“兩性一度”指向下流體力學(xué)榮譽(yù)課程建設(shè)探索\t

摘要：文章根據(jù)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，確定了流體力學(xué)榮譽(yù)課程在教學(xué)大綱重塑、教學(xué)方法創(chuàng)新、師資隊(duì)伍建設(shè)、學(xué)生選拔和考核要求等方面的目標(biāo)和原則，提出了以問題驅(qū)動為抓手、以基本概念為支點(diǎn)、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向、以虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)為拓展的榮譽(yù)課程特色。以連續(xù)方程四種形式及其與不同流動模型之間的關(guān)系為重點(diǎn)內(nèi)容，以虛擬仿真平臺中計算流體力學(xué)技術(shù)案例和現(xiàn)代流體測量技術(shù)進(jìn)展綜合性作業(yè)為典型，指出了“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”三標(biāo)準(zhǔn)在課程教學(xué)內(nèi)容、虛擬教學(xué)平臺和學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出中的要求體現(xiàn)，相關(guān)探索可為工科流體力學(xué)榮譽(yù)課程及其他力學(xué)榮譽(yù)課程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：“兩性一度”；流體力學(xué)；榮譽(yù)課程；教學(xué)改革；虛擬仿真

中圖分類號：G642.3 """""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）01-0085-08

就教育這個有機(jī)整體而言，課程是其最基礎(chǔ)的細(xì)胞單元，也是教師傳道授業(yè)解惑的重要平臺^［1］。教育部原部長陳寶生在“新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會”上首次提出“金課”概念，即提高大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加大學(xué)本科課程難度、拓展課程深度，擴(kuò)大課程的可選擇性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣，真正把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。淘汰“水課”、打造“金課”，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量的舉措表明國家高度重視課堂教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要作用，標(biāo)志著我國高等教育的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了提高質(zhì)量、提升內(nèi)涵發(fā)展的新時代^［2］。打造“金課”需要一定的標(biāo)準(zhǔn)，2018年11月24日，時任教育部高等教育司司長的吳巖在第十一屆“中國大學(xué)教學(xué)論壇”上提出了“金課”的評價標(biāo)準(zhǔn)為“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。所謂“高階性”，就是知識、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。其中，復(fù)雜問題一般是非結(jié)構(gòu)性問題，即缺乏標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生難以直接運(yùn)用已有知識解決；高級思維指的是綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性思維。所謂“創(chuàng)新性”，即課程內(nèi)容能夠反映前沿性和時代性，不能墨守成規(guī)，要與時俱進(jìn)；教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，不是滿堂灌，不再單純是“我講你聽”的方式；學(xué)習(xí)結(jié)果具有探索性和個性化，不是簡單告訴學(xué)生什么是對或錯的，而是培養(yǎng)他們的探究精神和充分展現(xiàn)他們的個性化特點(diǎn)^［3］。所謂“挑戰(zhàn)度”，即課程一定要有難度，需要學(xué)生和教師一起“跳一跳”才能夠得著。換言之，學(xué)生需要花費(fèi)一番力氣才能完成學(xué)業(yè)，這一點(diǎn)最直觀地體現(xiàn)在教學(xué)評價上。

為全面貫徹落實(shí)全國教育大會精神，促進(jìn)學(xué)校“雙一流”建設(shè)及一流本科人才培養(yǎng)工作，努力滿足國家和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對拔尖人才的迫切需要，提升高等教育培養(yǎng)質(zhì)量，助推本科教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)，全面振興本科教育，在借鑒國內(nèi)外著名大學(xué)榮譽(yù)課程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同濟(jì)大學(xué)特制訂了《同濟(jì)大學(xué)榮譽(yù)課程及榮譽(yù)計劃建設(shè)指南（2020—2021年）》（以下簡稱《指南》）。《指南》遵從因材施教、分類指導(dǎo)的原則，面向一批學(xué)有余力、對未來發(fā)展有較高要求的學(xué)生，通過精心設(shè)計系列成體系的核心榮譽(yù)課程鏈，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生探究科學(xué)前沿的興趣和創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生掌握具有“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的專業(yè)知識，以及運(yùn)用科學(xué)方法解決復(fù)雜問題的能力，讓學(xué)生最終成為具有卓越綜合能力的榮譽(yù)學(xué)生。榮譽(yù)課程是“榮譽(yù)計劃”的教學(xué)培養(yǎng)載體，是貫徹落實(shí)同濟(jì)大學(xué)社會棟梁與專業(yè)精英拔尖人才培養(yǎng)目標(biāo)的具體實(shí)施途徑之一，也是“強(qiáng)基計劃”“本研一體化”人才培養(yǎng)體系中的重要組成。因此，榮譽(yù)課程建設(shè)需滿足“兩性一度”的“金課”標(biāo)準(zhǔn)，做到教學(xué)理念先進(jìn)、拔尖人才培養(yǎng)目標(biāo)明確、教學(xué)設(shè)計科學(xué)嚴(yán)密和教學(xué)內(nèi)容與時俱進(jìn)，以及成績評價體系多元化，能在卓越榮譽(yù)學(xué)生培養(yǎng)上形成合力。另外，榮譽(yù)課程之間應(yīng)形成創(chuàng)新體系，貫通專業(yè)重點(diǎn)知識鏈和課程鏈，制定成熟的榮譽(yù)課程建設(shè)計劃，以實(shí)現(xiàn)榮譽(yù)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)。

流體力學(xué)榮譽(yù)課程作為土木工程榮譽(yù)課程鏈及榮譽(yù)計劃中的一環(huán)節(jié)，是面向土木工程、環(huán)境工程、水利工程等眾多工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)必修課^［4-6］，主要研究不可壓縮流體的平衡與流動規(guī)律，學(xué)生通過掌握該課程的既定知識點(diǎn)，可為后續(xù)專業(yè)課程奠定必要的力學(xué)基礎(chǔ)。本文以建設(shè)“金課”為契機(jī)，以培養(yǎng)學(xué)生寬厚的基礎(chǔ)知識、高度的創(chuàng)新思維能力、深厚的學(xué)術(shù)研究素養(yǎng)及廣泛的實(shí)踐應(yīng)用技能為目標(biāo)，以學(xué)生個性化和多樣化的學(xué)術(shù)興趣和發(fā)展需要為導(dǎo)向，以高難度、高挑戰(zhàn)性為要求，試圖探討將流體力學(xué)打造成高質(zhì)量榮譽(yù)課程的思路和實(shí)施路徑。

一、流體力學(xué)榮譽(yù)課程建設(shè)的目標(biāo)和原則

教學(xué)大綱重塑。為了區(qū)別普通課程，流體力學(xué)榮譽(yù)課程教學(xué)大綱應(yīng)具備先進(jìn)性，具有前沿知識深度和難度，富有挑戰(zhàn)性，需在深度、難度、廣度上有明顯區(qū)別（表1），且體現(xiàn)在教學(xué)大綱設(shè)置上。

教學(xué)方法創(chuàng)新。課程教材選用上與時俱進(jìn)，知識體系能反映當(dāng)前最新進(jìn)展。教學(xué)設(shè)施的先進(jìn)體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容、方法和手段上，以及考試方法方面，與智慧教室具有較好的相容性。通過線上線下教學(xué)融合方式，采用課堂講授+慕課+案例展示的教學(xué)方法，對15～20人的小班進(jìn)行授課，并設(shè)置小組討論環(huán)節(jié)，有利于授課教師快速提煉基本知識點(diǎn)，拓展課程前沿知識和內(nèi)容深度，扎實(shí)學(xué)生對課程基本知識的掌握，并為學(xué)生的自主性、研究性學(xué)習(xí)提供最新、最全面的文獻(xiàn)閱讀資料。

師資隊(duì)伍建設(shè)。流體力學(xué)榮譽(yù)課程授課團(tuán)隊(duì)教師都具有高級職稱，除了課堂授課教師，還專門配備線上教學(xué)輔導(dǎo)教師1名和課外助教1名。授課團(tuán)隊(duì)教師學(xué)術(shù)造詣高，教學(xué)能力強(qiáng)，具有國際化視野和優(yōu)秀的教學(xué)及科研經(jīng)歷。

學(xué)生選拔和考核要求。為了遴選真正對專業(yè)學(xué)習(xí)興趣濃厚、有志于將來從事本領(lǐng)域前沿工作，以及學(xué)有余力的專業(yè)“菁英苗子”進(jìn)行榮譽(yù)計劃培養(yǎng)，修讀流體力學(xué)榮譽(yù)課程的學(xué)生需同時滿足以下條件：具有創(chuàng)新思維，對力學(xué)有濃厚興趣，學(xué)習(xí)平均績點(diǎn)等于或大于3.5，大學(xué)期間力學(xué)和數(shù)學(xué)成績優(yōu)秀等。在考核方面，更注重平時過程考核，采用成績評價體系多元化方式。例如，慕課線上答題、案例展示、設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、期末筆試等多種考核結(jié)果都將計入最終成績。

二、流體力學(xué)榮譽(yù)課程特色

榮譽(yù)課程教學(xué)要求精講多練，增加課外學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)，為學(xué)生提供更多自主思考和探索的空間，營造開放、協(xié)作、自主的學(xué)習(xí)氛圍和批判性的學(xué)習(xí)環(huán)境。課程能夠使學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識、追蹤科技前沿，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，讓學(xué)生學(xué)會把課本、課堂的知識融會貫通，并為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定流體力學(xué)理論基礎(chǔ)，最終應(yīng)用于實(shí)踐和工程設(shè)計。

以問題驅(qū)動為抓手。通過在課堂上引入流體力學(xué)發(fā)展史中的經(jīng)典案例和目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域前沿動態(tài)，促使學(xué)生不斷提出問題、分析問題、解決問題，讓學(xué)生產(chǎn)生懸念般的學(xué)習(xí)期待和迫切的學(xué)習(xí)動機(jī)，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

以基本概念為支點(diǎn)。課程涉及對基本概念、基本方程（組）和定解條件的學(xué)習(xí)，對各個板塊的內(nèi)容教學(xué)需從基本概念出發(fā)，并最終回到基本概念，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對基本概念的融會貫通。根據(jù)概念的難易程度分類進(jìn)行專項(xiàng)測試和小組比賽，讓學(xué)生在碰撞中實(shí)現(xiàn)對基本概念的深度學(xué)習(xí)。另外，通過探究式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生利用基本概念思考共性問題的能力。

以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向。通過學(xué)生對共性問題和基本概念的理解，在課堂研討、探究匯報、案例分析等教學(xué)環(huán)節(jié)中分階段進(jìn)行學(xué)習(xí)產(chǎn)出，從而實(shí)現(xiàn)對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力、創(chuàng)新能力、工程思維和科學(xué)素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)。

以虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)為拓展。虛擬仿真一般采用計算流體力學(xué)的方法來求解實(shí)際問題，計算流體力學(xué)作為目前流體力學(xué)科學(xué)研究的主流手段，它以有限體積法、有限元法、有限差分法等算法為基礎(chǔ)，通過編寫計算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值計算和通過計算機(jī)進(jìn)行計算結(jié)果的形象化展示。本課程在教學(xué)計劃中適當(dāng)補(bǔ)充一些計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論、模擬技術(shù)及軟件應(yīng)用內(nèi)容，通過布置學(xué)生設(shè)計任務(wù)和開發(fā)虛擬仿真小程序的形式來體現(xiàn)課程的“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”，并實(shí)現(xiàn)“本碩一體化”的教學(xué)培養(yǎng)理念^［7］。

三、流體力學(xué)榮譽(yù)課程建設(shè)的教學(xué)內(nèi)容及案例分析

流體力學(xué)能使學(xué)生掌握液體平衡和運(yùn)動的一般規(guī)律及其相關(guān)概念和理論；掌握流體力學(xué)基本方程及應(yīng)用條件，并理解其物理意義；掌握流體力學(xué)基本分析方法，并運(yùn)用所學(xué)知識來解決工程技術(shù)問題的能力^［8］。流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容分為三部分：第一部分為連續(xù)介質(zhì)的假定、量綱分析和相似原理等概念和應(yīng)用內(nèi)容；第二部分為靜力學(xué)、動力學(xué)原理和應(yīng)用、計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論、模擬技術(shù)等內(nèi)容；第三部分為流動形態(tài)、水流阻力和水頭損失的概念和計算方法及其工程應(yīng)用等內(nèi)容。為了突出本課程的“兩性一度”，需要在內(nèi)容上的深度、廣度和難度上都有所體現(xiàn)，具體見表1。本文針對“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的教學(xué)要求，引用幾個教學(xué)過程中的典型案例進(jìn)行探討。

（一）"高階性案例——連續(xù)方程四種形式及其與不同流動模型之間的關(guān)系

作為流體力學(xué)經(jīng)典三大方程之一的連續(xù)方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用，它建立了流速與流動面積的關(guān)系。一般流體力學(xué)課程只要求學(xué)生掌握守恒型微分形式的推導(dǎo)及應(yīng)用（圖1中的方程3），而本課程還需要掌握連續(xù)性方程的守恒型積分形式（方程1）、非守恒型積分形式（方程2）、非守恒微分形式（方程4）的推導(dǎo)和相互轉(zhuǎn)化等原理（圖1）。這些知識概念晦澀難懂，一般放在研究生階段的高等流體力學(xué)中學(xué)習(xí)。為了理解這4種形式之間轉(zhuǎn)換的邏輯關(guān)系，需先牢固掌握以下知識點(diǎn)：連續(xù)介質(zhì)假定、流體運(yùn)動描述的Lagrange方法和Euler方法及其相互轉(zhuǎn)換的概念；物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時間變化率）、速度散度及其物理意義、空間位置固定的有限控制體模型；隨流體運(yùn)動的有限控制體模型；空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型；隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型的概念等。最重要的是，可以通過講授連續(xù)性方程的推導(dǎo)來強(qiáng)化一個普適性原則，即為了能得到流體流動的基本方程（包括連續(xù)性方程），需遵循以下過程。

（1）從物理定律出發(fā)選擇合適的物理學(xué)基本原理。

（2）將這些物理學(xué)原理應(yīng)用于適當(dāng)?shù)牧鲃幽Ｐ汀?/p>

（3）從這種應(yīng)用中導(dǎo)出體現(xiàn)這些物理學(xué)原理的數(shù)學(xué)方程式。

在建立了以上基本概念后，學(xué)生需繼續(xù)了解圖1方程中不同形式之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。結(jié)合圖1，我們看到四種不同形式的連續(xù)性方程，每個都是使用不同的流動模型推導(dǎo)而來。在這些不同的形式中，有兩個是積分方程，兩個是偏微分方程；有兩個是守恒形式的，兩個是非守恒形式的。這四個并不是完全無關(guān)的方程，相反，它們是同一個方程（即連續(xù)性方程）的四種不同形式。四種形式中的任何一個都可以由其他任何一種形式演算導(dǎo)出，這在圖1中用路徑A—D表示。為了更好地理解流動控制方程的意義和重要性，需要幫助學(xué)生理解這些不同路徑的細(xì)節(jié)。

首先，考察如何從積分方程形式得到偏微分方程形式，也就是圖1中的路徑C。

由于推導(dǎo)方程1所用的控制體空間位置是固定的，方程1中積分的積分限是常數(shù)，因此時間導(dǎo)數(shù)可以置于積分號內(nèi)

應(yīng)用向量分析中的散度定理，方程（3-1）中的面積分可以表達(dá)為體積為

于是，我們得到：

或者

由于有限控制體是在空間任意選取的，方程（3-3）中積分等于0的唯一可能就是被積函數(shù)在控制體內(nèi)處為0。于是，從方程（3-3）中可以得到：

方程（3-4）正是圖1中方框（3）所示的偏微分方程形式的連續(xù)性方程，可演示從方框（1）中的積分形式得到方框（3）中的微分形式過程。需注意的是，由于方框（1）和方框（3）中的方程都是守恒形式，上面的演算并沒有改變這種守恒形式。

另外，在考慮把守恒形式變?yōu)榉鞘睾阈问降难菟銜r，對于標(biāo)量與向量乘積的散度，可參考向量恒等式：

也就是說，一個標(biāo)量與一個向量乘積的散度等于標(biāo)量與向量散度的乘積加上向量與標(biāo)量梯度的點(diǎn)積，該等式可以在任何一本向量分析的教材中找到。因此，將方程（3-5）代入方程（3-4），我們得到：

方程（3-6）左端的前兩項(xiàng)則是密度的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)，因此，方程（3-6）變?yōu)?/p>

而方程（3-7）則正是圖1的方框（4）中的方程，通過對圖1中方框（3）所示的守恒形式的偏微分方程進(jìn)行演算，可得到方框（4）所示的非守恒形式的偏微分方程。那么，是否能夠通過對方框（2）所示的方程進(jìn)行演算得到方框（1）所示的方程呢？答案是肯定的。具體情況如圖1中用路徑A表示。

通過流體力學(xué)榮譽(yù)課程中對連續(xù)方程四種形式及其與不同流動模型之間關(guān)系的學(xué)習(xí)，可以得出結(jié)論：一方面，圖1方框所示的四個不同方程并不是完全無關(guān)的方程，而是同一個方程（連續(xù)性方程）的四種不同形式，但圖中所示的每種形式都來自一個特定的、與每一個方程相聯(lián)系的流動模型；另一方面，不同形式的基本原理，以及如何推導(dǎo)出控制方程的不同形式，不再限于連續(xù)性方程，同樣的處理也被用在后續(xù)對動量方程和能量方程的推導(dǎo)過程中。

（二）"創(chuàng)新性案例——虛擬仿真技術(shù)在課程中的應(yīng)用

近年來，隨著互網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)部分高校相繼開展了仿真技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)和教學(xué)應(yīng)用的研究。為提高信息化背景下高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，教育部更是從2017年起開展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作。相比物理模型實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬具有可重復(fù)性好、條件易于控制，更加自由、靈活等優(yōu)點(diǎn)，其不僅打破了時間和空間的壁壘，使實(shí)驗(yàn)更加高效快捷，也大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，是未來實(shí)驗(yàn)發(fā)展的大趨勢。數(shù)模和物模相結(jié)合的教學(xué)方式，形成了線上線下教學(xué)的個性化、智能化教學(xué)新模式，有助于形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系^［9］。

流體力學(xué)榮譽(yù)課程課時有限，需注重流體力學(xué)基礎(chǔ)和重塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)，打造面向土木工程和水利工程專業(yè)的線上線下流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)及工程案例教學(xué)平臺。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，對于流體力學(xué)中常見的流動現(xiàn)象與理論知識，可應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，以直觀的方式將流動現(xiàn)象展示出來。課程將計算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用在流體力學(xué)教學(xué)過程中，通過讓學(xué)生自主編程或利用軟件對基本流動現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值分析，可將課堂所講授的抽象概念和理論進(jìn)行可視化或動畫演示，大大促進(jìn)了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的深入理解和應(yīng)用。同時，也可將流體力學(xué)的知識應(yīng)用于與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題分析和簡單設(shè)計中，以激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思考能力和科研能力，進(jìn)而達(dá)到改善教學(xué)效果的目的^［10］。

同濟(jì)大學(xué)土木工工程學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，在日常教學(xué)中通過不斷積累和研究，借助先進(jìn)的信息技術(shù)和智慧教室平臺對水槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了全新的教學(xué)設(shè)計，開發(fā)了“波浪運(yùn)動特性”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖2）。系統(tǒng)選用時下最流行的光滑粒子流體動力學(xué)方法（SPH）進(jìn)行建模，該技術(shù)采用Lagrange法，使每個流體質(zhì)點(diǎn)上均承載著各自物理量，且以質(zhì)點(diǎn)為單位進(jìn)行后期渲染，因此仿真精度更高，渲染效果最細(xì)膩、真實(shí)。此外，系統(tǒng)建設(shè)中不僅注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精度和實(shí)驗(yàn)流程及硬件的高度仿真，還以學(xué)生為中心，在實(shí)驗(yàn)操作中增加了諸多引導(dǎo)和互動。例如，將抽象的理論借助動畫短片進(jìn)行演繹和闡釋，幫助學(xué)生提高對知識的理解和掌握；實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置引導(dǎo)問答，啟發(fā)學(xué)生自主思考；實(shí)驗(yàn)設(shè)計中通過定性定量的實(shí)驗(yàn)探討，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獨(dú)立設(shè)計和分析解決港口平面布置中的相關(guān)流體力學(xué)問題；設(shè)立開放性思考題，實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生思維創(chuàng)新。

此外，課程還鼓勵學(xué)生充分利用現(xiàn)代技術(shù)，積極開闊視野和思維。例如，采用計算流體力學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，自主設(shè)計開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生鞏固相關(guān)基本理論知識和鍛煉學(xué)生形成獨(dú)立思考的習(xí)慣，拓展將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力^［11］。以圖3—圖5展示的流體力學(xué)線下實(shí)驗(yàn)中的局部水頭損失實(shí)驗(yàn)為例，3～5名學(xué)生為一組，分別采用CFD模擬多種突變管道內(nèi)流動情況，利用可視化功能真實(shí)展現(xiàn)局部阻力發(fā)生過程，實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)模實(shí)驗(yàn)相互校正，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確。圖4為經(jīng)過可視化處理后，在不同進(jìn)口流速條件下管道邊界突然擴(kuò)大處和突然縮小處的速度云圖，學(xué)生從圖中可直接觀察到管道邊界形狀急劇改變時，管內(nèi)流態(tài)的變化情況、旋渦區(qū)發(fā)生位置及其影響范圍，同時結(jié)合流線相關(guān)概念，通過觀察流線的疏密判斷流速的大小。可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可將理論以更為生動的方式展現(xiàn)出來，從而加深學(xué)生對局部水頭損失機(jī)理的理解。

（三）"挑戰(zhàn)度案例——現(xiàn)代流體測量技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，包括雷諾實(shí)驗(yàn)、水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、文丘里實(shí)驗(yàn)、畢托管實(shí)驗(yàn)等，采用的測量設(shè)備和技術(shù)也較為陳舊。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，流體力學(xué)測量技術(shù)也日新月異。就流體力學(xué)中最基本的變量——流速測量而言，在過去的幾十年里，國內(nèi)外學(xué)者基于不同的技術(shù)和方法研發(fā)了多種流速測量儀器，主要包括轉(zhuǎn)子式流速儀、多普勒流速儀、電磁流速儀、粒子流速儀等（圖6）。本課程依托同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室、力學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)示范中心、土木工程國家級實(shí)驗(yàn)示范中心、水利港口綜合實(shí)驗(yàn)室等大中型教學(xué)及科研綜合示范平臺，給學(xué)生創(chuàng)造了近距離使用各類現(xiàn)代流體測量設(shè)備和技術(shù)的機(jī)會。通過布置具有挑戰(zhàn)性的課外綜合性作業(yè)，使學(xué)生能采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集、處理及分析，以及解釋數(shù)據(jù)等內(nèi)容。學(xué)生還可結(jié)合各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和導(dǎo)師制項(xiàng)目，以及各類力學(xué)競賽活動，根據(jù)自身的想法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新與優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的目的。

四、結(jié)語

“兩性一度”指向下的榮譽(yù)課程建設(shè)是培養(yǎng)拔尖人才、提升本科教學(xué)質(zhì)量的必然要求。本文以流體力學(xué)課程為例，探討了榮譽(yù)課程的建設(shè)目標(biāo)重塑、基本原則和主要特色，并闡述了實(shí)際教學(xué)中內(nèi)容高階性、方法創(chuàng)新性和產(chǎn)出挑戰(zhàn)度的具體案例和做法。相關(guān)探索可為工科流體力學(xué)課程的教學(xué)改革及其他力學(xué)類榮譽(yù)課程建設(shè)提供參考。

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Construction for honor course of fluid mechanics under high order， innovative and challenging standard

FU Xiaoli，"CAO Jinxin，"ZHANG Hong

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P.R.China）

Abstract： According to the high order， innovative and challenging standard， the construction objectives and principles of the honor course of fluid mechanics are determined in terms of teaching syllabus reconstruciton， teaching method innovation， teaching team construction， student selection and assessment requirements and so on. The characteristics of this honor course includes： problem-driven as the starting point， basic concept as the fulcrum， learning output as the guidance and virtual simulation practice teaching as the expansion. Four forms of continuous equations and their relationship with different flow models， computational fluid dynamics technology in virtual simulation platform and progress of modern fluid measurement technology are taked as examples to illustrate the high-order requirement in course content， innovative requirement in virtual study platform and challenging requirement in students’"learning output. Such attempt can provide reference for the construction of honor courses of fluid mechanics and other mechanics in engineering displine.

Key words： high order， innovative and challenging; fluid mechanics; honor course; teaching reform; virtual simulation

（責(zé)任編輯""崔守奎）

修回日期：2021-05-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51878504）；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革與建設(shè)：《流體力學(xué)》課程建設(shè)資助項(xiàng)目

作者簡介：付小莉（1979—），女，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，博士，主要從事水力學(xué)及流體力學(xué)計算教學(xué)研究，（E-mail）xlfu@tongji.edu.cn。