新工科理念下“实验流体力学”教学改革探索

［摘 要］ 实验教学质量对学生工程师核心素养和实践创新能力的培养影响重大。在加快建设发展新工科的背景下，针对“实验流体力学”教学存在的问题，提出了教学改革设计的若干思路和实施方案：更新教学内容，引入流体测试新技术，紧跟学科前沿和行业发展需求；优化教学模式，融合多种教学方法，激发学生的学习热情和创新思维；改变考核形式，注重实践创新能力，全面衡量学生的综合素质，为“实验流体力学”注入活力，满足新时代高素质复合型人才的培养需求。

［关键词］ 实验流体力学；新工科建设；教学改革；复合型人才

［基金项目］ 2024年度北京交通大学自然科学类人才基金项目（2024XKRC046）

［作者简介］ 王 雷（1991—），男，黑龙江大庆人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院高聘副教授，硕士生导师，主要从事实验流体力学研究；徐 丰（1965—），男，辽宁沈阳人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事环境流体力学和微重力流体力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）06-0057-04 ［收稿日期］ 2024-10-15

面对新一轮科技革命和产业变革带来的机遇与挑战，2017年2月，教育部在复旦大学召开的综合性高校高等工程教育发展战略研讨会上，正式提出了新工科的理念［1］。相较于传统工科，新工科聚焦于培养具备工程师核心素养，能实现跨学科知识融合，创新实践能力突出，善于把握科技发展趋势的高素质复合型人才。党的二十大报告提出，到2035年建成教育强国的目标。在此战略布局下，进一步加快推进新工科建设，对于建设教育强国，尤其是工程教育强国具有重要意义。

“流体力学”是力学专业的核心课程，也是航空航天、能源动力、机械、水利和环境等专业的重要基础课程，在工科专业的人才培养方案中占据重要地位。实验作为联系流体力学基本理论和工程实践的纽带，是培养学生解决实际问题能力、提升创新和学科交叉意识、训练基本科研素养的重要环节。以新工科建设为引领，各高校高度重视实验教学工作，许多高校已经把“实验流体力学”设置为一门独立课程，构建了包含独立教学目标、教学大纲、教材和考核方式的教学体系［2］。即便如此，“实验流体力学”教学目前仍存在不少问题：教学内容陈旧，无法及时反映学科前沿与实际应用的新动态；教学方法低效，难以充分激发学生的学习热情；考核形式僵化，难以全面、准确地衡量学生的学习成效与综合能力。

实验教学质量对学生工程师核心素养和实践创新能力的培养影响重大，在加快发展建设新工科的背景下，针对“实验流体力学”存在的上述问题，亟须开展教学改革，使其契合新工科理念，满足新时代对高素质复合型人才的培养需求。本文以北京交通大学工程力学专业的“实验流体力学”课程为例，提出了教学改革设计的若干思路和实施方案，从而提升学生的综合素养和创新能力，助力相关专业人才培养的高质量发展。

一、“实验流体力学”教学现状分析

（一）教学内容陈旧

“实验流体力学”课程内容涵盖了流体力学实验研究以及工程应用中常用的多种测试技术和数据分析方法，其涉及流体力学、光学、传感、计算机技术、图像处理、数学信号分析等诸多学科［3］。然而，目前“实验流体力学”教学内容陈旧的问题较为突出，普遍局限于最为传统的实验测试技术与数据分析方法，在多年间未有实质性更新与拓展，忽略了相关技术的最新进展，无法紧跟学科研究动态与实际应用前沿，导致学生所学知识与实际科研及相关行业的需求严重脱节，不利于创新能力和多学科交叉思维的培养［4-5］。

（二）教学模式低效

目前“实验流体力学”课程普遍为32学时，包含理论教学和实验教学，其课程内容较多，而学时却相对有限。在此情况下，科学合理地设计教学结构，运用高效的教学方法，对于学生获得较好的学习成效、提升学习的积极性极为重要。然而，传统的教学模式多以教师为主导，教学过程主要着眼于知识的单向传输，学生参与度低，与工程教育专业认证的“以学生为中心”的理念背道而驰［6］。在理论教学环节，教师单方面进行冗长、枯燥的口头讲解，学生只能处于被动接受知识的状态，而到了实验教学环节，学生也仅是依照既定流程和要求，机械性地完成实验，无法依据自身的兴趣对实验进行自主调整或拓展。一旦遇到较复杂的流体实验问题时，学生很难透彻理解实验设计的精妙思路。这种低效的教学方法难以激起学生的好奇心与求知欲，不利于创新型人才的培养。

（三）考核形式僵化

目前“实验流体力学”的考核形式由平时成绩与期末考试成绩按一定比例构成。其中，平时成绩主要依据实验报告确定。由于很多高校实验室资源短缺，在实验教学环节，只能以多人为一组共同完成一项实验。这种方式虽能够培养学生的团队协作能力，但难以杜绝小组内部学生心存侥幸、滥竽充数的现象。因此，仅凭借实验报告，无法对每名学生的实验操作能力、在小组实验中的贡献程度、实验报告中所体现出的独立思考及数据分析能力等予以综合评定［7］。期末考试成绩则通过试卷确定，主要考查学生对理论知识的掌握情况，呈现显著的应试特征。这种形式使部分学生仅着眼于内容的机械性记忆，未能深入理解实验技术的原理，在课程结业后亦无法将所学知识有效地应用于后续的科研之中。此外，书面考核形式缺少促使学生认识不足并加以改进的反馈机制，并未达到人才培养的真正目的。

二、“实验流体力学”教学改革设计与实施

（一）教学内容改革——引入流体测试新技术，紧跟学科前沿和行业发展需求

流体测试技术是现代实验流体力学发展的关键。近年来，科技创新迅猛发展，流体测试新技术不断涌现，并朝着多物理量、多尺度、极端条件、智能控制等方向发展。将这些前沿技术融入教学层面，既能让学生接触到先进且实用的知识技能，又有利于培养适应时代和行业发展需求的专业人才。

以笔者在教学中的改革探索为例，在讲授速度测量技术时，除介绍传统二维平面PIV技术外，还应让学生掌握当前发展成熟且应用广泛的层析PIV技术。层析PIV技术使用多台高速相机同步记录粒子运动的图像，通过重构算法和数据后处理得到空间流场的三维速度场信息，在解决飞行器、舰船推进器、风力涡轮机、混合、燃烧等具有强非定常性、强三维性的工程问题方面发挥了重要作用［8］。但层析PIV存在数据空间分辨率不高、计算速度较慢等局限性，因此还需让学生进一步了解近几年新兴的“抖盒子（shake the box）”技术。抖盒子技术聚焦于粒子的运动行为，采用先进算法，借助粒子位置随时间演化信息精准重构粒子的运动轨迹，其与层析PIV技术相比，数据处理速度更快、空间分辨率更高。此外，它通过系统集成与编程控制的机械臂相结合，能够满足大规模复杂流场的测量需求，充分体现了技术进步为实验流体力学带来的重大突破。在讲授数据处理方法时，除介绍传统的流场分析和诊断方法外，还应关注近几年人工智能和机器学习对流体力学领域产生的深刻影响，向学生介绍物理信息神经网络（PINN）算法。PINN是一种融合深度学习与物理知识的机器学习模型，在处理流体动力学问题时将Navier-Stokes方程作为物理信息法则指导模型的训练过程，在提高数据空间分辨率、降低数据噪声、重构压力场等方面具有重要的应用价值。

通过讲授这些新兴的实验测试技术和数据处理方法，学生不仅能够提升自身的科研素养，增强对课程的兴趣，还为毕业后迅速适应行业发展奠定了坚实基础，有力推动教学与学科前沿、行业需求的紧密结合，实现了教学内容的与时俱进。

（二）教学模式改革——融合多种教学方法，激发学生的学习热情和创新思维

在“实验流体力学”课程体系中，理论教学与实验教学相互依存、相辅相成。理论为实验提供支撑框架，使实验设计与实施有章可循；实验则能加深学生对理论知识的理解，将抽象的理论具象化。基于理论与实验教学之间紧密的内在联系，“实验流体力学”课程有必要优化教学结构，在不同教学环节中灵活运用多种教学方法，有效激发学生的学习热情，培养他们的创新思维。

在理论教学环节，实验流体力学包含大量概念和公式的推导过程，倘若仅依赖传统的口头讲解方式，课堂氛围极易变得枯燥乏味，影响学生的学习热情与积极性。针对该问题可以采用案例教学法。教师在讲解每种测试技术时，可结合自身或教学团队在实际科研中开展过的实验案例，也可引入相关文献中的经典案例。借助图片、动画、视频等多媒体形式，将这些案例生动形象地呈现给学生。在案例展示之后，教师引导学生以小组形式，针对案例中的实验设计思路、测试技术应用等展开深入讨论。在此过程中，教师应注重引导学生自主思考、总结归纳，培养学生独立思考和解决问题的能力。此外，为了让学生及时将所学理论知识与实际应用相结合，在介绍完某一类测试技术后，立即安排相关的实验教学。这种理论与实践的紧密衔接，有助于学生更深入地理解和吸收所学知识，显著提升学习效果。

实验教学环节摒弃了传统的演示性实验，改为综合性实验和自主设计创新性实验。其中，综合性实验可以采用项目教学法，构建科研与教学的互动机制，实现以科研反哺教学［9-10］。授课教师可从教学团队正在开展的科研项目中提炼有关内容，设置包含多种实验测试技术的综合性实验。而自主设计创新性实验则充分赋予学生主动思考与深入探索的空间，着重培养他们的自主学习能力、解决实际问题的能力。在此过程中，教师角色发生转变，更多地承担引导者和协助者的职责，而非传统意义上的知识传授者。

以笔者在教学中的改革探索为例。在综合性实验环节，在讲授完测温技术后，笔者结合教学团队所开展的空间项目，设置了“热壁射流接触铺展”实验。热壁面射流接触铺展系统是一种多尺度、多自由度的多流态流动，存在丰富的界面现象。在实验过程中，让学生采用热电偶和红外热成像仪两种测温方法，测量不同雷诺数下射流冲击加热壁面的温度信息。学生通过这一实验不仅能掌握两种测温方法的应用，还能通过对比两种方法的数据结果，深入地理解它们各自的技术特点。同样，在介绍完测速技术后，笔者结合教学团队正在进行的煤炭地下气化项目，设置“加热气化腔速度场测量”实验。在煤炭地下气化过程中，气化腔内的流动状态对化学反应的效率具有重要影响。在实验过程中，让学生采用二维PIV和热线两种测速方法，测量不同注气流量下气化腔内的速度信息，对比两种测速方法的数据结果，理解它们各自的技术特点。

（三）考核形式改革——注重实践创新能力，全面衡量学生的综合素质

“实验流体力学”课程的考核形式摒弃了传统的应试考核方式，采用“平时综合性实验（40%）+期末自主创新性实验（60%）”的全新考核方式。对于平时综合性实验，考虑到实验资源的限制，仍然以小组形式进行。为确保每名学生都能全面锻炼各项能力，规定以固定的3人为一个小组，且在不同实验中，小组成员的分工必须有所调整。此外，每次综合性实验除完成既定的实验内容外，还会设置与理论知识相关的思考题，以此考查学生对理论知识的理解程度。基于此，每次综合性实验的成绩将从实验成员分工、操作过程、数据处理、实验报告、思考题的回答情况等多个维度进行综合评价，以此全面衡量学生的实验操作能力和问题分析能力。

期末的自主设计创新性实验要求为：学生以2人为一组的形式开展实验，每个小组须先开展学术调研，紧密结合课程所学知识，充分利用实验室现有的仪器设备，自主规划实验内容、记录实验现象、分析实验数据。完成实验后，撰写一份内容涵盖任务分工、实验背景、实验设计、数据处理等多个方面的综合性报告。此外，还须进行两轮实验答辩，第一轮答辩时，教师及其他实验组的学生共同参与，指出实验中存在的问题，并提供切实可行的改进意见和建议。学生在获取反馈后，须对实验内容进行调整和完善，然后进行第二轮答辩。这一环节旨在让学生认识不足并进行针对性的改进。最终，教师根据每组实验的完成情况以及提交报告的质量进行综合评价。考虑到参与实验的小组数量较多，实验室采用预约实验的管理模式。学生可根据自身情况自主预约实验时间，授课教师或实验室管理员负责现场指导与监督，学生需在规定时间内完成实验任务。