学科交叉融合下的流体力学课程改革探讨

叶志洪，安强，龙天渝，王会丽

(重庆大学环境与生态学院，重庆 400045)

0 引言

“十四五”时期，面对新经济发展，开启以“宽口径、夯基础、重交叉、强实践”为特色的教学改革探索，推进不同课程交叉融合，造就身怀爱国之心且拥有储备丰富的交叉学科基础知识的卓越“新工科”人才，为我国制造业高质量发展和综合国力的提高提供坚实的智力支持和科技支撑是高校应当持续探索的时代命题[1-3]。

流体力学作为力学的一个分支，主要研究在各种外力下，流体自身特性、流体平衡和运动规律[4]。作为环境专业基础课程之一，该课程的学习使学生能对废水、废气等流体在流动或平衡状态情况下的力学规律进行定性、定量分析，理解环境流体与固体(例如管道)之间的相互作用以及流体传递过程规律[5]。但由于其本身具有理论性强、内容抽象晦涩、专业跨度大的特点，对逻辑思维能力与理论基础都有较高要求；同时课程具有较强的应用性，在教学过程中需要与应用实例相结合，通过多种方式引导学生积极思考，培养学生理论联系实际能力与创新实践能力。因此，传统的单一学科模式已不适用于该课程的传授与学习[6]。本文分析了环境工程专业流体力学课程在教学过程中存在的不足以及学科交叉的必要性和可行性，通过打破学科专业壁垒，融通多学科知识体系，加强思政引领，以提升学生创新实践能力、理论联系实际能力和自主学习能力，培养既有理论深度又有实践基础的高素质人才。流体力学课程主要教学体系如图1 所示。

图1 流体力学课程主要教学体系

1 开展学科交叉的必要性与可行性

将两门或两门以上的不同学科相互融合渗透，打破学科之间壁垒的方式称为学科交叉(interdisciplinary)。学科交叉融合不仅可以增强基础学科的育人功能，还可以打破学生的刻板思维，拓宽视野，提高学生创新能力，是高等教育发展的新引擎[7]。

1.1 学科交叉的必要性

流体力学出现至今，从未在人类社会发展中缺席，尤其是近现代高新技术领域，如：航空航天、交通运输、装备制造等行业，流体力学的创新性应用所展现出的潜在优势更是不容小觑。如果仅仅围绕课本内容“闭门造车”，由此造成的局限性将导致这门课程失去原有的“活力”，所以增强学生的交叉学科知识储备成为在流体力学授课过程中亟待解决的关键问题。只有打破学科屏障，适度的将其他学科的知识体系与流体力学相融合，提升学生相关领域的了解与认识，引导学生深入理解相关原理与应用，进一步激发学生创新性探索与尝试，才能更好助力学生成长成才。

1.2 学科交叉的可行性

20 世纪60 年代以来，流体力学逐渐与其他学科交叉渗透。经过多年的发展，先后形成了物理-化学流体动力学、磁流体力学、高超声速空气动力学等新的交叉学科或边缘学科。在实际教学工作中，由于流体力学本身涵盖了多个学科知识，通过学科之间相互交叉渗透，使学科融合、思政引领、知识传授三者有效结合，提升学生解决实际问题的能力。

2 教学过程存在的不足

2.1 学生对课程的重要性认识不足，主观能动性差

传统单一学科授课中，教师所教授的内容以教材为基础，对知识的处理与本专业相关知识的联系较少，缺乏创新性与拓展性，教学模式和考核形式相对单一，导致课程与专业学习短期内看起来相关性不大。学生的学习抱有“应试”心态，缺乏独立思考，难以发现所学知识与今后工作生活或科学研究的相关性，导致学生学习流体力学的主观能动性和解决问题的自主性较差。

2.2 教师传授知识方法单一

由于流体力学课程本身涉及专业名词较多，且需要以高等数学、大学物理等课程为基础进行相关物理意义的理解和数学模型的构建，加之相关的现象、修正公式、修正系数等纷繁复杂，理解起来较为抽象。且教材中便于理解的直观案例较少，所以学生较难对所学知识有深入的认识和掌握。无法联系实际，运用所学知识解决实际工程问题[8-9]。

2.3 教学模式固化

当前流体力学的教学多以讲授的方式为主，但由于教学内容的滞后性、教学平台缺乏多样化以及教学资源的局限性，导致教师的授课大多为“填鸭式”教学，学生自主性不足。教师与学生的互动是帮助学生深入理解知识的重要途径之一，但由于知识的高阶性与复杂性，传统教学模式中的互动方式，如简单的“问答”、单一的课后作业形式，难以提供师生的有效沟通，易导致教师对课程安排、教学方案的误判，使学生无法高效的掌握相关知识。

3 “交叉型”教学改革后的课堂内容

“交叉型”教学是一种以核心课程为主，多学科交叉融合，实现“学科无界限”的教学模式。与传授单一性知识为主的传统教学模式相比，交叉型教学以主讲课程内容为基础，融入其他学科的相关知识，让学生们认识到各学科之间的相互联系、相互融合。

3.1 计算机学科交叉

计算机科学在许多理论研究领域和实际的工程应用中都扮演着十分重要的角色，同样，在环境流体力学课程中也占有一席之地。在计算机学科中，能够模拟环境流体动力学问题的软件主要有Fluent、Abaqus、Origin 等，它们在环境专业领域废水、废气等流体的模拟和处置方面都有着广泛的应用[10]。Fluent是一种研究空气动力学等问题的常用软件，为了能够让学生初步了解计算机在环境流体力学中的应用，可以在课堂上讲述Fluent 这个典型软件的一些基本操作步骤和具体的模拟案例。例如：模拟飞机的机翼在空气中形成的流场、建立动态分析的毒性气体扩散模型[11]、分析某空间中污染物的扩散过程等。无论是在大气还是在水等其他方向的研究中，都可以培养学生相关的理论知识，让学生了解环境流体力学和计算机之间的学科交叉融合，为学生解决复杂问题提供新思想和新方法[12]。

3.2 化工学科交叉

在环境流体力学中，空气和水是最为常见的研究对象，相关分析与流体的性质和流体之间的化学反应息息相关，它们影响着流体的流动状态和传质行为。为了让学生了解化学在环境流体力学中的作用，以雷诺数为例进行解释：雷诺准数是环境流体力学中表示流体黏性的相似准数，与流体的黏性力、密度有关。随着化学反应的进行，流体物质也不断发生着改变，物质的改变也会引起流体黏性力、密度的改变，层流可能会变为湍流加快物质混合，进而促进化学反应，而反应的加剧又促进了湍流的不稳定性，导致雷诺数的变化[13]。另外，化学试剂的浓度、反应速率等也都影响着流体力学的计算。通过讲解化学学科对环境流体力学方程式的影响，直观地让学生认识到化学反应在流体相关计算中的重要作用，开阔学生的思维，培养学生多方位思考的能力。

3.3 机械设备学科交叉

废气、废水处理过程中构筑物及反应器的设计与内部流体的性质和状态等都有着较大的联系。在气、液两相反应中，反应器的形状对流体动力学行为有着显著的影响，直径的大小影响气、液接触面积和气、液之间的传质行为[14]，直径越大反应器内流体越均一，流动状态就越稳定。在搅拌反应器的设计中，搅拌桨的形状，搅拌桨离釜底的距离，搅拌速率[15]等都影响着流体的状态；搅拌速率越慢，扩散不均匀，而搅拌速率越快，分子运动越剧烈，也会加剧湍流的不稳定性。在教学过程中，引入环境专业废水、废气处理过程中构筑物、反应设备对内部流体的影响，可以增强学生对环境流体力学的理解，提高对环境专业的认识，培养学生多学科交叉融合的思维模式。

3.4 思政学科交叉

多学科交叉融合的另一个重要体现还在于人文素养、坚韧的品格、工匠精神、正确世界观等思想政治素质的培养。大学生的世界观、人生观、价值观还没有稳定形成，高校思想政治教育工作至关重要。围绕爱党、爱国、爱人民这条主线，将环境专业流体力学课程和思想政治教育充分结合，在学习科学知识的同时，帮助学生形成良好的价值观。

3.4.1 工程案例融合

从介绍我国流体力学史上典型工程案例入手，如：都江堰、三峡大坝、南水北调等工程，增强学生对国家的文化自信及对民族的自豪感。例如，三峡大坝是我国综合规模和年发电量最大、防洪效益最显著、建设难度最大的重大水利工程。三峡工程涉及环境水力学、土木与建筑学等多学科，在教学过程中可自由选择并添加相关案例。比如，坝体和各种水利设施主要是运用了水静力学的知识，水轮机主要涉及到叶轮机械的理论，包括多相流，三元理论正反问题，欧拉方程，伯努利方程等。在讲解气体问题时，可以列出与土木建筑类专业有关的流体力学问题，如：风对高耸结构、高层建筑的载荷作用和风振问题等。

通过这些工程实例的挖掘融入，使学生在学习的过程中提高对环境流体力学的认识，开阔学生的视野，增强对我国重大基础工程的使命感和认同感，提高学生的学习热情[16]。

3.4.2 海空军事融合

结合实际军事装备应用去讲解环境流体力学中的理论知识，可以使学生更加有认同感和获得感。例如，辽宁号航母上歼-15 舰载机的成功研发为提高空军装备水平奠定了基础，以其机翼减阻设计为例，对绕流物体的阻力和升力进行解释。以蛟龙潜航器下潜7 000 m 为例(课本例题)，讲解静液作用于平面壁面和曲面壁面的总压。在讲解毕托管时，以C919 大型飞机工程为例，在前端、机翼前部或座舱两侧都有一些向前突出的管道，这是用来测量飞机速度的空速管—毕托管。

从国家国防领域的重大成就实例引入，可以引起学生的学习兴趣，增强学生的爱国情怀，培养学生的责任与担当[17-18]。

3.4.3 历史人文融合

从历史人物中发掘思政元素，介绍流体力学奠基人的经历，丰富学生的爱国精神，为学生树立好的榜样。以钱学森的事迹及对国家的贡献为例：钱学森是中国著名的空气动力学家，两弹一星功勋奖章获得者等。他早年留学美国，师从现代流体力学名家冯卡门。而在新中国成立后，他毅然放弃优越条件，在经历被美国当局非法扣押、拘留等不公平待遇后，历经千辛万苦终于回到了祖国，为研制“两弹一星”贡献力量。此外，还可以介绍吴仲华、周培源等其他开拓者和建设者的事迹，将其故事与环境专业流体力学的知识相结合，揭示专业知识与国家命运紧密相连的历史规律，帮助学生树立正确的价值观念，在潜移默化中让学生接受思想的洗礼，达到润物无声的教学效果。

3.4.4 理论与实践融合

将环境专业流体力学中的理论与现实生活中的现象相联系，可以给学生一种亲切感和现实感，更容易接受抽象的理论知识。比如坐高铁时，需要站在黄线之外，否则，就有可能会被吸进轨道而受伤。这是因为列车在高速行驶过程中会带动周围空气快速流动，导致其静压下降，会造成人体两侧的静压差。此外，以乒乓球为例，讲解旋转如何产生。当乒乓球被顺时针摩擦时，产生了旋转，因为表面摩擦加速了气流，速度越大，压强越小，在两边形成了压强差，使乒乓球原来的运动轨迹发生变化。通过列举一些生活中的实例，让学生更好地理解伯努利方程以及其他流体力学知识的实际应用，帮助学生更好的理解课堂知识。

此外，流体力学是一门需要紧密联系实践的课程。学生们如果仅仅机械地背知识做习题，很难做到融会贯通、灵活运用。为改善这种状况，可以引入众多实践环节：例如，让全班学生尝试做纸飞机，通过设计不同的飞机模型让飞机飞得更远，从而让学生在动手实践的过程中真正理解绕流物体的阻力和升力等相关知识。另一方面，可以加强流体力学实验环节。以往的实验大多流于形式，很多学生甚至不清楚实验原理，只是照本宣科地做实验，没有思考和创新。为此，可以让学生参与流体力学实验设计，数据获取，数据分析，实验总结等全部过程，充分发挥学生的动手能力和思考能力，将实验过程中的表现纳入实验考核中去，实现学生的全过程参与。

4 结语

学科之间的交叉融合是现阶段高校教学的改革方向，也是适应现代科学技术发展的趋势，在今后很长一段时间课堂教学都应该朝着学科交叉的方向前进。在环境专业流体力学课程的教学过程中引入其他相关学科的知识，可以开阔学生的视野，更好的帮助学生理解知识，提高学生的学习热情。将思政融入课堂教学中，可以增强学生的历史认同感和爱国情怀，形成正确的价值观念。在课堂知识的学习中，鼓励动手实践，提高学生的操作能力和人创新能力，对于培养专业知识扎实、思维活跃的创新型人才具有重要的意义。