“双一流”学科建设背景下流体力学课程教学改革研究

2023-02-02义教授吴笑迎施式亮教授朱双江贺副教授

安全 2023年1期

鲁义教授吴笑迎施式亮教授朱双江李贺副教授

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201；2.湖南科技大学公共安全与应急管理研究院，湖南湘潭 411201)

0 引言

湖南科技大学安全工程学科是湖南省“双一流”建设学科，也是湖南科技大学与应急管理部共建学科平台。近年来，在教育改革不断完善、研究生质量不断提升的环境下，关于研究生教育的培养方案也在不断完善。目前，国内外许多高校针对流体力学课程进行了不同模式的改革，流体力学课程主要是针对航空航天、水利、化工及机械等传统工程学科而设计的，涉及液体、气体、等离子体等多个方面，大多采用教学互动的模式引导学生自主学习。此类模式虽然可以拓宽学生对流体力学学习的广度，但是对于安全领域的学生却缺乏针对性。因此，本文以安全领域常见的工程实际问题为基础，将其融入流体力学课程之中，建设特色案例库，以此让学生更好地对理论知识活学活用，解决现实中遇到的难题。

1 流体力学课程定位

流体力学是一门研究流体平衡、运动、流体与流体及流体与固体相互作用的力学规律，以及这些规律在工程实际中应用的专业基础课，在整个课程体系中的地位十分重要，有概念抽象、知识点多、理论性强等特点[1]。作为连接大学公共课与专业课之间的桥梁，流体力学是高等院校工科研究生的一门重要的专业基础课，课程对于学生后续的专业学习、工作和生活具有重要意义[2]。同时，流体力学是解决工程实际问题最有效的手段之一，其理论知识点对处理工程实际问题起到很大帮助。然而该课程涵盖知识点宽广且专业跨度大，使得讲授和学习的难度较大。此外，流体力学也是安全科学与工程专业的一门重要理论基础课程，与安全学科所涉及的多数专业课程和领域有所交叉。作为相关知识的理论基础，流体力学在工业通风与除尘、矿井通风与防尘、消防工程、燃烧与爆炸理论等安全工程专业均有需要，在矿井通风、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火灾防控等众多工程领域也有广泛的应用[3]。

2 课程教学现状

2.1 师资力量及研究生生源基础

流体力学具有概念繁杂、公式众多、内容抽象等特征，是一门既有晦涩难懂的理论知识，又有较强工程应用的学科。由于流体力学课程自身所具备的种种困难，对于教师的教授和学生的学习是一种考验。

从师资力量方面来看，目前安全工程专业的授课老师大部分来自于矿业类高等院校安全工程相关专业的博士，还有来自于公共安全和消防安全方面的博士，这些老师可能对自己研究的安全领域比较深入，但是对于教材中涉及的流体力学知识掌握得还不够透彻[4]。由此看来，他们不具备很深厚的专业理论功底，难以真正引领学生的学习深度、拓宽学生的学习广度、提高学生的学习质量[4]。因授课老师没有从安全工程角度讲解教学内容，让学生误以为流体力学基本内容与安全学科关联不大且对以后解决工程实际问题帮助甚小，导致在学习过程中得过且过、知难而退。

从研究生生源基础来看，以湖南科技大学资源环境与安全工程学院2022年研究生录取情况为例，发现60%以上的研究生是通过调剂到安全领域，见表1。在调剂的学生中，又有大部分学生在本科阶段的专业是机械工程、土木工程或工程管理等非安全工程领域。由于各高校对于不同专业本科生的培养方案不同，所开设的课程也不尽相同。因此，不同学生对于流体力学这门课程掌握的基础程度必然存在一定的差异。甚至本科期间同为安全工程专业的学生，其各自学校之间关于流体力学学科的侧重点也有所偏差，这就导致了教师在授课过程中对知识点的难易程度把控不准。

表1 学院各专业录取情况

2.2 教材匹配度

安全工程是“双一流”建设背景下多交叉、广融合的一门学科，流体力学作为安全领域多门专业课程的基础，其重要性不言而喻。现如今市面上多为机械工业、中国水利、航空航天、化工能源等专业相关的流体力学教材，却缺乏针对安全专业教学的流体力学教材。机械、航天、化工等专业虽与安全工程专业有所交叉，但其教材在编排上却难以满足本专业的授课需求。正是因为领悟不到流体力学与安全学科的密切关联，才会导致学生对这门课的重视程度不高，从而给课程教学带来一定困难。若是在流体力学教学过程中穿插列举一些生活和工程实例，就可以很好地调动学生的学习兴趣[5]。例如，在讲解有能量输出的伯努利方程时，可以介绍矿井巷道内负压通风的工作原理；在讲述连续性方程时，可以以采煤机工作中灭尘和除尘措施为例。

3 基于案例库的课程教学方法

3.1 案例库建设

在“双一流”学科建设背景下，结合湖南科技大学安全工程专业自身特色，将案例教学作为流体力学课程教学改革的核心。此次改革以学科应用需求为导向，建设应用型特色教学案例库，从而开展案例教学，服务学科发展[3]。为更大限度的贴合实际、与时俱进，在教学改革前期进行充分的调研工作，选取国内安全工程专业研究生课程体系架构调研，见表2。

分析各高校流体力学课程的定位、教学大纲、考试大纲、教案、教学课件PPT等，深入听取任课老师对流体力学课程讲授过程中的授课方法及侧重点。随后，依据多年积累的教学经验，初步将案例库资源建设分成以下3个阶段：

(1)对国内外相关文献、期刊，以及相应煤矿企业展开调研，结合本专业所研究的课题，搜集工程实践和科研创新中关于矿井通风、火灾、瓦斯、粉尘及建筑火灾等方面的流体力学问题。

(2)对收集到的案例教材根据流体力学知识点进行分类汇总，将不同模块加以划分。

(3)对收集到的案例素材模块进行分类整合，由深入浅的方式精简知识点，最终将案例编辑规整，形成案例库，见表3。

表3 安全工程流体力学知识点拓展提炼

基于上述调研基础可以发现，若在教学过程中引入案例库的形式，并以流体力学为理论解释案例中的问题，便可以为枯燥的内容注入活力，解决学生兴趣不高、动力不足的问题[6]。于是，将建设具有安全学科特色的案例库作为案例教学的重点。所建设的案例库需要同时兼顾流体力学与安全工程这2个方面，既要突出流体力学这门学科的灵活性，也要凸显安全工程专业特色[7]。案例设计需要涉及流体力学在安全工程领域的几大应用，主要包括：多元混合气体流动、气液固多相流动、多孔介质流动、非牛顿流体、传热传质与流动、化学反应与流动、气固耦合流动、相变流动及计算流体力学等模块和知识要点[7]。通过对现有流体力学教材内知识点的归纳分析及安全领域常见的工程实际问题汇总，建立矿井通风、瓦斯渗流、煤火防控、降温除尘、建筑烟气流动、管道排水、地热利用、稠化浆体等8种流体力学专题教学案例[3]。

3.2 案例教学实践

授课时，将案例库实例与授课内容相结合。将教学过程分为3个阶段：

(1)基础内容教学之后导入课程相关案例。围绕课堂中所学习到的某一流体力学知识点展开，根据案例库中建立的8种专题案例，选取最为匹配的案例进行分析讲解。并以此案例为代表，教会学生如何将流体力学理论知识运用到实际问题中，实现理论与实践的紧密结合。努力把知识点的讲解变成讲“故事”，在无形中将知识点“讲圆讲透”，这样就可以把知识点讲得既深刻，又通俗易懂，同时还很生动，展现出一种集开放式与互动式为一体的新型教学模式。通过这种对工程实际问题的拆分式讲解的形式，逐步引导学生凝练核心的流体力学问题，并提出解决方法[8]。

(2)充分调动学生课下学习的自主性。老师应该摒弃面面俱到的满堂灌做法，将教师个人唱独角戏转变成由老师组织和引导，学生自学为主的教学模式[9]。使学生在课程讲解前根据案例任务独立自主地查阅文献资料，自主分析问题的重点和难点，并给出解决方案。

(3)课后及时对相应案例进行总结。案例教学结束后，教师根据学生的课堂反馈情况及作业完成度，及时对授课内容进行调整，也可对案例库中的案例进行补充和完善。

3.3 教学改革效果

通过新教学模式下的教育培养，建立了流体力学专题教学案例，通过8种极具典型性和代表性的案例，调动学生学习流体力学的积极性，真正将教学与应用、理论与实践进行结合，使得流体力学这门课程实现了最佳效果。在有效带动学生学习热情的同时，营造轻松愉悦的教学环境。最大限度地调动一年级研究生关于探索、求知的积极性。达成案例教学“互动课堂”的设计理念。同时，由于每个案例要具有一定的完整性和独立性，包含题目、摘要、案例背景、教学目的、案例分析、问题讨论、参考文献等部分，也便于学生课后研讨复习[7]。

在新教育模式培养和案例教学的引导下，使得学生见证了如何将安全工程专业特色教学案例与流体力学中关于涡旋运动、能量耗散、非牛顿特性、多相流动、多孔介质流动特性、多元混合气体流动、气固耦合流动等知识进行融合，引导学生积极探讨流体力学在安全工程领域的应用[3]。