面向“卓越計劃”的車輛工程專業(yè)工程流體力學(xué)課程改革與實踐

黃粉蓮 畢玉華 申立中 雷基林

（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室 云南·昆明 650500）

隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）的實施和推進(jìn)，加強(qiáng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)節(jié)顯得愈加重要。[1]“工程流體力學(xué)”課程是“卓越計劃”學(xué)科、車輛工程專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，課程與大量的工程實際問題聯(lián)系密切，是銜接工程流體力學(xué)理論與工程應(yīng)用的紐帶，在理工科教學(xué)體系中占有重要地位。工程流體力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)性學(xué)科，課程用到的數(shù)學(xué)方法廣泛且繁難，既有理論深度又涉及大量工程實踐問題。[2]學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠初步掌握流體的基本力學(xué)性質(zhì)、工程流體力學(xué)的基本概念、基礎(chǔ)理論和分析計算方法及其工程應(yīng)用知識等，具備對工程實際工程流體力學(xué)問題進(jìn)行分析和求解的能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及相關(guān)專業(yè)工作的開展奠定初步的工程流體力學(xué)理論基礎(chǔ)。

推動工程教育改革的基礎(chǔ)和核心在于學(xué)科體系中具體課程的改革。[3]車輛工程專業(yè)“工程流體力學(xué)”課程長期存在教學(xué)模式單調(diào)、理論教學(xué)抽象不易理解、與專業(yè)前沿方向及工程應(yīng)用脫節(jié)等問題，導(dǎo)致課程的教學(xué)效果不夠理想。學(xué)生的理論基礎(chǔ)差異較大，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力有所欠缺、學(xué)習(xí)方法不夠高效、學(xué)習(xí)態(tài)度不夠端正，探索更為積極有效的教學(xué)方式，給學(xué)生多元化、全過程、全方位的學(xué)習(xí)指導(dǎo)至關(guān)重要。面向“卓越工程師”培養(yǎng)核心，如何在新工科背景下構(gòu)建與工程應(yīng)用相銜接的經(jīng)典理論課程體系、重新組織與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、開發(fā)適用于車輛工程專業(yè)的流體力學(xué)立體化教學(xué)資料、創(chuàng)新教學(xué)模式、強(qiáng)化工程實踐、提高學(xué)生的工程能力與創(chuàng)新能力，成為“工程流體力學(xué)”課程改革的首要任務(wù)。

圍繞貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于新時代教育改革及思想政治工作系列重要講話精神，堅持目標(biāo)達(dá)成與過程管理相統(tǒng)一的原則，以“卓越工程師”培養(yǎng)為核心，以學(xué)生為中心，從轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、重構(gòu)課程內(nèi)容、設(shè)計多元化授課模式、強(qiáng)化專業(yè)與工程實踐、開發(fā)立體化教學(xué)包等方面對工程流體力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行立體化改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善課堂氛圍與教學(xué)效果、大幅提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力?；谛畔⒒腔劢虒W(xué)平臺，實現(xiàn)全過程、全方位對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方法進(jìn)行引導(dǎo)和培育，努力使本門課程教學(xué)更有溫度、思想引領(lǐng)更有力度、立德樹人更有效度。采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)組織方式，讓學(xué)生成為教學(xué)的主人，采用線上線下結(jié)合的方式引導(dǎo)學(xué)生對典型案例進(jìn)行思考，以點帶面探索學(xué)生終身成長學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)模式。

1 流體力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“工程流體力學(xué)”課程是車輛工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究流體平衡、運動及能量間內(nèi)在聯(lián)系與相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科。學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，能夠系統(tǒng)地掌握流體的基本力學(xué)性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)以及相似原理與量綱分析的基本理論和規(guī)律，掌握連續(xù)性方程、粘性流體的運動微分方程、伯努利方程的理論推導(dǎo)、物理意義及工程應(yīng)用，了解流體力學(xué)對工程實際問題的解決方法和思路。能夠綜合運用流體力學(xué)的基本原理、基礎(chǔ)理論和分析計算方法，具備從流體力學(xué)的角度對涉及流體流動的車輛部件構(gòu)造、工作原理、工作過程進(jìn)行識別、分析與求解的初步能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及相關(guān)專業(yè)工作的開展奠定初步的流體力學(xué)理論基礎(chǔ)。流體力學(xué)知識體系邏輯性、系統(tǒng)性、理論性較強(qiáng)，專業(yè)術(shù)語比較抽象。目前，“工程流體力學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式等方面存在較多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，流體力學(xué)理論抽象，流體表現(xiàn)出來的性質(zhì)與生活中積累的直觀經(jīng)驗存在差異，教學(xué)過程難以調(diào)動類似的場景經(jīng)歷。

第二，授課形式單調(diào)，對現(xiàn)代信息化教學(xué)工具的應(yīng)用不足，缺乏創(chuàng)新思維的刻意訓(xùn)練，以“教師為中心”單向灌輸，難以驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

第三，課程內(nèi)容未能充分與專業(yè)前沿研究及工程應(yīng)用建立關(guān)聯(lián)，學(xué)生抱著通過考試、順利畢業(yè)的心態(tài)，學(xué)習(xí)僅僅是暫時的知識編碼和理解存儲，不能適應(yīng)新形勢下工程教育的發(fā)展。

2 構(gòu)建以“卓越工程師”培養(yǎng)為核心的“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)體系

“工程流體力學(xué)”課程處在理工類課程體系的轉(zhuǎn)折點，對后續(xù)車輛工程專業(yè)多門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起著重要的橋梁和引導(dǎo)作用。針對工程應(yīng)用需要，重新構(gòu)建課程體系，優(yōu)化和完善教學(xué)資源，開發(fā)適合教學(xué)使用的、有益于提高教學(xué)效果和提升專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量的多樣性的教學(xué)環(huán)境和資源，集各種教學(xué)手段之所長，將聲音、圖像、動畫、視頻等信息輸入方式相結(jié)合，多角度、多方位、多層次配合教學(xué)過程，使教與學(xué)在時間和空間上都得到極大地延展。利用信息化智慧教學(xué)工具及愛課程中國大學(xué)MOOC平臺的相關(guān)服務(wù)，采用線上線下混合教學(xué)模式，廣泛應(yīng)用在線開放課程優(yōu)質(zhì)資源，基于互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術(shù)，探索虛擬實驗教學(xué)平臺建設(shè)，實現(xiàn)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)平臺、理論教學(xué)與實驗教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建包含多媒體課件、視頻教材、網(wǎng)絡(luò)資源、工程流體力學(xué)仿真模型等元素的移動教學(xué)資源庫和立體教材，以豐富的資料充實教學(xué)內(nèi)容。立體化教學(xué)平臺建設(shè)是對教學(xué)資源、技術(shù)資源和教學(xué)實施過程的整合與優(yōu)化，是提升專業(yè)內(nèi)涵，提高教學(xué)質(zhì)量的根本保障。在學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本原理和計算方法后，引入大量車輛工程背景材料，習(xí)題、思考題、案例及場景教學(xué)應(yīng)與車輛工程專業(yè)的汽車發(fā)動機(jī)原理、發(fā)動機(jī)設(shè)計、傳熱學(xué)、液壓與氣壓傳動、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計等課程充分結(jié)合。

3 探索以“以學(xué)生為中心”的理論與實踐耦合人才培養(yǎng)實踐路徑

3.1 創(chuàng)新授課手段，促進(jìn)學(xué)生專注學(xué)習(xí)

借助信息化智慧教學(xué)工具（如：雨課堂、速課堂等）管理課前、課堂、課后、階段性測試及期末復(fù)習(xí)等全周期教學(xué)過程，全方位改善教學(xué)問題。課前環(huán)節(jié)，通過預(yù)習(xí)課件、優(yōu)質(zhì)MOOC資源、語音PPT、課前任務(wù)單等完成難點、重點內(nèi)容的預(yù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)研讀基本知識，挖掘、理解公式及定理的核心內(nèi)涵。通過“雨課堂”等工具發(fā)布習(xí)題測試來反饋預(yù)習(xí)效果，摸清授課重點，讓學(xué)生認(rèn)識自己的不足之處。課前階段對學(xué)生課前預(yù)習(xí)具有有效約束與促進(jìn)作用，充分了解學(xué)生需求，針對性解決學(xué)生課堂學(xué)習(xí)能力不足問題。

課堂環(huán)節(jié)，按照教學(xué)進(jìn)程組織教學(xué)活動，采用“雨課堂”全面跟進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)行為，記錄學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。PPT授課、MOOC視頻、專題討論、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)模式交叉融合，發(fā)揮各自的特色和優(yōu)勢。通過設(shè)計系列測試題，實現(xiàn)課堂主體轉(zhuǎn)換，改變傳統(tǒng)課堂授課方式。理論講解與測試相結(jié)合，實時檢測學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生參與度，切實提高學(xué)生課堂注意力、抬頭率。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)特點和知識特點設(shè)計測試題型，針對性、循序漸進(jìn)地給學(xué)生盡可能多的參與機(jī)會和訓(xùn)練。采用多選題的形式提煉講解完成知識點的核心信息，多個選項相互提示，利于發(fā)現(xiàn)正確選項，錯誤與正確選項對比分析有利于培養(yǎng)思維嚴(yán)謹(jǐn)性，鞭策學(xué)生認(rèn)真思考，引導(dǎo)幫助學(xué)生進(jìn)行知識總結(jié)。主觀題的求解實現(xiàn)學(xué)生對知識的綜合性掌握，訓(xùn)練解題嚴(yán)謹(jǐn)性。難度較大的主觀題采用小組作戰(zhàn)，提高解題效率，培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力，通過小組互評，學(xué)生換角度參與，加深對知識點的理解，激發(fā)自主學(xué)習(xí)興趣、責(zé)任心，提升教學(xué)成效。采用答題即時評價工具幫助學(xué)生鞏固難點、易錯點，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識總結(jié)，教學(xué)內(nèi)容和考核實現(xiàn)針對性漸進(jìn)，改善學(xué)生學(xué)習(xí)體驗、建立學(xué)習(xí)自信、逐步改善學(xué)習(xí)習(xí)慣。尊重學(xué)生學(xué)習(xí)特點、考慮學(xué)生需求，設(shè)計趣味互動活躍課堂氛圍，明顯提升教學(xué)效果。逐漸實現(xiàn)老師講的越來越少，學(xué)生參與度越來越高，循序漸進(jìn)，多方式提升學(xué)生參與度。課后環(huán)節(jié)，通過“雨課堂”進(jìn)行單元測試、習(xí)題實時評分，課后作業(yè)即時批改，答案解析隨時查詢，引導(dǎo)學(xué)生對知識點進(jìn)行回顧總結(jié)、錯題分析、知識鞏固提升，實現(xiàn)教學(xué)過程化評價，查漏補(bǔ)缺。通過階段性測試，了解學(xué)生真實學(xué)習(xí)成效，針對性進(jìn)行教學(xué)設(shè)計、教學(xué)改進(jìn)，正向激勵，反向鞭策。注重學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，實現(xiàn)學(xué)生動起來，課堂活起來，教學(xué)相長。

課前、課中、課后系列測試題及討論課題的設(shè)計明確目標(biāo)，難度循序漸進(jìn)，與各階段能力相匹配，通過即時評分形成有效的反饋，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得“心流”體驗，點燃學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)驅(qū)動，從而更加專注和投入課程學(xué)習(xí)。通過課堂學(xué)習(xí)、課后習(xí)題和階段性測試，實現(xiàn)對課程知識的編碼、鞏固和檢索，促進(jìn)學(xué)生掌握輕松學(xué)習(xí)的心理學(xué)規(guī)律，打造自己的心智模型，找到高效的學(xué)習(xí)方法?？桃庥?xùn)練學(xué)生“深度學(xué)習(xí)”和“終身學(xué)習(xí)”的思維模式，引導(dǎo)學(xué)生自覺抵制網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)的誘惑，強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，提升學(xué)習(xí)專注力，獲得更高質(zhì)量的人生體驗。

3.2 優(yōu)化授課模式，提升學(xué)生的工程能力

“卓越工程師”培養(yǎng)的關(guān)鍵是培養(yǎng)實際動手能力強(qiáng)的實用型人才。改變“以教師為中心、課本為中心”的單向灌輸式教學(xué)模式，探索以產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際問題、綜合復(fù)雜問題和未來前沿問題等為導(dǎo)向，以老師主導(dǎo)、學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)和小組研究學(xué)習(xí)相結(jié)合的“以學(xué)生為中心”的多元化教學(xué)模式。變被動灌輸為主動探尋，體驗主動思考和探索帶來的求知樂趣。采用基于問題的學(xué)習(xí)（problem based learning，簡稱PBL）教學(xué)法，以發(fā)動機(jī)潤滑問題、缸內(nèi)燃燒與傳熱等為例，學(xué)生為主體、教師為導(dǎo)向，把課程學(xué)習(xí)設(shè)置于工程實際問題情境中。通過讓學(xué)生合作解決實際問題，來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的工程流體力學(xué)知識，通過采用AMESim軟件對發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析潤滑系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點的流量與壓力分布、最小油膜厚度等。以雙燃料發(fā)動機(jī)反應(yīng)活性控制壓燃（RCCI）技術(shù)為例，通過查閱文獻(xiàn)資料，了解RCCI燃燒產(chǎn)生的背景和當(dāng)前存在的問題，通過簡化物理問題，借助商業(yè)軟件建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)置邊界條件及相關(guān)參數(shù)、實施數(shù)值求解過程，詳細(xì)分析和討論計算結(jié)果等，使學(xué)生在具體的實踐過程中，建立發(fā)動機(jī)工質(zhì)流動、燃燒特性、性能之間的科學(xué)關(guān)聯(lián)，訓(xùn)練學(xué)生解決工程實際問題的系統(tǒng)思維，提高對工程流體力學(xué)知識的應(yīng)用能力，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的最佳結(jié)合。教學(xué)中將工程流體力學(xué)與車輛工程專業(yè)的課程設(shè)計、創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)等有機(jī)結(jié)合起來，形成系統(tǒng)化的實踐教學(xué)體系。聯(lián)系車輛工程專業(yè)的學(xué)科內(nèi)容，設(shè)計與工程流體力學(xué)課程相關(guān)的學(xué)習(xí)和設(shè)計任務(wù)。積極探索并采用多樣化教學(xué)手段與啟發(fā)誘導(dǎo)的方法，讓學(xué)生真正提高學(xué)習(xí)的興趣與積極性，學(xué)會如何主動探索性學(xué)習(xí)，并將理論學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合，最終提高分析、解決問題的能力。

3.3 改革考核手段，打造學(xué)生終身學(xué)習(xí)的心智模型

為提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)驅(qū)動力和強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果，基于教學(xué)過程控制，對“工程流體力學(xué)”課程的考核方法進(jìn)行全面改革，把自主學(xué)習(xí)能力的提高和創(chuàng)新實踐思維的訓(xùn)練作為考核的重點，采取多元綜合考核方式，主要包括隨堂測驗、課堂討論、課后作業(yè)、項目實踐及成果分析、期末考試等環(huán)節(jié)。隨堂測驗主要針對基本概念、基本原理和基本計算方法的考核；課堂討論主要針對復(fù)雜公式、工程實際問題分析能力的考核，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理安排；根據(jù)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)置車輛工程專業(yè)相關(guān)的科研項目實踐環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)相關(guān)工具及商用軟件，通過分析工程實際問題的物理過程，建立數(shù)學(xué)模型，并利用軟件工具進(jìn)行仿真分析，根據(jù)學(xué)生軟件學(xué)習(xí)與運用、文獻(xiàn)閱讀與分析、模型建立與仿真分析、成果報告撰寫等情況綜合評分。期末考試擬采用開卷+閉卷相結(jié)合的方式：基本概念、原理和計算方法的考核采用閉卷方式；復(fù)雜公式和理論的應(yīng)用、圖表分析和解決問題能力的考核采用開卷方式。加大過程化評價比例，平時成績占到最終成績的70%，有效防止平時不學(xué)、考前突擊的現(xiàn)象。改革考核手段，綜合考查學(xué)生對基本理論知識的內(nèi)化和工程應(yīng)用能力，通過階段性考核反饋學(xué)習(xí)效果，通過輸出促進(jìn)學(xué)生輸入。整理課前、課中、課后、期末考試等教學(xué)過程全部試題，針對核心知識點，提煉各章節(jié)的測試習(xí)題和答案，基于信息化智慧教學(xué)工具組織成評測試卷，形成教學(xué)過程全周期試題庫。通過課前、課中、課后環(huán)節(jié)的考核，促進(jìn)學(xué)生對知識進(jìn)行編碼、鞏固和檢索，提升自主學(xué)習(xí)能動性和學(xué)習(xí)效果，掌握高效學(xué)習(xí)的技能和心理學(xué)規(guī)律，打造終身學(xué)習(xí)的心智模型。

4 結(jié)語

隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的廣泛實施和積極推進(jìn)，昆明理工大學(xué)車輛工程專業(yè)“工程流體力學(xué)”課程教學(xué)以此為核心進(jìn)行的改革與創(chuàng)新實踐符合教育規(guī)律和現(xiàn)代高等教育的教學(xué)原則，通過面向“卓越計劃”為核心，“以學(xué)生為中心”的多元化教學(xué)模式改革，線上線下混合教學(xué)模式與一定程度的課堂翻轉(zhuǎn)，使得“工程流體力學(xué)”課堂教學(xué)狀況煥然一新，課堂氣氛活躍，學(xué)生的參與度和抬頭率明顯提高，學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力、解決工程實際問題的能力都得到綜合提升，強(qiáng)化了深度學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的思維模式。