應用型本科院校工程流體力學(xué)課程改革與實(shí)踐

隨著(zhù)工業(yè)化的發(fā)展，生態(tài)破壞和環(huán)境污染已成為人類(lèi)社會(huì )面臨的兩大類(lèi)環(huán)境問(wèn)題，嚴重制約了經(jīng)濟、社會(huì )的可持續發(fā)展。
為解決日益突出的環(huán)境問(wèn)題而產(chǎn)生的環(huán)境工程這一學(xué)科也迅速成熟［1］。環(huán)境工程的大多數過(guò)程是在流體流動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行的，如利用管道或明渠等設施輸送流體、氣體和液體中的顆粒物的分離、連續運行生化反應器中污染物的去除等。而環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)中關(guān)于污染物的遷移和擴散問(wèn)題、流體在管路中的輸運問(wèn)題均離不開(kāi)工程流體力學(xué)的基本知識。因此，對于環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，工程流體力學(xué)是重要專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎課程，其教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣，在一定程度上會(huì )影響環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識架構和從業(yè)能力，進(jìn)而影響到畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量。然而地方院校環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)工程流體力學(xué)課程的學(xué)時(shí)一直在壓縮，工程流體力學(xué)的內涵和前言卻一直在更新變化，要講授的知識越來(lái)越多。加之應用型地方本科院校對于人才培養的要求不斷提高，強調人才培養的創(chuàng )新性和前沿性。因此，本文立足應用型人才培養轉型發(fā)展的需求，從我校環(huán)化學(xué)院環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，對工程流體力學(xué)課程基于能力培養的課程體系建設進(jìn)行思考，對該課程的教學(xué)內容、教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行了探討改革和實(shí)踐。希望以此提高我校工程流體力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養出具有創(chuàng )新性、實(shí)踐性的應用型畢業(yè)生，以適應新形勢下市場(chǎng)發(fā)展對環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)人才培養工作的要求。
1 教學(xué)內容的改革
1． 1 優(yōu)化培養方案
“工程流體力學(xué)”是研究流體本身的靜止狀態(tài)和運動(dòng)狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)規律的一門(mén)學(xué)科，其主要由流體靜力學(xué)、流體運動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)三部分組成［2］。該課程是環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)主要的專(zhuān)業(yè)基礎課，其教學(xué)效果好壞也直接影響了后續主干課程如水污染控制工程、大氣污染控制工程等的學(xué)習。因此，工程流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程的改革和創(chuàng )新有助于培養學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣，打好專(zhuān)業(yè)基礎，在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)人才培養中有著(zhù)十分重要的作用。目前，地方本科院校面臨應用型本科教育轉型的機遇和挑戰，為了適應時(shí)代的發(fā)展，其人才培養方案也應做適當的調整。首先，我們通過(guò)對社會(huì )環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)人才需求情況的調研和分析，制定了環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的職業(yè)崗位群及與其對應的專(zhuān)業(yè)能力。工程流體力學(xué)這門(mén)課對應的主要環(huán)境從業(yè)職業(yè)崗位是環(huán)境工程設計工程師、安裝調試工程師、環(huán)境修復工程師和銷(xiāo)售工程師等，旨在培養學(xué)生的環(huán)境工程設計與運營(yíng)管理能力。其次，根據崗位需要具備的專(zhuān)業(yè)能力，制定了相應的人才培養目標。工程流體力學(xué)這門(mén)課要求學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本理論、基本計算方法、基本實(shí)驗技能以及在工程實(shí)際中的初步應用。通過(guò)該課程的學(xué)習使學(xué)生初步具備分析和解決實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題的能力，能夠從事環(huán)境工程設計行業(yè)的技術(shù)研發(fā)、工藝控制等，培養具有實(shí)踐能力和創(chuàng )新精神的應用人才。
1． 2 調整教學(xué)內容
工程流體力學(xué)這門(mén)課現階段使用的教材是冶金工業(yè)出版社謝振華主編的《工程流體力學(xué)》( 第4 版) ，該教材系統地闡述了流體力學(xué)的基礎理論及其應用，主要內容包括: 流體靜力學(xué)基礎、流體動(dòng)力學(xué)基礎，黏性流體運動(dòng)及其阻力計算，有壓管流與孔口、管嘴出流，明渠均勻流與堰流，泵與風(fēng)機、工程流體力學(xué)應用實(shí)例等。通過(guò)該課程的學(xué)習可以使學(xué)生初步具備分析和解決實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題的能力，并為學(xué)習后續專(zhuān)業(yè)課程、從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作和進(jìn)行科學(xué)研究打下良好的基礎。
《工程流體力學(xué)》理論性強，概念抽象，然而高等學(xué)校工程流體力學(xué)課程的學(xué)時(shí)一直在壓縮。同時(shí)學(xué)習工程流體力學(xué)這門(mén)課之前，學(xué)生已經(jīng)完成了高等數學(xué)、大學(xué)物理等相關(guān)課程的學(xué)習。這就要求我們優(yōu)化《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)內容，避免不必要的重復，利用有限的學(xué)時(shí)，深化工程流體力學(xué)課程的主要內容，滲透前沿知識，應對應用型人才培養的需求。所以在組織課堂教學(xué)內容時(shí)，結合高等數學(xué)、大學(xué)物理等的教學(xué)內容及其與《水污染控制工程》及《大氣污染控制工程》等后續主干課程間的緊密，對工程流體力學(xué)的教學(xué)內容進(jìn)行了重整，適當弱化了與高等數學(xué)及大學(xué)物理重復部分繁難公式的推導和微元運動(dòng)的分析，重點(diǎn)講授基本概念、公式的物理意義、應用條件和各項參數的含義方面的內容，增加與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)知識相的內容介紹。教會(huì )學(xué)生如何把基礎理論應用在環(huán)境保護與環(huán)境污染治理中，以此拓寬學(xué)生的知識面，培養學(xué)生理論實(shí)際，利用理論知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力。如流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)部分，略去其中關(guān)于微分方程及其積分的數學(xué)推導，重點(diǎn)講授流體靜力學(xué)基本方程、伯努利方程等的適用范圍、物理意義、各參數的應用條件; 同時(shí)，結合流體力學(xué)實(shí)驗中測壓管的使用，使學(xué)生更好地理解伯努利方程中位置水頭、壓強水頭和速度水頭的概念及他們之間的關(guān)系。以環(huán)境工程中的實(shí)際工程( 例如城市排水管道、市政污水處理廠(chǎng)、學(xué)校污水處理站) 為例，對孔口管嘴、有壓管流、明渠流、泵與風(fēng)機等應用流體力學(xué)的部分進(jìn)行講解，可以使學(xué)生對流體力學(xué)理論在環(huán)境工程實(shí)踐領(lǐng)域的工程應用有深刻的認知。當前，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和數值模擬建模技術(shù)的提高，計算流體力學(xué)( CFD) 對流體力學(xué)理論的發(fā)展起到重要作用，在流體力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中可以增加2 ～ 4 學(xué)時(shí)關(guān)于計算流體力學(xué)技術(shù)的介紹，不僅可以轉化學(xué)生思維方式、拓展學(xué)生學(xué)術(shù)視野，還可以為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習深造奠定基礎。
2 教學(xué)方法的改革
2． 1 體驗式教學(xué)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)
培養應用型人才要求培養學(xué)生的創(chuàng )新性和實(shí)踐性，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。而傳統教學(xué)模式往往不利于學(xué)生自我身份構建、自我任責及主觀(guān)能動(dòng)性的發(fā)揮，缺乏對學(xué)生能力的培養和鍛煉。因此在教學(xué)中要以學(xué)生為主，加強基于能力的培養。為此在教學(xué)中實(shí)行“學(xué)生講、老師聽(tīng)”的換位學(xué)習模式，即將學(xué)生劃分小組，每組擬定一個(gè)與流體力學(xué)相關(guān)的工程案例作為研究課題，組內學(xué)生分工合作分別進(jìn)行文獻查詢(xún)、資料整理、演示文稿制作等工作，后在每堂課前走上講臺講解該小組的演示文稿。報告結束后，教師組織引導學(xué)生參與討論，可隨機向匯報組成員提問(wèn)。通過(guò)這樣的體驗式教學(xué)方式，可以發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng )新性，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內拓展知識面，同時(shí)鍛煉學(xué)生語(yǔ)言表達能力、動(dòng)手能力和團隊合作能力。
2． 2 打破單一驗證性實(shí)驗教學(xué)，加大綜合性、創(chuàng )新性實(shí)驗比例，提高學(xué)生創(chuàng )新能力和綜合素質(zhì)
工程流體力學(xué)是一門(mén)理論和實(shí)踐并重的學(xué)科，實(shí)驗教學(xué)可以培養學(xué)生基本操作技能、嚴謹的科學(xué)態(tài)度、理論實(shí)際的能力。然而原有的工程流體力學(xué)實(shí)驗課內容相對簡(jiǎn)單，缺少設計性和研究性，而且學(xué)生對實(shí)驗前的準備工作不夠了解，容易忽略對學(xué)生實(shí)驗全局設計思路的考核。因而引入綜合性的實(shí)際工程模擬類(lèi)實(shí)驗，讓學(xué)生真正參與整個(gè)研究過(guò)程( 課題確定、查閱文獻、確定實(shí)驗方法、前期試劑儀器的準備、數據測定、結果處理到實(shí)驗報告的完成) ，有助于培養學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力和綜合素質(zhì)。
2． 3 引入實(shí)際工程案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，培養學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力
工程流體力學(xué)是環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的重要技術(shù)基礎課，如何在有限的課時(shí)內，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，加強學(xué)生對環(huán)境工程設計與運營(yíng)管理本質(zhì)的認識，培養學(xué)生利用理論知識解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的能力，對于培養應用型專(zhuān)業(yè)人才至關(guān)重要。因此，在教學(xué)過(guò)程中引入切身相關(guān)的實(shí)際工程案例，利用所學(xué)的基礎理論和方法對其剖析，激發(fā)學(xué)生求知欲和自主性，培養學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。如在學(xué)習粘性流體運動(dòng)及其阻力計算的內容時(shí)，可以將學(xué)生實(shí)習的污水處理廠(chǎng)作為案例進(jìn)行分析。以污水處理廠(chǎng)中的格柵、沉砂池、曝氣池、二沉池、纖維轉盤(pán)濾池和消毒池等不同處理單元為對象，分析計算其沿程阻力損失和局部阻力損失，從而將學(xué)生在課堂上所學(xué)的理論知識與實(shí)踐中見(jiàn)到的工程體系結合起來(lái)，終深化學(xué)生對流體力學(xué)理論知識的認知深度，明確其在工程上的適用范圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習理論知識用以解決實(shí)際工程問(wèn)題的主動(dòng)性。
3 考核方式的改革
在培養方案和教學(xué)內容改革的基礎上，考核方式也應做相應調整。在應用型人才培養轉型的背景下，結合實(shí)際發(fā)展，將工程流體力學(xué)的成績(jì)設置為3 部分: 期末考試占60%，實(shí)驗成績(jì)占20%，平時(shí)成績(jì)占20%。其中平時(shí)成績(jì)主要依據學(xué)生課堂參與度，課下作業(yè)完成情況，以及分組對實(shí)際工程中流體力學(xué)應用的講解進(jìn)行打分，由此評價(jià)學(xué)生積極主動(dòng)性和團隊合作能力。實(shí)驗成績(jì)主要依據學(xué)生對流體力學(xué)基本實(shí)驗過(guò)程中的參與及表現打分，以此評定學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。期末考試采取開(kāi)卷形式，試卷命題中多以結合實(shí)際工程案例的綜合題為主，防止學(xué)生死記硬背流體力學(xué)公式，使其真正將所學(xué)知識應用到解決實(shí)際問(wèn)題中去。
4 結語(yǔ)
目前，隨著(zhù)國內對環(huán)境問(wèn)題重視程度的提高，對于專(zhuān)業(yè)型人才的需求也在逐年增加。應用型人才培養是要塑造全面、具有可持續發(fā)展和創(chuàng )新能力的人才。所以在這樣的轉型背景下應加強雙師型隊伍建設，使從事相關(guān)教學(xué)的教師“走出去、走回來(lái)”，具備理論教學(xué)的素質(zhì)的同時(shí)也應具備實(shí)踐教學(xué)的素質(zhì)，在有限的時(shí)間內，提高學(xué)生的全面素質(zhì)，培養真正的環(huán)境工程應用型人才。