工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革探索

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摘要：“工程流體力學(xué)”是石油工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性較強(qiáng)，通常以課堂教學(xué)板書(shū)為主。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的今天，該課程的改革勢(shì)在必行。作者將線上富媒體教學(xué)與線下課堂教學(xué)相結(jié)合，將理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，并適時(shí)恰當(dāng)?shù)匾胗?jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬流體流動(dòng)規(guī)律，將專(zhuān)業(yè)認(rèn)證思想和新工科理念貫穿于授課過(guò)程中，建設(shè)具有新時(shí)代、新內(nèi)涵的“工程流體力學(xué)”課程。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；線上線下混合模式；富媒體教學(xué)；專(zhuān)業(yè)認(rèn)證

“工程流體力學(xué)”是石油工程學(xué)科油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、石油工程、海洋石油工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程[1]，其學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值愈來(lái)愈廣泛，滲透性越來(lái)越強(qiáng)，與所有石油工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)學(xué)科之間都存在交叉，在學(xué)生知識(shí)能力培養(yǎng)和知識(shí)體系結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用。該課程理論性較強(qiáng)且涉及實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題較少。傳統(tǒng)的滿堂灌式教學(xué)缺乏對(duì)學(xué)生能力的針對(duì)性培養(yǎng)，造成畢業(yè)后對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析能力欠缺，而在工程教育認(rèn)證背景下，學(xué)生應(yīng)在課程學(xué)習(xí)中逐漸具備分析復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，這對(duì)教師教學(xué)提出了更高的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，為滿足石油學(xué)科各專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的需要，東北石油大學(xué)將理論基礎(chǔ)和工程實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，以培養(yǎng)高水平石油工程師為目標(biāo)，完善優(yōu)化工程流體力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和授課方式[2-5]?！肮こ塘黧w力學(xué)”是一門(mén)理論性較強(qiáng)的工程應(yīng)用基礎(chǔ)課程，主要教學(xué)目的是使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，并能利用流體的流動(dòng)規(guī)律解決石油工程等方面的實(shí)際工程問(wèn)題。由于石油工程中流體流動(dòng)類(lèi)問(wèn)題在實(shí)際工程中包含了微觀、介觀和宏觀多個(gè)尺度，所以在教學(xué)內(nèi)容把握上，教師要以宏觀常識(shí)為基礎(chǔ)，再切入介觀和微觀，以防學(xué)生只理解數(shù)學(xué)模型，而不懂如何應(yīng)用。同時(shí)，在教學(xué)方式上，教師要采用線上線下混合式教學(xué)；重視基本理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，運(yùn)用富媒體技術(shù)和手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的熱情，進(jìn)而優(yōu)化教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，為日后從事工程和科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、線上線下混合式教學(xué)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的日益發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入信息化與數(shù)字化時(shí)代。對(duì)現(xiàn)代高等教育來(lái)說(shuō)，目前傳統(tǒng)教學(xué)模式中的教學(xué)理念、教學(xué)方式、教學(xué)手段、教學(xué)方法等都已經(jīng)受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。線上資源主要以視頻、音頻、課件為主，資源豐富，對(duì)于某個(gè)問(wèn)題可以多次反復(fù)學(xué)習(xí)，直到學(xué)會(huì)為止；學(xué)習(xí)之后有對(duì)應(yīng)的章節(jié)測(cè)試，用于檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，針對(duì)性較強(qiáng)；另外學(xué)習(xí)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，節(jié)省時(shí)間；同時(shí)鍛煉了學(xué)生的自學(xué)、獨(dú)立思考、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。該課程于2019年年底在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)已經(jīng)建成慕課。該慕課共包含7章49個(gè)視頻98個(gè)任務(wù)點(diǎn)，單個(gè)視頻時(shí)長(zhǎng)在5~15分鐘之間，視頻總時(shí)長(zhǎng)超過(guò)400分鐘，每個(gè)視頻對(duì)應(yīng)有章節(jié)測(cè)試，測(cè)試題型包括選擇、判斷和填空。2020年上半年?yáng)|北石油大學(xué)充分利用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)開(kāi)展線上教學(xué)，并配合騰訊課堂開(kāi)展直播教學(xué)。在課下，學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間觀看視頻并進(jìn)行課后測(cè)試，課上教師主要概括總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于難點(diǎn)和重點(diǎn)著重講解，并有針對(duì)性地做一些習(xí)題以鞏固基本知識(shí)點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)基本理論和思想的理解，起到了答疑解惑的作用。但是線上學(xué)習(xí)通存在一些不足，比如：缺少教與學(xué)的互動(dòng)（雖然線上學(xué)習(xí)有討論環(huán)節(jié)，但是提問(wèn)與回答不能保證同步，也不能保證所有學(xué)生參與進(jìn)去）；缺少實(shí)踐性環(huán)節(jié)（動(dòng)手親自做實(shí)驗(yàn)需要線下實(shí)驗(yàn)課來(lái)彌補(bǔ)）；線上信息量大，學(xué)生抓不住重點(diǎn)；缺少同學(xué)間的競(jìng)爭(zhēng)等。這些問(wèn)題在線下課堂教學(xué)中得到彌補(bǔ)。學(xué)生普遍反映線上教學(xué)和線下直播有機(jī)結(jié)合效果特別好。由于線上學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng)，所以需要調(diào)整課程成績(jī)構(gòu)成。經(jīng)課題組商討，總成績(jī)構(gòu)成如下：平時(shí)成績(jī)占60%，期末試卷成績(jī)占30%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%。平時(shí)成績(jī)構(gòu)成：超星學(xué)習(xí)通觀看視頻時(shí)長(zhǎng)占20%，超星學(xué)習(xí)通小節(jié)習(xí)題測(cè)驗(yàn)占10%，期中測(cè)驗(yàn)占20%，單元作業(yè)占20%，課程討論占10％，其他表現(xiàn)占20%，按百分制計(jì)分。期末考試題型包括選擇題、判斷題、填空題和計(jì)算題，由超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)題庫(kù)隨機(jī)組卷，通過(guò)騰訊會(huì)議開(kāi)展監(jiān)考以完成期末測(cè)試。期末測(cè)試完成后，主觀題由任課教師單獨(dú)批閱，客觀題由慕課平臺(tái)自動(dòng)批閱，這樣做保證了批閱過(guò)程的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。線上學(xué)習(xí)與線下課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)模式是當(dāng)今高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過(guò)優(yōu)秀教學(xué)資源的建設(shè)，達(dá)到建設(shè)優(yōu)秀教師團(tuán)隊(duì)的目的，使教師能夠逐步深入了解學(xué)生對(duì)于課程重點(diǎn)和難點(diǎn)的掌握情況，也使教師逐漸適應(yīng)多樣化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)要求，逐步完善教學(xué)資源，滿足眾多不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需求。

二、基本理論與工程實(shí)踐相結(jié)合

理論就是用于指導(dǎo)實(shí)踐、解決工程問(wèn)題的，“工程流體力學(xué)”的理論在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用是非常重要的。由于油氣水從井底到井口、從井口進(jìn)入到管線，不同集油流程流體的流型、流態(tài)，流體在管道中流動(dòng)的流速、流量的計(jì)算，在聯(lián)合站油水分離以及儲(chǔ)油罐靜壓力和總壓力的計(jì)算，外輸管路水頭損失的計(jì)算，泵站位置的確定等都少不了“工程流體力學(xué)”知識(shí)。所以教師在授課過(guò)程中，將“工程流體力學(xué)”理論與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)的重要性、針對(duì)性、關(guān)聯(lián)性和應(yīng)用性。比如：在講解流體靜力學(xué)時(shí)，利用靜壓和總壓計(jì)算公式，計(jì)算井筒內(nèi)井底壓力，計(jì)算油氣儲(chǔ)罐壁面和底面壓力用于儲(chǔ)罐的強(qiáng)度校核，油氣管道上閥門(mén)受力等工程實(shí)際問(wèn)題。在講解流體運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)，主要分析流體在井筒內(nèi)流動(dòng)規(guī)律、管道內(nèi)油水兩相或者油氣水多相流動(dòng)形態(tài)和狀態(tài)等，為管路設(shè)計(jì)中壓降的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。對(duì)于流體動(dòng)力學(xué)這塊，主要以輸油管道中的泵和流量計(jì)算為研究對(duì)象，結(jié)合伯努利方程和實(shí)際工況計(jì)算選泵功率和流量，為長(zhǎng)輸管路設(shè)計(jì)中泵站的選取提供依據(jù)。在講解孔口和管嘴出流時(shí)，用于計(jì)算儲(chǔ)罐泄漏時(shí)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流量、泄流放空時(shí)間等。另外，課程理論的講解不僅要與工程實(shí)際結(jié)合，而且還要適當(dāng)增加思政元素，例如當(dāng)講解水擊現(xiàn)象時(shí)，可以以課程思政的方式介紹米勒德冷藏服務(wù)公司制冷系統(tǒng)水擊導(dǎo)致液氨泄漏事故的原因及帶來(lái)的危害，從而讓學(xué)生提高安全、環(huán)保以及職業(yè)規(guī)范意識(shí)。在講解流體力學(xué)發(fā)展史時(shí)，通過(guò)介紹達(dá)芬奇，使學(xué)生了解更多關(guān)于流體力學(xué)相關(guān)的趣聞，從更多的維度來(lái)重新認(rèn)識(shí)達(dá)芬奇，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。另外，單純講解也不直觀，有時(shí)難免枯燥、乏味，這就需要添加更多的富媒體在里面，使之生動(dòng)具體，讓學(xué)生容易理解，印象深刻。同時(shí)教學(xué)過(guò)程中，任課教師可以拿出幾個(gè)實(shí)例，例如可通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)放性作業(yè)、調(diào)查報(bào)告等手段實(shí)現(xiàn)。讓學(xué)生分組設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)形式和結(jié)果由學(xué)生課下分組討論共同完成，課上由一名學(xué)生單獨(dú)講解，其他學(xué)生也可以補(bǔ)充說(shuō)明，最后由教師作點(diǎn)評(píng)和拓展，這樣不僅鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力、語(yǔ)言表達(dá)能力，同時(shí)還活躍了課堂氛圍，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

三、教學(xué)過(guò)程引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件

隨著工程仿真軟件的發(fā)展，許多流體力學(xué)問(wèn)題更加直觀、逼真地展現(xiàn)在我們面前，其視覺(jué)效果好，便于理解流動(dòng)機(jī)理。教學(xué)中適時(shí)引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其將注意力集中在課堂上，大大提高教學(xué)質(zhì)量?！肮こ塘黧w力學(xué)”課程本身概念多，而且內(nèi)容抽象，公式推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來(lái)較其他學(xué)科難。例如，講解流線是描述流場(chǎng)流動(dòng)方向的曲線，流體流經(jīng)圓管突然擴(kuò)大管、突然縮小管、彎管以及三通中流體流動(dòng)流線的形狀、疏密，畫(huà)法等均可以通過(guò)Fluent軟件模擬出來(lái)。卡門(mén)渦街也是Fluent模擬中具有代表性的一個(gè)，隨著時(shí)間的變化，流體流經(jīng)不同形狀固體物時(shí)后面產(chǎn)生的渦在不斷變化。同樣流體在兩個(gè)平行平板中的純剪切流、泊謖葉流和庫(kù)特流的流場(chǎng)也可以在Fluent軟件中實(shí)現(xiàn)。從數(shù)學(xué)模型的建立、網(wǎng)格的劃分、物性參數(shù)和邊界條件的確定，再到最后數(shù)值計(jì)算，結(jié)果的后處理，操作簡(jiǎn)單，學(xué)生課下可以自己嘗試，變換初始條件和邊界條件，觀察流場(chǎng)的變化規(guī)律，分析問(wèn)題解決問(wèn)題，讓學(xué)生逐漸對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生興趣，養(yǎng)成獨(dú)立思考的好習(xí)慣。流體計(jì)算仿真軟件不僅僅有Fluent軟件，還有Comsol、polyflow、Xflow等，每一種軟件有自身的優(yōu)點(diǎn)和適用性，針對(duì)不同問(wèn)題選用不同類(lèi)型軟件，例如polyflow軟件適用于模擬粘彈性流體的流動(dòng)。作為一線教師，本文給出了“工程流體力學(xué)”課程在石油工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)建議。并針對(duì)不同的專(zhuān)業(yè)，對(duì)“工程流體力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使學(xué)生在熟練掌握“工程流體力學(xué)”相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，掌握系統(tǒng)性思維等邏輯思維方法,掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工程推理、數(shù)學(xué)建模、工程經(jīng)驗(yàn)提煉的技能與方法，應(yīng)用“工程流體力學(xué)”的基本原理表達(dá)、識(shí)別和分析石油工程領(lǐng)域相關(guān)的復(fù)雜工程問(wèn)題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知實(shí)際油田工程中復(fù)雜的流體流動(dòng)的工程問(wèn)題，使他們具備分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為學(xué)習(xí)后繼課程和從事石油工程領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)論

1.采用線上線下混合式教學(xué)，將學(xué)生課下自學(xué)與教師課上精講相結(jié)合，鍛煉學(xué)生自學(xué)能力和自我約束能力，真正體現(xiàn)以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念。課程體系設(shè)置更為合理，教學(xué)的設(shè)計(jì)、內(nèi)容的取舍、教學(xué)環(huán)境的安排及部署，每一部分都經(jīng)過(guò)充分的考慮。2.將理論與實(shí)踐相結(jié)合，將工程領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題融入到日常的授課講解過(guò)程中，讓學(xué)生明白如何應(yīng)用理論去指導(dǎo)實(shí)踐，如何將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，如何在實(shí)踐中校正理論結(jié)果。3.線上和線下課程中多引入一些計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬的內(nèi)容，給學(xué)生視覺(jué)沖擊，用科學(xué)的魅力吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

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作者：劉麗麗 范家偉 孫啟冀 單位：東北石油大學(xué)