“流体力学与传热学”课程教学改革实践

王小静，金 健，蔡红霞，姜克壮

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444）

引言

吴岩司长在第十一届“中国大学教学论坛”上将“金课”的标准确定为“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度［1］。打造“金课”，要充分重视课堂教学这一主阵地，积极推进线上线下混合式教学［2］。“流体力学和传热学”是一门进行流动传热相关问题工程分析与科学研究的本科课程，是机械专业学科基础课，为后续的机械设计、制造类课程提供流体力学和传热学基础。优质的课程教学质量是培养机械专业工程领域有深厚勃发后劲的高质量学生的坚强保证。本文在新工科背景下对“流体力学与传热学”课程进行教育教学改革，课程教学团队紧密结合国家和地方对高端制造领域的人才需求，以工程认证要求为导向，从课程建设目标设定、课程教学改革探索等方面开展有益探索。

一、课程建设目标设定

“流体力学和传热学”课程以新工科为背景、以“金课”为目标，针对我校“一流本科专业”机械设计制造及其自动化专业的人才培养目标深入开展本课程的教学改革，获得了上海高校市级重点课程立项建设。在立德树人、培养学生正确价值观的基础上，围绕“两性一度”设定课程建设目标。

对标工业4.0和新工科要求［3］，本课程要求学生深入掌握流体流动传热基本理论，能应用课程知识分析相关工程问题，拥有解决流体流动传热领域工程问题的基本理论基础及计算和实验能力，了解本领域的前沿学术动态，掌握相关专业软件的基本使用方法，开展流体流动传热工程问题的仿真分析，培养创新型人才。

首先，开展课程思政建设。在课程教学的各个环节融入思政元素，注重学生人格的塑造，通过使学生对课程内容的历史、现状和前沿技术的了解及掌握，树立民族自豪感和为推动国家工程发展而奋斗的决心。

其次，夯实专业基础，对接高端制造业需求。根据国家、行业需要，制定符合新工科、工程认证培养目标的教学目标［4］，将教学目标落实到具体的课程教学过程，加强学生对流体力学和传热学领域的基础理论研究水平，创新自学、调研和项目研究等课程环节，提升课程的授课难度，本课程的教学目标不仅是使学生熟练应用流体力学与传热学的基础理论求解书本中的题目，而且要运用这些理论知识计算分析工程实际问题，使“两性一度”标准在教学环节中得到切实落实。

最后，探索教学模式改革。发挥课程基础理论性强和工程应用性强的特点，将枯燥的理论教学与工程实际相结合，综合应用课程基础理论解决流动传热复杂工程应用问题，形成课程教学特色。

二、课程教学存在问题分析

在教学内容上，“流体力学与传热学”课程包含流体流动传热理论，理论知识难度较高且过于抽象，基本概念较多，在知识理解过程中需要具备一定的数学基础［5］。学生仅停留于对书本知识的理解，当遇到课后分析习题及工程应用实例时，难以运用所学的流体力学与传热学基础理论进行分析计算，且由于本科阶段流体力学与传热学的基础理论为在理想条件下推导的简化理论方程，与复杂工程问题实际应用存在较大差距，课程考核内容以计算为主，学生的实践动手能力、数值仿真能力及复杂流场流动传热分析能力欠缺。

在教学方法上，虽然已增加了工程实验环节和工程案例讨论，但在以学为中心、激发学生专业学习热情和主动分析思考工程问题等方面需进一步加强。在教学环节设计时，不但要给学生提供思考和锻炼的机会，而且要让他们主动发现生活中的流体力学与传热学问题，并组成团队进行计算分析，讨论解决方法的优劣。

针对上述课程教学中存在问题，围绕“金课”建设目标，介绍流体力学与传热学国内外研究成果和发展趋势，引导学生了解和熟悉课程理论形成背景和实际应用场合，完成科学前沿的知识储备，增加数字仿真环节，开展线上线下混合式教学改革。

三、课程教学改革探索

“流体力学与传热学”课程紧密围绕专业培养目标，围绕国家和长三角地区制造业发展需求，瞄准学科发展方向，打破专业背景局限，培养创新型人才。经过课程建设，努力具备高阶性、创新性、挑战度的“金课”特征。

（一）加强课程思政建设

从流体力学与传热学的科技发展历程出发，开展课程思政建设。着重介绍我国古代相关成就，包括都江堰、郑国渠等水利工程等。介绍我国杰出的流体力学与传热学领域的科学家，如以原上海大学校长钱伟长的事迹为例，通过他的经历，增强学生“自强不息”的校训精神，做有正确价值观的全面发展的人。介绍我国在本领域最新发展，学生在调查研究基础上撰写研究报告，全面落实立德树人根本任务。

（二）建设线上课程资料库

本课程理论性强，难度大，为让学生在学习过程中能直观地观察流动现象、理解课程内容，本课程建设了三类资料库。第一类是与课程内容基本知识相关的图片、动画、视频资料，如牛顿内摩擦定律、真空度、伯努利原理、雷诺实验、对流换热等内容；第二类是在课程内容基础上进一步扩展的内容资料，如表面张力测定、涡环相撞、流体动力学数值计算、热管散热器等内容；第三类是编制的流体力学与传热学计算仿真案例，帮助学生了解如何应用流体力学与传热学计算专业软件来计算分析工程中实际流体流动传热问题，包括研究对象建模、参数设置、计算仿真和结果分析等。把本课程的教学内容做扎实，增强关于流动特征和规律的感性认识，增加学生在生活和工程实践中对流体流动传热问题的思考。

（三）探索线上线下混合式教学模式

探索“课堂教学+课内实验+项目训练+线上学习”的线上线下混合式教学一体化培养模式。对于本课程的基础理论学生不易理解掌握，并容易产生抵触情绪，影响后续内容的学习。在教学内容的组织上，注重围绕日常生活或工程实际问题进行安排，充分利用线上线下混合教学模式。选择学生在日常生活中所熟悉的、有趣的自然界中的流动现象入手，引出科学问题，并进一步结合学科前沿介绍本课程相关内容在工程实际中的应用。将线上课程资料库内容发布在超星平台上，布置课前自学和课后复习任务，拓宽学生视野，使其能够带着问题自主自发地探索相关理论知识，从而实现由基本的流动现象自然地引出与之有关的理论内容。通过理论学习揭示物理原理，之后再回到流动现象，升华学生对现象的认识和理解。在课堂讲解过程中，着重进行理论分析，让学生将直观的流动传热现象与流体力学及传热学理论结合起来，更好地帮助学生进行理论思考、掌握基本原理，开展线下讨论学习。

（四）加强流动与传热数值仿真项目式教学

在课程教学大纲中设置综合应用流体力学与传热学基本理论的课程大作业环节，在课程前期布置大作业，创建项目小组，由教师提出项目案例，进行CFD软件应用介绍，项目小组在此基础上提出项目题目，并提出解决方案和路径措施。项目组借助流体力学与传热学专业仿真软件，分析计算结果，总结规律和影响趋势，撰写项目报告并进行答辩。要求学生根据所学理论知识，从实际工程问题的认识深度、完成情况、论文正确性及规范性等方面撰写项目报告，特别要写出对项目计算仿真结果的分析，培养解决复杂热流体工程问题的能力和团队合作能力。项目实例举例如表1所示。

表1 项目实例举例

项目研究不仅体现了学生对课程基础知识的灵活应用和掌握程度，更是为学生提供了开展自由学术思考的平台，团队中学生自己发现工程中的流体流动传热问题，应用所学课程知识和专业软件来解决问题，并能对计算结果进行讨论分析，提出优化方案。激励了学生学习的主动性和创造性，提高了课程的高阶性、创新性和挑战度。

（五）开发设计性、创新性实验教学

在“流体力学与传热学”课程中，实验教学是非常重要的教学环节。课程开设了流体力学基本实验，如伯努利方程实验、圆管能量损失实验等，帮助学生理解课程基本理论内容，能利用相关仪器测量流体流速、压力、流量、温度等基本物理参数。课程还将流体力学与传热学结合起来，尝试探索以用于计算机CPU芯片散热的水冷设备为对象，建立热流体实验平台。该实验平台为教师自主设计搭建，实验对象紧密结合科技发展和流体流动传热理论的工程应用，同时该实验对象又紧密结合学生日常学习生活，因此学生对开展该实验的热情非常高。学生组成团队，以降低芯片温度为目的自主设计实验方案，搭建实验装置，进行温度、流量等参数的测量，撰写实验报告，提交实验结果，并进行团队间的交流讨论，深刻理解和应用本课程基本理论提高本实验的散热效果。在实验中，学生的创新能力、工程实践能力、团队合作表达沟通能力都得到了大幅提高。

（六）建立多元化考核模式

围绕课程建设目标，结合课程教学大纲的改革，建立多元化考核模式。线上考核形式包括线上资料库的自学讨论、线上作业、线上小练习，线下考核形式包括作业、实验报告、项目报告及其答辩成绩、笔试。其中，适当增加实验报告、项目报告及答辩环节的比重，减小笔试成绩的比重，强化课程开展过程的考核。课程目标、课程教学大纲和多元化考核模式在课程的第一堂课就向学生公布和说明，引导学生在课程学习中更加主动地理解课程内容，在课程教学的各个环节提出自己的思考、比较和创新设计。在课程考核中，重点考查学生发现问题、解决问题的能力与创新实践能力，开展过程考核，及时发现并反馈学生学习过程中的问题，发挥课程考核对教学的促进作用。

结语

面向机械专业人才培养要求，以“金课”建设为目标，研究探索“流体力学与传热学”课程教育教学改革。本课程在课程资料库建设、线上线下混合式教学、项目式教学、实验教学、考核方式等教学环节上落实课程思政内容，立德树人，学生的创新能力和工程实践能力得到切实提高。课程教学为学生搭建了工程创新实践平台，将流体流动传热理论与工程实践紧密结合，努力提高课程教学质量。