工程流体力学课程思政元素的挖掘及应用

程 敢，张会菊，张传祥，范云场

(河南理工大学 化学化工学院，河南 焦作 454003)

2016 年12 月的全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记提出“把思想政治工作贯穿教育教学全过程”“不断提高学生思想水平、政治觉悟、道德品质、文化素养，让学生成为德才兼备、全面发展的人才”。2019年3 月召开的学校思想政治理论课教师座谈会上，习近平总书记强调“思想政治理论课是落实立德树人根本任务的关键课程”。2020 年6 月教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》通知中强调，把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量。2021年5 月31 日至6 月1 日的河南省本科高校课程思政建设研讨推进会指出，全省本科高校要积极回应新时代高等教育新要求，切实增强加快课程思政建设的责任感使命感……推动课程思政建设不断取得新进展新成效。将专业知识的传授与“课程思政”教育相结合，不仅能够全面提升思想道德素质，还能够同时实现“知识传授与价值引领”，符合当前社会对人才培养的需求。

工程流体力学主要介绍流体力学的基本概念、理论、计算方法以及实验技能等，是一门历史悠久的学科，现已成为化工、机械、能源动力、航空航天和土木建筑类专业的基础必修课程。在实际生活、工程中，工程流体力学应用相当广泛，涉及工业、农业、交通运输、航天航空、机械和建筑工程等多个领域，蕴含丰富的思政元素，将其挖掘并贯穿在课程知识教学过程中，对于知识传授、学生培养、社会发展等都具有积极意义。

一、工程流体力学课程内容及发展

工程流体力学是高校很多工科专业的基础课程，课程内容与高等数学、大学物理、工程力学、工程热力学等多门学科相互交融，主要讲授流体力学的基本概念与原理、基本理论与计算方法，通过课程学习使学生建立流体力学基础知识体系、了解流体的性质和流体动力学等知识，培养学生分析与解决实际工程中流体的相关问题的能力。同时，在工程流体力学的课程实验过程中，学生们的实践动手能力与团队协作能力得到锻炼，有利于提高学生们科研能力、培养科研兴趣。作为流体力学的一个分支，工程流体力学更侧重解决工程中的实际问题，而流体力学历史悠久，内容更丰富且与日常生活息息相关(如图1 所示)。

图1 流体力学的发展进程[12-36]

公元前30000 世纪的旧石器时代，流体力学就已经出现。在当时，我们的祖先利用石头和木材打造粗糙工具去狩猎，在投掷工具的时候发现固体在流体中的运动问题。随着人类社会的进步，工具也在不断革新，人们通过不断观察、测量、实践，逐渐认识流体运动的一般性质与规律，这个过程发展缓慢直到公元前20 世纪出现了重大转折。

进入公元前20 世纪，人们开始由经验知识逐渐转变为理论知识的传播。人们将自己所获得的知识进行分享，知识量不断丰富且传播速度逐渐加快。1638 年，伽利略将实验研究方法引入力学研究，从此实验研究方法成为了流体力学研究不可或缺的研究方法。

从17 世纪下叶到20 世纪，流体力学学科初步形成并进入了发展时期。1738 年伯努利首次以“水动力学”命名其专著并出版，后来又出现了“空气动力学”。1935 年后人们综合了水动力和空气动力的知识，建立了流体力学体系，流体力学的发展突飞猛进，取得了惊人的进展。

20 世纪40 年代后，流体力学原理的应用和理论取得了很大进展，实验室及实验设备不断充实，具备专业流体力学知识的高水平人才不断涌现，一些工程流体力学相关实际问题相继解决。例如：P4 实验室通过“定向负压系统”，阻止危险病毒的外逃；通过对大气环境的监测，显著提高了天气预报的准确性；风洞技术广泛应用于竞速类项目运动员的训练之中；被国际泳联禁用的“鲨鱼皮”泳衣，根据鲨鱼的皮肤构造而设计，可以自动引导周边水流，减少运动员体力的消耗。

经过三万多世纪的发展，流体力学取得的成就数不胜数，但是新的问题仍然不断出现，需要科技工作者不懈努力来解决。

二、工程流体力学课程思政设计与实践

由于工程流体力学课程内容较多，受学时影响，实际教学过程中无法拿出较多的时间单独进行思政教育。因此，需要将思政元素与课程内容有机结合，通过课程设计将灵活、分散的思政元素无缝融合进所讲的流体力学课程知识里，达到潜移默化的德育效果。基于工程流体力学的教学内容，挖掘和梳理了课程中的思政资源，将其融入课程教学过程中，达到更好的教学效果。

(一)培养学生锲而不舍的奋斗精神，鼓励学生致力科学研究

流体力学在科学家们的不断探索中发展。经典流体力学奠基人瑞士科学家欧拉，一生历尽挫折，直到去世仍未停止科学研究。我国著名科学家钱学森在流体力学拓展领域也作出了许多开创性的贡献，其中包括空气动力学、航空工程和喷气推进等方面。被誉为“中国的居里夫人”的流体力学家陆士嘉，在黏性流体力学研究方面造诣深厚，创立了我国第一个空气动力学专业，一生致力于航空教育事业，为我国培养了大批优秀人才。从科学家的身上，学生可以学到不屈不挠的钻研精神、锲而不舍的奋斗精神和大公无私的爱国精神，激发学生对科研的兴趣，鼓励学生投身科学研究。

(二)培养学生科技强国的技术自信，激发学生的爱国主义心

工程流体力学在工业中应用广泛，极大地促进了我国工业发展。如公元前120 年，由于山脚的黄土土质非常松软，经常出现渠岸倒塌，为解决这一问题，水工发明了井渠法，该法将60 万亩左右盐碱地变成了良田；利用边界层理论分析歼-20 鸭翼的主要作用，鸭翼能够产生脱体涡，对主翼上翼段形成有利干扰，从而改善主翼的升力特性和操控性能。另外，歼-20 的鸭翼带有的上反角，为了隐身，鸭翼和主翼根部只能设置在同一个平面上，为发挥鸭翼的增升作用，需要拉开一段距离。除此之外，两栖装甲车辆的喷水推进系统的设计与流体运动连续性方程的知识相关，潜射战略导弹水下发射过程与黏性流体动力学等专业知识紧密联系。在相关课程的讲授中，不仅能够引领学生了解我国装备制造业创新发展的进程，还能用实例证明流体力学具有很大的用途，提升学生的科技自信、培养爱国主义热情。

(三)培养学生一心为国的家国情怀，增强学生的民族自豪感

我国五千年的历史进程中，先辈在劳动中总结经验，修建了一个又一个重大工程，对人们的生活产生了重要影响。在这些工程的建造过程中，不乏流体力学知识的应用。如：4000 多年前大禹治水时，为解决中原地带的水患，采用改“堵”为“疏”的方法。公元前256—前210 年间，我国修建了都江堰、郑国渠和灵渠三大水利工程，都江堰不仅有利于岷江洪水的疏排，还能常年用于灌溉农田。东汉光武帝时，南阳太守创造水排、兴修水利，将流水的动能和势能转化为机械能，使鼓风囊不断伸缩，给冶金高炉加氧，较西欧早了约1 100 年。“辽宁号”航母在海面航行英姿飒爽，航母甲板宽阔，能起降飞机而不会倾覆。在课程讲授中，以流体力学为背景，介绍流体力学对我国古今工程的突出贡献，能够培养学生家国情怀、增强学生民族自豪感及激发学生树立为民族伟大复兴而奋斗的理想。

(四)培养学生辩证唯物的哲学思想，形成辩证唯物法的思维

工程流体力学是一门蕴含丰富哲学思想和元素的自然科学，其相关定律和法则实质是自然界普遍规律的具体表现。如：理想流体研究属于理想化方法。理想化方法是物理研究中特别重要的一种科学抽象的思维方法，它根据所研究问题的需要，舍弃次要的因素，只考虑主要的因素，从而简明扼要地揭示问题的本质。从流体流动的守恒方程及规律中可知，复杂多变的流体运动也可以像固体运动那样使用数学方程来求解和描述，说明了力和运动存在的必然联系，反映了自然万物中客观存在的内在本质关系。在教学过程中运用哲学思维能够使学生在学习专业知识时更清楚地认识事物的本质，掌握事物运动的规律，同时还能更加深刻地理解自然辩证法的唯物主义思想。

(五)引导学生树立科学抗疫的理念，培养学生团结奋斗精神

2020 年年初，新型冠状病毒肺炎疫情猝不及防地在全国蔓延，疫情期间我们隔离病毒但不能隔离爱，在灾难面前，中华民族精诚团结，以实际行动践行爱国、敬业、诚信、友善的社会主义核心价值观。疫情中也体现出很多流体力学知识，例如：新冠病毒突袭而来之际，火神山医院、雷神山医院的建设现场4 万多名建设者听党召唤、不畏艰险、团结奋斗、使命必达，用10 天时间建成了火神山医院，用12 天时间建成了雷神山医院，创造“火雷”建设奇迹。在建设过程中需要考虑供水管道、污水管道、排风中管内流动和气流等问题，与流体力学密切相关。再比如流体力学历史上著名的伯努利家族，一个横跨两个世纪、三代人，诞生了8 位杰出数学家的“豪门”。伯努利家族科学精神的传承吸引了学生对科学精神的探索与渴望，而这种科学精神正是对抗当前复杂形势下“谣言满天飞”的有力武器。面对疫情中真真假假的信息流，相信科学、“不信谣、不传谣”，众志成城合力攻坚是战胜疫情的基础。在课程中引入与疫情相关的知识，能够激发同学们学习流体力学课程的兴趣，引导学生树立科学抗疫理念，培养同学们的爱国主义思想与团结奋斗精神。

(六)培养学生严谨细致的工作作风，提高学生的事故警惕性

在实际工程中，有很多因元件回路堵塞等污染造成工程事故的案例，在课程中可利用流体力学的相关知识，分析事故发生的原因。如：1996 年10 月2 日，秘鲁航空603 号航班在首都利马坠毁，造成61 名乘客和9名机组人员死亡。事故调查发现，技师在执行飞行前的清洁任务时，用胶布贴住静压孔以保护毕托管，但忘记撕下来，而当晚负责验收的督查人员因病请假及机长在飞行前检查疏忽，导致飞机升空后，仪表读取的是被胶布封死后的静压孔数据，空速和高度指示错误。2009 年6 月1 日，法国航空公司447 航班飞行过程中毕托管被冰覆盖失效，引起空速计算错误、自动驾驶等系统关闭，最终在大西洋上空失事，216 名乘客及12 名机组人员全部罹难。通过对事故的分析，教导学生在今后从事相关专业工作时，必须要尽职尽责，培养学生的职业使命感与责任感。

(七)鼓励传承中华优秀的传统文化，激发学生中华文化自信

我国优美的古诗句中也蕴含丰富的流体力学思想，值得我们学习借鉴。诗仙李白《早发白帝城》中“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还”。北魏地理学家、散文家郦道元的《三峡》也描绘了汹涌的江流，“有时朝发白帝，暮到江陵，其间千二百里，虽乘奔御风，不以疾也”。使用连续性方程可以解释为什么长江三峡处水流湍急。古诗词汇聚了我国祖先的智慧和经验，在传播我国古文化的同时，激发学生的文化自信。再比如水的浮力可行舟船，而舟船的稳定问题与水力学原理中静水总压力垂直分力的分析与计算有关，即与舟船形体形成的压力体密切相关。只有当定倾中心高于重心时，舟船才能稳定平衡，否则会发生倾覆现象，即“水可载舟，亦可覆舟”，载舟是浮力作用，覆舟是失去平衡。党和人民的关系就好比舟和水的关系，人民不仅能载舟，人民更能推舟。嘉兴南湖的红船在人民力量的推动下，正朝着“两个一百年”奋斗目标前进。通过对流体力学中先人智慧和经验的了解，可以让学生们更好地了解并传承中华优秀传统文化，从而激发学生的文化自信。

三、工程流体力学课程教学方法及效果

(一)重视绪论教学激发兴趣，结合哲学发展整体思维

绪论是课程的概述，其学习效果的好坏直接影响学生对课程的第一印象。在绪论的学习中，不仅要让学生大致了解课程主要涉及的内容，还要讲述课程的发展过程、历史地位、与其他学科和专业课程的联系以及该课程对社会工业和经济发展的作用，以激发学生对该门课程的学习热情，为课程学习做好充足的准备。

(二)采用启发式的教学手段，培养学生自主创新能力

在工程流体力学课程教学中，以启发学生的思维为核心，从学生的实际出发，采用多种方法调动学生学习的主动性与积极性，可以显著增强学习效果。如，在讲授完伯努利方程之后，启发学生思考生活实际中的一些现象如何用伯努利方程来解释，体现科学原理的普适性，缩短学生与科研之间的距离感。在这个过程中学生对科学问题的发现、分析和解决能力得到提升，学习和体会科学的研究思路、分析考虑问题的方法和解决问题的方式，培养创新性思维。

(三)充分利用互动教学模式，促进教与学的有机统一

为实现更有效的教学，应该改变以往严肃的教学环境，营造一种轻松、活泼、平等的氛围来吸引学生的注意力。这种互动式教学模式更有利于调动学生的学习积极性，达到事半功倍的教学效果。通过课前作业的方式让学生提前对教材或者本节课知识点进行学习，以这种方式让学生对本节课知识进行基本了解并做出思考判断，这样一来教师不必在课堂上对知识过多的讲授，只需帮助、引导学生们进行思考、分析。课后作业主要是教师每节课针对本节课知识点留出的习题，这些习题需要学生们将本节课知识点吸收并灵活运用。教师通过对课后作业的查阅，可以了解到学生是否掌握知识点，同时可以通过做题方法了解到学生的思维方式，有利于对接下来的课程做出针对性的教学。这种教学方法既节省了课堂时间，也启发了学生思维、锻练了学生知识应用的能力。

(四)加强理论与实际的联系，注重实验培养实践能力

在讲课时要着重讲授理论知识与工程实际的联系，因为学生对实际工程了解较少，对较为复杂的理论知识的接受能力较差。如，流体的流动性的定义是在剪切力作用下，无论这个剪切力多么微小，流体都会发生连续不断的变形。在讲流动性时，可以展示切断流水的现象，使学生对现象有直观地认识，从而加深对流动性概念的理解；鉴于“工程”这一特点，在流体力学知识的讲解中应该与工程应用相联系，通过举例分析实际工程问题的解决思路，不断提高学生的能力。授课过程中可以将当前讲解的知识与后续课程相结合，如将浮力矩与怎么设计航母甲板能起降飞机而不会倾覆结合；将静力场静止流体中的壁面受力与“蛟龙号”深潜到7 000 m 以下的应力状态相结合，既能充实教学内容也能激发学生的学习兴趣，最终达到提高学习效果的目的。通过在教学设计中引入这些内容，学生感知到自己所学知识在大国重器中大有用武之地，从而激发学生为国家学习、为民族学习的热情和动力，激发爱国主义情怀。

另外，由于工程流体力学具有很强的实践性，光靠理论教学学生难以理解一些抽象知识点。开设一些综合创新性实验，将实验教学与理论知识的讲解相结合，使学生能够掌握基本知识并通过实验增强对知识的理解，由学生自己完成提出问题到得出结论的实验过程，能够有效锻炼学生动手操作、团队协作、分析与解决问题、创新等能力。

四、结束语

作为专业基础核心课程，工程流体力学课程蕴含着丰富的思政元素，以更加丰富的教学方式和手段将思政教学引入工程流体力学中，才能将思政教育真正落到实处，才能做到“思想有启迪、灵魂有提领、人格有感召”，把爱撒进孩子的心灵里，才能真正完成“立德树人”的根本任务。