貫穿理論與實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)過程裝備與控制工程創(chuàng)新人才—以《工程流體力學(xué)》教學(xué)為例

＊伍勇 魏文韞 譚帥

（四川大學(xué)化工學(xué)院 四川 610065）

1.引言

所謂創(chuàng)新型人才，是具備優(yōu)良的道德品質(zhì)、強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)造能力，能通過創(chuàng)新實(shí)踐取得創(chuàng)新成果的優(yōu)秀人才[1]。創(chuàng)新型人才是國(guó)家建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的生力軍，是推動(dòng)民族進(jìn)步的源泉。我國(guó)正處于實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時(shí)期，在國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、中國(guó)制造2025、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，以學(xué)生為中心著力培養(yǎng)創(chuàng)新能力已經(jīng)成為當(dāng)代高等教育的首要任務(wù)，服務(wù)于國(guó)家“堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢(shì)”的需求[2-5]。與美國(guó)、英國(guó)、日本等典型創(chuàng)新型國(guó)家相比，我國(guó)在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面尚有差距[6]?！吨袊?guó)教育現(xiàn)代化2035》將一流的人才培養(yǎng)與創(chuàng)新能力作為衡量教育現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，提出要通過系列改革促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)把學(xué)習(xí)、觀察、實(shí)踐同思考緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力[7]。為適應(yīng)新形勢(shì)下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)特點(diǎn)，課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)由單純的傳授知識(shí)向引導(dǎo)靈活運(yùn)用知識(shí)轉(zhuǎn)變，學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)由被動(dòng)接受向主動(dòng)探究轉(zhuǎn)變[8]。四川大學(xué)以“雙創(chuàng)”為引導(dǎo)，積極探索教育教學(xué)改革，將制度措施落地到課程體系建設(shè)、課堂教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)踐、國(guó)際化教育等各環(huán)節(jié)之中[9]，打破了通識(shí)教育、素質(zhì)教育和專業(yè)教育之間的壁壘，創(chuàng)建了良好的創(chuàng)新教育大平臺(tái)。通過在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中納入人文素質(zhì)課程、跨專業(yè)課程以及創(chuàng)新學(xué)分，實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新教育的全覆蓋。

過程裝備與控制工程專業(yè)具有機(jī)械工程、化學(xué)工程、動(dòng)力工程和控制工程等學(xué)科交叉的特點(diǎn)，專業(yè)內(nèi)容涉及到現(xiàn)代過程裝備的設(shè)計(jì)、開發(fā)以及應(yīng)用等諸多環(huán)節(jié)，支撐化工、制造、能源、環(huán)保等基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展[10]。而作為機(jī)械類專業(yè)，過程裝備與控制工程的創(chuàng)新人才培養(yǎng)對(duì)推動(dòng)“中國(guó)制造2025”的進(jìn)程也將發(fā)揮核心作用[11]。四川大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)源自于1952年組建的化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，該專業(yè)秉承“立足基礎(chǔ)，面向工業(yè)，服務(wù)社會(huì)”的辦學(xué)理念，依托學(xué)?；ぁ?dòng)力、機(jī)械等學(xué)科群優(yōu)勢(shì)，服務(wù)于國(guó)家重大戰(zhàn)略需求與過程工業(yè)，培養(yǎng)人文素養(yǎng)高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高級(jí)人才?！豆こ塘黧w力學(xué)》是本校過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，銜接自然基礎(chǔ)科學(xué)與專業(yè)應(yīng)用知識(shí)，對(duì)學(xué)生工程知識(shí)體系的構(gòu)建及專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要作用。本文以該課程教學(xué)為例，探討如何利用課堂講授、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等教學(xué)環(huán)節(jié)，貫穿理論與實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.改革教學(xué)內(nèi)容與方式培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

《工程流體力學(xué)》課程講授流體流動(dòng)與受力的關(guān)系，分析在裝備中以流動(dòng)為手段實(shí)現(xiàn)“三傳一反”的過程。主要教學(xué)內(nèi)容包括“流體的力學(xué)性質(zhì)”“流體流動(dòng)的基本概念” “流體靜力學(xué)”“流體流動(dòng)的守恒原理”“不可壓縮流體的一維層流流動(dòng)”“流體流動(dòng)微分方程”等板塊。課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生：掌握流體的力學(xué)特性、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的基本概念，并能運(yùn)用于分析解釋工程實(shí)際流體中的基本物理現(xiàn)象；掌握流體流動(dòng)的守恒原理及基本方程，并能正確應(yīng)用于過程設(shè)備系統(tǒng)的物料衡算、能量衡算及受力分析計(jì)算；掌握運(yùn)用守恒原理建立流體流動(dòng)微分方程的基本方法與步驟，并能針對(duì)簡(jiǎn)單流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與分析，從中獲取有效結(jié)論；掌握過程設(shè)備系統(tǒng)中典型流動(dòng)過程的行為特征，具備對(duì)工程實(shí)際流動(dòng)問題進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化、數(shù)學(xué)建模及綜合分析的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)；建立“設(shè)備結(jié)構(gòu)影響流動(dòng)行為進(jìn)而有不同傳熱傳質(zhì)行為”的思維觀點(diǎn)，初步具備從流體動(dòng)力學(xué)角度對(duì)過程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新進(jìn)行綜合分析與評(píng)判的能力?！豆こ塘黧w力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容與各教學(xué)目標(biāo)的主要對(duì)應(yīng)關(guān)系，如 表1所示。圍繞課程目標(biāo)，所有知識(shí)點(diǎn)按照“基本概念+理論與方法+實(shí)際應(yīng)用”的線索展開[15]，對(duì)于基本概念按現(xiàn)象、機(jī)理、數(shù)學(xué)描述、應(yīng)用及引申的遞進(jìn)方式進(jìn)行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維方法。對(duì)于重要方程（如守恒積分方程、N-S方程等）注重通過例題等方式闡明其物理意義及應(yīng)用要點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有知識(shí)工具的應(yīng)用能力。通過典型流動(dòng)問題案例分析，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析解決工程復(fù)雜問題的能力。課程教學(xué)從現(xiàn)象認(rèn)知切入并回歸到工程應(yīng)用，層層遞進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度。

表1 《工程流體力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1)通過“概念+理論+應(yīng)用”培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力

《工程流體力學(xué)》在教學(xué)內(nèi)容組織上采用漸進(jìn)方式，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)首先通過自然現(xiàn)象引入基本概念，然后基于力學(xué)思想認(rèn)識(shí)該現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，進(jìn)而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型解析其規(guī)律，最后展示該知識(shí)點(diǎn)在過程裝備設(shè)計(jì)運(yùn)行中的應(yīng)用。例如，對(duì)應(yīng)流體黏度的教學(xué)，首先從水、食用油和糖漿等生活中常見液體流動(dòng)的難易程度引入黏性的概念。再基于流體分子內(nèi)聚力與熱運(yùn)動(dòng)分析闡明黏性的實(shí)質(zhì)是流體內(nèi)部的摩擦力，是分子水平的動(dòng)量交換，其作用是抵抗剪切力產(chǎn)生的變形。類比胡克定律，流體單位面積的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）與變形速率（速度梯度）成正比即為描述黏性的數(shù)學(xué)規(guī)律—牛頓剪切定律。進(jìn)一步說明牛頓剪切定律的適用條件，及如何通過公式變換求解流體的黏度、剪切力以及流動(dòng)壓差等參數(shù)。最后應(yīng)用牛頓剪切定律分析一個(gè)滑動(dòng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，基于轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油黏度計(jì)算轉(zhuǎn)軸受到的剪切力，說明流體黏性在過程裝備中的應(yīng)用。在完成黏度知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)教學(xué)后，讓后學(xué)生從流體黏性的實(shí)質(zhì)出發(fā)思考為什么液體黏度隨溫度升高而降低，進(jìn)而理解為什么滑動(dòng)軸承在工作過程中需要冷卻。教學(xué)內(nèi)容通過流體力學(xué)基本原理在過程裝備中的典型應(yīng)用讓學(xué)生建立基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，并培養(yǎng)學(xué)生基于問題導(dǎo)向的分析能力。

(2)通過“應(yīng)用邊界+問題演化”培養(yǎng)學(xué)生靈活思維的能力

與理論流體力學(xué)相比，《工程流體力學(xué)》具有更加強(qiáng)烈的工程應(yīng)用背景和特色。面對(duì)復(fù)雜的工程問題，往往需要將對(duì)象抽象簡(jiǎn)化為可求解模型，抓住問題的主要矛盾獲得有效結(jié)論。這就需要讓學(xué)生明白求解過程的近似和簡(jiǎn)化是有條件的，且求解結(jié)果的合理性是有邊界的。例如，在分析滑動(dòng)軸承環(huán)形間隙間潤(rùn)滑油的摩擦力矩時(shí)，將環(huán)形間隙展開簡(jiǎn)化為水平狹縫可以在直角坐標(biāo)系中簡(jiǎn)便地得到答案。但同時(shí)也明確指出這種模型簡(jiǎn)化不可避免地會(huì)引入誤差，并定量分析簡(jiǎn)化計(jì)算導(dǎo)致的誤差大小與幾何尺寸的關(guān)系，從而根據(jù)工程計(jì)算精度合理確定簡(jiǎn)化模型的適用邊界。類似的邊界思想可以推廣至工程流體力學(xué)課程其它簡(jiǎn)化模型的選擇與應(yīng)用，使學(xué)生建立約束求解的意識(shí)。在應(yīng)用動(dòng)量守恒定律進(jìn)行管道流動(dòng)受力分析時(shí)，選取一段任意夾角的等徑彎管為研究對(duì)象，然后基于管徑與彎管夾角的改變演化出直管、減縮（擴(kuò)）管及彎頭等過程管道的受力結(jié)果。在不可壓縮流體一維層流流動(dòng)分析中，基于相同的微分方程對(duì)應(yīng)固-液邊界條件、液-液邊界條件以及氣-液邊界條件演化出剪切流、壓差流和重力流的求解，從而通過問題擴(kuò)展演化培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)的思維。

(3)通過“課堂知識(shí)延伸”培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力

工程問題往往需要綜合多學(xué)科知識(shí)來分析解決，根據(jù)過程裝備與控制工程專業(yè)的知識(shí)構(gòu)架，《工程流體力學(xué)》授課內(nèi)容中設(shè)計(jì)了與相關(guān)課程結(jié)合的延伸分析。例如，在講授非牛頓流體時(shí)，分析剪切增稠流體的切應(yīng)力隨變形速率增大的特點(diǎn)后延伸介紹其在智能減速帶和防摔手機(jī)殼上的應(yīng)用。講授流體能量守恒定律的工程應(yīng)用時(shí)，以離心泵為研究對(duì)象建立伯努利方程分析泵吸入口的壓力變化，從而引出汽蝕現(xiàn)象及其成因。在充分認(rèn)識(shí)汽蝕的對(duì)離心泵的危害后，以課后思考題的形式讓學(xué)生綜合各門課程知識(shí)提出抗汽蝕失效的措施。有學(xué)生基于流體力學(xué)知識(shí)提出增大泵的進(jìn)口截面減小入口速度，從而增加入口壓力避免汽蝕。有學(xué)生基于工程材料知識(shí)提出選用高硬度的韌性材料來制作葉輪，增加葉輪耐磨損和腐蝕的能力抵抗汽蝕。有學(xué)生基于自動(dòng)控制技術(shù)提出在入口壓力與葉輪轉(zhuǎn)速之間建立反饋控制，通過運(yùn)行參數(shù)調(diào)控避免汽蝕。通過類似的教學(xué)內(nèi)容，用具體工程問題引導(dǎo)學(xué)生建立各課程間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

3.將理論應(yīng)用于實(shí)踐環(huán)節(jié)培育學(xué)生創(chuàng)新能力

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)工科學(xué)生的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題是發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵因素。 《工程流體力學(xué)》課堂教學(xué)的特點(diǎn)是以觀察到的自然現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)基本原理與定律，而在實(shí)踐應(yīng)用中則需要反向從表觀現(xiàn)象追溯到基本原理。這需要學(xué)生建立抽象思維的能力，將過程裝備相關(guān)的復(fù)雜工程問題簡(jiǎn)化為已知模型進(jìn)而對(duì)其求解，該能力的培養(yǎng)可以通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等諸多實(shí)踐性環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

(1)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)開展局部創(chuàng)新

畢業(yè)設(shè)計(jì)是過程裝備與控制工程專業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)，旨在訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和條件通常是相對(duì)確定的，在涉及流體流動(dòng)的題目中可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)對(duì)過程裝備的局部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。例如“煙氣余熱回收熱管換熱器”畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，設(shè)計(jì)任務(wù)是用熱管換熱將高溫?zé)煔獾臒崃炕厥沼糜谔嵘仩t入口燃?xì)獾臏囟葟亩鴮?shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。該題目可基于流動(dòng)形態(tài)和邊界層分析，對(duì)熱管換熱器進(jìn)行傳熱強(qiáng)化設(shè)計(jì)。對(duì)于熱管外壁的傳熱，學(xué)生通過分析發(fā)現(xiàn)煙氣側(cè)的對(duì)流換熱是制約熱管換熱能力的瓶頸。通過梳理對(duì)流換熱系數(shù)的影響因素，確定了流形與邊界層厚度兩個(gè)強(qiáng)化管外傳熱的關(guān)鍵對(duì)象。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)后確定采用不規(guī)則開縫翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在增加熱管外管壁傳熱面積的同時(shí)，增強(qiáng)氣流繞動(dòng)并阻礙邊界層的連續(xù)發(fā)展，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)。盡管這只是一種局部改進(jìn)，但有效訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。

在有些畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中，過程裝備的內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)沒有模型化的理論公式可參考。對(duì)于涉及到流體流動(dòng)的裝備，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件將流場(chǎng)“可視化”來分析判斷設(shè)計(jì)的合理性。例如，在“氣流干燥塔”畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，設(shè)計(jì)任務(wù)是在干燥塔內(nèi)用熱空氣干燥碳酸銨顆粒物料。學(xué)生基于質(zhì)量和熱量衡算完成干燥塔的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)后，需要確定諸如氣體分布器等內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。此時(shí)借助Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，可對(duì)比分析不同氣體分布器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的干燥塔內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布云圖。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的開孔面積條件下，均布孔氣體分布器的對(duì)應(yīng)的塔內(nèi)速度場(chǎng)不規(guī)則分布。在對(duì)照流場(chǎng)云圖信息將氣體分布器調(diào)整為非均布孔結(jié)構(gòu)后，流場(chǎng)均勻性顯著提升從而有助于改善干燥效果。學(xué)生借助流體力學(xué)軟件可深化對(duì)流體流動(dòng)問題的認(rèn)知，在豐富設(shè)計(jì)手段的同時(shí)有助于提升創(chuàng)新能力。

(2)在學(xué)科競(jìng)賽中運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)綜合設(shè)計(jì)創(chuàng)新作品

過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生可參加各類學(xué)科競(jìng)賽獲得創(chuàng)新學(xué)分，并在實(shí)踐中發(fā)展自身的創(chuàng)新能力。學(xué)科競(jìng)賽通常是相對(duì)開放的主題，學(xué)生可以自主選擇對(duì)象和題目完成競(jìng)賽作品。在涉及流體流動(dòng)的參賽作品中，學(xué)生可以充分借助流體力學(xué)知識(shí)開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)。例如，在參加過程裝備創(chuàng)新實(shí)踐大賽時(shí)選擇以“相變控溫散熱片設(shè)計(jì)”為題，通過液相工質(zhì)在粗糙銅質(zhì)表面的汽化相變吸收芯片產(chǎn)生的熱量以保障計(jì)算機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)中基于熱量平衡確定液相工質(zhì)的流量后，通過流道截面漸變的液體分布結(jié)構(gòu)可滿足工質(zhì)在散熱片上均勻分布的要求。而對(duì)于汽化后的氣相工質(zhì)則基于質(zhì)量守恒定律確定其體積流量，并合理增大氣相流道截面減小流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的相變散熱操作。對(duì)于散熱片則通過調(diào)節(jié)液相工質(zhì)與材料表面的接觸角保持潤(rùn)濕效應(yīng)，提出了工質(zhì)自適應(yīng)分布的高效相變散熱新模式。該作品基于流體流動(dòng)的基本知識(shí)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了芯片散熱的創(chuàng)新實(shí)踐。

4.結(jié)語

過程裝備與控制工程專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要教育教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)的配合與協(xié)同?！豆こ塘黧w力學(xué)》作為一門專業(yè)核心課起到了承接自然科學(xué)基礎(chǔ)與專業(yè)知識(shí)的作用，將流體力學(xué)理論方法與過程裝備設(shè)計(jì)運(yùn)行問題緊密結(jié)合，通過合理的教學(xué)設(shè)計(jì)使創(chuàng)新教育在學(xué)生課內(nèi)外學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生持續(xù)效應(yīng)。該課程貫穿理論與實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生建立“理論為根本，應(yīng)用為導(dǎo)向”的思維，牢固掌握流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與工程知識(shí)，初步獲得基于流體流動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，是培養(yǎng)過程裝備與控制工程創(chuàng)新人才的重要保障。