面向“雙一流”學科的應用型特色流體力學案例庫建設及案例教學實踐

康建宏

摘要：流體力學是中國礦業大學安全工程專業的一門研究生必修基礎課程。從安全工程學科“雙一流”建設的需求出發，優化課程教學體系，建立應用型特色流體力學教學案例庫，并開展了案例教學。教學實踐證明，應用型特色流體案例庫擴充了流體力學的教學資源，使研究生課堂教學與安全工程領域的科研問題緊密結合起來，激發了研究生學習的興趣，強化了課程學習對研究生科研素養的培養，滿足了優勢學科的發展需求，對礦業工程等專業的類似課程教學改革亦有一定的推廣價值和借鑒意義。

關鍵詞：流體力學;案例教學;案例庫建設

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）22-0181-02

一、引言

流體力學課程是安全工程學科研究生必修的一門重要專業基礎課程，在礦井通風、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災防控等工程領域有廣泛的應用。設置流體力學課程的目的在于培養研究生的理論分析能力，要求學生能夠運用流體力學的基本原理解決專業研究過程中遇到的復雜流動問題。

中國礦業大學安全工程學科是教育部“雙一流”建設學科，也是江蘇省優勢學科建設平臺，近兩年研究生培養質量穩步上升，對研究生課程體系要求不斷提高。然而，流體力學研究生課程在內容設置和教學方法上已不能滿足“雙一流”學科建設的需求，有必要圍繞學科特色、服務學科發展的原則進行課程改革研究。在有限的學時內，如何選取恰當的教學內容，使流體力學教學更好的服務于特定專業的需求，這是當前教學中的一個難題。筆者基于多年的流體力學教學經驗及承擔的相關安全類研究課題，以應用型特色流體力學課程體系為研究對象，以典型案例庫建設為研究內容，對現有流體力學課程教學進行了改革，使課堂教學與研究生課題研究、專業需求互相促進，并開展了案例教學實踐，取得了很好的教學效果。

二、應用型特色流體力學案例庫建設

1.案例庫建設的必要性。當前，研究生流體力學課程主要采用理論教學，課堂互動性不夠，學生在學習過程中易產生畏難心理。針對現有流體力學課程內容陳舊、缺乏創新等突出問題，在學時限制的條件下，對教學內容進行適當取舍，通過建立教學案例庫、開展案例教學等手段，使課堂教學更好地服務于安全工程學科“雙一流”建設目標，是流體力學教育教學改革的方向之一。

2.特色案例庫的建設過程。案例庫是案例庫教學的前提，案例庫建設要與教學目的和教學內容相互契合。具有時效性、目的性、實踐性的案例能使教學有序高效地進行。案例庫建設分成五個階段：（1）圍繞教學內容，搜集國內外相關書籍文獻、煤礦企業和科研課題資料，尋找安全工程實踐中的熱點流體力學問題（工程實踐問題）;（2）將工程實踐問題轉化成案例素材，篩選并建立素材庫，形成模塊，以便案例庫建設（素材庫模塊）;（3）對案例模塊進行簡化并修改，撰寫編輯案例庫初稿（案例庫）;（4）進行案例教學（案例教學），主要講解案例基礎理論，并提前布置案例分析內容，將學生分成小組，讓他們課后搜集資料、討論分析并提出疑問;（5）通過問卷調查的形式，收集案例庫教學過程中的優點及存在的問題（教學反饋），更新并完善案例庫。

筆者選取安全工程里面具有代表性的流體力學問題，并結合科研團隊的研究課題，在大量調研分析的基礎上，建設了應用型特色教學案例庫，主要包括礦井通風、瓦斯滲流、煤火防控、降溫除塵、建筑煙氣流動、管道排水、地熱利用、稠化漿體等8個流體力學專題教學案例。然后，可以依據這些教學案例深入淺出地介紹流體力學中關于渦旋運動、能量耗散、非牛頓特性、多相流動、多孔介質流動特性、多元混合氣體流動、氣固耦合流動等教學難點，引導學生探討流體力學在安全工程領域的應用。

三、應用型特色流體力學案例教學實踐

1.傳統教學。隨著研究生培養質量和數量的不斷提升，課堂教學對于培養碩士研究生科研創新能力的作用也日益劇增。流體力學課程開設已久，教材種類繁多，但課堂教育可歸納為“課前預習—課堂教師講授—課后教師評閱”的3段串行模式，缺少創新、實踐性較弱，很難適應“雙一流”學科建設、創新型人才培養的需要。

2.案例教學。案例教學法是一種以工程案例為基礎的教學方法，這種教學方法可以有效引導學生參與課堂討論，提高學生的綜合能力和解決實際問題的能力。選取適當的工程案例，精心設計教學環節引導學生自主探索、參與課堂討論，充分調動學生的積極性。同時，利用板書、多媒體技術、網絡輔助教學相結合的教學手段，給學生提供一個全面、簡便、輕松的教學環境。

鑒于案例教學法的優點，筆者在流體力學教學過程中采用了案例教學，授課對象是本校安全工程專業2017級工程碩士，選課人數108人，一共32學時，前24學時介紹流體力學基本概念和基本方程、基本原理，側重于公式的推導思路。后8個學時選取案例庫中的4個案例進行課堂案例教學。案例教學的主要流程預計分為6個階段：（1）學生分組;（2）將案例資料發給學生，布置預習任務;（3）課堂上應用案例教學法，以提問開頭，引出各小組主要論點;（4）各組討論得出主要結果;（5）小組代表發言;（6）教師總結案例。

以“基于Fluent數值模擬回采工作面粉塵及瓦斯分布規律”的案例教學為例，在開展案例教學之前，教師根據案例教學要求，確定授課重難點，對模擬中需要的理論知識（離散相模型、組份運輸模型、多孔介質模型）進行了簡單的講解，并分組布置任務，讓學生提前預習實踐教學內容。分組討論Fluent數值模擬粉塵和瓦斯在巷道和工作面的運移規律，模擬步驟包括：Gambit軟件建模、模型網格的劃分、掘進工作面粉塵、瓦斯流場邊界條件設置、計算條件設置以及后處理。重點對邊界條件的設置、模擬結果做討論及講解。

3.教學效果檢驗。為了掌握應用型特色流體力學案例庫教學改革的效果及其存在的問題，制作“研究生課程認同度調查問卷”，在案例教學前、案例教學后分別發放調查問卷并回收統計。調查問卷包括以下幾個方面：（1）掌握專業理論知識，幫助我更好的完成科研任務（學以致用）;（2）滿足課程學分要求和畢業要求（滿足要求）;（3）重視研究生課程考試成績（重視成績）;（4）課程死板，不感興趣;（5）棄權或其他原因（其他原因）。案例教學前，學生普遍認為概念和理論模型抽象，計算求解過程復雜，無法將所學知識應用于實際情境中，課堂學習與工程實踐嚴重脫節。開展案例教學后，學生加深了對抽象概念的理解，掌握了流體力學在工程實際中應用的研究思路和方法，為后期工程實踐及科學研究夯實了良好的基礎。課程認同度人數比例總體情況見下圖。

四、結語

案例教學已在美國和歐洲國家的教學過程中普遍運用，但在國內高校開展的為數甚少。在應用型特色流體力學案例庫建設與案例教學實踐過程中，筆者有以下幾點心得：（1）以學科應用需求為導向，建設應用型特色教學案例庫，開展案例教學對研究生的培養可以達到事半功倍的效果;（2）進行案例教學后要及時對案例教學效果進行評價，并根據反饋信息及時更新擴充案例庫，才能更好的服務于專業科學研究;（3）建立的應用型特色流體力學案例庫可以推廣到礦業工程等相關專業，案例教學實踐工作對其他課程也有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]胡坤.應用型本科“計算流體力學”課程改革探索[J].教育教學論壇，2017，（22）：123-124.

[2]賈紹義，夏清，吳松海，等.工程案例教學法在化工原理課程教學中的應用[J].化工高等教育，2010，（3）：78-81.

[3]賈勝輝.應用型本科院校流體力學教學改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2013，（12）：33-34.