工程流體力學課程教學改革探索

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摘要：“工程流體力學”是石油工程學科的專業基礎課，其理論性較強，通常以課堂教學板書為主。在“互聯網+”的今天，該課程的改革勢在必行。作者將線上富媒體教學與線下課堂教學相結合，將理論教學與工程實踐相結合，并適時恰當地引入計算流體動力學軟件模擬流體流動規律，將專業認證思想和新工科理念貫穿于授課過程中，建設具有新時代、新內涵的“工程流體力學”課程。

關鍵詞：工程流體力學；線上線下混合模式；富媒體教學；專業認證

“工程流體力學”是石油工程學科油氣儲運工程、石油工程、海洋石油工程專業的基礎課程[1]，其學科的應用價值愈來愈廣泛，滲透性越來越強，與所有石油工程專業基礎和專業學科之間都存在交叉，在學生知識能力培養和知識體系結構中起著承上啟下的作用。該課程理論性較強且涉及實際復雜工程問題較少。傳統的滿堂灌式教學缺乏對學生能力的針對性培養，造成畢業后對復雜工程問題的分析能力欠缺，而在工程教育認證背景下，學生應在課程學習中逐漸具備分析復雜工程問題的能力，這對教師教學提出了更高的要求。針對這一問題，為滿足石油學科各專業培養學生實踐能力的需要，東北石油大學將理論基礎和工程實際問題相結合，以培養高水平石油工程師為目標，完善優化工程流體力學的教學內容和授課方式[2-5]。“工程流體力學”是一門理論性較強的工程應用基礎課程，主要教學目的是使學生掌握流體力學的基礎知識，并能利用流體的流動規律解決石油工程等方面的實際工程問題。由于石油工程中流體流動類問題在實際工程中包含了微觀、介觀和宏觀多個尺度，所以在教學內容把握上，教師要以宏觀常識為基礎，再切入介觀和微觀，以防學生只理解數學模型，而不懂如何應用。同時，在教學方式上，教師要采用線上線下混合式教學；重視基本理論與工程實踐相結合，運用富媒體技術和手段，激發學生學習和創造的熱情，進而優化教學效果，促進學生對流體力學專業知識的理解，為日后從事工程和科研工作打下堅實的基礎。

一、線上線下混合式教學

隨著“互聯網+”的日益發展，現代社會已經進入信息化與數字化時代。對現代高等教育來說，目前傳統教學模式中的教學理念、教學方式、教學手段、教學方法等都已經受到了嚴峻的挑戰。線上資源主要以視頻、音頻、課件為主，資源豐富，對于某個問題可以多次反復學習，直到學會為止；學習之后有對應的章節測試，用于檢測學習效果，針對性較強；另外學習不受時間、地點的限制，節省時間；同時鍛煉了學生的自學、獨立思考、分析問題、解決問題的能力。該課程于2019年年底在超星學習通平臺已經建成慕課。該慕課共包含7章49個視頻98個任務點，單個視頻時長在5~15分鐘之間，視頻總時長超過400分鐘，每個視頻對應有章節測試，測試題型包括選擇、判斷和填空。2020年上半年東北石油大學充分利用超星學習通平臺開展線上教學，并配合騰訊課堂開展直播教學。在課下，學生利用業余時間觀看視頻并進行課后測試，課上教師主要概括總結知識點，對于難點和重點著重講解，并有針對性地做一些習題以鞏固基本知識點，加深學生對基本理論和思想的理解，起到了答疑解惑的作用。但是線上學習通存在一些不足，比如：缺少教與學的互動（雖然線上學習有討論環節，但是提問與回答不能保證同步，也不能保證所有學生參與進去）；缺少實踐性環節（動手親自做實驗需要線下實驗課來彌補）；線上信息量大，學生抓不住重點；缺少同學間的競爭等。這些問題在線下課堂教學中得到彌補。學生普遍反映線上教學和線下直播有機結合效果特別好。由于線上學習時間較長，所以需要調整課程成績構成。經課題組商討，總成績構成如下：平時成績占60%，期末試卷成績占30%，實驗成績占10%。平時成績構成：超星學習通觀看視頻時長占20%，超星學習通小節習題測驗占10%，期中測驗占20%，單元作業占20%，課程討論占10％，其他表現占20%，按百分制計分。期末考試題型包括選擇題、判斷題、填空題和計算題，由超星學習通平臺題庫隨機組卷，通過騰訊會議開展監考以完成期末測試。期末測試完成后，主觀題由任課教師單獨批閱，客觀題由慕課平臺自動批閱，這樣做保證了批閱過程的準確性和時效性。線上學習與線下課堂相結合的混合式教學模式是當今高等教育發展的必然趨勢。通過優秀教學資源的建設，達到建設優秀教師團隊的目的，使教師能夠逐步深入了解學生對于課程重點和難點的掌握情況，也使教師逐漸適應多樣化、個性化的學習要求，逐步完善教學資源，滿足眾多不同專業學生的需求。

二、基本理論與工程實踐相結合

理論就是用于指導實踐、解決工程問題的，“工程流體力學”的理論在石油工程領域的應用是非常重要的。由于油氣水從井底到井口、從井口進入到管線，不同集油流程流體的流型、流態，流體在管道中流動的流速、流量的計算，在聯合站油水分離以及儲油罐靜壓力和總壓力的計算，外輸管路水頭損失的計算，泵站位置的確定等都少不了“工程流體力學”知識。所以教師在授課過程中，將“工程流體力學”理論與現場應用結合起來，讓學生明白所學知識的重要性、針對性、關聯性和應用性。比如：在講解流體靜力學時，利用靜壓和總壓計算公式，計算井筒內井底壓力，計算油氣儲罐壁面和底面壓力用于儲罐的強度校核，油氣管道上閥門受力等工程實際問題。在講解流體運動學時，主要分析流體在井筒內流動規律、管道內油水兩相或者油氣水多相流動形態和狀態等，為管路設計中壓降的計算奠定基礎。對于流體動力學這塊，主要以輸油管道中的泵和流量計算為研究對象，結合伯努利方程和實際工況計算選泵功率和流量，為長輸管路設計中泵站的選取提供依據。在講解孔口和管嘴出流時，用于計算儲罐泄漏時的瞬態和穩態流量、泄流放空時間等。另外，課程理論的講解不僅要與工程實際結合，而且還要適當增加思政元素，例如當講解水擊現象時，可以以課程思政的方式介紹米勒德冷藏服務公司制冷系統水擊導致液氨泄漏事故的原因及帶來的危害，從而讓學生提高安全、環保以及職業規范意識。在講解流體力學發展史時，通過介紹達芬奇，使學生了解更多關于流體力學相關的趣聞，從更多的維度來重新認識達芬奇，激發學生的學習興趣，使學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。另外，單純講解也不直觀，有時難免枯燥、乏味，這就需要添加更多的富媒體在里面，使之生動具體，讓學生容易理解，印象深刻。同時教學過程中，任課教師可以拿出幾個實例，例如可通過設計開放性作業、調查報告等手段實現。讓學生分組設計，設計形式和結果由學生課下分組討論共同完成，課上由一名學生單獨講解，其他學生也可以補充說明，最后由教師作點評和拓展，這樣不僅鍛煉了學生的自學能力、語言表達能力，同時還活躍了課堂氛圍，發揮了學生的主觀能動性，加深了學生對知識點的掌握。

三、教學過程引入計算流體動力學軟件

隨著工程仿真軟件的發展，許多流體力學問題更加直觀、逼真地展現在我們面前，其視覺效果好，便于理解流動機理。教學中適時引入計算流體動力學軟件，可以增強學生的學習興趣，使其將注意力集中在課堂上，大大提高教學質量。“工程流體力學”課程本身概念多，而且內容抽象，公式推導復雜，學習起來較其他學科難。例如，講解流線是描述流場流動方向的曲線，流體流經圓管突然擴大管、突然縮小管、彎管以及三通中流體流動流線的形狀、疏密，畫法等均可以通過Fluent軟件模擬出來。卡門渦街也是Fluent模擬中具有代表性的一個，隨著時間的變化，流體流經不同形狀固體物時后面產生的渦在不斷變化。同樣流體在兩個平行平板中的純剪切流、泊謖葉流和庫特流的流場也可以在Fluent軟件中實現。從數學模型的建立、網格的劃分、物性參數和邊界條件的確定，再到最后數值計算，結果的后處理，操作簡單，學生課下可以自己嘗試，變換初始條件和邊界條件，觀察流場的變化規律，分析問題解決問題，讓學生逐漸對流體流動產生興趣，養成獨立思考的好習慣。流體計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點和適用性，針對不同問題選用不同類型軟件，例如polyflow軟件適用于模擬粘彈性流體的流動。作為一線教師，本文給出了“工程流體力學”課程在石油工程專業教學過程中的幾點建議。并針對不同的專業，對“工程流體力學”的教學內容進行適當調整，使學生在熟練掌握“工程流體力學”相關知識的基礎上，掌握系統性思維等邏輯思維方法,掌握實驗設計、工程推理、數學建模、工程經驗提煉的技能與方法，應用“工程流體力學”的基本原理表達、識別和分析石油工程領域相關的復雜工程問題，同時培養學生認知實際油田工程中復雜的流體流動的工程問題，使他們具備分析問題、解決問題的能力，為學習后繼課程和從事石油工程領域專業技術工作奠定基礎。

四、結論

1.采用線上線下混合式教學，將學生課下自學與教師課上精講相結合，鍛煉學生自學能力和自我約束能力，真正體現以學生為中心，以產出為導向的工程教育認證理念。課程體系設置更為合理，教學的設計、內容的取舍、教學環境的安排及部署，每一部分都經過充分的考慮。2.將理論與實踐相結合，將工程領域實際問題融入到日常的授課講解過程中，讓學生明白如何應用理論去指導實踐，如何將理論與工程實踐相結合，如何在實踐中校正理論結果。3.線上和線下課程中多引入一些計算流體動力學軟件模擬的內容，給學生視覺沖擊，用科學的魅力吸引學生的注意力，激發學生的學習熱情和興趣。

參考文獻：

[1]楊樹人,汪志明,何光渝,等.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社,2006:1-162.

[2]謝翠麗,倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入CFD教學的探討[J].力學與實踐,2013(3).

[3]張引弟,廖銳全,李元鳳,等.《工程流體力學》課程考核方式的教學改革與實踐[J].西南師范大學學報(自然科學版),2015(4).

[4]朱智瑩.《工程流體力學》教學方法探討[J].教育教學論壇,2017(2).

[5]趙玉新,劉偉.計算流體力學軟件在流體力學專業教學中的作用[J].教育教學論壇,2016(11).

作者：劉麗麗 范家偉 孫啟冀 單位：東北石油大學