流体力学与液压传动贯通式教学改革与实践

周俊杰 陈泰然

摘 要：通过对流体力学与液压传动课程教学现状进行分析，以流体力学与液压传动研究型课程为案例，开展贯通式教学改革研究，提出贯通理论基础、强化科研导向、突出能力塑造三方面改革举措，构建研究型课程，重构课程知识体系，注重开展实践活动，调动学生自主学习、团队协作、改革创新能力，取得了良好教学效果，为新工科建设提供参考。

关键词：流体力学；液压传动；贯通式；研究型；教学改革

近年来，随着创新驱动发展战略、中国制造2025、2035远景目标等的出现和发展，引发了新一轮科技革命与产业变革［12］。新工科建设是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。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。

本文针对流体力学与液压传动两门课程教学现状存在的问题，提出了流体力学与液压传动贯通式教学改革思路，从贯通理论基础、强化科研导向、突出能力塑造三方面入手，重构课程知识体系，构建研究型课程，调动学生自主学习、团队协作、改革创新能力，取得了良好教学效果，希望为相关课程改革提供参考。

1 问题分析

近年来，研究型课程教学法在各大高校得到广泛应用，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［3］。该方法要求学生通过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，成长为兼有探索精神与动手能力的实践型人才。在项目的驱动下，学生从“被动接受”变为“主动参与”，亲身参与到每一个步骤，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，在发现、研究和解决问题的过程中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。“流体力学与液压传动”作为面向工科专业本科生所开设的一门专业基础课程，对于培养全面发展的高素质人才意义重大。

当前专业基础课程中通常将流体力学与液压传动两门课分立，而液压传动的基础部分则为液压流体力学，两者内容存在重叠，且课程内容没有衔接，学生不清楚内在联系，另外，课程内容理论性强，实验课程浮于“体验”而不重视“深入理解”，学生不容易具体化，导致“学了不会用”的问题突出，针对以上痛点，在教学中需要解决的问题包括：（1）理论知识重叠，课程内容衔接不顺畅。（2）缺乏实际科研问题的结合与导向。（3）欠缺知识转化为能力的环节。

2 改革思路

基于“理论认知，实践强化”的人才培养理念，以项目需求为牵引，以问题为导向，引导学生学习流体力学和液压传动的基本知识，掌握流体静力学、运动学与动力学、液压系统、液压传动以及液压元件和系统的基本概念，引入有关流体的仿真工具，进行实践学习。然后在掌握理论知识的基础上，理论与实践相结合，学习流体的CFD仿真方法、基于集中参数的仿真方法，并针对无人平台和车辆液压系统开展课程实践。最后以解决源于工程实践的具体问题为导向，基于OBE理念，引导学生进行水陆平台、车辆液压系统的设计与优化。

课程组将依托于具体项目，重构课程知识体系，构建合理的教学评价体系，注重学生对研究问题的思考、解决物理问题的能力和对研究结果的处理、释义与再创新能力，调动学生自主学习、团队协作、改革创新的积极性与潜在能力，力争培养能够独立思考解决问题，具有团队协作和创新思维的复合型人才。

3 教学实践举措

针对课程存在的问题，结合研究目标和总体方案，提出教学改革的研究思路和具体改革举措，如下图所示。

改革思路与实践举措图

3.1 贯通理论基础

流体力学是一门基础力学分支，液压传动是一门机械基础专业课程，两者都以流体为基本研究对象，理论相通且知识脉络联系紧密。我国的液压技术开始发展于20世纪50年代，与世界顶尖国家相比落后了至少50年的时间［4］。经过多年艰苦的探索和研究，我国已经从向国外学习相关技术的阶段发展到如今自主研发先进液压产品的阶段，液压传动技术已广泛应用于施工机械、航空航天、船舶重工等领域，真正实现了“从无到有，从有到精”的巨大转变。但是，与世界顶尖液压水平相比，我国仍处于落后地位，国产液压件仍处于技术薄弱期。由于起步晚、发展不平衡、基础产业落后、缺乏追求完美的科学精神等原因，我国液压产业重主机，轻配件，产业结构不合理；许多产品仍处于模仿，创新能力不足；缺少基础产业支持，基础工艺以及基础材料质量落后；产品性能、可靠性仍低于国外同类产品。目前最亟待解决的是核心零部件高度依赖进口的问题，诸如轴承、齿轮以及一些高精度液压器件在市场上一直被美、德、日等进口产品占据主导地位，很大程度上阻碍了我国液压产业的发展。因此，加强液压知识教育，培养液压领域高端人才任重而道远。

流体力学与液压传动是机械类各专业的一门主要技术基础课程，与机械工程和动力工程热物理学科中大量的工程实际问题联系密切，是学习相关专业课程和专业发展最重要的技术基础理论。流体力学主要研究流体处于流动状态和平衡状态时的流动规律以及流体与流体或者流体与固体（例如管道）之间的相互作用；液压传动主要研究以液体为工作介质，基于帕斯卡原理的流体传动元件和系统。流体力学讲述的流体性质、流体静力学、流体动力学以及缝隙流动均是学习液压传动的基础，可以说液压传动的流体问题是流体力学的一种特例，设计的流动问题也是普通流动问题的一种具体化，因此两者存在共性理论基础。拟通过优化教学设计、引入例证说明，使学生能掌握有关流体從基础知识到工程技术的知识体系，夯实学术基础。学习课程后，学生应达到以下基本要求：

（1）了解流体力学发展历史及趋势，掌握流体静力学基本知识和基本理论。

（2）掌握流体动力学基本知识，具备初步工程计算能力。

（3）了解和掌握液压传动技术的基本知识，熟悉基本液压元件的结构特点和工作原理。

（4）掌握液压基本回路的组成，了解液压回路的基本设计方法以及典型液压传动系统的工作原理。

（5）掌握液压系统的分析方法，能够独立设计简单的液压系统，并且能够独立分析较复杂的液压系统。

（6）能够熟练运用Fluent和AMESim仿真软件进行具体问题的研究与分析。

（7）在老师的引导下，团队配合完成水陆平台、车辆液压系统项目的设计与仿真。

3.2 强化科研导向

流体力学和液压传动两门课程都具有理论性强的特点，课程内容涉及不同领域知识点较多，对知识储备量的要求较高，包含了“大学物理”“工程热力学”“机械原理”“高等数学”等课程的基础知识，概念多而且抽象，公式推导烦琐复杂，理解比较困难，虽然大多数借助实验和多媒体教学来帮助学生理解，但和真正的实践要求还相去甚远。另外，教学模式单一，学生参与度不高。课堂教学多以原理与方法的讲授为主，学生兴趣和主动性不足，不能体现系统性和层次性的教学目标［5］。我们在指导本科生毕业设计时经常发现，大多数同学只是掌握了一些概念和基本知识，但面对问题时往往不知所措，就算知道涉及了知识范畴，也没有工具去分析实践问题。

将OBE理念融入本课程的教学设计，实现从教师为中心到学生为中心，从学科导向到目标导向，从质量监控到持续改进三个转变，教学过程需要做到以“学生”为中心，以“学习结果产出”为导向，提高教学效率和教学质量。以“学”为中心，关注的是“学什么，怎么学，学得如何”的问题，更加注重培养学生的自我探索和自我学习等多方面能力，因此需要根据对学生的期望而进行教学内容设计。在教学过程中，要建立一个具有完善功能的质量管理体系，使其具备“评价—反馈—改进”的闭环特征，做到持续改进培养目标，让它始终与内、外部需求相符合；持续地改进毕业要求，让它始终与培养目标相符合；持续地改进教学活动，让它始终与毕业要求相符合。

为培养能够独立思考解决科研问题，具有团队协作和创新思维的复合型人才，本项目拟发挥课程老师的科研经历和特长，在教师的科研实践中提取问题，设计研究型课程，讲授本领域的科研动向以及发展趋势，特别结合水陆两栖平台设计中的流体力学问题、车辆液压系统设计中液压传动问题开展项目制研究，并依托项目剖析有关流体的分析问题、解决问题的方法和步骤，使学生学有所得，学有所思。

3.3 突出能力塑造

能力的培养是课程学习的最终目的，流体力学和液压传动两门课程也具有很强的实践性，传统的以作业为主的课程内容复习和巩固有助于学生对知识的理解和掌握，但对于知识的应用和技能的培养作用有限。本项目在课程教授的基础上引入仿真软件学习，包括计算流体力学仿真（Fluent）和一维的液压动力学仿真（AMESim），通过对学生在具体问题上的训练提升对象分析、理论构建、仿真分析以及结果输出的能力，直接对标课题的研究过程，使学生完成课程学习后有知识、有手段、有兴趣继续该领域的学习和研究。

CFD（计算流体力学）是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析的方法和工具。Fluent诞生于1975年，经过几十年的发展，如今已成为最流行的CFD软件之一。Fluent凭借其易用性、高效性、稳定性以及在航空航天、汽车设计、流体分析等领域的广泛应用实现了其最初设定的目标——工程师无须耗费大量时间与精力去开发代码，只要使用现成的软件即可求解真实世界中的工程问题。

AMESim最早由法国的Imagine公司开发，旨在将液压伺服执行机构与有限单元机械结构耦合起来去控制复杂的动态系统，是一种工程系统高级建模和仿真平台，常用于基于集中参数的仿真。AMESim的建模方法是基于功率键合图，与键合图相比，它具有直观图形的界面，可实现面向原理图建模，在整个仿真过程中，仿真系统都是通过直观的图形界面展现出来的。AMESim具有多种仿真方式，能够保证系统的稳定性以及结果的准确性，并且每个接口都能传递多种变量，使不同领域的模块可以相互连接，极大程度地简化了模型的复杂度。凭借界面直观、系统稳定、结果准确、模型简单等优点，AMESim在系统建模仿真领域得到了用户的一致认可。

在流体力学方面，课程实践环节要求学生开展水陆两栖车辆外形设计，结合计算流体力学仿真开展外形优化。同学们纷纷创新，提出了一系列新的外形方案，并利用Fluent软件仿真得到车辆周围的压强分布图，实现了从概念构想到仿真模拟，再到比较优化的全流程设计。在液压传动方面，课程实践环节要求学生针对车辆ABS制动系统，搭建AMESim仿真模型，并对ABS制动系统原理开展仿真和参数设计，同学们从系统组成和原理出发，成功对ABS制动系统开展了研究，掌握了从原理到物理模型，再到仿真结果分析的全套科研过程的实践。通过实践，学生们掌握了实践技能，并通过实践加深了理论理解，并锻炼了创新思维。对Fluent和AMESim的熟练使用能够帮助他们解决生活中遇到的实际问题以及课题组中的科研问题，做到学以致用，知行合一。

另外，拟引入教学辅助，秉承自愿原则，任命学习兴趣浓厚、责任感强的同学作为助教，主要负责老师与学生之间的沟通。这种方式对老师、助教本身以及同学群体都有益处，实现了三赢。对老师而言，助教帮忙收发作业、答疑解难，可以有效提高课堂效率，缓解老师压力，另外，还可以根据助教的反馈了解学生整体学习进度以及学习体验，从而及时调整上课进度和风格。对助教本身而言，为了完成老师的任务提前学习以及为同学的答疑有助于巩固知识，加深对课程的理解，认真对待助教的工作也能够培养工作能力和责任心，这对以后的科研和工作都大有裨益。对同学群体而言，不仅可以向助教寻求学习上的帮助，询问课程安排，还可以通过助教向老师表达自己的需求。教学辅助在课程中起到润滑剂的作用，能够让整个教学系统运行得更加稳定、高效。

结语

本文以流体力学与液压传动研究型课程为案例，针对当前流体力学与液压传动课程教学存在知识重叠、缺乏科研实际、缺少能力训练等问题，开展了贯通式教学改革研究，提出贯通理论基础、强化科研导向、突出能力塑造三方面举措，构建了研究型课程，注重开展实践活动，使学生在自主学习、团队协作、改革创新能力方面得到了更好锻炼，本项改革为新时代下新工科建设工作提供了有益探索。

参考文献：

［1］钟登华.新工科建设的内涵与行动［J］.高等工程教育研究，2017（03）：16.

［2］林健.面向未来的中国新工科建设［J］.清华大学教育研究，2017，38（02）：2635.

［3］翁崇涛.构建适合普通学生的研究型课程［J］.现代教学，2017，381，382（Z3）：6667.

［4］尚俊亮，石晓军.液压传动技术在机械制造中的应用［J］.技术与市场，2015，22（04）：75.

［5］万蕾.应用型本科院校环境工程专业流体力学教学的几点思考［J］.大学教育，2017（3）：2.

项目支撑：北京理工大学项目制课程教改项目培育项目（2022ZXJG018）

作者简介：周俊杰（1986— ），男，漢族，河北衡水人，博士，副教授，博士生导师，特别研究员，研究方向：流体传动与控制；陈泰然（1990— ），男，汉族，云南人，博士，副研究员，研究方向：流体机械及工程。