基于成果导向理念的工程流体力学课程教学设计与实践

马林 祝星

基金项目：国家自然科学基金委员会“磁纳米流体各向异性调控机制及热质协同研究”（51966005）；第三期教育部供需对接就业育人项目“冶能天津钢管就业实习基地项目”（2023122630832）；高等学校能源动力类教学研究与实践项目“东南亚能源动力类‘一带一路新工科人才培养模式探索与实践”（NDJZW2021Z-52）；云南省本科教育教学改革研究项目“绿色能源现代产业学院建设路径研究”（JG2023009）；2023年昆明理工大学本科教育教学改革研究项目“创新创业教育融合冶金与能源动力类专业教育培养模式的创建与实施”（79）；2023年昆明理工大学一流本科课程《工程流体力学》（139）

第一作者简介：马林（1985-），女，汉族，山西朔州人，博士，讲师。研究方向为新能源环境评价及优化。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.025

摘  要：工程流体力学是能源与动力工程专业的学科基础课，对学生后续课程学习和专业技能提升具有重要的支撑作用。该课程理论强、学时短、公式推导多、学习难度大。为此，将OBE教育理念融入工程流体力学教学设计实践中，按照教学大纲的要求，完善课程目标和内容，以产出为导向，优化教学方法、手段及考核方式。通过教师专业素质提高，成果转化、思政融入，案例库构建，教学资源整合等措施，构建产学研融合、混合式教学的培养模式，设计过程性耦合结果性考核方式，全方位调动学生学习的积极主动性和自主学习创新能力，精准化达成课程培养目标。

关键词：OBE；工程流体力学；课程思政；能源与动力工程；精准化

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0101-04

Abstract： Engineering Fluid Mechanics is a basic subject course for energy and power engineering majors， which plays an important supporting role for students' follow-up course learning and professional skills improvement. There are strong theory， short learning time， many formula derivation， and great learning difficulty for this course. To this end， the OBE education concept is integrated into the teaching design practice of Engineering Fluid Mechanics. According to the requirements of the teaching syllabus， the course objectives and contents are improved， and the teaching methods， means and assessment methods are optimized with the guidance of output. Through measures such as the improvement of teachers' professional quality， the transformation of achievements， the integration of ideology and politics， the construction of case database， and the integration of teaching resources， the training mode of industry-university-research integration and hybrid teaching has been constructed， and the process coupled results-based assessment method has been designed， which fully mobilizes students' learning initiative and independent learning innovation ability， and accurately achieves the course training goal.

Keywords： OBE; Engineering Fluid Mechanics; curriculum ideology and politics; energy and power engineering; precision

工程流体力学课程既具有流体力学的系统理论，又包含实际应用技术，是能源与动力工程专业（以下简称“能动专业”）的一门主要学科基础课。作为必修课程，为本专业学生掌握空气、高温炉气、烟气、水蒸汽、水和气体燃料等流体在各种设备中呈现何种规律提供主要的知识支撑，是毕业生今后从事与流体平衡和运动相关科学研究、技术开发、生产运行和管理等工作应该具备的基本学科知识。在能动专业本科学习体系中占据着十分重要的地位。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出，基于教师的主导性作用，教育要以学生为主体，充分发挥学生的主动性，把促进学生健康成长作为学校一切工作的出发点和落脚点[1]。OBE（Outcome-based Education）教育理念，正是一种以学生为主，教师为辅[2-4]，以学习成果为导向，充分调动学生的积极主动性，用逆向思维对课程体系进行设计的教学理念。目前，国内外许多高校都将其应用于课程教学改革中，并初见成效[5-8]。图1为知网检索关键词“成果导向教育”针对各个专业教学改革的统计数据图。可以发现，关于工程流体力学的研究较少，尤其是能源与动力工程专业，因此，有必要就本专业的工程流体力学课程有效融入OBE理念进行深入研究，本文针对能动专业工程流体力学在教育教学过程中的现状，将OBE教育理念有效融入课程教学设计中，提出了一些教学方法和手段，通过实践取得了一定的效果。

一  OBE教育理念

OBE教育理念，以学习成果或者结果为导向，采用逆向思维开展课程体系建设[9]，是20世纪90年代在美国、加拿大、英国等国家兴起的教育改革理念[10]。1981年，由美国学者Spady等[11]首次提出，它的定义是明确定位培养目标并系统地组织实施教学过程，以确保学生围绕培养目标而开展学习活动，使学生在毕业时获得实质性的学习成果[12]。2013年6月，我国成为《华盛顿协议》的正式会员，OBE教育理念也随之逐步渗透到我国工程教育的各个领域[10]。

OBE注重对学生学习的产出进行分析，反向设计学生的教育结构以及相关评价体系，主要强调如下四个问题：①我们想让学生取得的学习成果是什么；②为什么要让学生取得这样的学习成果；③如何有效帮助学生取得这些学习成果；④如何知道学生已经取得了这些学习成果。其中成果是指学生最终取得的学习结果，是学生通过某一阶段学习后所能达到的最大能力。以上问题分别对标课程目标、课程内容、教学方法和课程考核方式。

二  课程教学现状

工程流体力学涉及物理、数学、热学和力学等多学科，对学生的知识储备要求高，集中表现在大一先修的公共基础课——高等数学。其次，概念抽象、理论性强、公式推导枯燥，且与工程实践结合紧密，是高等院校能动专业较难掌握的一门基础必修课程（现状1）。工程流体力学课程在新版培养方案中仅有48学时（现状2），对于一门专业性很强、兼具内容深度和宽度的课程而言是远远不够的，如果教师不能保证内容精度，仍然保持原有教学方法和手段，课堂反应往往过于平静，学生学习主动性差，降低学习兴趣，很难在学时范围内掌握该课程的理论及其应用（现状3），也就与预期的教学效果相差甚远。工程流体力学以前的课程评定包括平时成绩与期末成绩，平时成绩来源于学生出勤、课堂表现、课后作业等环节，期末成绩以闭卷形式进行考核，内容主要集中在理论知识上，对理论知识应用能力的考核相对较少（现状4）。

三  基于OBE教育理念的课程教学设计

在深刻剖析工程流体力学课程（以下简称“本课程”）教学现状的基础上，紧密围绕能源与动力工程专业人才培养要求，构建了基于OBE教学理念的课程教学设计，如图2所示。

图2  基于 OBE 理念的课程教学设计

（一）  课程目标

针对本课程教学现状，参考培养方案课程目标与毕业要求的对应关系，结合本专业实际情况，根据OBE教育理念，反向设计课程教学，首先明确教学目标：运用物理、工程热力学、工程力学等基础知识，学习流体力学的基本概念和术语，掌握流体分类、测量、运动分析等应用于复杂工程问题的基本原理（目标1）；能够识别复杂流动工程问题的关键环节，选择恰当的流动方程和解析方法对实际流动问题进行建模和求解（目标2）；使学生在今后的工作中有效地运用流体力学的原理和技能，合理开发并应用相关技术，提高学生的专业素养以及多元思维方式（目标3），为其将来做好本职工作和自我管理，增强在组织中的适应能力，并更好地在组织中履行好自己的职责，以及成为企业管理者打下基础（目标4）。

（二）  课程内容

本课程选用归柯庭教授主编的“十三五”江苏省高等学校重点教材——《工程流体力学》，教材的主要内容包括10章，依次为流体及其物理性质、流体静力学、流体流动特性、流体动力学分析基础、量纲分析与相似原理、不可压缩流体的无黏流动、不可压缩黏性流体的内部流动、不可压缩黏性流体的外部流动、可压缩流体的流动、计算流体力学简介。内容丰富、扩展性强，48学时内倾注给学生并被学生所接受基本不可能，因此需对其进行优化精简，以优化培养目标为导向，弱化了该教材中最后两章内容，以教学案例的形式增加了学科相关应用。完成教学大纲要求的同时，调动了同学们的积极主动性，增强了同学们解决复杂问题的实践能力。

（三）  教学方法及手段

1  提高专业素质，将科研成果向教学转化

积极参加国际、国内交流和教学座谈会，通过专业网站与论坛，了解流体力学行业最新动态，与同行业人士加强交流与合作，并广泛收集最新教学资料，为课堂教学提供丰富的工程实践案例和素材，比如将中国工程院院士王向明《飞机结构设计选型及应用》主旨报告内容充实到第5章“模型相似”对应内容中。将最新的科研进展信息在课堂活动中及时传递给同学们，比如简述了李雪娇高级工程师讲授的“超低能耗电解烟气高效脱硫技术”的部分内容，让学生了解流体力学领域的最新科研成果，引导学生加强对本课程的兴趣，为学生就业和研究生继续教育打下良好的基础。对标现状3、4，可达成目标3。

2  坚持育人为本，落实立德树人

有力发掘专业课程中蕴含的思政教育元素，并将其充分地融入教学设计、课程讲义和讲授中，将价值观教育在专业知识的教学过程中进行穿插，比如：流体力学发展史中引入我国都江堰工程和京杭大运河，讲授我们的祖先在二千多年前就已经掌握的流体力学知识，增强学生的民族自豪感，坚定文化自信；讲授涡流时引入循环流化床锅炉中旋风分离器的工程应用，培养学生科学探索的精神；通过科研项目、合作企业的科学研究和工程项目建设事迹的背后故事，突出价值引领和立德树人的教育目标，提升学生们的专业自豪感和行业认同感，等等。潜移默化地做到专业知识教学的显性教育与价值观的融会贯通，努力实现具有“全球视野、创新精神、专业素养”的人才培养目标，使学生初步具备能源人的使命感和责任感。对标现状3、4，可达成目标4。

3  筛选整合素材，加强案例库建设

教学案例库由思政案例、基础案例、实践案例和创新引导案例组成。案例库结合探究式、讨论式、互动式、专题式和实验（实践）教学等多种途径，立足区域主导产业、新兴产业、特色产业和重点产业，穿插社会上的热点问题、领域内重点问题、实践中代表性问题以及新领域新技术在工程中的应用介绍。通过素材收集与选取进行案例制作，详细案例素材通过调研、采访、文献查阅或从课题组成员主持参与科研课题等方式收集，重点收集课题组合作企业一线与课程相关的技术资料进行整合。依据案例建设的真实性、典型性、客观性、时效性、创新性和系统性等基础原则，将收集的案例素材进行取舍、优化，建设案例库成果汇编成简装内部讲义，以多媒体课件和拍摄视频等形式呈现给学生，大大增强了学生的学习兴趣，鉴于课时量现状，一部分视频案例课后通过线上推送给学生，对标现状1、2、3，可达成目标1、2、3、4。

4  丰富教学资源，改进教学模式

为了帮助学生理解和记忆课程的核心知识点，课上绘制思维导图，尤其是在讲解公式推导时，通过内容和图的匹配性讲解，扩展学生思维方式，激发学生解决问题的能力，鼓励学生自主学习意识。其次结合翻转课堂、企业实践线上教学（实践案例库）、虚拟仿真实验等混合式教学模式开展线上线下同步课堂教学教改活动。课下借助慕课平台、智慧树平台（课程组开发的本课程网络慕课课程）及微信等互联网媒介，拓展学习时间和空间，将课堂上难以理解的抽象概念和反应机理以视频、图片等直观易懂的多媒体方式呈现给学生，例如：雷诺实验、皮托管和文丘里管的管内流动、不同雷诺数下的卡门涡街、绕流流线型物体和非流线型物体的流场、不同流速下的微弱扰动波的传播等，通过这些视频演示，能够发挥更直观、逼真的视觉效果，使学生对流体流动有感性认识，在加强与学生互动的同时，锻炼学生探究问题能力，使学生能够利用课余的碎片化时间借助手机、电脑等终端辅助自主学习。针对学生通过课堂（线上、线下）、微信等媒介反馈的难点问题及困惑，进行集中或个别辅导答疑。对标现状1、2、3、4，可达成目标1、2、3、4。

5  创设问题情景，开展个性化差异教学

每节课以一定的任务情景展开，即培养学生的创新思维，又能发挥学生的主观能动性，让学生主动学习知识。例如：在讲解第2章作用在流体上的力时，过程中穿插实际流体受力情况分析问题；讲解第3章流体流动的研究方法时，引入候鸟迁徙进行讲解，通过提出问题、层层深入、回答问题，使得学生抓住问题本质，轻松掌握了流体的受力情况以及流体流动的两种研究方法，同时也扩展了学生的思维方式，对所学知识有了专业性的理解。

尝试开展个性化差异教学，分层递进培养体系，依据从全员到个体的范式，根据学生的个性差异、兴趣和潜质，通过分级预考将学生按基础或需求划分不同的教学群体，把不同的教学资源分配给最需要的学生，强化或扩展相应的知识模块，并对不同的学生群体提出相应的教学成果要求，用不同的教学手段、训练方法和评测方法力求达到教学的最终目标，主动吸纳有余力、感兴趣的同学进入科研团队，了解感兴趣学科方向的发展动态，学习科研方法、实验技能和论文写作技能，开展科学研究，指导学生参加“中国国际‘互联网+大学生创新创业大赛”“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”等科研创新活动，全覆盖调动学生的积极主动性。对标现状1，可达成目标1、2、3。

（四）  课程考核方式

适当增加作业、课堂表现、线上学习等成绩在评定中的比重，降低期末成绩考核的占比，打破期末考试检验学习效果的决定性作用，确定平时成绩占总成绩的40%，主要包括课堂考勤、过程性考核（线上和线下），过程考核中，注重学生专题调研、课堂讨论、课后作业和创新思维的考察，鼓励学生增强课堂融入感，调动课堂积极性。期中成绩占总成绩的10%，增加了开放性课题的探讨。期末成绩占总成绩的50%。采用多阶段、多形式、多类别和多成绩评定的方式提高了学生对本课程的学习兴趣，加大学生对课程的投入，强化学生的课外自主学习，真正反映了学生的综合素质、创新能力、技能水平，科学、全面、客观以及公正的考核，实现了对学生的多元评价。

四  教学效果

基于OBE教学理念重构工程流体力学教学内容，以结果为导向，提高了教学水平，效果突出、成效显著。通过差异化教学，提高了学生的接受能力，实现了学生个性化学习，通过案例库建设、教学资源丰富等教学模式的优化，促进了师生互动，充分调动学生学习的积极性，使学生初步形成了分析和解决问题的能力，为学生参加实际工作、掌握专业技能及进一步深入学习打下了必要的基础，通过思政元素融入，培养了具有家国情怀、行业使命、工匠精神和精湛技艺的高级工程技术人员和管理人员。课程得到学生广泛认可，被学生评价为“性价比高的课程”，被同行教师评价为“教学目标明确，内容准确充实，重点突出，课堂气氛轻松活跃”，校内督导的最终评教结果显示“本课程的授课教师理论教学水平高，教学态度端正，责任心强，备课充分，PPT课件效果好，内容熟练，讲解形象生动，思政效果明显，举例通俗易懂，学生互动交流佳，评价等级优”。学生期末的总评通过率由2019级学生的91.67%上升到2021级学生的100%。课程获评2023年昆明理工大学一流本科课程和质量达成性评价“国内一流”课程。

五  结束语

基于OBE教育理念，针对工程流体力学教学现状，重构教学目标、教学内容，以结果为导向，丰富了教学模式和考核方式，通过教师专业素质提高，成果转化、思政融入，案例库构建，教学资源整合、情景预设等措施，全方位调动了学生学习的积极主动性，精准化达成了课程培养目标。通过本课程的优化，推动了能源与动力工程专业课程建设与改革，为昆明理工大学其他课程的建设与改革工作提供了有价值的经验。

参考文献：

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