新工科背景下流體力學(xué)課程項(xiàng)目式教學(xué)與考核評(píng)價(jià)體系研究

王燕 鄭健

摘? 要：流體力學(xué)是高等學(xué)校能源與動(dòng)力類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，計(jì)算流體力學(xué)軟件是流體力學(xué)相關(guān)研究開展的重要工具。文章首先探討了新工科背景下流體力學(xué)開展項(xiàng)目式教學(xué)的意義、優(yōu)勢與不足，進(jìn)而提出了流體力學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)的改革思路與實(shí)踐，探討了將CFD模擬技術(shù)引入流體力學(xué)項(xiàng)目式教學(xué)中的教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué);項(xiàng)目式教學(xué);CFD技術(shù);考核評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）28-0009-04

Abstract： As the basic curriculum and backbone of the majors of energy and power， Fluid Mechanics is an essential and fundamental course for the future development of students. Computational fluid dynamics（CFD） softwareis an important and effective tool in conducting the correlation research of fluid mechanics. In present study， the significance， advantages and disadvantages of project-based learning of flow mechanics in the new engineering background were firstly discussed， and then the paper put forward the reform ideas and practice of the project-based learning method of fluid mechanics， finally probed into the measures of teaching and assessment of introducing CFD simulation technology into the project-based learning of fluid mechanics.

Keywords： fluid mechanics; project-based learning; CFD technology; inspects appraisal system

一、新工科背景下流體力學(xué)課程開展項(xiàng)目式教學(xué)的意義

（一）新的人才需求對(duì)傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課程教育提出了新要求

新工科建設(shè)是國際工程教育認(rèn)證下我國高等教育的主要改革方向，是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的[1]。新工科教育理念的提出，工程類專業(yè)的國際工程教育認(rèn)證，以及以企業(yè)需求為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)教育，都對(duì)高等院校的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式提出了新要求[2-3]。因此，在新時(shí)期、新理念、新需求下，高校作為人才培養(yǎng)基地應(yīng)及時(shí)調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)、創(chuàng)新培養(yǎng)模式、改革課程體系與方法、更新教學(xué)內(nèi)容、引進(jìn)先進(jìn)手段、提升教育質(zhì)量，使培養(yǎng)的人才始終滿足當(dāng)前和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，甚至引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。

項(xiàng)目式教學(xué)法（Project-Based Learning， PBL）是近年來國際工程教育改革的研究熱點(diǎn)[4]，是一種以學(xué)生為中心、培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)理論、個(gè)人技能以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力的方法。該方法要求學(xué)生通過一系列個(gè)人或團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目任務(wù)，利用必要的學(xué)習(xí)資料，解決現(xiàn)實(shí)中的問題，從而獲取知識(shí)和技能。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下，融入CDIO理念，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四步驟[5]，將學(xué)生從“被動(dòng)接受”變?yōu)椤爸鲃?dòng)參與”，從項(xiàng)目的構(gòu)思到設(shè)計(jì)、實(shí)施，都由學(xué)生團(tuán)隊(duì)和老師一起探討完成，綜合培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層次的能力，以培養(yǎng)出具有組織、協(xié)調(diào)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、決策與創(chuàng)新和工程意識(shí)的復(fù)合型人才。

（二）項(xiàng)目式教學(xué)是流體力學(xué)課程理論與實(shí)際聯(lián)系的橋梁

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它是研究流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，具有較強(qiáng)的理論性，同時(shí)又密切聯(lián)系實(shí)際，是水利、航空、航天、大氣、能源、環(huán)保、土木、化工和石油等領(lǐng)域的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)理基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)課程聯(lián)系的橋梁[6]。多年以來，流體力學(xué)本科教學(xué)內(nèi)容主要聚焦于經(jīng)典的流體力學(xué)理論和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法，偏重于理論分析和一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)講解，教學(xué)內(nèi)容比較艱澀、抽象和單一，沒有將現(xiàn)代先進(jìn)的流體力學(xué)發(fā)展成果應(yīng)用于流體力學(xué)課程教學(xué)，不能反映當(dāng)前流體力學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自學(xué)能力[7]。同時(shí)，整個(gè)流體力學(xué)課程在建立靜止與運(yùn)動(dòng)的基本控制方程后，就開始針對(duì)一些特殊的流動(dòng)進(jìn)行分析，比如不可壓縮無旋與有旋流動(dòng)、N-S方程、邊界層理論等，這種“支離破碎”的知識(shí)加之深?yuàn)W復(fù)雜的理論，容易使學(xué)生產(chǎn)生流體力學(xué)遠(yuǎn)離生活、流體力學(xué)學(xué)不懂、學(xué)懂了無法用的念頭，缺乏理論與實(shí)際聯(lián)系的橋梁，影響流體力學(xué)課程的教學(xué)效果和知識(shí)的吸收轉(zhuǎn)化利用[8]。

同時(shí)，流體力學(xué)又是一個(gè)充滿活力的學(xué)科，在實(shí)踐中與社會(huì)生產(chǎn)力一起不斷發(fā)展。當(dāng)前，流體力學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期：分析手段更加先進(jìn)，與各類工程專業(yè)的結(jié)合更加緊密，與其他學(xué)科的交叉滲透更加廣泛深入[9]。為了有效地實(shí)施素質(zhì)教育，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)知識(shí)的深入認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，先進(jìn)的教學(xué)方法和手段不可或缺。如果能在流體力學(xué)的教學(xué)過程中，通過項(xiàng)目的形式，采用CFD方法，讓學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)的理論知識(shí)去求解實(shí)際的流動(dòng)問題，比如在講液體靜壓力的時(shí)候引入十幾種不同安裝位置、不同形狀、不同功能的閘門的求解;在講定常與非定常流動(dòng)時(shí)讓學(xué)生去計(jì)算翼型在定常與非定常狀態(tài)下的氣動(dòng)性能和流場結(jié)構(gòu)等;在講層流與湍流的時(shí)候可以通過項(xiàng)目計(jì)算槽道流和管道流動(dòng)的層流與湍流流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征;在講邊界層理論時(shí)讓學(xué)生體會(huì)不同的邊界層厚度對(duì)風(fēng)力機(jī)二維翼型氣動(dòng)力計(jì)算的影響等……會(huì)使得學(xué)生對(duì)方程描述的重要性有很好的認(rèn)識(shí)，融會(huì)貫通流體力學(xué)課程所講的枯燥理論知識(shí)。同時(shí)，在項(xiàng)目研究過程中，還可以借助一些先進(jìn)的技術(shù)手段，通過圖片、動(dòng)畫等來展示流場結(jié)構(gòu)與受壓面的受力，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開闊本科生視野，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，更好地適應(yīng)新工科教育和創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)。