《工程流体力学》课程“专业化”教学改革

一、概述
《工程流体力学》是七大基础学科之一的力学( 一级学科) 下的二级学科，是中国石油大学石油工程、储运工程、热能与动力工程、船舶与海洋工程等十多个专业诸多学科的基础支撑学科，一般在大二下学期或大三开课，主要研究流体平衡和运动规律及其实际应用技术的科学，它理论性强，概念抽象，偏微分方程推导多，不易理解，虽然其理论在各专业应用广泛，但学习中对学生高等数学知识及综合分析和处理问题能力要求较高，所学的内容又往往不能直接体现在自己专业上的应用，使得这门课程对许多同学缺乏吸引力。而且现在的学生他们更愿意主动思考，而不是“被动填鸭接受”，他们保持注意力集中的时间较短，倾向于授课内容有吸引力，他们更重视所学知识在自己专业方向的应用能力，在这些背景下传统的所有专业授课内容相同，授课方式也只有理论教学和实验而缺乏自己动手数值模拟和分析流动的传统教学模式和内容出现了难以满足现在学生在课时少而应用性强的学习要求的现象。
因此我们需要结合时代特点进行《工程流体力学》课教学改革，改进流体力学课程教学内容和方法，调动学生的主动学习能力，分析问题能力和创新解决问题的能力，将流体力学转向有专业应用特色和学生自己动手数值模拟流动的方向，使学生能更好的提高学习兴趣，并更好的理解学到的流体理论知识在专业方向的应用。
二 《工程流体力学》课程“专业化”教学改革的思路
1.《工程流体力学》教学改革的指导思想
中国石油大学根据教育部关于全面提高高等教育质量若干意见，颁发了关于本科培养方案的原则意见，其指导思想是：以打造“精项型、特色型、研究型”本科教育为统领，以促进学生“全面化、个性化、最大化”发展为根本，将通识教育与专业教育有机融合，科学教育与人文教育有机融合，理论教学与实践教学有机融合，共性培养与个性发展有机融合”的“五融合”育人理念，全面构建新型人才培养新体系。
2.传统教学内容与模式的弊端
长期以来，我校流体力学传统的教学内容是所有专业基本都包含流体及其主要物理性质、静力学、运动学与动力学、流动阻力与水头损失、压力管路的水力计算、非牛顿流体基础的几大块内容。这种安排其实并非适合所有专业，比如压力管路的水力计算一章包含管路的特性、长管的管路计算和短管的水力计算、孔口与管嘴泄流，水击现象。这一章对于油气储运专业和建筑与环境专业等都是不可少的内容，但对于船舶与海洋工程、热能与动力工程、过程控制与装备等专业，在学时数仅有40 学时的情况下，这一章的内容显得累赘，因其与专业相关不大。
而与专业相关性比较大的一些章节则没涉及到或因内容多而所占学时很少。
传统的教学方法是以教师为中心，沿用黑板和ppt 结合的“填鸭式”的教法，随着多媒体的使用和课时的较少，ppt 的“满堂灌”也开始了，甚至对课程做笔记的时间都没有。这要求学生课堂上高度集中精神，需紧随课堂上老师的节奏，否则一转眼几页ppt 翻过，学生在本质上还是被动地接受，不能充分调动学生的主动思考，和自己动手应用所学知识解决流动，分析流动问题的能力。尤其是各专业教学时数减少后，而课程内容不的变化的情况下，多媒体满堂灌情况更是明显。
3.《工程流体力学》课程“专业化”教学改革《工程流体力学》课程根据不同专业的要求以及学生自身发展的需要，授课内容进行了专业化调整，各专业均涵盖基础内容加体现专业特色的章节，授课方式改革包括了传统理论讲解和体现专业应用的上机流动模拟，这一教学改革详细体现在如下三方面：
1）结合专业制定模块化教学大纲
为体现各专业的授课内容能更有利于以后在专业课上的应用，特将授课内容分成主体模块和不同专业模块，将主体模块与不同专业模块组合到不同专业，以体现课程的“专业化”，表1 是各模块的授课内容。主体模块主要包括流 体属性、流体静力学、运动学和动力学基础、水头损失与流动阻力，而专业模块则包含与各专业相关的不同内容，如管路水力计算，边界层理论基础、气体动力学基础、非牛顿流体基础、势流理论和明渠流，根据不同专业的特点，采用主体模块加专业模块的形式，选择不同的授课内容，比如船舶与海洋工程专业对于长管的水力计算以及孔口管嘴泄流相关性较小，可以选择与船舶设计相关性较大的势流理论和明渠模块，而对于热能与动力工程专业则可以选择边界层理论基础和气体动力学基础模块；油气储运和建筑与环境专业则选择管路水力计算加边界层基础与气体动力学基础模块；石油工程专业则主体模块加专业模块一和四。 2）结合专业定制课堂应用理论知识的探讨
现在的教学要求教学过程是学生创新思维训练和综合能力的提高过程，这需要教师的趣味性引导、增加授课技巧和吸引力来让学生享受教学过程，让学生有主动学习，并通过自己的思考或动手参与到与自己专业相关的基础课程学习，才能提高教学质量。
老师在完成每一章内容主讲时必须有启发理念，要留下有探讨性问题，通过提问引导，让同学思考讨论，激发学生思考所学知识如何应用于本专业方向。特别强调的是针对不同专业的学生，要定制不同的应用探讨内容，这些应用探讨和其专业息息相关的。例如串并联管路计算问题，对于油气储运专业的学生来说，就提出结合串并联管路特性，如何提高管道输送流量？采用在主管道上并联副管可以提高多少流量？这会使学生不仅很好地理解并联管水力特性这个概念，而且他们学习的知识在今后的工作中会用到。而对于热能工程专业的学生，就以蒸汽机冷却水管路的设计为例，提出如何减少冷却水管路的水力损失？引导学生先将多根冷却水黄铜管并联成一组，然后再串联一组并联管，这样的探讨能够让学生可清楚地理解重要知识的来龙去脉，结论性的内容也记得牢。对于这些有讨论价值的问题，学生在经过探讨后理解加深，而且记忆深刻。
3）结合专业定制上机流动模拟应用内容
科研与教学有机结合，也是现在授课的要求。为增强学生的自己应用所学知识于科学研究中，我们在本科《流体力学》课程中将 CFD 理念引入，学生们在CFD 数值模拟课堂，利用软件Fluent 可以清晰既感受到流体力学在各行业的应用和重要性，又能体会自己动手模拟解决部分工程流动问题所带来的兴奋和兴趣，有效的加强了学生学习的积极主动性。而上机模拟的内容也是与专业息息相关。比如，对于石油工程专业，我们设置了三维圆管和环空内的流动模拟，本实验模拟环空内的牛顿流体和非牛顿流体的流动，旨在学习非牛顿流体模拟的设置，并将模拟的结果与理论课中所学的结论进行对比；对于热能与动力工程专业则设置冷热水混合器内的三维流动与换热上机练习 ，上机完成冷热水混合器建模与网格划分，完成混合器流动与换热结合计算，并根据模拟结果完成对流动进行强化换热的设计与计算；对于船舶与海洋工程专业和海洋油气专业，则设置了船舶行驶阻力特性的模拟，通过使用多相流VOF 模型，上机完成模型建模与网格划分，完成船舶流动计算，并根据模拟结果完成对流动优化减阻的计算；对于油气储运专业，则上机完成某输油管道工程90°水平弯管道内油水两相流动，研究流体流经弯管过程中的流场变化，分析水平弯管内油水两相流的速度、压力分布等流动特性。在完成自己所做的流动模拟后，学生们兴奋地分析流动现象，甚至提出流动合理的方案设计等，大大促进了他们对所学习知识的应用和理解，增加了对课程的兴趣。
三、教学设备的推荐与介绍

MYLT-17D 流体力学综合实验设备

一、工程流体力学实验设备,流体力学综合实验装置,流体力学综合实验设备主要功能：
1.可测定雷诺
2.伯努力
3.沿程阻力系数和突扩、突缩
4.阀门局部阻力系数
5.可进行孔板
6.文丘里和皮托管流量系数的实验
二、工程流体力学实验设备,流体力学综合实验装置,流体力学综合实验设备技术参数：
1.外形尺寸：2200×600×1900mm
2.工作电压：220V    
3.功率：200W
4.水泵：扬 程:4M
5.频 率:50Hz/60Hz  
6.流 量:>5580L/H
7.实时显示流量、雷诺数、压力。
8.7寸嵌入式一体化触摸屏，MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。
三、工程流体力学实验设备,流体力学综合实验装置,流体力学综合实验设备主要配置：
1.不锈钢移动式实验台；2.流量传感器；3.压力传感器；4.储水箱；5.雷诺测试管；6.伯努利测试管；7.沿程阻力系数测试管；8.突扩、突缩测试管；9.阀门局部阻力系数测试管；10.孔板流量计测试管；11.文丘里流量计测试管；12.和皮托管测试管；13.测压板直接显示总水头线和测压管水头线。
四、结束语
本文针对《工程流体力学》课程的改革“专业化”进行了探讨，提出模块化各专业教学大纲，课程中增加带有各专业特点的章总结讨论课和能与专业结合的上机流动模拟内容，使学生能更好的提高学习兴趣，并更好的理解学到的流体理论知识在专业方向的应用。