新工科背景下流體力學(xué)與傳熱學(xué)課程教學(xué)改革探討

王任遠(yuǎn)　張敏

摘 要：通過分析流體力學(xué)與傳熱學(xué)課程在教學(xué)中存在的問題，針對這些問題探討了該課程在教學(xué)過程中的一些具體做法，認(rèn)為可從制訂與專業(yè)適宜的教學(xué)大綱、梳理教學(xué)內(nèi)容、選擇合理教學(xué)方式、優(yōu)化考核機(jī)制等方面入手，對該課程的教學(xué)實(shí)踐過程有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：新工科 流體力學(xué)與傳熱學(xué) 教學(xué)改革

Discussion on Teaching Reform of Fluid Mechanics and Heat Transfer under the New Engineering Background

Wang Renyuan，Zhangmin

Abstract：The problems existing in teaching the course of fluid mechanics and heat transfer are analyzed， then some specific practices of the course are discussed to solve these problems. The discussion contains revising teaching syllabus to suite for the different majors， organization of teaching content， selecting reasonable teaching methods， optimizing assessment and evaluation， which have certain reference value for the teaching practice in fluid mechanics and heat transfer course.

Key words：new engineering， fluid mechanics and heat transfer， teaching reform

隨著世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，而建設(shè)和發(fā)展新工科的基礎(chǔ)和核心在于學(xué)科體系中具體的課程[1]。流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程是機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)開設(shè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程之一，在課程體系中有重要的地位。然而，流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)是一門理論性非常強(qiáng)的基礎(chǔ)性學(xué)科，具有學(xué)科交叉、知識融合的特點(diǎn)，專業(yè)開設(shè)需要強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用背景及解決實(shí)際工程問題的能力[2]。因而如何在新工科背景下構(gòu)建與工程實(shí)際結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容成為該課程改革的首要任務(wù)，同時，還要改變教育觀念處理好教與學(xué)的關(guān)系、建立過程性評價貫穿于學(xué)習(xí)全過程，使課堂教學(xué)煥然一新，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及學(xué)習(xí)效果。

1 教學(xué)中存在的問題分析

流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)具有理論性強(qiáng)、公式多、物理數(shù)學(xué)知識運(yùn)用多，內(nèi)容抽象不容易掌握特點(diǎn)[3]，學(xué)習(xí)效果不理想，結(jié)合教學(xué)中的實(shí)際情況，存在以下問題：

1.1 流體力學(xué)與傳熱學(xué)相互獨(dú)立，缺乏聯(lián)系

流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)包括流體力學(xué)和傳熱學(xué)，流體力學(xué)是研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用規(guī)律的科學(xué)，傳熱學(xué)是研究熱量傳遞現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)，是大學(xué)理工科專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，單門具有內(nèi)容完整、邏輯嚴(yán)密、體系科學(xué)的特點(diǎn)，而兩門課程作為一門課程時，相互獨(dú)立，缺乏聯(lián)系。

1.2 教學(xué)內(nèi)容理論多且難，實(shí)踐與應(yīng)用更是難上加難

流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)雖然研究的是生活中常見的現(xiàn)象和規(guī)律，但這些現(xiàn)象和規(guī)律難以用簡單易總結(jié)的理論表述;課程中涉及到的概念、理論抽象不易完全明白，公式難以在腦海中構(gòu)造出準(zhǔn)確的模型，理解起來抽象，導(dǎo)致學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的興趣。即使課堂上通過記憶應(yīng)對文字題目或者考試，但在實(shí)際生產(chǎn)、生活中仍無具體概念，在實(shí)踐中應(yīng)用更是難上加難，這與新工科教學(xué)目的相違背。

1.3 專業(yè)方向多，缺乏針對性

目前，我校開設(shè)本課程的專業(yè)有：車輛工程、機(jī)械電子工程、智能制造工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化等，而不同專業(yè)方向?qū)Ρ菊n程知識需求側(cè)重點(diǎn)不同，該如何針對性安排教學(xué)內(nèi)容和課時量是不容易把握好的問題。

流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)課程迫切需要以專業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)為主線，按專業(yè)特點(diǎn)組合課程內(nèi)容，設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容體系，將理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行整合，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與工程應(yīng)用能力，形成新課程教學(xué)體系，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力、加強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識。

2 教學(xué)改革方案

為了提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生達(dá)到新工科要求，滿足工程需要，結(jié)合同類高校教師的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)[4-8]，從修改教學(xué)大綱、梳理教學(xué)內(nèi)容、選擇合理教學(xué)方式、優(yōu)化考核機(jī)制等方面開展課程改革。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1.1 修訂與專業(yè)相適宜的教學(xué)大綱

教學(xué)大綱是課程的教學(xué)綱要，包括教學(xué)目的、要求、內(nèi)容及課時分配等，而與專業(yè)相適宜的教學(xué)大綱，主要體現(xiàn)在本課程教學(xué)內(nèi)容與后續(xù)核心課程的聯(lián)系。車輛工程后續(xù)核心課有發(fā)動機(jī)原理、汽車制造工藝學(xué)等，流體力學(xué)在車輛專業(yè)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在流體動力學(xué)方面，在傳熱學(xué)上主要體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)上和制造過程刀具材料的控溫控制。因此，在教學(xué)大綱中依據(jù)汽車制造外形及內(nèi)部布置等方面的內(nèi)容，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握流體靜力學(xué)中基本概念，流體動力學(xué)中的阻力計(jì)算;傳熱學(xué)部分介紹傳熱的基本方式與傳熱過程等，結(jié)合發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行講解，突出傳熱學(xué)與車齡工程專業(yè)的聯(lián)系。

機(jī)械制造工程、機(jī)械電子工程等專業(yè)后續(xù)的核心課有液壓與氣壓傳動、機(jī)械制造工藝學(xué)等。流體力學(xué)在機(jī)類專業(yè)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在流體機(jī)械方面，在傳熱學(xué)上主要在傳熱過程和典型換熱設(shè)備上，因此，在教學(xué)大綱中依據(jù)典型流體機(jī)械的內(nèi)容，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握流體靜力學(xué)中基本概念及計(jì)算，流體動力學(xué)中的能量轉(zhuǎn)換;傳熱學(xué)部分除了介紹傳熱的基本方式與傳熱過程等，還應(yīng)結(jié)合典型換熱設(shè)備進(jìn)行講解，突出傳熱學(xué)與機(jī)械專業(yè)的聯(lián)系。

2.1.2 梳理教學(xué)內(nèi)容

為突出課程與專業(yè)的聯(lián)系，讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握課程知識在專業(yè)中的應(yīng)用，進(jìn)而對課程和專業(yè)有更深入準(zhǔn)確的認(rèn)識，將流體力學(xué)與傳熱學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容根據(jù)知識點(diǎn)進(jìn)行如下整合：流體力學(xué)基本知識，流體靜力學(xué)，流體流動基本知識，流體動力學(xué)，傳熱學(xué)基礎(chǔ)，流體流動傳熱軟件介紹及案例分析六部分。前五部分是基礎(chǔ)理論，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解“流體力學(xué)和傳熱學(xué)”的有關(guān)概念和基本理論，獲得必要的有關(guān)流體靜力學(xué)、動力學(xué)及熱量傳遞的基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，最后一部分是用工程軟件直觀的分析專業(yè)工程案例，實(shí)現(xiàn)先理論后實(shí)踐的貫通。

2.1.3 引入案例提高工程應(yīng)用

由于課程理論性強(qiáng)，課程內(nèi)容多概念和公式推導(dǎo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難體會工程案例中的用處，因而，通過課堂的導(dǎo)入，強(qiáng)化課程的工程背景，如在流體力學(xué)基礎(chǔ)部分引入大禹治水、都江堰建設(shè)到課堂，即增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，把課程思政融入課堂，又可以讓學(xué)生用專業(yè)概念、專業(yè)知識分析問題，解決問題。

在靜力學(xué)部分引入液力傳動裝置連接一根軟管傳遞動力的案例，分析液體力的傳遞;動力學(xué)部分引入空氣沿行駛汽車的擾流對汽車外形的影響，分析空氣流動過程中能量變化。這些工程應(yīng)用有著深刻的流體力學(xué)原理，引出這些案例可以吸引學(xué)生的注意，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣。

傳熱學(xué)基礎(chǔ)部分引入汽車發(fā)動機(jī)、液壓裝置的冷卻系統(tǒng)，分析傳熱過程，引入淬火工藝講解非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。

2.2 教學(xué)方法和手段改革

由于課程課時少，僅靠課堂時間完成教學(xué)大綱課程內(nèi)容很難實(shí)現(xiàn)。為此，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)，形成線上線下混合式教學(xué)模式。利用線上學(xué)習(xí)通，導(dǎo)入問題，引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課中利用在線上提出問題，及時反饋學(xué)生掌握情況，課后布置作業(yè)并上傳，以便后期學(xué)習(xí)回顧，基于線上與線下有效對接，將有限的課堂教學(xué)與無限的課外學(xué)習(xí)合理銜接。

2.3 課程評價與考核的改革

從以往學(xué)生學(xué)習(xí)情況來看，由于只采用期末一次性考核，使部分學(xué)生平時缺乏學(xué)習(xí)動力，積極性不高，還有部分學(xué)生考前突擊，成績考核很難反映學(xué)生平時學(xué)習(xí)情況。因此，平時加入過程性考核，變期末一次考試為教學(xué)過程性考核與期末考試相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過程及時反饋，避免學(xué)生學(xué)習(xí)時前松后緊和期末一次性定成敗的局面。

結(jié)合本課程的實(shí)際情況，過程性考核方式有：課前自學(xué)、課堂討論、章節(jié)作業(yè)、小論文等。（1）課前通過學(xué)習(xí)通上傳課件，拋出問題，讓學(xué)生帶著問題自學(xué)，并在線記錄自學(xué)情況及及時評定;（2）課堂分組討論，根據(jù)討論參與程度及發(fā)言質(zhì)量，評定成績;（4）在每章節(jié)后布置一些經(jīng)典作業(yè)，鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容.（3）結(jié)合專業(yè)方向，流體力學(xué)在液壓與氣壓傳動中的具體應(yīng)用，傳熱學(xué)在制造學(xué)中的應(yīng)用，讓學(xué)生查閱資料進(jìn)一步了解專業(yè)，結(jié)合學(xué)習(xí)的內(nèi)容和專業(yè)后續(xù)建立起聯(lián)系，寫出小論文，結(jié)合學(xué)生提交的小論文質(zhì)量予以評定。

3 結(jié)語

通過近年來的課程改革與實(shí)踐，以新工科要求為背景，以加強(qiáng)與專業(yè)聯(lián)系為切入點(diǎn)，圍繞學(xué)科交叉、知識融合的特點(diǎn)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性為目標(biāo)，積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，改革教學(xué)方式和方法，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，培養(yǎng)了學(xué)生的解決實(shí)際工程問題的能力，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉海濤，盧毓俊等.淺談新工科背景下車輛工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].學(xué)周刊，2018（9）：6-8.

[2]閆潔，戴秋蓮，沈劍云.“流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2010（9）：68-69.

[3]馬秀勤，晉芳偉.基于OBE的流體力學(xué)與傳熱學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2020（3）：130-135.

[4]馬秀勤，晉芳偉.基于OBE理念的流體力學(xué)與傳熱學(xué)教學(xué)改革[J].內(nèi)燃機(jī)與配件2019（19）：278-279.

[5]鄭坤燦，龐潤芳等.流體力學(xué)混合式教學(xué)改革[J].中國冶金教育.2020（4）：54-56.

[6]洪鋒，胡濤.基于 CFD 輔助的工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科學(xué)導(dǎo)刊.2020（4）：54-56.

[7]謝元華，楊岱恩等.國內(nèi)高校熱工學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)展分析[J].中國現(xiàn)代教育裝備.2020（23）：77-79.

[8]吳世風(fēng).案例教學(xué)法在傳熱學(xué)課程中的應(yīng)用與優(yōu)化[J].教育教學(xué)論壇.2021（6）：149-152.