服務于高水平研究生培養(yǎng)的課程教學探索與實踐

季斌 羅先武 龍新平

摘要：“流體機械空化多相流”課程是以能源與動力工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)研究生為對象的一門學位課。本文主要針對該課程教學中遇到的典型問題，從教學目標與定位、授課內(nèi)容與形式、學生綜合評價等方面進行大膽探索、實踐。實施以來，有效強化了研究生的理論素質(zhì)與專業(yè)能力拓展，取得了令人滿意的教學效果。

關(guān)鍵詞：流體機械；研究生培養(yǎng)；教學方法改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0140-03

一、引言

流體機械空化多相流課程是面向能源與動力工程專業(yè)的研究生開設(shè)的一門專業(yè)課程，選課的學生既有作為流體機械與工程二級學科學位課選修的研究生，也有水利、機械等專業(yè)的研究生[1]。該課程的主要內(nèi)容包含相互關(guān)聯(lián)的三部分：經(jīng)典空泡動力學理論、水動力空化的機理研究，以及水力機械空化流動模擬及工程應用研究。由于該課程的相關(guān)研究屬于學科前沿，尚處于不斷進展中，知識體系的脈絡(luò)不如其他專業(yè)課程清晰；而以前的教學主要以課堂講授方式進行，教學內(nèi)容相對固定，師生缺乏互動，往往教學效果不夠理想。對選課學生而言，他們認為課程涉及學科發(fā)展的前沿，非常希望學到一些實用的知識和方法，但課堂教學的內(nèi)容枯燥、難懂，難以深入學習。

我們調(diào)研了國內(nèi)外一些大學的課程教學情況。如瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院開設(shè)有研究生課程“Cavitation in Hydraulic Machines”，主要結(jié)合水力機械中的空化問題進行講解，課程內(nèi)容與研究生的研究方向有緊密聯(lián)系；國內(nèi)一些大學設(shè)置“多相流體動力學”，內(nèi)容涉及氣—固、氣—液或固—液的兩相流動，課程教學以講課為主。據(jù)選課研究生反映，課程學習的效果一般。

為了較大幅度改善流體機械空化多相流課程教學效果，使課程教學真正為高水平研究生培養(yǎng)提供強有力的支撐，對課程教學實行改革勢在必行。因此，在詳細調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們逐步進行了一系列教學探索。一是以學生為本，調(diào)查選課學生尤其是博士生對課程學習的愿望，確定教學內(nèi)容改革的方向；二是與國內(nèi)外同行進行廣泛交流，找準空化多相流研究發(fā)展的重要方向，一方面為課程改革準備優(yōu)質(zhì)素材，另一方面更直接為博士生的學位論文工作指引前沿；三是深入挖掘課程內(nèi)涵，將課程的基本原理和方法以適當?shù)姆绞?，與實際科學問題聯(lián)系起來。這樣，既可以使學生感受到科學理論的勃勃生機，也可以引導學生更加主動地將課程學習與自己的研究有機聯(lián)系起來；四是改進授課方式，從多層次引導學生參與課堂教學，活躍課堂氣氛，激發(fā)學生的學習熱情。通過這些課堂教學改革，較大幅度地提高了教學效能，尤其對高水平博士生的培養(yǎng)產(chǎn)生了積極的影響。

二、課程改革的主要思路及措施

流體機械及工程專業(yè)的研究生畢業(yè)后多從事能源、航天、船舶、水利等國家重要領(lǐng)域的應用研究與技術(shù)管理工作。因此，本專業(yè)培養(yǎng)的研究生除了具備扎實的理論功底、系統(tǒng)而寬廣的專業(yè)知識，還必須具有良好的科研素質(zhì)。

根據(jù)目前的課程體系，我們在原有本科課程的教學基礎(chǔ)上[2]，認為非常有必要在研究生課程教學中拓寬學生的視野，培養(yǎng)學生對科學問題的把握能力以及捕捉研究前沿的敏銳眼光，使研究生課程教學成為學生開展高水平研究工作的源泉[3]。而流體機械空化多相流課程的內(nèi)容正好涉及了一系列前沿科學問題，完全可以作為研究生加強基礎(chǔ)理論學習與科研能力培養(yǎng)的“試驗田”。為此，我們在教學實踐中重新確定了該課程的目標，對教學內(nèi)容、課堂管理等方面進行了探索。具體說明如下。

（一）改革的主要思路。

重新定位課程目標，使課程教學服務于人才培養(yǎng)，尤其是高水平博士生培養(yǎng)；注重以人為本，增強研究生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)；不斷豐富教學資源，在夯實研究生理論知識的基礎(chǔ)上努力拓寬學生的視野；堅持理論聯(lián)系實際的課堂教學特色，引導研究生立足學科前沿；改革課程的教學過程，加強研究生的科學素質(zhì)訓練。

（二）主要措施

基于上述教學改革的思路，主要采取如下措施進行課程改革。

1.注重以人為本，增強與研究生創(chuàng)新培養(yǎng)相關(guān)的教學內(nèi)容。我們認為，研究生的課程教學一方面要服務于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的知識體系，即需要傳授必要的專業(yè)理論，更重要的是在課程學習中引導學生養(yǎng)成創(chuàng)新思維，為學生今后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。即所謂“授人以漁”，而非“授人以魚”。因此，可以將課程教學內(nèi)容分為兩大部分：基礎(chǔ)內(nèi)容，擴展內(nèi)容。其中，流體機械空化多相流課程基礎(chǔ)內(nèi)容包括空化的基本概念、原理、方法與規(guī)律，是組成專業(yè)知識體系的主干內(nèi)容；拓展內(nèi)容則可以根據(jù)研究生的學習意愿進行適當調(diào)整，力爭將學生所關(guān)心的科學問題，尤其是博士生學位論文涉及的關(guān)鍵理論與分析方法溶入講授內(nèi)容。如許多研究生希望采用數(shù)值模擬來驗證水力機械空化實驗結(jié)果，或細致分析實驗中無法反映的流動本質(zhì)。而空化湍流屬于非常復雜的流動現(xiàn)象，控制其發(fā)展的因素多種多樣，很難以一種模型來解析所有的空化問題。因此，解決問題的關(guān)鍵是如何建立特定條件下的空化模型。在課程的拓展內(nèi)容中，我們在講解空泡動力學的基礎(chǔ)上，著重分析了構(gòu)筑適應特定空化流動模擬模型的思路，以及考慮各種影響因素形成控制方程源項的方法。這一舉措帶來的直接成效是，每屆都有部分研究生（尤其是博士生）脫穎而出。他們根據(jù)自己的研究需要，在教師引導下組建新的空化模型，或改進已有的空化模型，這些工作也成為一些博士生學位論文的重要創(chuàng)新點。

2.不斷豐富教學素材與資源，拓展學生的科學視野。著名科學家牛頓曾謙虛地將自己的成就歸結(jié)為“站在前人的肩膀上”。而我國宋代政治家王安石寫有著名的詩句，“不畏浮云遮望眼，只緣身在最高層”。這兩位偉人留給我們的啟示是：要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，就得讓人才盡可能接近科學的前沿。因此，我們在教學過程中不斷更新教學素材，非常注重展示當今世界上相關(guān)研究的最重要成果與前沿方向，這樣激發(fā)了學生的學習熱情，培養(yǎng)了學生的研究興趣，對營造獨立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境也有重要作用。

到目前為止，收集了英國Warwick University的單空泡快速攝影（世界最小曝光時間間隔）影像，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的微重力環(huán)境下單空泡發(fā)育試驗的視頻，日本東京大學的超聲誘導空化碎石資料，美國University of Minnesota榮譽教授Roger Arndt空化研究報告，等。在歷年課程教學中，曾聘請了日本大阪大學Yoshinobu Tsujimoto教授、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Francois Avellan、中國船舶科學研究中心潘森森研究員等世界知名學者參與課堂教學，或與研究生座談。這些教學資源對于拓寬研究生的視野，把握學科的發(fā)展方向無疑發(fā)揮了重要的作用。

此外，課程教學中也注重發(fā)揮學生的主觀能動性，布置學生利用課余時間廣泛閱讀國內(nèi)外技術(shù)文獻，總結(jié)與課程內(nèi)容相關(guān)的新技術(shù)與新進展，通過課堂報告的形式進行研討，進一步增強研究生的創(chuàng)新學習意識。

3.堅持課程教學緊密聯(lián)系實際，使之成為高水平研究生培養(yǎng)的源泉。研究生課程教學歸根究底在于增強研究生處理實際科研問題的能力。因此，我們在課程改革中，堅持理論聯(lián)系實際，以國民生產(chǎn)或國家戰(zhàn)略的重大需求為背景，結(jié)合學科前沿研究進行課堂教學，力求使研究生達到“知行統(tǒng)一”、理論水平與實踐能力均衡發(fā)展。

一方面，在課程基礎(chǔ)部分的課堂教學安排中強化了背景知識的講授，旨在使學生理解基礎(chǔ)理論與自然界各種現(xiàn)象的有機聯(lián)系，認識到理論是實踐活動的制高點，而不是一個個孤立的島嶼。在有關(guān)空化內(nèi)容的教學中，分別以超空化高速魚雷、雀尾螳螂蝦、大型水利水電工程等為對象，講述其中的空化與空蝕現(xiàn)象，并分析了各種空化問題的特征；

另一方面，我們鼓勵研究生學會總結(jié)、提煉科學問題，帶著課題進課堂。這樣，既增強了課堂教學內(nèi)容的“真實性”，也有助于學生解決研究中存在的問題。近年來，研究生帶進課堂的實例包括非均勻來流中螺旋槳的空化流動[4]、超小型泵內(nèi)空化流動[5]、燃油泵隔舌區(qū)空化流動[6]、軸對稱腔體誘導空化振蕩射流[7]、同軸受限射流空化流動[8]等。

在課堂教學中注重理論結(jié)合實際非常有助于學生對理論學習的興趣培養(yǎng)，對研究生今后的研究活動有重要的啟迪。因此，研究生的課程學習將成為高水平研究生培養(yǎng)的源泉。

4.改革課程教學形式，多方位強化研究生的科研素質(zhì)培養(yǎng)。流體機械空化多相流的課程特點是內(nèi)容多，因而授課時間與內(nèi)容編排一直都是一對矛盾。在本項目的改革中，我們在保證課程基本教學要求的基礎(chǔ)上，將過去單一的教師授課方式改為教師講授+師生討論+學生報告的形式，大大增加了研究生參與課堂教學的比重。這種做法的效果在于：使學生直接參與教學，激發(fā)學生的學習熱情，增強了責任感與使命感；引導研究生對所關(guān)注的科學問題進行探索，提高分析問題的能力；作為“臨時教師”，在鍛煉研究生科學表達能力的同時，也加強了嚴謹與科學作風的培養(yǎng)。

此外，擯棄過去以考試確定學生課程學習成績的單一評價方式，將課程考核與課程教學過程有機聯(lián)系起來，充分體現(xiàn)學生在課堂教學與課外研究中取得的成果，通過多種形式的綜合評價來進一步激發(fā)研究生的學習熱情。

三、課程改革實施的效果

本課程改革的實施效果分述如下。

1.明顯提高了研究生的基礎(chǔ)理論水平，促進了高水平博士生的培養(yǎng)。研究生在課程學習之后，能夠主動利用所掌握的基本原理與方法，分析學位論文工作中的關(guān)鍵問題，在理論研究及實際應用方面取得了很好的成績。近年來，清華大學和武漢大學涌現(xiàn)了一批理論基礎(chǔ)好、研究成果突出的優(yōu)秀研究生。如清華大學博士生張瑤根據(jù)超小型流道中空化流動的特點，在空泡動力學基本方程的基礎(chǔ)上建立了包括流體物性、溫度變化與表面張力影響的空化模型，并成功應用于論文的數(shù)值模擬中。這一工作也成為其博士學位論文的重要創(chuàng)新點，并獲得了論文評閱人的高度評價[5]。武漢大學博士生肖龍洲將課堂講授的空化流動基礎(chǔ)理論運用到同軸受限射流空化剪切流動機理研究之中，闡述了射流剪切空化與漩渦相互作用的若干機理[8]。

2.激發(fā)了博士研究生鉆研基礎(chǔ)理論的熱情，促成了一批高水平學術(shù)論文（SCI論文）的發(fā)表。以前，很多能源動力工程領(lǐng)域的研究生認為學位論文工作有很強的實際工程背景，不容易做出理論上的成果。然而，一些博士生在學習本課程的過程中，通過認真學習真正把握了物理現(xiàn)象的本質(zhì)，為學位論文研究及未來的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。如成果實施單位清華大學、武漢大學的研究生近年來均先后在International Journal of Multiphase Flow（著名流體動力學國際期刊）、Journal of Fluids Engineering（流體工程領(lǐng)域重要國際期刊）等上發(fā)表多篇與本課程相關(guān)（關(guān)鍵詞“空化”或“空化流動”）的高水平SCI論文。

3.極大活躍了課程的課堂教學氣氛，達到了良好的教學效果。通過改革課堂教學形式，并豐富課堂教學資源，使研究生能夠設(shè)身處地參與教學過程，感受到課堂教學與學位論文研究以及實際工程緊密相關(guān)。在每學期兩次的學習報告會上，很多選課學生都愿意將自己科研中遇到的實際問題提出來，以便在課堂討論中獲得啟示。這樣，將看似枯燥無味的基礎(chǔ)理論知識與學生的研究活動聯(lián)系起來，教學內(nèi)容因此變得生動、活潑，極大地提高了學生的學習積極性，達到了良好的教學效果。

4.逐步創(chuàng)建了課程教學的各種資源，為進一步提高課程教學質(zhì)量與人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定了堅實的基礎(chǔ)。結(jié)合教學內(nèi)容和教學形式的改革，我們逐步完成了課程多媒體課件，建成了資源量龐大的課程教學資源（包括視頻、圖片、多媒體講稿等）。這些資料已經(jīng)成為研究生拓展學習的重要保障，對進一步提高課程教學質(zhì)量、創(chuàng)新型人才（尤其是高水平博士生）培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。

四、結(jié)束語

為了培養(yǎng)高水平研究型人才，清華大學和武漢大學針對能源與動力工程專業(yè)研究生課程流體機械空化多相流課程開展了多方位的探索和改革實踐。幾年的教學實施效果表明，本次課程教學改革較好的開拓了研究生的學術(shù)視野，強化了研究生的理論素質(zhì)與學術(shù)思維能力，對能源與動力工程專業(yè)高水平創(chuàng)新型研究生的培養(yǎng)具有重要意義。

參考文獻：

[1]袁壽其，等.高等工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系研究——以江蘇大學流體機械專業(yè)為例[J].高等教育管理，2009，（3）.

[2]羅先武，等.流體機械設(shè)計及優(yōu)化[M].清華大學出版社，2012.

[3]李飛，等.以科教融合、學科交叉提升工科人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].高等工程教育研究，2015，（4）.

[4]季斌.非均勻來流下螺旋槳空化流動及其誘導的壓力脈動研究[D].清華大學博士學位論文，2011.

[5]張瑤.超小尺度翼型及離心泵空化湍流的數(shù)值模擬和試驗研究[D].清華大學博士學位論文，2011.

[6]薛梅新.加力燃油泵隔舌空化機理及抑制方法研究[D].清華大學博士學位論文，2012.

[7]王玉川.軸對稱腔體誘導空化振蕩射流的機理研究[D].清華大學博士學位論文，2012.

[8]肖龍洲.同軸受限射流空化流動機理及其殺菌應用研究[D].武漢大學博士學位論文，2015.

Abstract：Cavitating multiphase flow in fluid machinery is a degree course that targets the postgraduates majoring Energy and Power Engineering or other relative fields.In the view of instructional objectives，teaching content and form，student comprehensive evaluation and so on，this paper focuses on the typical problems during the curriculum，and makes bold exploration and practice.Since the implementation of the practice，it has effectively improved theoretical attainment and professional development for the postgraduates，and achieved satisfactory results.

Key words：fluid machinery；postgraduate training；teaching methods reform