《工程流體力學》課程“專業(yè)化”教學改革

一、概述
《工程流體力學》是七大基礎(chǔ)學科之一的力學( 一級學科) 下的二級學科，是中國石油大學石油工程、儲運工程、熱能與動力工程、船舶與海洋工程等十多個專業(yè)諸多學科的基礎(chǔ)支撐學科，一般在大二下學期或大三開課，主要研究流體平衡和運動規(guī)律及其實際應用技術(shù)的科學，它理論性強，概念抽象，偏微分方程推導多，不易理解，雖然其理論在各專業(yè)應用廣泛，但學習中對學生高等數(shù)學知識及綜合分析和處理問題能力要求較高，所學的內(nèi)容又往往不能直接體現(xiàn)在自己專業(yè)上的應用，使得這門課程對許多同學缺乏吸引力。而且現(xiàn)在的學生他們更愿意主動思考，而不是“被動填鴨接受”，他們保持注意力集中的時間較短，傾向于授課內(nèi)容有吸引力，他們更重視所學知識在自己專業(yè)方向的應用能力，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和實驗而缺乏自己動手數(shù)值模擬和分析流動的傳統(tǒng)教學模式和內(nèi)容出現(xiàn)了難以滿足現(xiàn)在學生在課時少而應用性強的學習要求的現(xiàn)象。
因此我們需要結(jié)合時代特點進行《工程流體力學》課教學改革，改進流體力學課程教學內(nèi)容和方法，調(diào)動學生的主動學習能力，分析問題能力和創(chuàng)新解決問題的能力，將流體力學轉(zhuǎn)向有專業(yè)應用特色和學生自己動手數(shù)值模擬流動的方向，使學生能更好的提高學習興趣，并更好的理解學到的流體理論知識在專業(yè)方向的應用。
二 《工程流體力學》課程“專業(yè)化”教學改革的思路
1.《工程流體力學》教學改革的指導思想
中國石油大學根據(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，其指導思想是：以打造“精項型、特色型、研究型”本科教育為統(tǒng)領(lǐng)，以促進學生“全面化、個性化、最大化”發(fā)展為根本，將通識教育與專業(yè)教育有機融合，科學教育與人文教育有機融合，理論教學與實踐教學有機融合，共性培養(yǎng)與個性發(fā)展有機融合”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)教學內(nèi)容與模式的弊端
長期以來，我校流體力學傳統(tǒng)的教學內(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、運動學與動力學、流動阻力與水頭損失、壓力管路的水力計算、非牛頓流體基礎(chǔ)的幾大塊內(nèi)容。這種安排其實并非適合所有專業(yè)，比如壓力管路的水力計算一章包含管路的特性、長管的管路計算和短管的水力計算、孔口與管嘴泄流，水擊現(xiàn)象。這一章對于油氣儲運專業(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、熱能與動力工程、過程控制與裝備等專業(yè)，在學時數(shù)僅有40 學時的情況下，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)容多而所占學時很少。
傳統(tǒng)的教學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的較少，ppt 的“滿堂灌”也開始了，甚至對課程做筆記的時間都沒有。這要求學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，學生在本質(zhì)上還是被動地接受，不能充分調(diào)動學生的主動思考，和自己動手應用所學知識解決流動，分析流動問題的能力。尤其是各專業(yè)教學時數(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》課程“專業(yè)化”教學改革《工程流體力學》課程根據(jù)不同專業(yè)的要求以及學生自身發(fā)展的需要，授課內(nèi)容進行了專業(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)應用的上機流動模擬，這一教學改革詳細體現(xiàn)在如下三方面：
1）結(jié)合專業(yè)制定模塊化教學大綱
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、運動學和動力學基礎(chǔ)、水頭損失與流動阻力，而專業(yè)模塊則包含與各專業(yè)相關(guān)的不同內(nèi)容，如管路水力計算，邊界層理論基礎(chǔ)、氣體動力學基礎(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，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)對于長管的水力計算以及孔口管嘴泄流相關(guān)性較小，可以選擇與船舶設計相關(guān)性較大的勢流理論和明渠模塊，而對于熱能與動力工程專業(yè)則可以選擇邊界層理論基礎(chǔ)和氣體動力學基礎(chǔ)模塊；油氣儲運和建筑與環(huán)境專業(yè)則選擇管路水力計算加邊界層基礎(chǔ)與氣體動力學基礎(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)定制課堂應用理論知識的探討
現(xiàn)在的教學要求教學過程是學生創(chuàng)新思維訓練和綜合能力的提高過程，這需要教師的趣味性引導、增加授課技巧和吸引力來讓學生享受教學過程，讓學生有主動學習，并通過自己的思考或動手參與到與自己專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)課程學習，才能提高教學質(zhì)量。
老師在完成每一章內(nèi)容主講時必須有啟發(fā)理念，要留下有探討性問題，通過提問引導，讓同學思考討論，激發(fā)學生思考所學知識如何應用于本專業(yè)方向。特別強調(diào)的是針對不同專業(yè)的學生，要定制不同的應用探討內(nèi)容，這些應用探討和其專業(yè)息息相關(guān)的。例如串并聯(lián)管路計算問題，對于油氣儲運專業(yè)的學生來說，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？這會使學生不僅很好地理解并聯(lián)管水力特性這個概念，而且他們學習的知識在今后的工作中會用到。而對于熱能工程專業(yè)的學生，就以蒸汽機冷卻水管路的設計為例，提出如何減少冷卻水管路的水力損失？引導學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。對于這些有討論價值的問題，學生在經(jīng)過探討后理解加深，而且記憶深刻。
3）結(jié)合專業(yè)定制上機流動模擬應用內(nèi)容
科研與教學有機結(jié)合，也是現(xiàn)在授課的要求。為增強學生的自己應用所學知識于科學研究中，我們在本科《流體力學》課程中將 CFD 理念引入，學生們在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在各行業(yè)的應用和重要性，又能體會自己動手模擬解決部分工程流動問題所帶來的興奮和興趣，有效的加強了學生學習的積極主動性。而上機模擬的內(nèi)容也是與專業(yè)息息相關(guān)。比如，對于石油工程專業(yè)，我們設置了三維圓管和環(huán)空內(nèi)的流動模擬，本實驗模擬環(huán)空內(nèi)的牛頓流體和非牛頓流體的流動，旨在學習非牛頓流體模擬的設置，并將模擬的結(jié)果與理論課中所學的結(jié)論進行對比；對于熱能與動力工程專業(yè)則設置冷熱水混合器內(nèi)的三維流動與換熱上機練習 ，上機完成冷熱水混合器建模與網(wǎng)格劃分，完成混合器流動與換熱結(jié)合計算，并根據(jù)模擬結(jié)果完成對流動進行強化換熱的設計與計算；對于船舶與海洋工程專業(yè)和海洋油氣專業(yè)，則設置了船舶行駛阻力特性的模擬，通過使用多相流VOF 模型，上機完成模型建模與網(wǎng)格劃分，完成船舶流動計算，并根據(jù)模擬結(jié)果完成對流動優(yōu)化減阻的計算；對于油氣儲運專業(yè)，則上機完成某輸油管道工程90°水平彎管道內(nèi)油水兩相流動，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、壓力分布等流動特性。在完成自己所做的流動模擬后，學生們興奮地分析流動現(xiàn)象，甚至提出流動合理的方案設計等，大大促進了他們對所學習知識的應用和理解，增加了對課程的興趣。
三、教學設備的推薦與介紹

MYLT-17D 流體力學綜合實驗設備

一、工程流體力學實驗設備,流體力學綜合實驗裝置,流體力學綜合實驗設備主要功能：
1.可測定雷諾
2.伯努力
3.沿程阻力系數(shù)和突擴、突縮
4.閥門局部阻力系數(shù)
5.可進行孔板
6.文丘里和皮托管流量系數(shù)的實驗
二、工程流體力學實驗設備,流體力學綜合實驗裝置,流體力學綜合實驗設備技術(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 程:4M
5.頻 率:50Hz/60Hz  
6.流 量:>5580L/H
7.實時顯示流量、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，具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。
三、工程流體力學實驗設備,流體力學綜合實驗裝置,流體力學綜合實驗設備主要配置：
1.不銹鋼移動式實驗臺；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、突縮測試管；9.閥門局部阻力系數(shù)測試管；10.孔板流量計測試管；11.文丘里流量計測試管；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》課程的改革“專業(yè)化”進行了探討，提出模塊化各專業(yè)教學大綱，課程中增加帶有各專業(yè)特點的章總結(jié)討論課和能與專業(yè)結(jié)合的上機流動模擬內(nèi)容，使學生能更好的提高學習興趣，并更好的理解學到的流體理論知識在專業(yè)方向的應用。