基于流体力学多尺度实验课的卓越人才创新意识培养分析

蔡伟华,李 倩,李浩然,孙建闯,王 悦,李洪伟,洪文鹏

(东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012)

0 引言

2020年9月22日,我国提出了“2030碳达峰、2060碳中和”的重大战略目标[1],积极稳妥推进碳达峰碳中和,必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”[2],为实现能源转型、人才培养提出了新要求。国家提出的双碳战略目标对高校能源动力类专业发展而言既是机遇,也是挑战,也对专业学生的培养提出了更高的要求。东北电力大学作为传统电力能动类高校,培养了大批专业人才,更肩负了新时代能源转型创新性人才培养的重任。

“工程流体力学”课程在能源动力类专业学生培养体系中占据重要地位,是重要的专业基础课。近年来,东北电力大学在“工程流体力学”课程的教学实践中进行了大量探索,构建了“基础理论-专题内容-工程应用”三段式教学体系及“引入日常生活现象、引入工程实际案例和创新科研成果,课程知识‘点、线、面’相结合”四位一体的教学方法,实现了课堂理论教学与工程实践操作的有机融合,提高了学生解决工程实际问题的能力,取得了良好效果,推动该课程入选国家级一流本科课程。

本研究在东北电力大学能动卓越班开展“流体力学多尺度创新实验课”课程,让学生深入掌握理论,激发其学习兴趣,培养其研究热情,开发其创新意识与实践能力,进一步推动应用研究型人才的培养[3]。

1 流体力学多尺度创新实验课概况

“流体力学多尺度创新实验课”依托东北电力大学能源与动力工程学院流体力学创新团队(国家级精品资源共享课主讲团队)及国家级实验教学示范中心,是对传统工程流体力学教学和实验的重要补充。通过一些创新性实验,使学生认识到理论联系实际的重要性。课程充分利用学院科研资源,为学生提供优质的教学培养平台,构建“导而思,导而学”的教学模式,培养学生的实践能力与创新意识。

课程授课对象为能动类专业卓越班大二、大三学生。课程实验内容设计方面,流动尺度从宏观、介观过渡到微观,流动介质由简单流体(水、二氧化碳)过渡到复杂流体(粘弹性流体、纳米流体)。开设7个创新性实验:基于粒子图像测试技术的二维速度场测量、粘弹性流体槽道湍流减阻、表界面张力测量、微尺度通道流动与换热、多孔介质内Hele-Shaw Cell流动、界面光热蒸发器热湿平衡调控、液滴撞击固体表面动力学行为。实验内容新颖,涵盖学科研究与实际工程应用领域的热点问题,从简单过渡到复杂,循序渐进,涉及知识面广且深,实现了专业知识的交叉融合。

2 课程特色与创新点

流体力学多尺度创新实验课相对于传统课程而言,针对的教学对象有较大差异,更注重于培养卓越人才。课程在流体力学传统实验课的基础上进行了大量补充升级[3-4],从学科前沿问题中的多尺度流动问题出发,与其他先修基础课程交叉融通,在教学实践过程中逐渐形成了以下特色与创新点:

1)教学内容紧跟前沿。课程基于粘弹性流体动力学、电子器件微通道散热、多孔界面光热蒸发、微纳超疏水防除冰、二氧化碳地质封存等前沿技术,阐述多尺度流体力学对能源动力工程师职业发展的重要作用。针对特定应用场景的流体力学基础问题,从单相到多相、从宏观到微观、从理想状态到实际状态、从基础到实际应用,依次阐述表观现象、流动规律和发生机制,形成循序渐进、由浅入深的教学体系,突破传统课程从发展历程切入的思路,基于工程实际问题引导学生逐渐了解教学内容,激发学生的学习热情,使其不仅“学会”,而且“会学”。

2)教学方法创新多样。课程重视学生在学习中的体验感,以学生为中心设计多种教学方法。结合能源动力专业特点,建立多尺度流体力学“三引入”的实验基础教学内容:引入项目案例、科研报告、思政元素。融入“导而学,导而思”的教学理念,鼓励学生亲自操作实验,让学生意识到自己是实验的主导者,理解实验每个环节的重要性。与学生实时交互,随时解决学生疑惑,激发学生的课堂参与感和代入感。要求学生在掌握各项新兴技术测试原理和方法的同时,提升新问题提出能力、新方案设计能力、新数据分析能力,引导学生创新解决问题的途径,助力其成长为卓越工程师。

3)科研式的实验思考题。融入科学研究理念,培养学生深层次思考的意识。思考意识是创新型人才的基本素养,在思考中启发学生加深对实验中出现的重要问题的认识,进而理解学科前沿问题。例如,在液滴撞击固体表面动力学行为实验中,液滴撞击亲水、疏水及超疏水表面后,形态有何差异。液滴撞击固体表面后,液滴的最大铺展直径、接触时间、最大反弹高度与哪些因素有关。这些在机翼防冰、太阳能电池板除尘等领域提炼出的核心科学问题,可引导学生自由探索与思考。

4)全过程的教学评价体系。流体力学传统实验课对实验教学目的的重视程度不够,一般以签到、实验数据记录及实验报告为评定依据,与专业基础课甚至通识性基础课的考核方式没有本质区别,评价方式过度倚重实验报告。流体力学多尺度创新实验课采用授课教师指导、课题直接相关研究生一对一跟踪的方式,对参加实验的学生进行全过程记录与随时指导。采用授课过程提问(20%)、实验过程追踪(30%)、实验结果分析(20%)、实验报告评分(30%)“四位一体”的教学全过程综合评价体系,全面考查评价学生的学习效果。随着全过程教学评价体系的逐步完善,基本消除了传统课程中平时成绩与期末成绩反差较大的情况,学生的学习效果明显提升。

5)优质的师资队伍。自2021年开设流体力学多尺度创新实验课以来,课题组把师资队伍建设放在首位,通过赛课大赛择优筛选授课教师,考核过程只看实力不看资历,准入门槛较高。赛课大赛包括对参赛教师说课水平、教学计划、教学方案、教学过程、实验水平等方面的考核,是考核拟上课教师综合能力、选拔优秀专业教师的重要环节。经过3年的发展,课题组建设了一支以教育部青年长江学者计划入选者为带头人,多名拥有著名学府留学经历的骨干教师为创新层,一批青年优质教师为人才梯队的流体力学多尺度创新实验课教学团队。

3 课程教学成效

开设流体力学多尺度创新实验课是对新教学模式和教学理念的创新性尝试,着力于培养具有创新意识的卓越人才。因此,课程教学成效的考核尤为重要,主要考核学生是否从该课程中真正学到了知识、实践能力是否有所提高、创新意识是否有所提升等。学生对课程教学质量的评价和建议十分重要,以学术提升为方向、以学生意见为中心持续改进课程,为课程持续优化奠定了良好基础。

通过三轮实验教学,选课人数达到82人。以调查问卷的形式开展教学质量评价,共发放和回收问卷82份,回收率100%。课程教学质量评价的具体指标详见表1。

表1 流体力学多尺度创新实验课程教学质量评价指标

问卷结果显示,学生对该课程评价较高,96%的学生认为流体力学多尺度创新实验课达到了很好的教学效果,受益颇多,主要体现在以下几个方面:①课程内容新颖,具有很强的创新性,理论知识与实际应用紧密联系。如基于粒子图像测速技术的二维速度场测量,是欧拉法描述流体运动速度的体现。②对每个实验的基本原理进行讲解的同时,设置了具有创新性的思考问题,培养了学生分析解决问题的能力,锻炼了学生的创新意识。③实验内容非常贴近工程应用实际。如粘弹性流体槽道湍流减阻、二氧化碳在Hele-Shaw Cell中的流动,界面光热蒸发器热湿平衡调控等,教会了学生如何从实际工程应用中提炼科学问题。④学生亲自操作实验仪器,切身体会实验过程,掌握获取与分析实验数据的方法,培养自身科学研究的严谨性。如在微尺度通道流动与换热实验中如何获得微通道内流型、如何分析流动压降的不稳定性等。

4 结束语

在东北电力大学能源与动力工程学院流体力学创新团队的努力下,两年多的创新实验教学取得了良好的教学效果,学生主动学习、主动思考和创新意识得到了提升,分析与解决问题的能力得到了锻炼。未来课题组将继续致力于优化流体力学多尺度创新实验课,根据科研平台更新优化教学内容,修订实验指导用书,增加学生实践与师生研讨时间等。在国家双碳战略背景下,以该课程为契机,努力打造交叉性、创新性强的优秀实验课程,培养能源转型亟需的卓越创新型人才。