以卓越工程师为目标的《工程流体力学》实践教学模式研究

李艳，张开升，柳枝

摘要：将已开展的海洋机电设备开发项目所取得的成果应用于教学过程，将流体力学知识与实际工程项目有机结合。探讨教学模式内容，科研成果转化为教学案例的教学设计及保障条件，促进学生学习的热情和科研教学团队的融合发展。

关键词：流体力学；科研案例；教学设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0157-02

工程流体力学课程是机械类各专业的一门重要的专业技术基础课，该课程主要讲述流体力学的基本原理及其在机械工程中的实际应用，是学生专业学习的基础。学校机械设计制造及其自动化专业也在教学计划改革中增加了这门课程，并在2011级学生的第五学期开设。由于该课程涉及高等数学、大学物理、工程力学等，基本概念多且抽象，对学生的综合分析和处理问题的能力要求高，因此学生普遍感觉学习较为困难。为了使学生了解该课程在学科体系中的作用，掌握更多的流体力学知识和技能，如何将已开展的海洋机电设备开发项目所取得的成果应用于教学展开研究，将流体力学知识与实际科研有机结合，促进学生学习工程流体力学的热情，激发学生的学习兴趣和科研创新意识[1，2]，是本文研究的主要内容。

现在各个学校几乎都采用了电子教案，提倡启发式、讨论式教学等，但这些方法和方式仍然没有摆脱以教师为中心的课堂教学模式。西方院校已采用所谓“Problem-Oriented Teaching”的方法，课程学时中只有30%～40%或更少的时间由教师讲解基本概念，其余时间则由学生自己围绕几个综合性或设计性项目钻研和解决问题，并在解决问题过程中学习和提高。这样的教学显然更利于学生生动活泼地学习，更利于学生尽快学会用基本方程和数学工具解决实际问题，满足卓越工程师的培养目标，同时也对教师提出了更高的要求[3]。

综合性或设计性案例的来源可由已经获得的科研成果总结凝练。现阶段工程学院机电系开展了海洋能利用的研究课题若干项。包括海洋机电装备设计与制造技术及海洋流体动力学，主要研究海洋装备设计及其与海水和其他流体之间的相互作用原理、水下装备所涉及的流体动力学等问题。科研项目涉及潮流能水轮机水动力学特性研究、潮流能发电装置研究、海洋环境中小型浮游生物在壁面边界层质量传递机理研究、海洋温差驱动的氨水解吸-再热循环原理和海水换热器强化传热研究、基于声纳和水下视觉的深海复杂环境下AUV组合导航系统关键技术、海上环境及船舶运动实时监测系统研制、水下锚系系统研究等，都涉及广泛的工程流体动力学知识。这些项目的研究成果转化为教学案例，可以激发学生学习的兴趣，拓展教学实践模式。这个项目实施过程将使教师和学生同时受益。首先增强教师立足本职，提升个人实践能力的意识，将科研成果转化为教学案例是对教学效果的有益补充；对学生而言，了解实际项目的需求，增强其探索与创新意识，有利于海洋特色人才的培养。

一、以海洋机电设备研发驱动的《工程流体力学》实践教学教学模式内容

1.凝练科研项目中的代表性问题。将现有的科研课题及相关成果依据涉及的工程流体力学知识点进行有机的分类，制作相关教学案例。海洋机电设备研发科研成果转化教学实例，例如：将水下机器人C-RangerⅡ原型样机、2600kw拖轮拉锚计算机仿真试验、海洋平台模态分析的设计过程中涉及的流体运动学、流体动力学、波浪、潮汐运动等工程流体力学问题提取出来，作为课程各章节的案例。结合教学案例，进而凝练SRDP课题（Student Research Develop Program），提高学生的探索兴趣。科研项目中涉及多种学科、多门课程，如何将科研成果中涉及工程流体力学的问题提炼出来引导学生探索，是实现该实践教学的前提。

2.以案例为主导的实践教学模式的研究。将这些成果案例带入课堂，由学生自己围绕几个综合性或设计性项目钻研和解决问题，并在解决问题过程中学习和提高。这一实践教学模式的组织，教師在这个过程中的引导是案例实践教学的关键。

案例实践教学的合理课堂和课外组织模式。以设备研发成果转化的实践案例为主导的教学模式需要有效的指导和组织。需要拓展实践教学的方式方法，增强教师引导、协助和评价的能力，使学生投身于探索案例知识点和评价案例的过程中。以应用相关理论公式代替硬性记忆，学生应用技能通过使用CFD等模拟仿真软件及参与模型试验得以有效提高。

3.建立海洋机电设备创新人才所需流体力学知识储备和工程流体力学教学科研互补的团队。课程弥补了海洋机电设计制造专业学生的知识欠缺，构建合理的知识模块和教学科研互相衔接的团队，提升海洋机电人才培养的特色。在经典的流体实验如伯努利实验、雷诺实验之外，展开海浪和潮汐实验探索，利用海洋能获能机构的模型，促进学生对波浪理论中波能量及其传播进行理解。

二、改革方案设计和解决问题的方法

1.将海洋机电设备研发项目的成果合理转化为教学实践环节的案例。将现有的科研课题及相关成果依据涉及的工程流体力学知识点进行分类，制作相关教学案例。海洋特色的工程流体力学教学，在通用的工程流体力学教学体系中，增加水波理论[4]，介绍波浪运动的基本方程与边界条件以及波浪的能力和波阻，拓宽学生的海洋流体知识。例如：新能源应用体系下海洋能发电，涉及了流体运动学、流体动力学、波浪、潮汐运动等工程流体力学问题。引导学生掌握海流的水力特性，探讨适应该水力特性并具有双向作用、排水与提水蓄能、缓慢的波浪运动转换增速的装置特点，结合流体力学与机械原理和设计的多重知识点，使课程间相互结合与贯穿。

2.科研成果转化为教学实例的教学设计。在上课时，以目标驱动，围绕设备研制流程，从流体力学分析入手，进行受力分析，这些计算是进行设备结构设计、水动力学设计、抗疲劳性能设计等的前提条件。融合流体力学教学大纲中的流体静力学、流体运动学、流体动力学、水波理论、边界层理论等知识体系。先提出研发案例存在的问题，接着是要解决问题需要哪方面的知识，引出工程流体力学的知识范围及主要解决的问题所在，讲完几次相关课程后就将一台设备水力计算部分的设计完成。

3.以引导课外钻研探索实践教学内容。简单的课后练习题可以帮助学生理解基本概念，将机电设备研发案例布置成学期大作业的形式，训练学生将实际工程问题简化为数学物理模型，并选用恰当的数学工具加以求解的能力。在这一过程中可以增强学生对流动过程本质的理解，将数学工具与物理问题有机地结合起来。

三、实施科研案例教学课程改革保障条件

1.从事高等流体力学教学的教授、从事流体力学和海洋机电设备研究的专家构成的人员保障。承担机械工程、动力工程硕士研究生的《高等工程流体力学》和机械设计制造及其自动化本科的《工程流体力学》课程的教师构成教学团队。承担了海洋机电设备研发的国家级及省市级科研项目，具有成熟的成果案例和教学实践经验。

2.流体力学实验室、海洋工程实验室等实验条件的保障。实验室具有海洋工程波浪模拟实验和振动实验设备。能够在海洋结构波浪导致振动控制技术方面解决工程问题。实验室利用物理模拟与数值模拟相结合的方式，可培养学生掌握工程流体力学理论分析、数值模拟和实验模拟相结合的三大研究方法。

四、结论

凝练实际机电设备研发为教学案例，科研与教学的结合增加了课程教学的新颖性和实用性。流体力学及工程流体力学在海洋学科及工科中应用很广，有利于交叉学科的发展。科研水平和团队力量的提升使科研成果推陈出新。以研发驱动的教学实践模式，能够将科研与教学有机融合，彰显学科知识魅力。把众多专家老师在研究过程中产生的思路、方法、观点和逻辑向学生传递，并通过教学互动接受学生信息反馈，使学生在课堂中汲取研究思想并结合自身理解进行拓展、解释、创新、评价和改善，具有跨学科推广的应用价值。

参考文献：

[1]潘良明，何川，陈红.流体力学立体教学法初探[J].中国电力教育，2008，（11）：73-74.

[2]李小川，黄痒永.工程流体力学教学改革模式的探索与实践[J].中国现代教育装备，2012，（19）：61-67.

[3]张鸣远.对工科流体力学教学改革的一些思考[R].第四届力学课程报告论坛，2009.

[4]宋秋红，夏泰淳，等.工程流体力学（第二版）[M].上海交通出版社，2012.