應用型本科院校工程流體力學課程改革與實踐

隨著工業化的發展，生態破壞和環境污染已成為人類社會面臨的兩大類環境問題，嚴重制約了經濟、社會的可持續發展。
為解決日益突出的環境問題而產生的環境工程這一學科也迅速成熟［1］。環境工程的大多數過程是在流體流動的狀態下進行的，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。而環境工程專業中關于污染物的遷移和擴散問題、流體在管路中的輸運問題均離不開工程流體力學的基本知識。因此，對于環境工程專業來說，工程流體力學是重要專業技術基礎課程，其教學質量的優劣，在一定程度上會影響環境工程專業學生的專業知識架構和從業能力，進而影響到畢業生的就業質量。然而地方院校環境工程專業工程流體力學課程的學時一直在壓縮，工程流體力學的內涵和前言卻一直在更新變化，要講授的知識越來越多。加之應用型地方本科院校對于人才培養的要求不斷提高，強調人才培養的創新性和前沿性。因此，本文立足應用型人才培養轉型發展的需求，從我校環化學院環境工程專業的實際情況出發，對工程流體力學課程基于能力培養的課程體系建設進行思考，對該課程的教學內容、教學方法及考核方式進行了探討改革和實踐。希望以此提高我校工程流體力學課程的教學質量，培養出具有創新性、實踐性的應用型畢業生，以適應新形勢下市場發展對環境工程專業人才培養工作的要求。
1 教學內容的改革
1． 1 優化培養方案
“工程流體力學”是研究流體本身的靜止狀態和運動狀態，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規律的一門學科，其主要由流體靜力學、流體運動學和流體動力學三部分組成［2］。該課程是環境工程專業一門主要的專業基礎課，其教學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習。因此，工程流體力學教學過程的改革和創新有助于培養學生的專業興趣，打好專業基礎，在環境工程專業人才培養中有著十分重要的作用。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，為了適應時代的發展，其人才培養方案也應做適當的調整。首先，我們通過對社會環境工程專業人才需求情況的調研和分析，制定了環境工程專業的職業崗位群及與其對應的專業能力。工程流體力學這門課對應的主要環境從業職業崗位是環境工程設計工程師、安裝調試工程師、環境修復工程師和銷售工程師等，旨在培養學生的環境工程設計與運營管理能力。其次，根據崗位需要具備的專業能力，制定了相應的人才培養目標。工程流體力學這門課要求學生掌握流體力學的基本理論、基本計算方法、基本實驗技能以及在工程實際中的初步應用。通過該課程的學習使學生初步具備分析和解決實際流體力學問題的能力，能夠從事環境工程設計行業的技術研發、工藝控制等，培養具有實踐能力和創新精神的應用人才。
1． 2 調整教學內容
工程流體力學這門課現階段使用的教材是冶金工業出版社謝振華主編的《工程流體力學》( 第4 版) ，該教材系統地闡述了流體力學的基礎理論及其應用，主要內容包括: 流體靜力學基礎、流體動力學基礎，黏性流體運動及其阻力計算，有壓管流與孔口、管嘴出流，明渠均勻流與堰流，泵與風機、工程流體力學應用實例等。通過該課程的學習可以使學生初步具備分析和解決實際流體力學問題的能力，并為學習后續專業課程、從事專業技術工作和進行科學研究打下良好的基礎。
《工程流體力學》理論性強，概念抽象，然而高等學校工程流體力學課程的學時一直在壓縮。同時學習工程流體力學這門課之前，學生已經完成了高等數學、大學物理等相關課程的學習。這就要求我們優化《工程流體力學》課程教學內容，避免不必要的重復，利用有限的學時，深化工程流體力學課程的主要內容，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內容時，結合高等數學、大學物理等的教學內容及其與《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，對工程流體力學的教學內容進行了重整，適當弱化了與高等數學及大學物理重復部分繁難公式的推導和微元運動的分析，重點講授基本概念、公式的物理意義、應用條件和各項參數的含義方面的內容，增加與環境工程專業知識相的內容介紹。教會學生如何把基礎理論應用在環境保護與環境污染治理中，以此拓寬學生的知識面，培養學生理論實際，利用理論知識解決實際問題的能力。如流體靜力學和流體動力學部分，略去其中關于微分方程及其積分的數學推導，重點講授流體靜力學基本方程、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，結合流體力學實驗中測壓管的使用，使學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系。以環境工程中的實際工程( 例如城市排水管道、市政污水處理廠、學校污水處理站) 為例，對孔口管嘴、有壓管流、明渠流、泵與風機等應用流體力學的部分進行講解，可以使學生對流體力學理論在環境工程實踐領域的工程應用有深刻的認知。當前，隨著計算機技術的發展和數值模擬建模技術的提高，計算流體力學( CFD) 對流體力學理論的發展起到重要作用，在流體力學的教學過程中可以增加2 ～ 4 學時關于計算流體力學技術的介紹，不僅可以轉化學生思維方式、拓展學生學術視野，還可以為學生進一步學習深造奠定基礎。
2 教學方法的改革
2． 1 體驗式教學，提高學生的綜合素質
培養應用型人才要求培養學生的創新性和實踐性，提高學生的綜合素質。而傳統教學模式往往不利于學生自我身份構建、自我任責及主觀能動性的發揮，缺乏對學生能力的培養和鍛煉。因此在教學中要以學生為主，加強基于能力的培養。為此在教學中實行“學生講、老師聽”的換位學習模式，即將學生劃分小組，每組擬定一個與流體力學相關的工程案例作為研究課題，組內學生分工合作分別進行文獻查詢、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，教師組織引導學生參與討論，可隨機向匯報組成員提問。通過這樣的體驗式教學方式，可以發揮學生的積極性和創新性，使學生在有限的學時內拓展知識面，同時鍛煉學生語言表達能力、動手能力和團隊合作能力。
2． 2 打破單一驗證性實驗教學，加大綜合性、創新性實驗比例，提高學生創新能力和綜合素質
工程流體力學是一門理論和實踐并重的學科，實驗教學可以培養學生基本操作技能、嚴謹的科學態度、理論實際的能力。然而原有的工程流體力學實驗課內容相對簡單，缺少設計性和研究性，而且學生對實驗前的準備工作不夠了解，容易忽略對學生實驗全局設計思路的考核。因而引入綜合性的實際工程模擬類實驗，讓學生真正參與整個研究過程( 課題確定、查閱文獻、確定實驗方法、前期試劑儀器的準備、數據測定、結果處理到實驗報告的完成) ，有助于培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的創新能力和綜合素質。
2． 3 引入實際工程案例，激發學生的學習興趣，培養學生解決實際問題的能力
工程流體力學是環境工程專業的重要技術基礎課，如何在有限的課時內，激發學生的學習興趣，加強學生對環境工程設計與運營管理本質的認識，培養學生利用理論知識解決實際環境問題的能力，對于培養應用型專業人才至關重要。因此，在教學過程中引入切身相關的實際工程案例，利用所學的基礎理論和方法對其剖析，激發學生求知欲和自主性，培養學生解決實際問題的能力。如在學習粘性流體運動及其阻力計算的內容時，可以將學生實習的污水處理廠作為案例進行分析。以污水處理廠中的格柵、沉砂池、曝氣池、二沉池、纖維轉盤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，從而將學生在課堂上所學的理論知識與實踐中見到的工程體系結合起來，終深化學生對流體力學理論知識的認知深度，明確其在工程上的適用范圍，激發學生學習理論知識用以解決實際工程問題的主動性。
3 考核方式的改革
在培養方案和教學內容改革的基礎上，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，結合實際發展，將工程流體力學的成績設置為3 部分: 期末考試占60%，實驗成績占20%，平時成績占20%。其中平時成績主要依據學生課堂參與度，課下作業完成情況，以及分組對實際工程中流體力學應用的講解進行打分，由此評價學生積極主動性和團隊合作能力。實驗成績主要依據學生對流體力學基本實驗過程中的參與及表現打分，以此評定學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。期末考試采取開卷形式，試卷命題中多以結合實際工程案例的綜合題為主，防止學生死記硬背流體力學公式，使其真正將所學知識應用到解決實際問題中去。
4 結語
目前，隨著國內對環境問題重視程度的提高，對于專業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、具有可持續發展和創新能力的人才。所以在這樣的轉型背景下應加強雙師型隊伍建設，使從事相關教學的教師“走出去、走回來”，具備理論教學的素質的同時也應具備實踐教學的素質，在有限的時間內，提高學生的全面素質，培養真正的環境工程應用型人才。