《工程流體力學(xué)》課程“專業(yè)化”教學(xué)改革

一、概述
《工程流體力學(xué)》是七大基礎(chǔ)學(xué)科之一的力學(xué)( 一級學(xué)科) 下的二級學(xué)科，是中國石油大學(xué)石油工程、儲運(yùn)工程、熱能與動(dòng)力工程、船舶與海洋工程等十多個(gè)專業(yè)諸多學(xué)科的基礎(chǔ)支撐學(xué)科，一般在大二下學(xué)期或大三開課，主要研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)，它理論性強(qiáng)，概念抽象，偏微分方程推導(dǎo)多，不易理解，雖然其理論在各專業(yè)應(yīng)用廣泛，但學(xué)習(xí)中對學(xué)生高等數(shù)學(xué)知識及綜合分析和處理問題能力要求較高，所學(xué)的內(nèi)容又往往不能直接體現(xiàn)在自己專業(yè)上的應(yīng)用，使得這門課程對許多同學(xué)缺乏吸引力。而且現(xiàn)在的學(xué)生他們更愿意主動(dòng)思考，而不是“被動(dòng)填鴨接受”，他們保持注意力集中的時(shí)間較短，傾向于授課內(nèi)容有吸引力，他們更重視所學(xué)知識在自己專業(yè)方向的應(yīng)用能力，在這些背景下傳統(tǒng)的所有專業(yè)授課內(nèi)容相同，授課方式也只有理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)而缺乏自己動(dòng)手?jǐn)?shù)值模擬和分析流動(dòng)的傳統(tǒng)教學(xué)模式和內(nèi)容出現(xiàn)了難以滿足現(xiàn)在學(xué)生在課時(shí)少而應(yīng)用性強(qiáng)的學(xué)習(xí)要求的現(xiàn)象。
因此我們需要結(jié)合時(shí)代特點(diǎn)進(jìn)行《工程流體力學(xué)》課教學(xué)改革，改進(jìn)流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，分析問題能力和創(chuàng)新解決問題的能力，將流體力學(xué)轉(zhuǎn)向有專業(yè)應(yīng)用特色和學(xué)生自己動(dòng)手?jǐn)?shù)值模擬流動(dòng)的方向，使學(xué)生能更好的提高學(xué)習(xí)興趣，并更好的理解學(xué)到的流體理論知識在專業(yè)方向的應(yīng)用。
二 《工程流體力學(xué)》課程“專業(yè)化”教學(xué)改革的思路
1.《工程流體力學(xué)》教學(xué)改革的指導(dǎo)思想
中國石油大學(xué)根據(jù)教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量若干意見，頒發(fā)了關(guān)于本科培養(yǎng)方案的原則意見，其指導(dǎo)思想是：以打造“精項(xiàng)型、特色型、研究型”本科教育為統(tǒng)領(lǐng)，以促進(jìn)學(xué)生“全面化、個(gè)性化、最大化”發(fā)展為根本，將通識教育與專業(yè)教育有機(jī)融合，科學(xué)教育與人文教育有機(jī)融合，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合，共性培養(yǎng)與個(gè)性發(fā)展有機(jī)融合”的“五融合”育人理念，全面構(gòu)建新型人才培養(yǎng)新體系。
2.傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與模式的弊端
長期以來，我校流體力學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容是所有專業(yè)基本都包含流體及其主要物理性質(zhì)、靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、流動(dòng)阻力與水頭損失、壓力管路的水力計(jì)算、非牛頓流體基礎(chǔ)的幾大塊內(nèi)容。這種安排其實(shí)并非適合所有專業(yè)，比如壓力管路的水力計(jì)算一章包含管路的特性、長管的管路計(jì)算和短管的水力計(jì)算、孔口與管嘴泄流，水擊現(xiàn)象。這一章對于油氣儲運(yùn)專業(yè)和建筑與環(huán)境專業(yè)等都是不可少的內(nèi)容，但對于船舶與海洋工程、熱能與動(dòng)力工程、過程控制與裝備等專業(yè)，在學(xué)時(shí)數(shù)僅有40 學(xué)時(shí)的情況下，這一章的內(nèi)容顯得累贅，因其與專業(yè)相關(guān)不大。
而與專業(yè)相關(guān)性比較大的一些章節(jié)則沒涉及到或因內(nèi)容多而所占學(xué)時(shí)很少。
傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師為中心，沿用黑板和ppt 結(jié)合的“填鴨式”的教法，隨著多媒體的使用和課時(shí)的較少，ppt 的“滿堂灌”也開始了，甚至對課程做筆記的時(shí)間都沒有。這要求學(xué)生課堂上高度集中精神，需緊隨課堂上老師的節(jié)奏，否則一轉(zhuǎn)眼幾頁ppt 翻過，學(xué)生在本質(zhì)上還是被動(dòng)地接受，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)思考，和自己動(dòng)手應(yīng)用所學(xué)知識解決流動(dòng)，分析流動(dòng)問題的能力。尤其是各專業(yè)教學(xué)時(shí)數(shù)減少后，而課程內(nèi)容不的變化的情況下，多媒體滿堂灌情況更是明顯。
3.《工程流體力學(xué)》課程“專業(yè)化”教學(xué)改革《工程流體力學(xué)》課程根據(jù)不同專業(yè)的要求以及學(xué)生自身發(fā)展的需要，授課內(nèi)容進(jìn)行了專業(yè)化調(diào)整，各專業(yè)均涵蓋基礎(chǔ)內(nèi)容加體現(xiàn)專業(yè)特色的章節(jié)，授課方式改革包括了傳統(tǒng)理論講解和體現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用的上機(jī)流動(dòng)模擬，這一教學(xué)改革詳細(xì)體現(xiàn)在如下三方面：
1）結(jié)合專業(yè)制定模塊化教學(xué)大綱
為體現(xiàn)各專業(yè)的授課內(nèi)容能更有利于以后在專業(yè)課上的應(yīng)用，特將授課內(nèi)容分成主體模塊和不同專業(yè)模塊，將主體模塊與不同專業(yè)模塊組合到不同專業(yè)，以體現(xiàn)課程的“專業(yè)化”，表1 是各模塊的授課內(nèi)容。主體模塊主要包括流 體屬性、流體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、水頭損失與流動(dòng)阻力，而專業(yè)模塊則包含與各專業(yè)相關(guān)的不同內(nèi)容，如管路水力計(jì)算，邊界層理論基礎(chǔ)、氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、非牛頓流體基礎(chǔ)、勢流理論和明渠流，根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)，采用主體模塊加專業(yè)模塊的形式，選擇不同的授課內(nèi)容，比如船舶與海洋工程專業(yè)對于長管的水力計(jì)算以及孔口管嘴泄流相關(guān)性較小，可以選擇與船舶設(shè)計(jì)相關(guān)性較大的勢流理論和明渠模塊，而對于熱能與動(dòng)力工程專業(yè)則可以選擇邊界層理論基礎(chǔ)和氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模塊；油氣儲運(yùn)和建筑與環(huán)境專業(yè)則選擇管路水力計(jì)算加邊界層基礎(chǔ)與氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模塊；石油工程專業(yè)則主體模塊加專業(yè)模塊一和四。 2）結(jié)合專業(yè)定制課堂應(yīng)用理論知識的探討
現(xiàn)在的教學(xué)要求教學(xué)過程是學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練和綜合能力的提高過程，這需要教師的趣味性引導(dǎo)、增加授課技巧和吸引力來讓學(xué)生享受教學(xué)過程，讓學(xué)生有主動(dòng)學(xué)習(xí)，并通過自己的思考或動(dòng)手參與到與自己專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，才能提高教學(xué)質(zhì)量。
老師在完成每一章內(nèi)容主講時(shí)必須有啟發(fā)理念，要留下有探討性問題，通過提問引導(dǎo)，讓同學(xué)思考討論，激發(fā)學(xué)生思考所學(xué)知識如何應(yīng)用于本專業(yè)方向。特別強(qiáng)調(diào)的是針對不同專業(yè)的學(xué)生，要定制不同的應(yīng)用探討內(nèi)容，這些應(yīng)用探討和其專業(yè)息息相關(guān)的。例如串并聯(lián)管路計(jì)算問題，對于油氣儲運(yùn)專業(yè)的學(xué)生來說，就提出結(jié)合串并聯(lián)管路特性，如何提高管道輸送流量？采用在主管道上并聯(lián)副管可以提高多少流量？這會使學(xué)生不僅很好地理解并聯(lián)管水力特性這個(gè)概念，而且他們學(xué)習(xí)的知識在今后的工作中會用到。而對于熱能工程專業(yè)的學(xué)生，就以蒸汽機(jī)冷卻水管路的設(shè)計(jì)為例，提出如何減少冷卻水管路的水力損失？引導(dǎo)學(xué)生先將多根冷卻水黃銅管并聯(lián)成一組，然后再串聯(lián)一組并聯(lián)管，這樣的探討能夠讓學(xué)生可清楚地理解重要知識的來龍去脈，結(jié)論性的內(nèi)容也記得牢。對于這些有討論價(jià)值的問題，學(xué)生在經(jīng)過探討后理解加深，而且記憶深刻。
3）結(jié)合專業(yè)定制上機(jī)流動(dòng)模擬應(yīng)用內(nèi)容
科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，也是現(xiàn)在授課的要求。為增強(qiáng)學(xué)生的自己應(yīng)用所學(xué)知識于科學(xué)研究中，我們在本科《流體力學(xué)》課程中將 CFD 理念引入，學(xué)生們在CFD 數(shù)值模擬課堂，利用軟件Fluent 可以清晰既感受到流體力學(xué)在各行業(yè)的應(yīng)用和重要性，又能體會自己動(dòng)手模擬解決部分工程流動(dòng)問題所帶來的興奮和興趣，有效的加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。而上機(jī)模擬的內(nèi)容也是與專業(yè)息息相關(guān)。比如，對于石油工程專業(yè)，我們設(shè)置了三維圓管和環(huán)空內(nèi)的流動(dòng)模擬，本實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬環(huán)空內(nèi)的牛頓流體和非牛頓流體的流動(dòng)，旨在學(xué)習(xí)非牛頓流體模擬的設(shè)置，并將模擬的結(jié)果與理論課中所學(xué)的結(jié)論進(jìn)行對比；對于熱能與動(dòng)力工程專業(yè)則設(shè)置冷熱水混合器內(nèi)的三維流動(dòng)與換熱上機(jī)練習(xí) ，上機(jī)完成冷熱水混合器建模與網(wǎng)格劃分，完成混合器流動(dòng)與換熱結(jié)合計(jì)算，并根據(jù)模擬結(jié)果完成對流動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)化換熱的設(shè)計(jì)與計(jì)算；對于船舶與海洋工程專業(yè)和海洋油氣專業(yè)，則設(shè)置了船舶行駛阻力特性的模擬，通過使用多相流VOF 模型，上機(jī)完成模型建模與網(wǎng)格劃分，完成船舶流動(dòng)計(jì)算，并根據(jù)模擬結(jié)果完成對流動(dòng)優(yōu)化減阻的計(jì)算；對于油氣儲運(yùn)專業(yè)，則上機(jī)完成某輸油管道工程90°水平彎管道內(nèi)油水兩相流動(dòng)，研究流體流經(jīng)彎管過程中的流場變化，分析水平彎管內(nèi)油水兩相流的速度、壓力分布等流動(dòng)特性。在完成自己所做的流動(dòng)模擬后，學(xué)生們興奮地分析流動(dòng)現(xiàn)象，甚至提出流動(dòng)合理的方案設(shè)計(jì)等，大大促進(jìn)了他們對所學(xué)習(xí)知識的應(yīng)用和理解，增加了對課程的興趣。
三、教學(xué)設(shè)備的推薦與介紹

MYLT-17D 流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備

一、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要功能：
1.可測定雷諾
2.伯努力
3.沿程阻力系數(shù)和突擴(kuò)、突縮
4.閥門局部阻力系數(shù)
5.可進(jìn)行孔板
6.文丘里和皮托管流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)
二、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)：
1.外形尺寸：2200×600×1900mm
2.工作電壓：220V    
3.功率：200W
4.水泵：揚(yáng) 程:4M
5.頻 率:50Hz/60Hz  
6.流 量:>5580L/H
7.實(shí)時(shí)顯示流量、雷諾數(shù)、壓力。
8.7寸嵌入式一體化觸摸屏，MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。
三、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置,流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要配置：
1.不銹鋼移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)臺；2.流量傳感器；3.壓力傳感器；4.儲水箱；5.雷諾測試管；6.伯努利測試管；7.沿程阻力系數(shù)測試管；8.突擴(kuò)、突縮測試管；9.閥門局部阻力系數(shù)測試管；10.孔板流量計(jì)測試管；11.文丘里流量計(jì)測試管；12.和皮托管測試管；13.測壓板直接顯示總水頭線和測壓管水頭線。
四、結(jié)束語
本文針對《工程流體力學(xué)》課程的改革“專業(yè)化”進(jìn)行了探討，提出模塊化各專業(yè)教學(xué)大綱，課程中增加帶有各專業(yè)特點(diǎn)的章總結(jié)討論課和能與專業(yè)結(jié)合的上機(jī)流動(dòng)模擬內(nèi)容，使學(xué)生能更好的提高學(xué)習(xí)興趣，并更好的理解學(xué)到的流體理論知識在專業(yè)方向的應(yīng)用。