石油高校高等流體力學(xué)研究生課程建設(shè)探索*

田 園，李亞茜，黃 茜，孟 江

(1 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2 中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

1 高等流體力學(xué)課程建設(shè)背景及意義

高等流體力學(xué)是一門系統(tǒng)性、邏輯性較強的課程，是在本科課程《工程流體力學(xué)》基礎(chǔ)上的進一步拓展和加深[1]。高等流體力學(xué)已經(jīng)成為石化類專業(yè)研究生的學(xué)位必修課程，對于石油高校中眾多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起著至關(guān)重要的支撐作用。但高等流體力學(xué)教學(xué)目前仍存在以下問題：

(1)高等流體力學(xué)課程基本理論較多，對數(shù)學(xué)知識的要求偏高，而工程應(yīng)用方面卻涉獵很少[2]。需要花費許多的時間和精力給數(shù)理基礎(chǔ)相對薄弱的工科研究生介紹其中涉及的準備知識(如場論與張量分析)，而對于如何將這些基本理論應(yīng)用于工程實際問題的分析和解決較少，不利于取得良好的教學(xué)效果。

(2)目前高等流體力學(xué)課程還需突出石化特色，在基本理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用上應(yīng)強調(diào)與油氣的處理工藝和設(shè)備相結(jié)合[3]，強化學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識、認識并解決相關(guān)石化工程問題的能力，為石油高校培養(yǎng)石化領(lǐng)域的優(yōu)秀研究生人才服務(wù)。

(3)近年來計算流體力學(xué)與各種工程實際問題的結(jié)合越來越密切，已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強有力工具，并已成功應(yīng)用于建筑、環(huán)境、流體機械等技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域[4-7]。在高等流體力學(xué)教學(xué)中應(yīng)加強計算流體力學(xué)的教學(xué)，特別是商用流體分析軟件的應(yīng)用教學(xué)。

隨著工科類研究生招生規(guī)模的迅速擴大，選擇高等流體力學(xué)作為學(xué)位必修課的學(xué)生也越來越多，如何將高等流體力學(xué)的基本理論應(yīng)用于石油高校油氣田開發(fā)工程、油氣儲運工程、機械工程等專業(yè)的專業(yè)背景和學(xué)科研究方向，合理選擇課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，注重理論與實踐相結(jié)合，保持基礎(chǔ)理論知識與工程應(yīng)用知識的相對平衡是目前《高等流體力學(xué)》課程面臨的主要問題[8-9]。

2 高等流體力學(xué)課程建設(shè)方案

2.1 具體目標

通過深化教育教學(xué)改革、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、健全案例資源庫及習(xí)題庫、制作課件、開發(fā)實驗項目、改革課程考核等方式，形成了適合于石化領(lǐng)域的碩士研究生核心課程內(nèi)容體系和教學(xué)模式，有利于基礎(chǔ)理論水平提升及工程實踐能力培養(yǎng)，確保研究生培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2 具體建設(shè)內(nèi)容

(1)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

深入了解石油院校相關(guān)研究生專業(yè)學(xué)科及課程意見，力求課程的重點內(nèi)容與研究生主要培養(yǎng)方向相接軌，在課程內(nèi)容中突出石化特色，在基本理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用上強調(diào)與油氣的處理工藝和設(shè)備相結(jié)合，強化學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識，認識并解決相關(guān)石化工程問題的能力，為培養(yǎng)石化領(lǐng)域的優(yōu)秀研究生人才服務(wù)。

針對石油院校教學(xué)要求及工程應(yīng)用特色，在保障學(xué)生掌握流體力學(xué)基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，強化了理論的現(xiàn)代化應(yīng)用，弱化了理論的證明及推導(dǎo)過程，引入了現(xiàn)代計算流體力學(xué)的數(shù)值計算理論，結(jié)合了流體力學(xué)工程分析軟件的實際應(yīng)用。

將計算流體力學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)和Fluent軟件使用手冊的相關(guān)內(nèi)容與《高等流體力學(xué)》進行整合，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系，按理論基礎(chǔ)、數(shù)值計算方法、實驗方法相結(jié)合的方式構(gòu)建教學(xué)模塊，并在此基礎(chǔ)上，修訂課程教學(xué)大綱，完善相關(guān)教學(xué)支撐條件。整合后的課程內(nèi)容體系如圖1所示。

圖1 整合后的高等流體力學(xué)內(nèi)容體系Fig.1 The integrated advanced fluid mechanics content system

在數(shù)學(xué)工具教學(xué)模塊中增加數(shù)學(xué)軟件基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，將理論推導(dǎo)與數(shù)學(xué)軟件符號計算相結(jié)合，理論結(jié)果與數(shù)學(xué)軟件繪圖功能相結(jié)合。在數(shù)值計算基礎(chǔ)教學(xué)模塊中增加數(shù)值計算方法和軟件應(yīng)用兩個部分的內(nèi)容。軟件包括建模軟件SolidWorks、網(wǎng)格剖分軟件ICEM、流場計算軟件Fluent和后處理軟件Tecplot[10]。還增加了流場測量方法教學(xué)模塊，增加了測量理論與PIV激光粒子測速方法教學(xué)內(nèi)容。

(2)課程資源建設(shè)

以修訂后的課程教學(xué)大綱為準繩，以實際工程案例中的復(fù)雜流動問題為基礎(chǔ)，以提升學(xué)生基礎(chǔ)理論水平和工程實踐能力為核心目標，遵循典型性、完整性、綜合性和啟發(fā)性原則，重新構(gòu)建具有實踐性強、形式多樣且具有一定廣度和深度的課程資源。首先，考慮到研究生的知識水平和知識結(jié)構(gòu)與本科生有較大區(qū)別，且大多數(shù)學(xué)生已掌握工程流體力學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，因此選取具有較高起點的教學(xué)內(nèi)容，基于思維導(dǎo)圖軟件MindManager制作能反映高等流體力學(xué)體系的課件，與傳統(tǒng)課件相比，學(xué)生更能從總體上把握高等流體力學(xué)的理論系統(tǒng)框架。其次，將課題組任課教師從事的科研活動中涉及的流動問題轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例庫，通過案例的討論和分析，增強學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的興趣，提升課堂教學(xué)的互動效果，增強學(xué)生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力[11-13]。最后，基于激光粒子測速系統(tǒng)(PIV)開發(fā)流場檢測實驗項目，通過實驗增強學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的興趣，提升課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生對現(xiàn)代流體力學(xué)實驗方法的掌握。

(3)完善教學(xué)模式

高等流體力學(xué)這門課程具有理論性強、公式多、數(shù)理基礎(chǔ)要求高的特點，為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，構(gòu)建了基于思維導(dǎo)圖軟件MindManager，結(jié)合數(shù)學(xué)軟件、繪圖軟件、flash動畫制作的理論教學(xué)課件，將高等流體力學(xué)的授課內(nèi)容用多個層級的主題進行描述，各級主題關(guān)系用相互隸屬的層級圖形式清晰地表現(xiàn)出來[14]，形成的思維導(dǎo)圖如圖2所示。其發(fā)散性思維模式可讓學(xué)生突破思維定勢，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)代化教學(xué)手段在流體力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢和強大功能。并且將流動理論和數(shù)學(xué)知識用圖形、動畫的方式講授，既能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情又能更有效地掌握教材中的基本知識，同時思維導(dǎo)圖是一個開放的圖形框架，在高等流體力學(xué)教學(xué)中鼓勵學(xué)生在基本框架上自由增加相關(guān)流動問題主題，開展頭腦風(fēng)暴，形成自由聯(lián)想和討論，產(chǎn)生新觀念或激發(fā)創(chuàng)新設(shè)想，從而改善傳統(tǒng)理論課講授的枯燥無味，既發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，又鍛煉了學(xué)生的表達思辨能力。

圖2 高等流體力學(xué)課程思維導(dǎo)圖Fig.2 Advanced fluid mechanics course mind map

(4)考核方式優(yōu)化

為強化學(xué)習(xí)效果，本著“量化細分、體現(xiàn)全面、突出重點”的原則，實施標準答案與非標準答案、過程與結(jié)果相結(jié)合的考試方式改革，實施考核方式多元化工程，由以考核學(xué)生知識為主向考核知識與技能并重轉(zhuǎn)變。構(gòu)建模塊考核標準答案+綜合案例非標答案的考核方式，并制定考核評價標準。其中模塊考核由各個知識模塊考核構(gòu)成，每個知識模塊成績由平時成績和考核成績兩部分構(gòu)成，模塊考核總成績由各知識模塊加權(quán)求和得到(各模塊權(quán)重根據(jù)具體內(nèi)容的重要程度確定)。綜合案例分析由平時成績、分析報告成績和答辯成績?nèi)齻€部分構(gòu)成，采用非標準答案的考核方式，鼓勵研究生自由探索復(fù)雜流動現(xiàn)象中的科學(xué)規(guī)律。課程總成績由模塊標準答案考核和綜合案例分析非標答案考核加權(quán)求和。

(5)教學(xué)團隊建設(shè)

本著內(nèi)部培養(yǎng)與外部聘任、專職與兼職相結(jié)合的原則，建設(shè)適合于研究生工程實踐能力培養(yǎng)的教學(xué)團隊，提升校內(nèi)教師的實踐能力。通過團隊培養(yǎng)項目、教學(xué)進修與研修項目、工程實踐能力鍛煉項目、科研能力提升項目、學(xué)歷深造計劃和骨干教師出國深造計劃，對校內(nèi)教師加強系統(tǒng)培養(yǎng)，進一步提升校內(nèi)教師綜合工程實踐能力。

3 結(jié) 語

課程學(xué)習(xí)是保障研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，高等流體力學(xué)作為一門應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程，需要高水平建設(shè)。通過課程內(nèi)容優(yōu)化、課程資源建設(shè)、完善教學(xué)模式、考核方式優(yōu)化和教學(xué)團隊建設(shè)等方式，提高課程教學(xué)質(zhì)量，建設(shè)高水平課程。獲得了師生及同行專家的廣泛認可，起到了較強的示范引領(lǐng)作用。