机械本科专业“流体力学”课程创新探索

［摘 要］ 随着智能装备制造及人工智能的迅速发展，很多复杂的流体工程内容应运而生，而传统的流体课程教学长期存在授课只讲书本、课程内容还停留在理论层面的问题，不能满足实际工程的需要，导致学生理解不深入，不能将理论和工程结合起来，无法学有所用。针对上述问题，教学团队秉承“以理论为中心，以成果为导向”的教育教学理念，充分发挥学院特色，将人工智能和“流体力学”专业课进行融会贯通，并利用广东省产业特色，通过和企业的接触和交流，利用现代信息技术在教学方法与教学实践等方面长期探索，不断完善，持续创新。鼓励学生进入企业，了解企业需求，组织团队进行技术攻坚。教师帮助学生在学习及实践过程中发现问题、分析问题、解决问题，实现学有所用，深入掌握理论专业课，服务地方企业发展。

［关键词］ 流体力学；人工智能；产业特色；教学实践；教学理念

［基金项目］ 2017年度教育部产学研协同育人项目“佛山科学技术学院校外实践教学基地建设”（201702171028）

［作者简介］ 李 健（1983—），男，河北石家庄人，博士，佛山大学机电工程与自动化学院机械高级工程师，特聘青年研究员，主要从事传热传质、流体力学研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）52-0105-04 ［收稿日期］ 2024-03-20

“流体力学”是面向机械、冶金与能源、航空航天等工科类本科生开设的专业课，是本科大三、大四专业核心课程的基础。由于社会经济持续发展的需要，流体力学将会对全社会关心的生态环境的维护问题发挥积极的作用，重点是研究陆气、海气界面过程，污染物的迁移，风沙、泥沙、泥石流运动，以及农业和工业中的水循环等［1-4］。此外，与生物、地球和天文的结合也将会涌现重大的研究成果。因此，“流体力学”课程创新探索与实践在培养学生深入理解力学基本知识体系、对具体复杂工程问题进行识别和表达、使用先进的工业软件进行专业研究等方面有着重要的地位。

一、课程发展现状

国内目前普遍采用的流体力学教材、教学内容、教学手段和方法还比较传统，通常存在以下教学“痛点”问题。

（一）课程专业化程度高，主要是以课堂讲授为主

流体力学理论性强，概念抽象，数学功底要求高。因为流体本身具有复杂的性质和行为，确定流体的性质和行为需要进行大量的实验，流体在运动时的单位时间内所发生的变化很快，需要高速的运动检测和数据处理技术，所以要深入了解流体的运动状态和机理是一件比较困难的事情。目前，一些教师所教授的知识还仅停留在书本上，对流体知识及应用领域拓展知识并不了解，仍采用讲授理论加课后作业的方式，还停留在把书本上内容灌输给学生的教学模式。学生在上课过程中接收教师传递的信息，课后完成作业，这种模式严重影响了“流体力学”课程的深度和广度，使学生所掌握的知识仅停留在表面［5-6］。

（二）课程专业性强，课堂内容缺乏时代性和前沿性

流体流动的力学模型及其运动的物理意义难以理解。描述流体流动的纳维-斯托克斯方程和能量方程唯一性的证明需要微分方程、偏微分方程、多元积分等很深的数学基础，但近年来学生的数学和力学基础存在下降的趋势［7-8］。如果不能准确把握所涉及的相关流体流动的物理本质，会使部分学生觉得“流体力学”是难以接近的一门课。现在虽然有了工程流体力学等偏向工程化方面的案例，但是这些针对如今工业的迅速发展也显得很薄弱［9-10］。例如，在大功率风力发电机组的发展过程中，当前正开发一些高新的操纵技术，如独立变桨操纵、早先变桨操纵等，利用感应流体流速的具体改变，调节叶片的夹角，让整个风力发电机组越发的智能化，能够有效地减轻叶片的流体负荷。在架构和用料方面，利用弯扭耦合的流体裁剪设计，使得叶片形态改变后具备主动减轻流动负荷的功能，而目前课堂上这种专业方面的讲述还是非常少。

（三）学无所用，缺乏与科研和企业实际项目的相关性

很多学生认为，考上大学之后，学习任务就完成了，把大学时光浪费在了混时间、混文凭上。这样的想法往往导致在大学期间学习的知识都是不扎实的，不知道流体力学的应用在哪里，能解决什么问题，只是以考试合格为最终目标。结果导致工作之后，面对流体力学专业性的问题无从下手，即使曾经学习过相关的内容，也无法解决问题。

二、具体创新举措

经过多年的探索与实践，本课程在教学中多措并举，对自身专业素质提升方法及传统的教学方式进行了大胆的改革与创新，具体实施如下。

（一）高教专业教师要走出去

虽然高校教师受过专业课的培训，但是对于发展迅速的科技前沿，还是要及时积累教学资料、丰富教学储备，更新自己的知识库。为此，教师首先更要多深入流体制造相关企业，比如具有佛山本土特色的制造陶瓷卫浴中的花洒、喷淋头、马桶等的企业，家电行业中的热水器、风扇、吹风机等装备制造业。通过和企业技术人员深入交流，了解企业面临的专业技术问题，从实际产品角度深入理解，并将目前所掌握的技术关键难题作为以后上课的素材。理论联系实际，不但能提高教师本身的流体专业素质水平，更能激发学生在看得见、摸得着的产品上体会学习流体力学的乐趣，从而更深刻地意识到学习流体力学的重要性。

（二）举办小组论坛，开阔学生眼界

基于基础理论知识的讲解，让学生结合流体力学的发展历程在日常生活、国防和各类工业中广泛应用，并突出与专业相结合，为学生专业课的学习奠定基础。此外，让学生多看一些流体力学的国际论文以及知名的流体SCI期刊，了解这个专业的研究方向及应用领域。通过分组的形式让学生进行总结汇报，每节课安排两组学生根据以上调研和学习进行汇报，让学生掌握专业创新的思维模式和具备处理实际流体力学问题的能力，为学生将来从事工程实践或科学研究时，解决流体力学实际问题提供必要的知识基础。

（三）参与实际课题，掌握理论知识，解决工程问题

党的二十大报告提出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。新技术的导入将对教育产生重大影响。在此背景下成立广东省高等教育学会产教融合与校企合作研究分会，能够搭建起高校与高校之间、高校与企业之间沟通交流的平台，助推广东省产教融合事业的健康发展，提高人才培养质量。各高校要科学识变、主动求变，准确把握产教融合内涵，推进产教融合实践，促进大学生高质量就业。为此，让学生参与企业课题，既可以加深学生对理论知识的理解，又可以使学生在项目中有效利用理论知识来解决实际问题，培养学生的动手能力、表达能力和团队合作能力。同时，流体力学进入了一个新的发展时期，在进行项目的过程中，教师通过将理论分析、数值模拟和实验验证三种常用的流体力学研究方法相结合，着力培养学生的流体力学科学研究能力。通过“项目研究”的教学环节，使学生能够将所学理论知识与实际应用相结合，与各类工程专业结合更为密切，与其他学科的交叉渗透更加广泛深入。

三、案例分析

笔者自毕业以来，在明阳智慧能源集团股份公司、佛山市中山大学研究院及中山大学进行工作和科研，因此具备了在企业、研究院所及高校进行研发及学习的工作经历，这些都可以作为素材对学生进行展示。

第一，在教学过程中普及流体力学的应用场景。首先，向学生介绍企业背景，让他们知道这门专业应用的具体行业。比如，明阳智能作为全球化清洁能源整体解决方案提供商，位居中国企业500强和全球新能源企业500强，全球海上风电创新排名第一位，正奋力打造全球知名的千亿级新能源产业集团。其次，讲述流体力学在风电行业的应用场景，作为当今应用最广泛的可再生能源，风能对于减少碳排放至关重要。风电设备的安装需要面对空气动力较复杂的环境，风电场与风电设备的安全性成为行业研究的热点问题之一。随着计算机技术的快速发展，以流体力学为基础的CFD方法越来越多地应用到风电设计与研究中。为了保证风电场更高效、更低维护成本的可持续性运营，流体力学从风力发电机叶片、浮式海上风电机组、风力发电场等多个方面提出解决方案，保证不同风况变化下风电场的稳健性。最后，结合自己在中国科学院一区SCI期刊Renewable Energy发表的“Numerical Simulation and Application of Noise for High-power Wind Turbines with Double Blades Based on Large Eddy Simulation Model”进行应用案例讲解，分析流体力学在风机气动特性中的应用及在研发中的应用。

第二，每节课安排10～15分钟为学生进行前沿讲座。首先，当讲到流体力学无量纲理论时，会提前让学生进行专业基础知识调研，让学生充分了解这门课程讲的具体内容及知识点，学习到无量纲量具有数值的特性。在科研中，无量纲数对于理论求解、实验研究和数值计算都有指导意义。其次，让学生去查找一些相应的无量纲数组的应用，了解无量纲数在研发及工程上的应用点，比如雷诺数、欧拉数、弗劳德数、韦伯数、马赫数等。再次，让学生有针对性地查找一些流体会议及论文，整理好相应的素材，指定分组学生进行课上汇报讲解，提高学生的主动性。最后，根据自己在科研过程中针对半导体装备MOCVD遇到的流体、传热、腔体稳定性等，发表在中国科学院二区流体力学顶刊Physics of Fluids上的“Theoretical Adjustment of Metalorganic Chemical Vapor Deposition Process Parameters for High-quality Gallium Nitride Epitaxial Films”给大家详细讲解如何利用无量纲数据进行工艺参数指导，让学生对所掌握的无量纲数组这个知识点找到具体的应用场景。

第三，针对企业实际“卡脖子”问题让学生去思考解决。《粤港澳大湾区发展规划纲要》提出，建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系，支持粤港澳企业、高校、科研院所共建高水平的协同创新平台，推动科技成果转化。实施粤港澳科技创新合作发展计划和粤港联合创新资助计划，支持设立粤港澳产学研创新联盟。为此，教师带领学生通过产学研平台深入企业进行交流，了解企业“卡脖子”问题，让学生学有所用。例如，某油烟机厂家提出了客户针对他们产品在风量和噪声上存在的问题，为此我们针对该项目分小组进行了研发和讨论：A小组进行产业调研，确定共性问题；B小组通过流体力学理论进行风机建模；C小组通过计算进行流体力学分析确定结果可靠性；D小组进行测试及样机验证。

通过小组协调分工，最终实现了大风量、低噪声的风机样机研发，使得学生在学习和工作之间进行融合，深入地掌握课程理论与应用结合的方法。

四、成效与收获

本文基于长期的教学实践和广阔的国际视野，针对流体力学目前存在的理论及专业性强、时代前沿性等问题实行以下有效的改革措施：通过丰富教师的专业技术知识，让教师率先进入企业，了解不同领域的流体力学应用场景及发展状况，积累教学素材。在上课过程中，除了讲授课本基础专业知识以外，通过学生参与国际论坛在线学习以及专业论文的阅读，让学生掌握流体力学的前沿知识。学生走入项目组，通过理论联系实际，利用先进的技术手段来解决实际的工程问题，体验成功的乐趣。

参考文献

［1］张敏弟，邱思聪，郑辰，等.建设创新型工程流体力学成果导向模式教学体系［J］.高教学刊，2020（3）：104-106.

［2］张芳.流体力学课程教学研究［J］.都市家教（上半月），2013（3）：67.

［3］申洁，陈小榆，尚东，等.混合式教学模式在工程流体力学课程教学中的探索与实践［J］.西部素质教育，2018，4（13）：160-161.