验方法的掌握。

(3)完善教学模式

高等流体力学这门课程具有理论性强、公式多、数理基础要求高的特点，为帮助学生学习，构建了基于思维导图软件MindManager，结合数学软件、绘图软件、flash动画制作的理论教学课件，将高等流体力学的授课内容用多个层级的主题进行描述，各级主题关系用相互隶属的层级图形式清晰地表现出来[14]，形成的思维导图如图2所示。其发散性思维模式可让学生突破思维定势，激发学习兴趣，最大限度地发挥现代化教学手段在流体力学教学中的优势和强大功能。并且将流动理论和数学知识用图形、动画的方式讲授，既能极大地提高学生的学习热情又能更有效地掌握教材中的基本知识，同时思维导图是一个开放的图形框架，在高等流体力学教学中鼓励学生在基本框架上自由增加相关流动问题主题，开展头脑风暴，形成自由联想和讨论，产生新观念或激发创新设想，从而改善传统理论课讲授的枯燥无味，既发挥了学生的主观能动性，又锻炼了学生的表达思辨能力。

图2 高等流体力学课程思维导图Fig.2 Advanced fluid mechanics course mind map

(4)考核方式优化

为强化学习效果，本着“量化细分、体现全面、突出重点”的原则，实施标准答案与非标准答案、过程与结果相结合的考试方式改革，实施考核方式多元化工程，由以考核学生知识为主向考核知识与技能并重转变。构建模块考核标准答案+综合案例非标答案的考核方式，并制定考核评价标准。其中模块考核由各个知识模块考核构成，每个知识模块成绩由平时成绩和考核成绩两部分构成，模块考核总成绩由各知识模块加权求和得到(各模块权重根据具体内容的重要程度确定)。综合案例分析由平时成绩、分析报告成绩和答辩成绩三个部分构成，采用非标准答案的考核方式，鼓励研究生自由探索复杂流动现象中的科学规律。课程总成绩由模块标准答案考核和综合案例分析非标答案考核加权求和。

(5)教学团队建设

本着内部培养与外部聘任、专职与兼职相结合的原则，建设适合于研究生工程实践能力培养的教学团队，提升校内教师的实践能力。通过团队培养项目、教学进修与研修项目、工程实践能力锻炼项目、科研能力提升项目、学历深造计划和骨干教师出国深造计划，对校内教师加强系统培养，进一步提升校内教师综合工程实践能力。

3 结 语

课程学习是保障研究生培养质量的重要环节，高等流体力学作为一门应用领域非常广泛的研究生专业基础课程，需要高水平建设。通过课程内容优化、课程资源建设、完善教学模式、考核方式优化和教学团队建设等方式，提高课程教学质量，建设高水平课程。获得了师生及同行专家的广泛认可，起到了较强的示范引领作用。