贯穿理论与实践教学培养过程装备与控制工程创新人才—以《工程流体力学》教学为例

＊伍勇 魏文韫 谭帅

（四川大学化工学院 四川 610065）

1.引言

所谓创新型人才，是具备优良的道德品质、强烈的创新意识与创造能力，能通过创新实践取得创新成果的优秀人才[1]。创新型人才是国家建设和社会发展的生力军，是推动民族进步的源泉。我国正处于实现中华民族伟大复兴的关键时期，在国家实施创新驱动发展、中国制造2025、“互联网+”等重大发展战略的大背景下，以学生为中心着力培养创新能力已经成为当代高等教育的首要任务，服务于国家“坚持创新驱动发展，全面塑造发展新优势”的需求[2-5]。与美国、英国、日本等典型创新型国家相比，我国在创新人才的培养方面尚有差距[6]。《中国教育现代化2035》将一流的人才培养与创新能力作为衡量教育现代化水平的重要标准，提出要通过系列改革促进学生主动把学习、观察、实践同思考紧密结合，激发学生的学习兴趣与好奇心，培养学生的创新精神与实践能力[7]。为适应新形势下创新人才的培养特点，课程教学应当由单纯的传授知识向引导灵活运用知识转变，学生学习应由被动接受向主动探究转变[8]。四川大学以“双创”为引导，积极探索教育教学改革，将制度措施落地到课程体系建设、课堂教学、实习实践、国际化教育等各环节之中[9]，打破了通识教育、素质教育和专业教育之间的壁垒，创建了良好的创新教育大平台。通过在专业培养计划中纳入人文素质课程、跨专业课程以及创新学分，实现学生创新教育的全覆盖。

过程装备与控制工程专业具有机械工程、化学工程、动力工程和控制工程等学科交叉的特点，专业内容涉及到现代过程装备的设计、开发以及应用等诸多环节，支撑化工、制造、能源、环保等基础行业的发展[10]。而作为机械类专业，过程装备与控制工程的创新人才培养对推动“中国制造2025”的进程也将发挥核心作用[11]。四川大学过程装备与控制工程专业源自于1952年组建的化工设备与机械专业，该专业秉承“立足基础，面向工业，服务社会”的办学理念，依托学校化工、动力、机械等学科群优势，服务于国家重大战略需求与过程工业，培养人文素养高、创新能力强的高级人才。《工程流体力学》是本校过程装备与控制工程专业的核心课程，衔接自然基础科学与专业应用知识，对学生工程知识体系的构建及专业能力的培养具有重要作用。本文以该课程教学为例，探讨如何利用课堂讲授、毕业设计、学科竞赛等教学环节，贯穿理论与实践教学培养学生的创新能力。

2.改革教学内容与方式培养学生创新思维

《工程流体力学》课程讲授流体流动与受力的关系，分析在装备中以流动为手段实现“三传一反”的过程。主要教学内容包括“流体的力学性质”“流体流动的基本概念” “流体静力学”“流体流动的守恒原理”“不可压缩流体的一维层流流动”“流体流动微分方程”等板块。课程教学目标是使学生：掌握流体的力学特性、流体运动学及动力学的基本概念，并能运用于分析解释工程实际流体中的基本物理现象；掌握流体流动的守恒原理及基本方程，并能正确应用于过程设备系统的物料衡算、能量衡算及受力分析计算；掌握运用守恒原理建立流体流动微分方程的基本方法与步骤，并能针对简单流动问题进行数学建模与分析，从中获取有效结论；掌握过程设备系统中典型流动过程的行为特征，具备对工程实际流动问题进行抽象简化、数学建模及综合分析的经验知识；建立“设备结构影响流动行为进而有不同传热传质行为”的思维观点，初步具备从流体动力学角度对过程设备结构设计与创新进行综合分析与评判的能力。《工程流体力学》课程的教学内容与各教学目标的主要对应关系，如 表1所示。围绕课程目标，所有知识点按照“基本概念+理论与方法+实际应用”的线索展开[15]，对于基本概念按现象、机理、数学描述、应用及引申的递进方式进行教学，培养学生的逻辑思维方法。对于重要方程（如守恒积分方程、N-S方程等）注重通过例题等方式阐明其物理意义及应用要点，增强学生对现有知识工具的应用能力。通过典型流动问题案例分析，培养学生综合应用所学知识分析解决工程复杂问题的能力。课程教学从现象认知切入并回归到工程应用，层层递进培养学生创新思维的习惯和严谨科学的态度。

表1 《工程流体力学》教学内容与教学目标对应关系

(1)通过“概念+理论+应用”培养学生分析和解决问题的能力

《工程流体力学》在教学内容组织上采用渐进方式，对各知识点首先通过自然现象引入基本概念，然后基于力学思想认识该现象的物理实质，进而建立相应的数学模型解析其规律，最后展示该知识点在过程装备设计运行中的应用。例如，对应流体黏度的教学，首先从水、食用油和糖浆等生活中常见液体流动的难易程度引入黏性的概念。再基于流体分子内聚力与热运动分析阐明黏性的实质是流体内部的摩擦力，是分子水平的动量交换，其作用是抵抗剪切力产生的变形。类比胡克定律，流体单位面积的内摩擦力（切应力）与变形速率（速度梯度）成正比即为描述黏性的数学规律—牛顿剪切定律。进一步说明牛顿剪切定律的适用条件，及如何通过公式变换求解流体的黏度、剪切力以及流动压差等参数。最后应用牛顿剪切定律分析一个滑动轴承的运转，基于转速和润滑油黏度计算转轴受到的剪切力，说明流体黏性在过程装备中的应用。在完成黏度知识点的系统教学后，让后学生从流体黏性的实质出发思考为什么液体黏度随温度升高而降低，进而理解为什么滑动轴承在工作过程中需要冷却。教学内容通过流体力学基本原理在过程装备中的典型应用让学生建立基础理论与工程应用之间的联系，并培养学生基于问题导向的分析能力。

(2)通过“应用边界+问题演化”培养学生灵活思维的能力

与理论流体力学相比，《工程流体力学》具有更加强烈的工程应用背景和特色。面对复杂的工程问题，往往需要将对象抽象简化为可求解模型，抓住问题的主要矛盾获得有效结论。这就需要让学生明白求解过程的近似和简化是有条件的，且求解结果的合理性是有边界的。例如，在分析滑动轴承环形间隙间润滑油的摩擦力矩时，将环形间隙展开简化为水平狭缝可以在直角坐标系中简便地得到答案。但同时也明确指出这种模型简化不可避免地会引入误差，并定量分析简化计算导致的误差大小与几何尺寸的关系，从而根据工程计算精度合理确定简化模型的适用边界。类似的边界思想可以推广至工程流体力学课程其它简化模型的选择与应用，使学生建立约束求解的意识。在应用动量守恒定律进行管道流动受力分析时，选取一段任意夹角的等径弯管为研究对象，然后基于管径与弯管夹角的改变演化出直管、减缩（扩）管及弯头等过程管道的受力结果。在不可压缩流体一维层流流动分析中，基于相同的微分方程对应固-液边界条件、液-液边界条件以及气-液边界条件演化出剪切流、压差流和重力流的求解，从而通过问题扩展演化培养学生灵活应用知识的思维。

(3)通过“课堂知识延伸”培养学生综合运用知识的能力

工程问题往往需要综合多学科知识来分析解决，根据过程装备与控制工程专业的知识构架，《工程流体力学》授课内容中设计了与相关课程结合的延伸分析。例如，在讲授非牛顿流体时，分析剪切增稠流体的切应力随变形速率增大的特点后延伸介绍其在智能减速带和防摔手机壳上的应用。讲授流体能量守恒定律的工程应用时，以离心泵为研究对象建立伯努利方程分析泵吸入口的压力变化，从而引出汽蚀现象及其成因。在充分认识汽蚀的对离心泵的危害后，以课后思考题的形式让学生综合各门课程知识提出抗汽蚀失效的措施。有学生基于流体力学知识提出增大泵的进口截面减小入口速度，从而增加入口压力避免汽蚀。有学生基于工程材料知识提出选用高硬度的韧性材料来制作叶轮，增加叶轮耐磨损和腐蚀的能力抵抗汽蚀。有学生基于自动控制技术提出在入口压力与叶轮转速之间建立反馈控制，通过运行参数调控避免汽蚀。通过类似的教学内容，用具体工程问题引导学生建立各课程间的联系，培养学生综合运用知识解决问题的能力。

3.将理论应用于实践环节培育学生创新能力

实践教学是培养工科学生的一个重要环节，灵活运用所学知识解决实际问题是发展学生创新能力的关键因素。 《工程流体力学》课堂教学的特点是以观察到的自然现象引导学生系统学习基本原理与定律，而在实践应用中则需要反向从表观现象追溯到基本原理。这需要学生建立抽象思维的能力，将过程装备相关的复杂工程问题简化为已知模型进而对其求解，该能力的培养可以通过学生的毕业设计、学科竞赛等诸多实践性环节来实现。

(1)在毕业设计中灵活应用流体力学知识开展局部创新

毕业设计是过程装备与控制工程专业的必修实践环节，旨在训练学生综合应用基础理论与专业知识解决工程实际问题的能力。毕业设计的目标和条件通常是相对确定的，在涉及流体流动的题目中可以引导学生应用流体力学知识对过程装备的局部结构和细节进行改进创新。例如“烟气余热回收热管换热器”毕业设计题目，设计任务是用热管换热将高温烟气的热量回收用于提升锅炉入口燃气的温度从而实现节能的目标。该题目可基于流动形态和边界层分析，对热管换热器进行传热强化设计。对于热管外壁的传热，学生通过分析发现烟气侧的对流换热是制约热管换热能力的瓶颈。通过梳理对流换热系数的影响因素，确定了流形与边界层厚度两个强化管外传热的关键对象。学生在查阅文献后确定采用不规则开缝翅片结构设计，在增加热管外管壁传热面积的同时，增强气流绕动并阻碍边界层的连续发展，从而提高对流换热系数。尽管这只是一种局部改进，但有效训练了学生的创新思维与能力。

在有些毕业设计题目中，过程装备的内构件设计没有模型化的理论公式可参考。对于涉及到流体流动的装备，引导学生应用计算流体力学CFD软件将流场“可视化”来分析判断设计的合理性。例如，在“气流干燥塔”毕业设计题目，设计任务是在干燥塔内用热空气干燥碳酸铵颗粒物料。学生基于质量和热量衡算完成干燥塔的工艺参数设计后，需要确定诸如气体分布器等内构件的结构。此时借助Fluent软件进行模拟计算，可对比分析不同气体分布器结构对应的干燥塔内部速度场和温度场分布云图。模拟结果发现在相同的开孔面积条件下，均布孔气体分布器的对应的塔内速度场不规则分布。在对照流场云图信息将气体分布器调整为非均布孔结构后，流场均匀性显著提升从而有助于改善干燥效果。学生借助流体力学软件可深化对流体流动问题的认知，在丰富设计手段的同时有助于提升创新能力。

(2)在学科竞赛中运用流体力学知识综合设计创新作品

过程装备与控制工程专业学生可参加各类学科竞赛获得创新学分，并在实践中发展自身的创新能力。学科竞赛通常是相对开放的主题，学生可以自主选择对象和题目完成竞赛作品。在涉及流体流动的参赛作品中，学生可以充分借助流体力学知识开展创新设计。例如，在参加过程装备创新实践大赛时选择以“相变控温散热片设计”为题，通过液相工质在粗糙铜质表面的汽化相变吸收芯片产生的热量以保障计算机稳定运行。设计中基于热量平衡确定液相工质的流量后，通过流道截面渐变的液体分布结构可满足工质在散热片上均匀分布的要求。而对于汽化后的气相工质则基于质量守恒定律确定其体积流量，并合理增大气相流道截面减小流动阻力，实现连续稳定的相变散热操作。对于散热片则通过调节液相工质与材料表面的接触角保持润湿效应，提出了工质自适应分布的高效相变散热新模式。该作品基于流体流动的基本知识开展结构设计，实现了芯片散热的创新实践。

4.结语

过程装备与控制工程专业的创新人才培养是一个系统工程，需要教育教学各个环节的配合与协同。《工程流体力学》作为一门专业核心课起到了承接自然科学基础与专业知识的作用，将流体力学理论方法与过程装备设计运行问题紧密结合，通过合理的教学设计使创新教育在学生课内外学习过程中产生持续效应。该课程贯穿理论与实践教学使学生建立“理论为根本，应用为导向”的思维，牢固掌握流体力学基础理论与工程知识，初步获得基于流体流动进行结构创新设计的能力，是培养过程装备与控制工程创新人才的重要保障。