工程師培養(yǎng)模式下的流體力學教學實踐與創(chuàng)新

張鴻

[摘 要]中歐航空工程師學院系統(tǒng)引入法國工程師培養(yǎng)模式，其課程教學與傳統(tǒng)工科教育模式相比具有鮮明特色。本文以流體力學課程為例，圍繞該課程的課堂教學、實驗創(chuàng)新、項目化作業(yè)管理等教學實踐和創(chuàng)新展開分析與總結，為面向工程能力培養(yǎng)的大學課程教學改革提供了新思路。

[關鍵詞]工程師培養(yǎng)模式；流體力學；教學實踐；創(chuàng)新

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0007-03

當今世界正處于第四次工業(yè)化革命浪潮前夕，在經濟全球化、競爭國際化的發(fā)展態(tài)勢下[1]，如何調整和革新大學人才培養(yǎng)目標，與國家和社會的需求對接，培養(yǎng)具有卓越工程實踐和創(chuàng)新能力的國際化復合型人才，成為我國高校工程化教育改革和發(fā)展的熱點問題。[2][3][4]

中歐航空工程師學院是中國民航大學與法國航空航天大學校集團（GEA）聯(lián)合創(chuàng)辦的國內首個航空類“工程師學院”。為讓學生適應激烈的國際化競爭環(huán)境，學院采用多元化師資團隊，一流的實驗教學環(huán)境，跨學科學術交流等方式，致力于培養(yǎng)既有扎實的航空專業(yè)背景理論知識又有熟練的法語及英語應用能力的復合型工程人才。為了加強對學生的工程能力培養(yǎng)，學院采用法國工程師教育模式對本科生專業(yè)課程進行了全面改革，具有許多鮮明的特色，實現(xiàn)了教學模式的探索、實踐和創(chuàng)新。

流體力學作為中歐航空工程師學院本科生的專業(yè)基礎課程，具有理論性強、應用面廣的特點。本文以該門課程為例，從課堂教學模式、實驗教學創(chuàng)新和項目化作業(yè)管理等方面對其教學實踐活動進行分析和總結，為面向學生工程能力培養(yǎng)的課程教學改革提供參考。

一、法國工程師培養(yǎng)模式特點

法國工程師教育學制一般為5年：兩年預科教育+三年工程師教育。工程師學院學生完成學制培養(yǎng)并經過嚴格的考核程序后，可獲得法國工程師學位職銜委員會（CTI）頒發(fā)的工程師學位證書。

法國工程師教育體系堅持嚴格的選拔制度，規(guī)模小，專業(yè)具有多樣性和豐富性，是典型的精英培養(yǎng)模式。優(yōu)秀的高中畢業(yè)生（排名前10%～15%的學生）先在預科學校接受2年培養(yǎng)力度很大，較為全面的數(shù)學及物理相關科學理論基礎教育，再需通過嚴格的選拔考試，才有資格進入理想的工程師學院。

法國工程師教育培養(yǎng)模式的突出優(yōu)勢是緊密與工程實踐相結合。工程師學校與企業(yè)之間具備堅實的溝通合作基礎，教學環(huán)境與工業(yè)界實際技術環(huán)境接近甚至同一。例如，法國高等航空航天學院（ISAE）與空客公司建有聯(lián)合實驗室，ISAE定期聘請空客的工程技術專家為學生授課。工程師學校與企業(yè)這種緊密聯(lián)系往往又成為此類學校的突出特點。法國工程師學校對任課教師也堅持高標準的要求，這主要體現(xiàn)在對教師的學術和專業(yè)工程背景的嚴格考核。上述特點使得法國工程師學位成為法國認可程度最高的碩士學位，在國際上也享有很高聲譽。

二、傳統(tǒng)工科大學流體力學課程教學存在的一些問題

面向工程應用的工科大學生的培養(yǎng)，不僅僅需要滿足知識的傳授，更重要的是能力的培養(yǎng)。這種能力主要是運用所學理論知識分析和解決工程實際問題的能力。然而，在流體力學課程的教學活動實踐中，工科大學的一些傳統(tǒng)教學方法已經明顯不適應現(xiàn)代工程教育和人才培養(yǎng)的要求，具體體現(xiàn)在：

（一）教師理論灌輸為主，學生死記硬背多

流體力學與其他力學課程不同，它包含的知識點非常多，且概念比較抽象，學生不容易理解。例如歐拉法和拉格朗日法的區(qū)別，流線、跡線、脈線的概念等。為了在有限課時的條件下完成教學任務，教師往往采取傳統(tǒng)的黑板、粉筆和PPT講授的方式來進行繁多的知識點的講解。學生學習的時候往往也會被眾多知識難點和靈活的變化所困，采用死記硬背的方式來面對，這樣使學生的工程能力提高有限。

（二）教學方法單一，未有效利用計算機等現(xiàn)代科技手段

計算機科學和數(shù)值計算方法的發(fā)展，使得一些原來用理論解無法解決的復雜流體力學問題存在了求解的可能性。計算流體力學（CFD）早已在工業(yè)界獲得了廣泛的應用，成為工程設計的重要手段。市場上的CFD商業(yè)軟件已經比較成熟，可以對比較復雜的幾何外形進行高逼真度的模擬仿真，已有的CFD技術可以為企業(yè)所遇到的流體力學問題提供高精度和可靠的解決手段。[5]眾所周知，研究流體力學的方法包括理論分析、實驗研究和數(shù)值計算等三種手段，然而，多年以來，流體力學課程教學主要還是以經典的理論分析為主，少量實驗為輔，計算機數(shù)值計算手段的應用較少，與工程應用脫節(jié)現(xiàn)象比較嚴重。

（三）實驗教學以驗證性實驗為主，缺乏創(chuàng)新

目前大學實驗室主要還是以驗證性實驗為主，學生動腦和創(chuàng)新設計的空間不多。實際上，這些驗證性實驗的理論大部分已經在課堂上反復講解過，學生如果已經掌握了相關的知識點，則對占據(jù)時間較多、挑戰(zhàn)性不大的此類實驗積極性較低。法國工程師學校為了讓學生對知識點有更直觀的理解，設置了大量的演示性實驗，減少實驗時間的同時增加了學生學習的興趣，值得我們學習。

三、流體力學課程教學實踐與創(chuàng)新的主要工作

中歐航空工程師學院在充分學習和吸收法國工程師教育體系精髓的基礎上，開展了一系列有益的課程教學模式的探索和實踐，積極實現(xiàn)企業(yè)人才的供給側改革。工程師模式下的流體力學課程教學改革實施的主要工作包括：課堂授課模式的改變、實驗教學創(chuàng)新和項目化作業(yè)管理等。此項改革在滿足最基本的理論知識傳授的基礎之上，激發(fā)了學生主動性和積極性，提高了學生的綜合能力和工程創(chuàng)新能力。

（一）習題授課新模式激活大學課堂

與傳統(tǒng)大學課堂教師在講臺上講授，學生在課堂聽講，課后獨立完成作業(yè)的方式不同，法國工程師培養(yǎng)的專業(yè)課程授課模式采取“大課+習題課”的方式來進行，習題課占據(jù)的比例很大。以流體力學為例，整個課程為44標準學時，大課（course）和習題課（TD）的比例約為3∶5。大課授課時所有學生都要求參加，教師將理論基礎內容快速講一遍，不具體展開細節(jié)；大課集中授課完成一部分章節(jié)內容后，會隨之安排小班化授課的習題課。每次習題課學生人數(shù)規(guī)?？刂圃?0～15人左右，確保教學質量。習題課一般圍繞大課所涉及的知識點進行，重點是知識的運用。習題課上教師一般不灌輸內容，而是以輔導學生做題的形式展開，鼓勵學生到講臺上完成部分運算過程，教師對其進行修正。教師如果在習題課上發(fā)現(xiàn)學生有了比較普遍的問題，才會集中講解一下。endprint

從授課方式來看，法國的工程師教育體系非常重視學生對知識靈活運用方面的訓練。習題小班化的授課模式完全顛覆了傳統(tǒng)工科大學的授課方式，完成了教學流程和教學活動角色的雙重轉變。該轉變讓教師從傳統(tǒng)課堂的知識講授者變?yōu)閷W習的指導者和幫助者，從學生的管理者變?yōu)檎n堂活動的組織者和合作者。學生在對課程內容理解的基礎上，能夠在一定的程度上成為課堂活動的解惑者。該授課模式對教師的選題水平提出了很高的要求。教師需要設計緊密聯(lián)系大課授課內容、工程應用程度高、難易程度適中的選題來引導學生，鼓勵學生，允許學生試錯，讓其成為用智慧解決問題的主體，這樣才能將各種典型的問題暴露出來，從而提高學生在實際工作中遇到問題后解決問題的能力。

從流體力學這門課程的教學實踐活動反饋來看，學生非常歡迎這種授課模式。該模式大大活躍了課堂氣氛，學生成為課堂主體，可以大膽表達自己的觀點，提升了學生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力，一改傳統(tǒng)大學課堂刻板沉悶的氣氛。

（二）實驗教學手段創(chuàng)新，師資多元化

流體力學課程的實驗教學除了驗證性實驗，還開發(fā)了一些演示性實驗，用于幫助學生直觀理解流體力學中比較抽象的概念。例如，基于二期民用飛機發(fā)動機虛擬仿真教學實驗平臺，我們開發(fā)了發(fā)動機內流場的虛擬仿真實驗（見圖1）、包含速度三角形計算的壓氣機和渦輪葉片氣動性能實驗（見圖2）等。

通過以上簡單直觀的演示性實驗，不僅可以開闊學生視野，還可以增強學生對抽象知識點的理解，培養(yǎng)其解決問題的能力，激發(fā)其學習興趣。

流體力學的實驗教學采用了多元化的師資，除了直接聘請法國工程師學校教授授課以外，還從航空企業(yè)聘用經驗豐富、理論扎實、技術過硬的工程師給學生授課。一般而言，我國傳統(tǒng)工科院校實驗教師隊伍的整體水平明顯低于理論課教師，有些高校甚至將實驗教師歸到教輔系列，這無疑弱化了實驗教學的功能和地位。高水平、高學歷的專家參與流體力學實驗教學和研究的工作，做到理論聯(lián)系實際，這是流體力學課程教學改革的另一大特色。此類實驗課程選題往往直接來自企業(yè)工程實際，縮短了學生到企業(yè)中再反復摸索的過程，受到學生的熱烈歡迎。

（三）項目化作業(yè)管理

CTI對工程師做出了如下定義：“工程師能夠提出，并出色而具創(chuàng)新性地解決有關產品、系統(tǒng)、服務，甚至是資金及商業(yè)化競爭機制中出現(xiàn)的發(fā)明、設計、生產和實施等復雜問題?！盵6]鑒于我國工業(yè)現(xiàn)狀，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)還不具備對工科大學畢業(yè)生進行工程素質培訓的能力[7]，因此中歐航空工程師學院在本科生培養(yǎng)階段，鼓勵平日的課程教學采用項目化的管理模式來完成大作業(yè)，強調由學生組成項目團隊，一起完成考核。

在給流體力學課程設計和布置學生作業(yè)過程中，我們會要求學生采取項目化管理方式分組完成某個專題的任務?？己说倪^程中第一步是讓學生自由組成團隊，接下來以團隊形式完成項目設計，最后進行答辯。每位學生都被要求參與并展示自己對團隊工作的貢獻，最后教師給整個團隊打分。這種考評方式在法國工程師授課過程中很常見，并且被認為是法國工程師教育培養(yǎng)體系非常重要的一個組成部分。通過這種以團隊形式進行考核的方式，學生在完成作業(yè)的過程中，必須充分發(fā)揮團隊協(xié)作的精神，綜合運用所學的知識、理論和新技術去一起解決相對比較復雜的綜合性的問題。團隊完成作業(yè)的過程需要每個人都發(fā)揮主體創(chuàng)造性，積極分工合作才能收獲比較理想的效果。

在流體力學的課程教學活動中積極實踐這種以團隊為基礎分析問題和合作解決問題的培養(yǎng)模式，能快速提升學生的團隊協(xié)作精神，有助于他們畢業(yè)后適應國際化激烈競爭環(huán)境下越來越復雜的多學科耦合的工程項目現(xiàn)狀。

四、總結與展望

綜上所述，中歐航空工程師學院通過引進法國工程師教育優(yōu)質資源，融合中法高等工程教育標準，創(chuàng)新高校工程人才培養(yǎng)模式，在課程教學模式改革上進行了卓有成效的突破和實踐。與我國傳統(tǒng)工科教學模式相比，法國工程師培養(yǎng)模式課程教學有著授課方式靈活、重視知識運用和實驗創(chuàng)新等特點。當然，我們在按照法國工程師培養(yǎng)模式對流體力學課程教學進行改革的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，結合已有的經驗，可以重點圍繞以下方面嘗試改進。

（一）加強高校教師工程實踐背景

工科大學的核心任務是為社會培養(yǎng)工程人才。在構建多元化師資團隊方面，除了積極引進具有企業(yè)工程背景的高級技術人才作為師資，還應該大力提倡現(xiàn)有師資團隊深入企業(yè)，主動增強自身企業(yè)工程實踐背景，做到理論聯(lián)系實際，從而提升自身的課程執(zhí)教水平。

（二）改進教學與實踐評價體系

當前高校對教師的評價體系普遍以學術成果為導向，即主要看教師發(fā)表的學術論文或出版的學術專著。事實上，這種一刀切的評價機制雖然便于管理，卻有失偏頗。隨著時代的發(fā)展，教師的門檻越來越高，如何評價教師在學術研究以外的工作和貢獻，是目前高校工程教育改革所面臨的普遍問題。能否從制度上保障教師能將更多的精力投入專業(yè)課程教學中，從而提升工程教育水平是需要長期考慮的戰(zhàn)略問題。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] William C. Lyons. U.S.and International Engineering Edu？鄄cation： A vision of Engineerings Future [J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice，2000（10）：152-155.

[2] 葛欣.基于大理科模式的拔尖學生培養(yǎng)的探索與實踐[J].大學教育，2016（3）：46-47.

[3] 徐平，殷傳濤，陳輝，等.通用工程師與碩士培養(yǎng)模式融合的研究與實踐[J].高等工程教育研究，2013（5）：25-30.

[4] 于麗君，蘇志剛，陳亞軍，等.卓越航空工程師教育培養(yǎng)模式探索[J].現(xiàn)代教育科學，2013（6）：164-167.

[5] 謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入CFD教學的探討[J].力學與實踐，2013（35）：91-93.

[6] 熊璋，于黎明，徐平，等.法國工程師學歷教育認證指南[M].北京：科學出版社，2012.

[7] 張海英.工科院校應該以培養(yǎng)工程師為主[J].高等工程教育研究，2005（3）：1-4.

[責任編輯：鐘 嵐]endprint