新工科背景下船海特色的工程流體力學(xué)教學(xué)改革

熊騁望 劉云龍 董茜茜

[摘 要] “新工科”這一概念是在新一輪產(chǎn)業(yè)變革及科技革命的時代背景下提出的，要求通過調(diào)整教育結(jié)構(gòu)培養(yǎng)全方位人才。結(jié)合哈爾濱工程大學(xué)的船海特色，以及工程流體力學(xué)的教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容，以往的工程流體力學(xué)教學(xué)模式很難滿足當(dāng)下師生的需求，作為以船海專業(yè)為特色的工科高校，需要有針對性地進行一些教學(xué)改革，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強工程流體力學(xué)知識與船海特色的結(jié)合，方便學(xué)生熟練運用基礎(chǔ)知識，加強自主創(chuàng)新能力，為船海事業(yè)做出更好的貢獻。

[關(guān)鍵詞] 工程流體力學(xué);船海特色;教學(xué)改革

[作者簡介] 熊騁望（1990—），男，湖北武漢人，工學(xué)博士，哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授，主要從事高精度計算流體力學(xué)方法、流動穩(wěn)定性與湍流轉(zhuǎn)捩研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）39-0075-04? ? [收稿日期] 2021-05-21

一、概述

“工程流體力學(xué)”是許多工程專業(yè)的核心課程，這門課程的成功與否，將直接影響學(xué)生今后對基礎(chǔ)知識的運用，因此，開展切實可行的工程流體力學(xué)教學(xué)改革顯得尤為重要。本課程是以解決與流體有關(guān)的實際工程問題為基礎(chǔ)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，具有系統(tǒng)的理論體系，使學(xué)生掌握流體運動和力的基本規(guī)律，運用工程流體力學(xué)的基本原理及方法分析和解決與流動有關(guān)的實際工程問題，理解和掌握工程流體力學(xué)最基本的實驗技能。與其他課程或?qū)W科不同的是，本課程存在現(xiàn)象多、概念模糊、公式參數(shù)多等問題，學(xué)生難以理解和掌握。此外，本課程的知識內(nèi)容應(yīng)用廣泛。

目前，“工程流體力學(xué)”課程還存在一些不足。由于“工程流體力學(xué)”課程理論性強、數(shù)學(xué)推理多、公式復(fù)雜，但教學(xué)方法仍然是被動的，甚至是“填鴨式”的教學(xué)模式，教學(xué)效果相對較差。這種教學(xué)方法不利于師生之間形成良好的教學(xué)關(guān)系，而且由于工程流體力學(xué)理論本身比較抽象，教材缺少更多直觀的案例，學(xué)生很難對物理力學(xué)有詳細(xì)生動的認(rèn)識，無法透徹理解知識，導(dǎo)致無法提高學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力[1]。

高?！肮こ塘黧w力學(xué)”課程的教學(xué)方法和考試形式相對單一，當(dāng)今高校教學(xué)以教材為基礎(chǔ)，講師照本宣科，學(xué)生缺乏思考，即“填鴨式”教學(xué)，模式單一，雖然有多媒體教學(xué)組件，但基本模式?jīng)]有改變。而在課程考試中，論文成績占比較大，學(xué)生自然也為了應(yīng)試而應(yīng)試，缺乏主動性，沒有體現(xiàn)知識的運用。學(xué)生沒有發(fā)現(xiàn)工程流體力學(xué)知識與實際生產(chǎn)實踐相結(jié)合的優(yōu)勢，無法主動學(xué)習(xí)，解決問題[2]。

針對以上問題，本文改進了工程流體力學(xué)的教學(xué)，增加了新工科背景下工程流體力學(xué)與船海特色的有機結(jié)合，對新工科背景下船舶海洋新特征的教學(xué)進行了改革和創(chuàng)新，通過豐富的教師線下教學(xué)模式和教材，向?qū)W生傳授比較全面的知識。同時，注重基礎(chǔ)，課本內(nèi)容簡化了難度大的知識點，融入學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，注重學(xué)習(xí)方法的介紹，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合本專業(yè)的課程特點，將航運與海洋的特點和前沿領(lǐng)域的知識有效地帶入教材的相應(yīng)章節(jié)，增加更多的動手實踐環(huán)節(jié)和計算機輔助教學(xué)，讓學(xué)生更好地感受每一個理論、公式和概念所包含的工程流體力學(xué)的物理意義。

二、新工科船海特色的教學(xué)改革具體措施

（一）重視緒論與比喻授課

工程流體力學(xué)緒論課是必要的，緒論課是學(xué)生接觸工程流體力學(xué)的第一堂課，教師要向?qū)W生講好工程流體力學(xué)“動、柔、活”的特點，這不僅能讓學(xué)生了解工程流體力學(xué)領(lǐng)域中重要的科學(xué)家及其成就（如歐拉的勵志故事），還能激發(fā)學(xué)生的興趣、主動性和自發(fā)性[3]。

工程流體力學(xué)的概念往往比較抽象，學(xué)生很難理解。在教學(xué)中多使用隱喻、聯(lián)想等手段，教學(xué)效果會更好。例如，在解釋流體的流動性時，詩句“抽刀斷水水更流”生動地描述了流體的特性，讓學(xué)生更加容易理解?！氨扔鹘虒W(xué)”是描述流體運動基本概念的跡線和流線的好方法。跡線是流體質(zhì)點在空間中運動時所描繪出的曲線，它可以被比作一顆流星在晚上經(jīng)過。流線是由不同的流體點同時構(gòu)成的曲線，詩句“大漠孤煙直，長河落日圓”將此描繪得非常生動。這樣，跡線和流線的定義和區(qū)別就一目了然了[4]。

為使學(xué)生清楚本課程的意義和目的，將難以理解的物理現(xiàn)象與學(xué)生生活聯(lián)系起來，用簡潔生動的語言減少他們對“工程流體力學(xué)”課程學(xué)習(xí)的恐懼，增加他們的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣。第一節(jié)課必須普及學(xué)生能理解的、在日常生活中隨處可見的工程流體力學(xué)的相關(guān)原理，并用工程流體力學(xué)解釋這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，有助于學(xué)生在課前學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)。

（二）建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式

現(xiàn)有的工程流體力學(xué)實踐教學(xué)主要由實驗教學(xué)組成，然而大多數(shù)學(xué)生都是看教師做實驗，自己動手操作的機會很少，學(xué)生難以理論聯(lián)系實際，只能按部就班地操作，學(xué)生的積極性不高。這樣既不能體現(xiàn)學(xué)生的主體性，也不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。僅通過實驗報告中的數(shù)據(jù)評價實驗結(jié)果，忽視了過程評價的重要性，這與工程流體力學(xué)的教學(xué)意義相反[5]。

因為學(xué)生是主體，所以教學(xué)改革必須緊緊圍繞學(xué)生，教學(xué)應(yīng)該基于學(xué)生掌握的課本知識。因此，教師在教學(xué)過程中加強對學(xué)生的指導(dǎo)和自主學(xué)習(xí)是至關(guān)重要的，不能只是照本宣科，盲目地主導(dǎo)課堂，還需要分析教學(xué)結(jié)構(gòu)，分層次教學(xué)。從準(zhǔn)備課本到理解知識，再到發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題和深入思考，要循序漸進地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力[6]。

作為教師，必須對課程有一個很好的了解。在這個時候，教師會想當(dāng)然地認(rèn)為這門課對學(xué)生來說很容易理解，所以直接從公式推導(dǎo)開始授課，沒有分析原理和知識結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致學(xué)生很難聽懂課上所講的知識。上課的最終目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識從而應(yīng)用于實踐，教師可以促使學(xué)生實現(xiàn)知識與應(yīng)用相結(jié)合，基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合。在新工科的背景下，學(xué)生的培養(yǎng)是一個重要的事情，要適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新改革的要求，了解學(xué)生的知識接受程度，借助教材和其他教學(xué)材料，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識，從而獨立解決相關(guān)問題，更加了解課程?！肮こ塘黧w力學(xué)”是船舶工程專業(yè)一門非常重要的基礎(chǔ)課程，學(xué)生在今后的專業(yè)學(xué)習(xí)中離不開流體計算，更重要的是提高學(xué)生的實驗課程，讓學(xué)生進實驗室自己模擬一些簡單的工程流體力學(xué)現(xiàn)象，如測總水頭，更直觀地感受水流。層流是什么、紊流是什么、如何觀察相應(yīng)流體的流速等，讓他們更直觀地感受科學(xué)的魅力，在科學(xué)探索中獲得成就感。此時，學(xué)生對流動物理現(xiàn)象的認(rèn)知和獨立解決相關(guān)問題的能力是教師需要培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。