工程教育背景下的流体力学课程改革与实践

郭津津 刘 杨 武 刚 杨秀萍

（1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384）

一、引言

工程教育专业认证的理念是“学生中心”、“产出导向”及“持续改进”。以学生为中心首先关注学生毕业应具备的能力，包括技术能力和非技术能力，以利于学生未来发展，即制定适合学校特色的、满足经济发展的专业人才培养目标。专业根据培养目标制定毕业要求，并将毕业要求分解成更为细化的指标点，据此建立与培养目标、毕业要求相匹配的人才培养课程体系，以图有利于毕业要求落实到具体的课程中。课程的教授内容、适宜的教学方法及合适的评价标准，使学生的毕业要求指标点可达，进而毕业要求可达[1-4]。工程教育关注学生达到了什么，课程教学过程是“如何有效地帮助学生取得这些学习效果”。这种基于结果为导向的课程体系的设置，使得每一门课程都要支撑具体的毕业要求指标点，任课教师通过课程改革与实施，将毕业要求指标点的知识和能力的培养落实到日常的教学中[5-7]。

天津理工大学机械电子工程专业目前正在进行工程教育专业认证工作。根据学校定位、专业人才培养定位、社会经济发展需要，制定了专业的培养目标：专业致力于培养适应国家、特别是京津冀地区机电装备制造业及相关行业的发展，能够在机械电子工程及相关领域从事机电产品及系统的研究、技术开发、设计制造和生产管理，并且具有良好职业能力的机电工程师及相关领域的优秀专业人才。同时，对毕业生具备的能力也做了描述，专业人才具备的能力要求包括：机械电子专业相关的工程知识和工程实践能力；在机械电子工程实践中使用各种技术和现代工程工具的能力；设计机电产品、系统和部件的能力；在多学科团队中沟通交流的能力；具有社会责任和工程职业道德的要求。

根据中国工程教育专业认证协会制定的机械类专业的补充标准，流体力学是必修的工程基础类课程。该专业在课程体系的设置时需要对毕业要求进行以下支撑：第一点是工程知识，掌握数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。第二点是问题分析，能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。为了使支撑的毕业要求可达，流体力学课程进行了相关的改革。以流体力学课程为例，在工程教育背景下，通过教学内容和教学方法改革，实现课程目标支撑毕业要求指标点，同时满足以解决复杂工程问题为目标的专业教育的需求。

二、流体力学的教学内容与课程目标

1.流体力学的教学内容

流体力学课程是研究流体平衡和运动规律的一门科学，是天津理工大学机械电子工程专业的主干工程基础课程，是力学的一个重要分支，与大量的工程实际问题联系密切，是学习相关专业课程和专业发展不可缺少的技术基础理论。课程学习的主要内容包括：流体的基本物理属性、流体静力学、流体运动学、相似理论和量纲分析、管流损失、孔口出流和缝隙流动等流体力学基本理论及工程应用知识和能力。学生通过课程学习，初步掌握流体力学的基本概念、原理和方法，能够对机电工程领域中的典型流体力学问题进行分析和求解。

根据学校定位及校友的工作领域，本专业讲授的流体力学内容以应用流体力学为主，即除讲授必要的基础理论外，着重培养流体力学知识在机械装备等工程领域应用中的能力培养。课后留有理论与应用结合的思考题和习题，以加强学生对流体力学知识的理解和应用。

2.流体力学的课程目标

根据制定的毕业要求、分解的毕业要求指标点及课程体系设置，流体力学课程需要支撑两个指标点：第一点是掌握机械电子工程基础类知识，具备能够用于机电产品及系统中的工程问题的建模与求解的工程知识。第二点是能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、判断与分解机电产品及系统中的复杂工程问题的能力。因为，流体力学课程具有两个课程目标，具体如下。

（1）支撑毕业要求指标点一

掌握流体在静止和相对平衡时压强的分布规律、计算和测量方法；掌握流体运动的基本方程；掌握阻力损失的基本概念与计算，各类管路的基本计算方法；掌握孔口、管嘴出流的计算方法；掌握流体力学相似性原理，常用的相似准数和模型律；掌握气体一元流动的基本概念、流动特性及其应用。通过课程的学习，使学生掌握在工程实际中初步应用流体力学的基本理论、基本分析与计算方法。

（2）支撑毕业要求指标点二

培养学生能够运用流体力学的基本理论和基本方法，建立描述流体运动和平衡的基本方程和模型；能够对所建立的描述流体运动和平衡的基本方程和模型进行求解；分析求解管流、孔口出流、缝隙流动等典型流动的工程应用问题。培养学生的工程素质，包括工程概念的形成、工程思想方法的建立、工程问题的基本建模、分析计算能力及严谨工作作风的培养和训练。

三、流体力学课程对培养学生解决复杂工程问题能力的改革与实践

1.培养学生解决复杂工程问题能力的思考

工程教育是以行业需求为导向，专业的培养目标，规范了毕业生应掌握的专业知识、应表现出的专业技能以及应具备的专业态度。同时，工程教育是以解决复杂工程问题为目标的专业教育[8-10]。流体力学课程属于工程基础理论课程，往常的教学方法以课堂讲解、课后作业、结课考试为主。由于流体力学知识比较抽象，涉及大量的概念、公式，学生学习中掌握困难、兴趣不高，因此知识掌握不是很好。随着计算机运用的普及及各种现代工具的完善，社会和企业对学生掌握现代技术，应用工具解决实际问题的能力也有需求，这也是复杂工程问题的一个特征。计算流体动力学（Computation Fluid Dynamics，简称 CFD）作为流体力学的一个重要分支，常被用来求解流体的传热和流动的问题，具有代表性的软件工具有FLUENT、CFX等。通过CFD研究工程流体问题也是未来的趋势。毕业要求指标点的支撑不是孤立的，前端课程有责任为后续教学环节的实现打下基础。为此，在流体力学课程教学中，教师利用课堂讲授、例题及作业，使学生掌握解决机电领域复杂工程问题所需的流体力学基本原理及分析问题的基本方法，并加强工程背景和应用内容介绍。同时，在流体力学教学中，要求学生通过自学方式，学习和掌握CFD仿真软件FLUENT的基本应用方法，并正确地应用于问题的求解中。

2.实施方法

目前教学改革的趋势是提高学生自学习能力。流体力学教学数为32学时，由于课程未配有实验，因此引入仿真实验技术验证有关流体力学的现象和结论。在课程绪论中，利用1学时介绍CFD仿真技术的思想、应用案例及典型的CFD工具软件等内容，并以CFD工具软件Fluent为例，说明仿真分析的过程。通过提供典型的分析教程资料，要求学生在此基础上自学Fluent软件应用技术，以3～5人小组形式，选择课堂例题或者作业中的一个典型问题，完成一个仿真分析大作业。此环节的课程目标包括以下几点。

（1）对现代设计工具解决复杂工程问题的工程方法的掌握

（2）学生的团队协作、沟通交流的能力提高

（3）终身学习意识及自学能力的培养

课程实施过程及要求包括：首先从课堂例题或作业中挑选出典型习题作为大作业仿真模拟的对象；然后利用FLUENT完成建模、计算、后处理及分析的仿真分析过程，并要求将仿真结果与理论计算结果进行对比分析，认识到现代设计方法的局限性。学生利用这个过程，初步掌握解决复杂工程问题过程中的现代工具应用技术，并为后续专业设计、毕业设计等教学环节对解决复杂工程问题的能力要求打下基础。

在实施过程中注意分析内容不要太复杂。流体力学课程一般开设在第三学期或第四学期，学生处在四学年的前端，对工程意识理解还欠深入。同时还要学习理论力学，材料力学等课程，学业较重。此阶段只是前期工程意识引导，课程的主要任务以学生掌握流体力学基础理论为主。因此需要把握课程内容的难度，评估学生完成时间。

四、举例

流体力学课上、课后有大量的理论建模、计算的习题，经过适当变换为相应的CFD仿真分析案例。下面以管中薄壁小孔的流动为例，说明实施方法。孔口出流在工程技术中有着广泛的应用，流体流经孔口的流动现象与孔口的结构形状和出流条件有关。在流体力学中有一典型的习题，如图1所示的孔口结构密度 ρ=860Kg/m3、ν=8.4×10-6m2/s 的油管，加装一个小孔阻尼器以降低油流速度，已知D=25.4mm，d=5mm，要求学生应用FLUENT分析管中压力场和速度场。学生通过三维建模、网格划分、在FLUENT中设置边界条件利用求解器进行计算及后处理，进行压力场和速度场的分析，得到如图2、图3所示的压力场和速度场，并与理论计算结果进行对比分析，了解和掌握CFD软件在工程流体问题中的应用技术及其局限性。

图1 管中小孔阻尼器

图2 压力场迹线图

图3 速度场迹线图

五、结论

流体力学现有的教学内容和方法偏重于理论教学，缺少工程意识及解决复杂工程问题能力的培养。为改变这一现状，结合中国工程教育专业认证标准和社会对人才知识、技能及素质的需求，提出了适用于当前流体力学课程教学的具体改革方法。通过引入学生小组自学掌握FLUENT软件并完成指定的学习任务，在掌握流体力学基础理论知识的同时，掌握现代工具的应用技术，认识现代工具在解决复杂工程问题过程中的作用。利用小组完成，可培养学生的团队协作、沟通交流能力。提高教学质量，是高校教育的永恒主题，在工程教育认证背景下，打破传统教育的束缚，面向全体学生，对教学内容和教学方法进行反复研讨，持续改进教学模式，使讲授的流体力学课程满足学生的解决复杂工程问题的能力培养。