工程流體力學(xué)課程思政元素的挖掘及應(yīng)用

程 敢，張會菊，張傳祥，范云場

(河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 焦作 454003)

2016 年12 月的全國高校思想政治工作會議上，習(xí)近平總書記提出“把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”“不斷提高學(xué)生思想水平、政治覺悟、道德品質(zhì)、文化素養(yǎng)，讓學(xué)生成為德才兼?zhèn)洹⑷姘l(fā)展的人才”。2019年3 月召開的學(xué)校思想政治理論課教師座談會上，習(xí)近平總書記強調(diào)“思想政治理論課是落實立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵課程”。2020 年6 月教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》通知中強調(diào)，把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量。2021年5 月31 日至6 月1 日的河南省本科高校課程思政建設(shè)研討推進會指出，全省本科高校要積極回應(yīng)新時代高等教育新要求，切實增強加快課程思政建設(shè)的責(zé)任感使命感……推動課程思政建設(shè)不斷取得新進展新成效。將專業(yè)知識的傳授與“課程思政”教育相結(jié)合，不僅能夠全面提升思想道德素質(zhì)，還能夠同時實現(xiàn)“知識傳授與價值引領(lǐng)”，符合當(dāng)前社會對人才培養(yǎng)的需求。

工程流體力學(xué)主要介紹流體力學(xué)的基本概念、理論、計算方法以及實驗技能等，是一門歷史悠久的學(xué)科，現(xiàn)已成為化工、機械、能源動力、航空航天和土木建筑類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程。在實際生活、工程中，工程流體力學(xué)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航天航空、機械和建筑工程等多個領(lǐng)域，蘊含豐富的思政元素，將其挖掘并貫穿在課程知識教學(xué)過程中，對于知識傳授、學(xué)生培養(yǎng)、社會發(fā)展等都具有積極意義。

一、工程流體力學(xué)課程內(nèi)容及發(fā)展

工程流體力學(xué)是高校很多工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、工程熱力學(xué)等多門學(xué)科相互交融，主要講授流體力學(xué)的基本概念與原理、基本理論與計算方法，通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生建立流體力學(xué)基礎(chǔ)知識體系、了解流體的性質(zhì)和流體動力學(xué)等知識，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實際工程中流體的相關(guān)問題的能力。同時，在工程流體力學(xué)的課程實驗過程中，學(xué)生們的實踐動手能力與團隊協(xié)作能力得到鍛煉，有利于提高學(xué)生們科研能力、培養(yǎng)科研興趣。作為流體力學(xué)的一個分支，工程流體力學(xué)更側(cè)重解決工程中的實際問題，而流體力學(xué)歷史悠久，內(nèi)容更豐富且與日常生活息息相關(guān)(如圖1 所示)。

圖1 流體力學(xué)的發(fā)展進程[12-36]

公元前30000 世紀(jì)的舊石器時代，流體力學(xué)就已經(jīng)出現(xiàn)。在當(dāng)時，我們的祖先利用石頭和木材打造粗糙工具去狩獵，在投擲工具的時候發(fā)現(xiàn)固體在流體中的運動問題。隨著人類社會的進步，工具也在不斷革新，人們通過不斷觀察、測量、實踐，逐漸認識流體運動的一般性質(zhì)與規(guī)律，這個過程發(fā)展緩慢直到公元前20 世紀(jì)出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)折。

進入公元前20 世紀(jì)，人們開始由經(jīng)驗知識逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撝R的傳播。人們將自己所獲得的知識進行分享，知識量不斷豐富且傳播速度逐漸加快。1638 年，伽利略將實驗研究方法引入力學(xué)研究，從此實驗研究方法成為了流體力學(xué)研究不可或缺的研究方法。

從17 世紀(jì)下葉到20 世紀(jì)，流體力學(xué)學(xué)科初步形成并進入了發(fā)展時期。1738 年伯努利首次以“水動力學(xué)”命名其專著并出版，后來又出現(xiàn)了“空氣動力學(xué)”。1935 年后人們綜合了水動力和空氣動力的知識，建立了流體力學(xué)體系，流體力學(xué)的發(fā)展突飛猛進，取得了驚人的進展。

20 世紀(jì)40 年代后，流體力學(xué)原理的應(yīng)用和理論取得了很大進展，實驗室及實驗設(shè)備不斷充實，具備專業(yè)流體力學(xué)知識的高水平人才不斷涌現(xiàn)，一些工程流體力學(xué)相關(guān)實際問題相繼解決。例如：P4 實驗室通過“定向負壓系統(tǒng)”，阻止危險病毒的外逃；通過對大氣環(huán)境的監(jiān)測，顯著提高了天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性；風(fēng)洞技術(shù)廣泛應(yīng)用于競速類項目運動員的訓(xùn)練之中；被國際泳聯(lián)禁用的“鯊魚皮”泳衣，根據(jù)鯊魚的皮膚構(gòu)造而設(shè)計，可以自動引導(dǎo)周邊水流，減少運動員體力的消耗。

經(jīng)過三萬多世紀(jì)的發(fā)展，流體力學(xué)取得的成就數(shù)不勝數(shù)，但是新的問題仍然不斷出現(xiàn)，需要科技工作者不懈努力來解決。

二、工程流體力學(xué)課程思政設(shè)計與實踐

由于工程流體力學(xué)課程內(nèi)容較多，受學(xué)時影響，實際教學(xué)過程中無法拿出較多的時間單獨進行思政教育。因此，需要將思政元素與課程內(nèi)容有機結(jié)合，通過課程設(shè)計將靈活、分散的思政元素?zé)o縫融合進所講的流體力學(xué)課程知識里，達到潛移默化的德育效果?；诠こ塘黧w力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，挖掘和梳理了課程中的思政資源，將其融入課程教學(xué)過程中，達到更好的教學(xué)效果。

(一)培養(yǎng)學(xué)生鍥而不舍的奮斗精神，鼓勵學(xué)生致力科學(xué)研究

流體力學(xué)在科學(xué)家們的不斷探索中發(fā)展。經(jīng)典流體力學(xué)奠基人瑞士科學(xué)家歐拉，一生歷盡挫折，直到去世仍未停止科學(xué)研究。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森在流體力學(xué)拓展領(lǐng)域也作出了許多開創(chuàng)性的貢獻，其中包括空氣動力學(xué)、航空工程和噴氣推進等方面。被譽為“中國的居里夫人”的流體力學(xué)家陸士嘉，在黏性流體力學(xué)研究方面造詣深厚，創(chuàng)立了我國第一個空氣動力學(xué)專業(yè)，一生致力于航空教育事業(yè)，為我國培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才。從科學(xué)家的身上，學(xué)生可以學(xué)到不屈不撓的鉆研精神、鍥而不舍的奮斗精神和大公無私的愛國精神，激發(fā)學(xué)生對科研的興趣，鼓勵學(xué)生投身科學(xué)研究。

(二)培養(yǎng)學(xué)生科技強國的技術(shù)自信，激發(fā)學(xué)生的愛國主義心

工程流體力學(xué)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，極大地促進了我國工業(yè)發(fā)展。如公元前120 年，由于山腳的黃土土質(zhì)非常松軟，經(jīng)常出現(xiàn)渠岸倒塌，為解決這一問題，水工發(fā)明了井渠法，該法將60 萬畝左右鹽堿地變成了良田；利用邊界層理論分析殲-20 鴨翼的主要作用，鴨翼能夠產(chǎn)生脫體渦，對主翼上翼段形成有利干擾，從而改善主翼的升力特性和操控性能。另外，殲-20 的鴨翼帶有的上反角，為了隱身，鴨翼和主翼根部只能設(shè)置在同一個平面上，為發(fā)揮鴨翼的增升作用，需要拉開一段距離。除此之外，兩棲裝甲車輛的噴水推進系統(tǒng)的設(shè)計與流體運動連續(xù)性方程的知識相關(guān)，潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈水下發(fā)射過程與黏性流體動力學(xué)等專業(yè)知識緊密聯(lián)系。在相關(guān)課程的講授中，不僅能夠引領(lǐng)學(xué)生了解我國裝備制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的進程，還能用實例證明流體力學(xué)具有很大的用途，提升學(xué)生的科技自信、培養(yǎng)愛國主義熱情。

(三)培養(yǎng)學(xué)生一心為國的家國情懷，增強學(xué)生的民族自豪感

我國五千年的歷史進程中，先輩在勞動中總結(jié)經(jīng)驗，修建了一個又一個重大工程，對人們的生活產(chǎn)生了重要影響。在這些工程的建造過程中，不乏流體力學(xué)知識的應(yīng)用。如：4000 多年前大禹治水時，為解決中原地帶的水患，采用改“堵”為“疏”的方法。公元前256—前210 年間，我國修建了都江堰、鄭國渠和靈渠三大水利工程，都江堰不僅有利于岷江洪水的疏排，還能常年用于灌溉農(nóng)田。東漢光武帝時，南陽太守創(chuàng)造水排、興修水利，將流水的動能和勢能轉(zhuǎn)化為機械能，使鼓風(fēng)囊不斷伸縮，給冶金高爐加氧，較西歐早了約1 100 年?！斑|寧號”航母在海面航行英姿颯爽，航母甲板寬闊，能起降飛機而不會傾覆。在課程講授中，以流體力學(xué)為背景，介紹流體力學(xué)對我國古今工程的突出貢獻，能夠培養(yǎng)學(xué)生家國情懷、增強學(xué)生民族自豪感及激發(fā)學(xué)生樹立為民族偉大復(fù)興而奮斗的理想。

(四)培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物的哲學(xué)思想，形成辯證唯物法的思維

工程流體力學(xué)是一門蘊含豐富哲學(xué)思想和元素的自然科學(xué)，其相關(guān)定律和法則實質(zhì)是自然界普遍規(guī)律的具體表現(xiàn)。如：理想流體研究屬于理想化方法。理想化方法是物理研究中特別重要的一種科學(xué)抽象的思維方法，它根據(jù)所研究問題的需要，舍棄次要的因素，只考慮主要的因素，從而簡明扼要地揭示問題的本質(zhì)。從流體流動的守恒方程及規(guī)律中可知，復(fù)雜多變的流體運動也可以像固體運動那樣使用數(shù)學(xué)方程來求解和描述，說明了力和運動存在的必然聯(lián)系，反映了自然萬物中客觀存在的內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系。在教學(xué)過程中運用哲學(xué)思維能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識時更清楚地認識事物的本質(zhì)，掌握事物運動的規(guī)律，同時還能更加深刻地理解自然辯證法的唯物主義思想。

(五)引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)抗疫的理念，培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)奮斗精神

2020 年年初，新型冠狀病毒肺炎疫情猝不及防地在全國蔓延，疫情期間我們隔離病毒但不能隔離愛，在災(zāi)難面前，中華民族精誠團結(jié)，以實際行動踐行愛國、敬業(yè)、誠信、友善的社會主義核心價值觀。疫情中也體現(xiàn)出很多流體力學(xué)知識，例如：新冠病毒突襲而來之際，火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院的建設(shè)現(xiàn)場4 萬多名建設(shè)者聽黨召喚、不畏艱險、團結(jié)奮斗、使命必達，用10 天時間建成了火神山醫(yī)院，用12 天時間建成了雷神山醫(yī)院，創(chuàng)造“火雷”建設(shè)奇跡。在建設(shè)過程中需要考慮供水管道、污水管道、排風(fēng)中管內(nèi)流動和氣流等問題，與流體力學(xué)密切相關(guān)。再比如流體力學(xué)歷史上著名的伯努利家族，一個橫跨兩個世紀(jì)、三代人，誕生了8 位杰出數(shù)學(xué)家的“豪門”。伯努利家族科學(xué)精神的傳承吸引了學(xué)生對科學(xué)精神的探索與渴望，而這種科學(xué)精神正是對抗當(dāng)前復(fù)雜形勢下“謠言滿天飛”的有力武器。面對疫情中真真假假的信息流，相信科學(xué)、“不信謠、不傳謠”，眾志成城合力攻堅是戰(zhàn)勝疫情的基礎(chǔ)。在課程中引入與疫情相關(guān)的知識，能夠激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程的興趣，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)抗疫理念，培養(yǎng)同學(xué)們的愛國主義思想與團結(jié)奮斗精神。

(六)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹細致的工作作風(fēng)，提高學(xué)生的事故警惕性

在實際工程中，有很多因元件回路堵塞等污染造成工程事故的案例，在課程中可利用流體力學(xué)的相關(guān)知識，分析事故發(fā)生的原因。如：1996 年10 月2 日，秘魯航空603 號航班在首都利馬墜毀，造成61 名乘客和9名機組人員死亡。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，技師在執(zhí)行飛行前的清潔任務(wù)時，用膠布貼住靜壓孔以保護畢托管，但忘記撕下來，而當(dāng)晚負責(zé)驗收的督查人員因病請假及機長在飛行前檢查疏忽，導(dǎo)致飛機升空后，儀表讀取的是被膠布封死后的靜壓孔數(shù)據(jù)，空速和高度指示錯誤。2009 年6 月1 日，法國航空公司447 航班飛行過程中畢托管被冰覆蓋失效，引起空速計算錯誤、自動駕駛等系統(tǒng)關(guān)閉，最終在大西洋上空失事，216 名乘客及12 名機組人員全部罹難。通過對事故的分析，教導(dǎo)學(xué)生在今后從事相關(guān)專業(yè)工作時，必須要盡職盡責(zé)，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)使命感與責(zé)任感。

(七)鼓勵傳承中華優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化，激發(fā)學(xué)生中華文化自信

我國優(yōu)美的古詩句中也蘊含豐富的流體力學(xué)思想，值得我們學(xué)習(xí)借鑒。詩仙李白《早發(fā)白帝城》中“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還”。北魏地理學(xué)家、散文家酈道元的《三峽》也描繪了洶涌的江流，“有時朝發(fā)白帝，暮到江陵，其間千二百里，雖乘奔御風(fēng)，不以疾也”。使用連續(xù)性方程可以解釋為什么長江三峽處水流湍急。古詩詞匯聚了我國祖先的智慧和經(jīng)驗，在傳播我國古文化的同時，激發(fā)學(xué)生的文化自信。再比如水的浮力可行舟船，而舟船的穩(wěn)定問題與水力學(xué)原理中靜水總壓力垂直分力的分析與計算有關(guān)，即與舟船形體形成的壓力體密切相關(guān)。只有當(dāng)定傾中心高于重心時，舟船才能穩(wěn)定平衡，否則會發(fā)生傾覆現(xiàn)象，即“水可載舟，亦可覆舟”，載舟是浮力作用，覆舟是失去平衡。黨和人民的關(guān)系就好比舟和水的關(guān)系，人民不僅能載舟，人民更能推舟。嘉興南湖的紅船在人民力量的推動下，正朝著“兩個一百年”奮斗目標(biāo)前進。通過對流體力學(xué)中先人智慧和經(jīng)驗的了解，可以讓學(xué)生們更好地了解并傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，從而激發(fā)學(xué)生的文化自信。

三、工程流體力學(xué)課程教學(xué)方法及效果

(一)重視緒論教學(xué)激發(fā)興趣，結(jié)合哲學(xué)發(fā)展整體思維

緒論是課程的概述，其學(xué)習(xí)效果的好壞直接影響學(xué)生對課程的第一印象。在緒論的學(xué)習(xí)中，不僅要讓學(xué)生大致了解課程主要涉及的內(nèi)容，還要講述課程的發(fā)展過程、歷史地位、與其他學(xué)科和專業(yè)課程的聯(lián)系以及該課程對社會工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的作用，以激發(fā)學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)熱情，為課程學(xué)習(xí)做好充足的準(zhǔn)備。

(二)采用啟發(fā)式的教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

在工程流體力學(xué)課程教學(xué)中，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，從學(xué)生的實際出發(fā)，采用多種方法調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，可以顯著增強學(xué)習(xí)效果。如，在講授完伯努利方程之后，啟發(fā)學(xué)生思考生活實際中的一些現(xiàn)象如何用伯努利方程來解釋，體現(xiàn)科學(xué)原理的普適性，縮短學(xué)生與科研之間的距離感。在這個過程中學(xué)生對科學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決能力得到提升，學(xué)習(xí)和體會科學(xué)的研究思路、分析考慮問題的方法和解決問題的方式，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

(三)充分利用互動教學(xué)模式，促進教與學(xué)的有機統(tǒng)一

為實現(xiàn)更有效的教學(xué)，應(yīng)該改變以往嚴(yán)肅的教學(xué)環(huán)境，營造一種輕松、活潑、平等的氛圍來吸引學(xué)生的注意力。這種互動式教學(xué)模式更有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達到事半功倍的教學(xué)效果。通過課前作業(yè)的方式讓學(xué)生提前對教材或者本節(jié)課知識點進行學(xué)習(xí)，以這種方式讓學(xué)生對本節(jié)課知識進行基本了解并做出思考判斷，這樣一來教師不必在課堂上對知識過多的講授，只需幫助、引導(dǎo)學(xué)生們進行思考、分析。課后作業(yè)主要是教師每節(jié)課針對本節(jié)課知識點留出的習(xí)題，這些習(xí)題需要學(xué)生們將本節(jié)課知識點吸收并靈活運用。教師通過對課后作業(yè)的查閱，可以了解到學(xué)生是否掌握知識點，同時可以通過做題方法了解到學(xué)生的思維方式，有利于對接下來的課程做出針對性的教學(xué)。這種教學(xué)方法既節(jié)省了課堂時間，也啟發(fā)了學(xué)生思維、鍛練了學(xué)生知識應(yīng)用的能力。

(四)加強理論與實際的聯(lián)系，注重實驗培養(yǎng)實踐能力

在講課時要著重講授理論知識與工程實際的聯(lián)系，因為學(xué)生對實際工程了解較少，對較為復(fù)雜的理論知識的接受能力較差。如，流體的流動性的定義是在剪切力作用下，無論這個剪切力多么微小，流體都會發(fā)生連續(xù)不斷的變形。在講流動性時，可以展示切斷流水的現(xiàn)象，使學(xué)生對現(xiàn)象有直觀地認識，從而加深對流動性概念的理解；鑒于“工程”這一特點，在流體力學(xué)知識的講解中應(yīng)該與工程應(yīng)用相聯(lián)系，通過舉例分析實際工程問題的解決思路，不斷提高學(xué)生的能力。授課過程中可以將當(dāng)前講解的知識與后續(xù)課程相結(jié)合，如將浮力矩與怎么設(shè)計航母甲板能起降飛機而不會傾覆結(jié)合；將靜力場靜止流體中的壁面受力與“蛟龍?zhí)枴鄙顫摰? 000 m 以下的應(yīng)力狀態(tài)相結(jié)合，既能充實教學(xué)內(nèi)容也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終達到提高學(xué)習(xí)效果的目的。通過在教學(xué)設(shè)計中引入這些內(nèi)容，學(xué)生感知到自己所學(xué)知識在大國重器中大有用武之地，從而激發(fā)學(xué)生為國家學(xué)習(xí)、為民族學(xué)習(xí)的熱情和動力，激發(fā)愛國主義情懷。

另外，由于工程流體力學(xué)具有很強的實踐性，光靠理論教學(xué)學(xué)生難以理解一些抽象知識點。開設(shè)一些綜合創(chuàng)新性實驗，將實驗教學(xué)與理論知識的講解相結(jié)合，使學(xué)生能夠掌握基本知識并通過實驗增強對知識的理解，由學(xué)生自己完成提出問題到得出結(jié)論的實驗過程，能夠有效鍛煉學(xué)生動手操作、團隊協(xié)作、分析與解決問題、創(chuàng)新等能力。

四、結(jié)束語

作為專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，工程流體力學(xué)課程蘊含著豐富的思政元素，以更加豐富的教學(xué)方式和手段將思政教學(xué)引入工程流體力學(xué)中，才能將思政教育真正落到實處，才能做到“思想有啟迪、靈魂有提領(lǐng)、人格有感召”，把愛撒進孩子的心靈里，才能真正完成“立德樹人”的根本任務(wù)。