“流体力学”课程思政教学探索与实践

王 会, 刁永发

(东华大学 环境科学与工程学院, 上海 201620)

2016年底,习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调,要把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人,努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。随后,国务院、中华人民共和国教育部以及上海市教育委员会等先后印发相关文件,深入贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神[2-4]。

2017年我校(东华大学)被列为上海高校课程思政教育教学改革试点“重点培育校”。“流体力学”课程是我校能源与环境系统工程、建筑环境与能源应用工程、环境工程等多个本科专业的重要专业基础课,同时也是我校环境科学与工程学院精品改革领航课程。本文首先结合“流体力学”课程的特点和主要教学内容,提出了课程思政的目标,继而以“理想流体的运动微分方程及伯努利方程”这一节为例,详细设计了融入课程思政的教学方案,实现了课程思政和专业课程教学的有机结合。

一、“流体力学”课程思政的目标

能源与环境系统工程专业“流体力学”课程的教学对象为本科二年级学生,每年教学人数为30人左右,计3.5学分,共56学时。课程教学内容主要包括绪论、流体静力学、一维流体动力学基础、流动阻力和能量损失、孔口管嘴管路流动、不可压缩流体动力学基础、绕流运动、相似性原理和因次分析等[5]。“流体力学”在专业课程体系中起着承上启下的作用。对于后续专业基础课“传热学”和“燃烧学基础”、核心专业课“能源转化(含锅炉原理)”和“热力系统工程”等课程的学习起着关键的支撑作用。“流体力学”课程涉及大量的高等数学和大学物理知识,由于学生在本科一年级时已经学习相关知识,他们具备一定的偏微分理论知识和基本的物理规律认识。

“流体力学”悠久的发展历史及其与工程实际紧密相关的特点,使其蕴含大量的思政元素。课程内容丰富,理论性较强,涉及大量的公式推导和高等数学知识的应用。因此,如何在有限的课时内合理融入课程思政元素是对教师提出的较大挑战。根据“流体力学”的教学内容和课程特点,提炼“流体力学”课程的思政目标,并概括为以下四个方面:

(1)提升学生的民族自豪感和文化自信,厚植爱国情怀。通过在“绪论”中介绍我国应用流体力学所取得的伟大成就,如都江堰、三峡工程等大型利国利民水利工程的建设[6-7],提升学生的专业自信,树立民族自豪感,增强文化自信。钱学森、郭永怀等老一辈流体力学科学家不计个人利益,义无反顾放弃国外的优厚待遇,历经千辛万苦回到祖国,为我们国家的科学发展作出了卓越的贡献[8-9],通过对他们的事迹介绍引导学生学习他们百折不挠、知恩图报的崇高品质和集体主义精神,厚植爱国情怀。

(2)培养学生唯物辩证法的科学思维方法。在讲解完第二章的“流体平衡微分方程”、第三章的“理想流体运动微分方程”和第七章的“实际流体运动微分方程”后,将三者进行对比分析,让学生意识到这3组方程之间存在从特殊到一般的逻辑关系,但都遵循牛顿第二定律这一相同的物理规律。通过对方程左右两边每一项所代表的物理含义进行分析,即可发现3组方程的左边都是代表流体所受的合外力,方程的右边都是代表流体的质量与加速度的乘积,其中流体平衡微分方程的加速度为零,只是在流体所受外力不同以及运动状态不同时,其具体的方程展现形式不一样。以此培养学生的辩证思维能力,真正做到透过现象看本质。

(3)强化工程伦理教育,提高社会责任意识。讲解卡门涡街知识点前,先通过视频展示塔科马吊桥的坍塌事故,引导学生思考,再循序渐进地讲解塔科马吊桥坍塌主要是由风吹过桥梁时形成的卡门涡街的震动频率与桥梁本身的固有频率发生共振引起的[10]。当时的设计者过于追求美观以及不合理的节省材料等,忽略了流体力学对于桥梁结构的作用,最终导致这座斥巨资建设的大桥仅仅维持了不到5个月就坍塌了。由此可见,流体力学在桥梁、高楼等建筑施工中起着非常重要的作用,专业从业者必须具备强烈的责任意识。

(4)引导学术创新,弘扬科学家精神。讲解描述流体运动的两种方法时,分别讲解基于质点系的拉格朗日法和基于“场”的欧拉法[11],指出虽然拉格朗日法理解起来更容易,但是它关注的对象是无数质点本身,这种方法在流体力学中是不适用的。瑞士科学家欧拉发现了这一不足,并通过不懈的努力,在双目失明的情况下,提出了欧拉法,这极大地方便了流体运动的研究,其为流体力学的发展作出了重大的贡献。引导学生学习欧拉追求真理、善于创新、坚韧不拔的科学家精神。

二、“流体力学”课程思政教学设计与实践

以“理想流体的运动微分方程及伯努利方程”这一节课(45分钟)的讲解为例,详细说明“流体力学”课程思政教学的设计。本节课先从漏斗吹乒乓球的演示性小实验和历史上发生的鄂洛多克惨案的讲述导入,让学生感性地认识伯努利原理,产生对这种物理现象的兴趣。进而引入主要知识点的讲解和拓展,同时适时引入课程思政环节,培养学生透过现象看本质的科学思维方法,并融入生命观教育,最后对本章节内容进行总结,引导学生运用所学知识解释生活中的现象,培养学生独立思考的能力。

1.课程导入(5分钟)

首先向学生提出问题:在1个倒扣的漏斗底下放置1个乒乓球,从漏斗管往下吹气,乒乓球会不会被吹走?然后,请学生上讲台做演示性小实验,证实猜想的结论。实验结果显示小球并不会被吹走,而是被“吸住”。通过演示性小实验,既可以活跃课堂气氛,又可以启发学生思考,让学生认识到实践才是检验真理的唯一标准。

接着给学生讲述鄂洛多克惨案的故事:1905年的冬天,站长率38名员工在俄国鄂洛多克车站列队恭候沙皇派来视察的钦差大臣。然而当列车驶入车站时,所有迎接人员纷纷摔下站台,造成34人死亡、4人终身残疾的重大事故。事故调查显示:机车状况良好,司机及员工无违章操作。那么,是什么导致员工摔下站台的呢?

教师通过指出以上两个现象都可以用本节课将要学习的伯努利方程来解释,激发学生的学习兴趣。

2.讲解知识点(35分钟)

教师快速回顾流体平衡微分方程的推导过程,指出利用六面体微元受力分析的方法同样可以推导出理想流体的运动微分方程;以微元x方向的受力分析为例,详细讲解x方向理想流体运动微分方程的推导过程;引导学生类比推出y方向和z方向的理想流体运动微分方程,培养学生举一反三的能力。进而讲解理想流体运动微分方程中每一项的物理意义。

接着,将流体平衡微分方程和理想流体运动微分方程进行比较,指出两者的区别和联系。两者都是基于牛顿运动定律推导出来的,前者反映的是流体在质量力和压差力的作用下达到受力平衡,后者反映的是流体在质量力和压差力的作用下产生一个加速度。进一步引导学生思考:实际流体除了受质量力和压差力外,还受黏性力,那么实际流体的运动微分方程是怎样的呢?这就是后面要学习的实际流体运动微分方程(N-S方程),将3组方程放到一起再次比较分析。

通过流体平衡微分方程、理想流体运动微分方程以及实际流体运动微分方程的比较,可以发现这3组方程虽然形式不同,但是其本质都是牛顿第二定律在流体力学中的体现。实际流体运动微分方程是最一般的形式,理想流体运动微分方程是当流体黏性可以忽略时的一种特殊情况,而流体平衡微分方程是当流体运动速度为零时运动方程的一种特殊情况。进而引导学生要掌握透过现象看本质的唯物辩证法的科学思维方法。

在理想流体运动微分方程的基础上,依次给出流场恒定、质量力只有重力、沿流线进行积分和不可压缩流体等4个假设,推导化简得到伯努利方程的表达式,指出方程的适用条件、每一项的物理意义及几何意义。

由伯努利方程可知,当流体做等高流动时,流体速度越大的地方,压强越小。所以鄂洛多克惨案中,当列车进站时,列车和火车站工作人员之间的空气通道速度比较大,压强比较小;火车站工作人员背后远离列车的地方则空气流速比较小,压强比较大。那么,人前后两侧就会产生1个压差力,就是这个作用力使得人摔下站台,引发了事故。这也是现在高铁站、地铁站站台设置黄色安全警戒线的原因。引导学生要遵守交通规则和秩序,引出生命观教育。

3.总结并布置课后作业(5分钟)

回顾理想流体运动微分方程和伯努利方程的推导过程以及伯努利方程的物理意义和几何意义。课后作业要求学生查阅资料,自行思考生活中利用伯努利原理的例子,并进行解释。

在上述的教学设计中,课程导入为引出课程思政进行了铺垫,讲解知识点的过程中将思政内容和课本知识有机地结合在一起,学生更容易接受思政教育,同时使得课本知识更加生动有趣。

三、结语

“流体力学”以工程技术为背景,具有丰富的思政元素,通过对民族文化、科学思维方法、工程伦理教育、科学家精神等思政元素的挖掘,将思政元素与课程内容有机结合,使得枯燥难懂的“流体力学”理论知识变得有血有肉、充满趣味,利于激发学生的学习热情,提高学习效率,提升综合素质。