基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的流體力學(xué)課程教學(xué)探索與改革

楊新俊+崔政偉+宋春芳??

摘要：本文分析了《流體力學(xué)》課程本科教育目前存在的問題，然后從授課內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了分析和探索，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施，來進(jìn)一步提升過程裝備與控制工程專業(yè)《流體力學(xué)》課程教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)對工程教育專業(yè)認(rèn)證帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證；過程裝備與控制工程；流體力學(xué)；課程教學(xué)改革

一、 引言

《華盛頓協(xié)議》（Washington Accord）是普遍認(rèn)可的本科工程教育專業(yè)國際互認(rèn)協(xié)議，是工科畢業(yè)生職業(yè)能力國際公認(rèn)的權(quán)威要求。為了應(yīng)對經(jīng)濟(jì)全球化帶來的工程人才國際流動(dòng)的需求，我國按照華盛頓協(xié)議成員國標(biāo)準(zhǔn)，在全國高校全面開展了本科工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，并于2016年成為《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員國。

過程裝備與控制工程專業(yè)成立于上世紀(jì)50年代，前身為“化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)”。由于其應(yīng)用于加工制造流程性材料產(chǎn)品即過程工業(yè)，且隨著設(shè)備自動(dòng)化以及控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，后經(jīng)過教育部批準(zhǔn)正式更名為過程裝備與控制工程。

專業(yè)培養(yǎng)人才廣泛就業(yè)于化工、能源、醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領(lǐng)域。工程認(rèn)證對我國的本科工程教育提出了新的要求，對于過程裝備與控制工程專業(yè)而言，如何應(yīng)對工程認(rèn)證帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，特別是本科教學(xué)方面，將對該專業(yè)工程教育的改革與發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

由于過程裝備與控制工程專業(yè)面對的是流程工業(yè)，《流體力學(xué)》這門課程在該專業(yè)的本科教學(xué)中占有十分重要的地位。傳統(tǒng)工科本科《流體力學(xué)》的教學(xué)，面向?qū)I(yè)寬泛，沒有專業(yè)針對性，這對于以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向的工程認(rèn)證是不利的。

本文根據(jù)工程認(rèn)證的要求，針對過程裝備與控制工程《流體力學(xué)》教學(xué)存在的問題，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐與體會(huì)，對工程認(rèn)證背景下《流體力學(xué)》課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探討和總結(jié)。

二、 工程認(rèn)證背景下，《流體力學(xué)》教學(xué)中存在的主要問題

（一） 課時(shí)設(shè)置與培養(yǎng)目標(biāo)的矛盾。根據(jù)工程認(rèn)證要求，需要畢業(yè)生能夠解決復(fù)雜的工程問題。雖然《流體力學(xué)》是一門基礎(chǔ)課，但是由于涉及復(fù)雜的工程問題，這就需要《流體力學(xué)》在授課階段要結(jié)合工程實(shí)踐、工程應(yīng)用。

但是我校過程裝備與控制工程專業(yè)《流體力學(xué)》的本科教學(xué)，總課時(shí)為32課時(shí)。眾所周知，《流體力學(xué)》涉及基礎(chǔ)廣，涉及知識(shí)點(diǎn)多，原本教學(xué)需要的課時(shí)數(shù)就較為緊張，現(xiàn)在面臨工程實(shí)踐的結(jié)合，需要更多的學(xué)時(shí)。在總學(xué)時(shí)不變的情況下，達(dá)到工程認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)，這將是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

（二） 學(xué)生薄弱基礎(chǔ)與課程深度的矛盾。作為基礎(chǔ)三大力學(xué)之一，《流體力學(xué)》所涉及的知識(shí)較為深?yuàn)W。雖然考慮到面向的是工科學(xué)生，在深度上做出了相應(yīng)的調(diào)整，但是相關(guān)知識(shí)點(diǎn)本身還是具有一定的難度，例如：邊界層理論，湍流，量綱計(jì)算等。同時(shí)由于學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)之前未接觸連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、張量計(jì)算等概念，這加深了學(xué)生在概念理解、公式推導(dǎo)、知識(shí)點(diǎn)靈活運(yùn)用上的難度，從而對《流體力學(xué)》的教和學(xué)都提出了很高的要求。

（三） 課堂學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的矛盾。工程認(rèn)證要求本科畢業(yè)生擁有很強(qiáng)的實(shí)踐能力，能夠綜合利用各種知識(shí)解決實(shí)際工程問題，這就要求在《流體力學(xué)》的本科教學(xué)中，需要著重強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，當(dāng)前過程裝備與控制工程的《流體力學(xué)》教學(xué)過程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)缺失，仍然側(cè)重于課堂知識(shí)的傳授，這對于專業(yè)通過工程認(rèn)證是十分不利的。

三、 教學(xué)改革的方法與措施

（一） 改進(jìn)課程大綱與授課內(nèi)容。為了解決按照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步修訂和完善教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化學(xué)時(shí)分配。保證《流體力學(xué)》基本概念、基本原理以及基本理論的授課時(shí)間。例如：流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)（一維層流流動(dòng)）、紊流與邊界層、流動(dòng)阻力、量綱計(jì)算等知識(shí)的講解，從而為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

壓縮平面流動(dòng)等拓展知識(shí)點(diǎn)的授課。由于過程裝備與控制工程專業(yè)主要涉及到過程工業(yè)中“三傳一反”（即“傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞以及反應(yīng)”過程）的加工過程以及與之有關(guān)的設(shè)備。為了加強(qiáng)學(xué)生理論結(jié)合時(shí)間的能力，滿足工程認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)。還需要分配學(xué)時(shí)重點(diǎn)講解流體知識(shí)在工程實(shí)際問題中的應(yīng)用。

例如：可將圓柱繞流問題與卡曼渦街以及塔設(shè)備或者換熱器換熱管的共振聯(lián)系起來進(jìn)行分析；或可將管內(nèi)流體的流動(dòng)與阻力計(jì)算與成套裝備管路計(jì)算等結(jié)合起來講解等。

從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，強(qiáng)化流體力學(xué)概念運(yùn)用，滿足工程認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)與要求。

（二） 改善授課技巧，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。《流體力學(xué)》所涉及的知識(shí)內(nèi)容包括各種分析問題的方法和技巧，整個(gè)課程需要密集使用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，包括微分方程的建立與求解、張量計(jì)算、矢量分析與場論等。

（三） 公式的推導(dǎo)和求解貫穿于整個(gè)課程的學(xué)習(xí)。由于不同的學(xué)生基礎(chǔ)不同，還有相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)沒有選修學(xué)習(xí)，這進(jìn)一步加深了學(xué)生學(xué)習(xí)和熟練掌握知識(shí)的難度。這就要求我們在課堂講解中，力求做到深入淺出。

簡化復(fù)雜公式的推導(dǎo)，避免簡單羅列推導(dǎo)內(nèi)容，著重強(qiáng)調(diào)重要公式的來龍去脈，強(qiáng)化學(xué)生對概念的理解，避免厭學(xué)情緒的產(chǎn)生。同時(shí)在授課的過程中列舉一些有趣的例子來講解概念，例如：關(guān)于拉格朗日參考系和歐拉參考系的區(qū)別、優(yōu)缺點(diǎn)可通過人在靜止和移動(dòng)狀況下對風(fēng)的感知來幫助學(xué)生理解。

同時(shí)，要善于利用多媒體技術(shù)來進(jìn)行教學(xué)，通過圖片、視頻使得學(xué)生能夠直觀地了解抽象知識(shí)點(diǎn)。

另外可通過一些典型流動(dòng)問題分析，訓(xùn)練學(xué)生在具體工程分析中，如何抽象概括、假設(shè)簡化、數(shù)學(xué)建模直至問題最終的求解。從而培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力、知識(shí)應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力。

（四） 針對工程領(lǐng)域，創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力涉及到多種能力培養(yǎng)，其中實(shí)踐環(huán)節(jié)必不可少。為了學(xué)生能夠初步運(yùn)用流體力學(xué)的知識(shí)，從科學(xué)的角度對過程工業(yè)相關(guān)裝備內(nèi)特征結(jié)構(gòu)與工業(yè)流程的相互作用進(jìn)行綜合分析，為過程裝備的設(shè)計(jì)、研發(fā)奠定必要的流體力學(xué)基礎(chǔ)。這就要求我們在課程的實(shí)踐教學(xué)過程中，緊密聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)中的典型設(shè)備進(jìn)行分析，例如動(dòng)設(shè)備可選用泵，靜設(shè)備可選塔設(shè)備。

（五） 首先分解模型設(shè)備使學(xué)生對結(jié)構(gòu)有直觀的了解，然后分組模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)、安裝、操作，維修過程，使得學(xué)生了解《流體力學(xué)》知識(shí)在其中的運(yùn)用，從而熟練掌握相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。

（六） 另外可鼓勵(lì)學(xué)生利用課外時(shí)間，運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，參與科研創(chuàng)新活動(dòng)從而開闊視野、訓(xùn)練科學(xué)思維，為學(xué)生將來進(jìn)入更高層次的學(xué)習(xí)以及解決更復(fù)雜的工程問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、 結(jié)論

本文分析了《流體力學(xué)》課程本科教育目前存在的問題，然后從授課內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了分析和探索，提出了一些改善教學(xué)效果的具體措施，來進(jìn)一步提升過程裝備與控制工程專業(yè)《流體力學(xué)》課程的教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)對工程教育專業(yè)認(rèn)證帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

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作者簡介：楊新俊，崔政偉，宋春芳，江蘇省無錫市，江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。endprint