“水中目标声学特性”课程的思政元素设计与应用研究

［摘 要］ “水中目标声学特性”是机械专业研究生必修的一门重要核心课程，水动力噪声是“水中目标声学特性”课程的重要内容。通过引入“两弹一星”功勋科学家为祖国国防事业奋斗的案例，对学生进行思政教育。其思政元素为：在讲解水动力噪声与空气动力噪声之间差异的时候，通过启发提问的方式引入了钱学森先生的先进事迹；在讲解N-S方程的求解方法时，通过介绍奇异摄动理论引入了郭永怀先生的光辉事迹。探讨了思政元素引入的过程及效果，达到了对机械专业研究生进行思政教育的目的。

［关键词］ 水动力噪声；思政教育；“两弹一星”

［基金项目］ 2022年度黑龙江省研究生课程思政高质量建设项目（HLJYJSSZLTSGC-KCSZAL-2022-072）

［作者简介］ 刘永伟（1981—），男，山东临朐人，博士，哈尔滨工程大学水声工程学院副教授，主要从事流场与水动力噪声控制研究。

［中图分类号］ G641 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）08-0001-06 ［收稿日期］ 2023-12-06

引言

“水中目标声学特性”是哈尔滨工程大学水声工程学院面向机械、水声工程和声学研究方向的研究生开设的一门专业核心课程，其目的是让学生掌握水动力噪声、结构振动与声辐射、信道中目标的声散射特性等基础知识，提高学生灵活运用振动与声学的知识解决实际问题的能力，为他们撰写毕业论文及继续攻读博士学位等奠定扎实的基础。课程内容分为水动力噪声、辐射噪声和信道中目标声散射等部分。“水中目标声学特性”课程的特色在于从水下航行器的三大噪声源讲起，分为水动力噪声部分、机械振动噪声部分和目标回波的声学特征等，符合理工结合的水声工程特色学科需求，更贴近实际的工程应用。水动力噪声部分的授课内容有水动力噪声的研究范围、水动力学和声学方程、湍流脉动压力起伏特性、空泡噪声理论和其他水动力噪声源等。因为水动力噪声与水下航行器的航行速度紧密相连，在中高航速条件下会成为最突出的噪声源，目前受到广泛关注，如何抑制中高航速条件下的水动力噪声也是迫切需要解决的一个关键问题。

习近平总书记在党的二十大报告中指出：“全党要把青年工作作为战略性工作来抓，用党的科学理论武装青年，用党的初心使命感召青年……”［1］因此，对于处于知识渴求旺盛阶段的大学生和研究生而言，在教授知识的同时进行思政教育是非常有必要的。以“大学物理”课程中的机械振动为例，深入探讨“大学物理”课程中蕴含的思政元素，推进课程育人，促进学生全面发展、健康成长［2］。将思政教育与爱国主义情怀融入“水声测量技术”课程的理论和实践教学中，对于学生知识渗透和知识技能提升有重要意义［3］。按照“迎一程、引进门、领上桌”的专业课程建设思路，开展了水声工程专业本科四年一贯式课程思政的改革实践［4］。以“数字音频技术”课程为例，探究了教学中的课程思政融合案例，为“数字音频技术”一线教师挖掘思政元素并将其融入教学过程中提供了参考［5］。通过从显化科学方法教育、挖掘振动与艺术的联系、巧妙设计例题、联系社会生活等具体方面入手，最大限度地助力学生创新能力的培养，更好地促进课程思政融入大学物理教育［6］。针对慕课平台上噪声与振动控制教学的特点，将知识传授、能力培养和价值观塑造三者有机融合，使思政元素自然渗透于知识点中，提出课程内容与思政教育融合的思考，达到育人、育德、育才的目的［7］。以大连理工大学的本科生课程“船舶噪声实验教学”为例，对实施课程思政的必要性和具体教学案例进行了探讨，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一［8］。以国家重大工程战略需求为引导，从“晓背景、知差距、习案例、探前沿、学先贤”等五个方面构建了贯穿全课程知识点的两个思政案例，使专业课与思政课同向同行，引导学生投身装备研制、振动学科领域前沿研究［9］。

从上面的文献综述中可以发现，在“振动与噪声”课程、“实验测量”课程中已开展了将思政元素与知识点相融合的研究，并取得了良好的育人效果。由于尚未在“水中目标声学特性”课程中开展融入思政元素的探讨，因此，结合“水中目标声学特性”中的知识内容，探讨思政元素的融入方式。由于水动力噪声的特性与气动噪声的特性较为相似，而且水动力噪声的很多研究都可以在风洞中完成，拟以伯努利原理、N-S方程的求解过程等为思政元素探讨的切入点，融入课程思政案例，对“水中目标声学特性”课程进行思政教学改革，对机械专业的研究生进行思政教育，达到将思政教育与知识传授相结合的目的。本文设计了两个课程思政案例，分别为将钱学森先生的事迹融入水动力噪声研究范围部分、将郭永怀先生的事迹融入水动力学和声学方程部分。下面介绍思政元素的融入过程及应用效果分析。

一、水动力噪声研究范围与特点的思政元素探讨

因为在“水中目标声学特性”课程的水动力噪声部分涵盖的“水动力噪声的研究范围与特点”的知识内容中，会讲述水动力噪声与空气动力噪声之间的差别与联系，还会讲解伯努利原理，故以此知识点引入“钱学森弹道”，从而讲述钱学森先生毅然决然地回到祖国、报效祖国的事迹，介绍钱学森先生为国家“两弹一星”事业做出的杰出贡献，对学生进行思政教育，挖掘“水中目标声学特性”课程中的思政元素。

（一）教学过程

整个教学过程的实施框架如图1所示，分为课前、课中和课后。课前为预习阶段，课中为案例导入及讲解阶段，课后为考查案例实施效果阶段。通过分组讨论、课堂互动回答与课后作业提交情况，分析思政元素实施效果。

（二）教学方法

课程开始前，教师将课程的教材《水动力噪声原理》及要讲述的PPT分发给上课的学生，学生完成知识内容的预习。在上课阶段，教师根据教学大纲和备课记录开始课堂授课，当授课内容讲解到水动力噪声与空气动力噪声的差别与联系时，由教师依据“打水漂”过程中采用的伯努利原理进行启发式提问，并依据学生回答问题的情况，嵌入“钱学森弹道”及钱学森先生为我国“两弹一星”事业做出的突出贡献，对学生进行思政教育，加深他们对水动力噪声与空气动力噪声异同点的理解。在课后，教师将根据布置的作业及其完成情况进行分析，考查将钱学森先生的先进事迹作为“水中目标声学特性”课程的思政元素进行思政教育的效果。

（三）教学活动设计

第一步，教师随机点名提问，考查学生提前预习“水动力噪声研究范围与特点”的效果。第二步，根据学生的预习情况，结合PPT进行正常的课程授课，讲解相应的课程内容。第三步，当讲解到水动力噪声与空气动力噪声差别的知识点时，强调水动力噪声的基本理论基础均源于空气动力噪声，两者的第一点差别即水的密度比空气的密度大4个数量级，两者的动黏性系数相差13倍，以此启发学生：“相信有很多同学曾经玩过‘打水漂’的游戏，它的原理是什么呢？”（见图2）。第四步，“打水漂”的基本原理是当物体高速掠过水面时，会带动周围的水高速运动，根据伯努利方程，此时水面的水压力低，而下层的水因为静止压力高，从而给水面的水及运动物体提供“反弹力”，导致水漂形成，特别是当物体旋转时会带动周围水旋转，此时“打水漂”的效果更加明显。因此，“打水漂”的基本原理就是伯努利原理，由此启发学生：“在空气中能否进行‘打气漂’？”第五步，“打气漂”是可以的。在高速空气动力学中，特别是外太空中，当导弹高速再入大气层时，受到与水漂一样的作用原理，可以反弹回外太空，从而能够实现远距离投送，这就是国际上著名的“钱学森弹道”。根据“钱学森弹道”研制成功的高超声速导弹再入过程，如图3所示。由此讲述钱学森先生的先进事迹。钱学森是新中国成立前，就已经在国际上驰名的空气动力学家，他对空气动力学的研究做出了突出的贡献。第六步，讲解完钱学森先生的事迹后，再次启发学生：“‘打水漂’与‘打气漂’的不同之处体现在哪里？”将此问题作为课后作业，然后继续按照教学大纲完成课堂教学。

（四）课程思政内容

当钱学森先生在获知新中国成立后急需人才时，毅然放弃美国优厚的条件，即使被抓入监狱，也要回到祖国。经过毛泽东主席和周恩来总理的不懈努力，钱学森在国家的帮助下，冲破重重阻挠，终于回到了祖国；在茫茫的戈壁沙滩，他嚼着掺着沙粒的馒头，依旧精神百倍地往前冲，为祖国的“两弹一星”事业辛勤地耕耘着；在看到学生没有计算尺时，他无私地将在美国的稿费捐出；即使在退休后，他仍时刻关注着祖国的载人航天事业，为中国载人航天的宇宙飞船与航天飞机选型之间的争论做出了决断等。回顾钱学森先生的一生，他把自己的知识和智慧全部无私地奉献给了祖国和人民，他身上所体现的爱国主义精神、科学精神、无私奉献精神，必将激励包括研究生在内的全体中华儿女为实现中华民族伟大复兴而不懈奋斗。

（五）融入方式

通过研究分析水动力噪声与空气动力噪声的差别，以“两弹一星”勋章获得者钱学森的先进事迹作为思政元素，融入“水中目标声学特性”课程的授课过程中。通过“打水漂”与“打气漂”所用原理的启发，引入“钱学森弹道”，讲解“两弹一星”功勋科学家钱学森报效祖国的事迹，利用讲故事的形式，提高学生对水动力噪声与空气动力噪声之间差别的理解能力。由伯努利原理引出“打水漂”与“打气漂”的形式，讲解水动力噪声与空气动力噪声的差别，可以加深学生对水动力噪声研究范围与特点的理解，活跃课堂气氛，提高授课效率。

二、N-S方程求解过程中的思政元素探讨

在讲述水动力噪声部分时，会涉及水动力学与声学基本方程的知识点。在水动力学方程中，经时间平均后的N-S方程会导致方程右侧出现雷诺应力，从而使得经时间平均后的N-S方程不封闭，导致无法求解。只有在极低流速的层流时，时间平均后的N-S方程才可以进行求解。在其他情况下，此方程均不可求解，这被美国的Science期刊列为125个未知的问题之一。因此，针对时间平均后的N-S方程，出现了很多的近似求解方法，例如奇异摄动理论，通过引入对该理论做出突出贡献的“两弹一星”功勋科学家郭永怀的光辉事迹，挖掘课程中的思政元素，对学生进行思政教育。下面介绍该思政元素的形成过程。

（一）教学过程

该思政元素的教学实施过程与图1类似，也分为课前阶段、课中阶段和课后阶段。课前为课程知识点预习阶段，课中为郭永怀先生的光辉事迹导入及讲解阶段，课后为考查思政元素的实施效果阶段。通过分组讨论、课堂互动回答与课后作业提交情况，分析该思政元素的实施效果。

（二）教学方法

教师将教学参考书《水动力噪声原理》及授课PPT提前下发给学生，学生完成预习。上课阶段，教师在讲解时间平均后的N-S方程的过程中与学生进行探讨，依据学生讨论的N-S方程求解方法，引入奇异摄动理论，由此分析利用奇异摄动理论求解时间平均后的N-S方程的过程，加深学生对时间平均后的N-S方程极难求解过程的理解。在课后，根据布置的作业及其完成情况进行分析，考察将郭永怀的光辉事迹融入“水中目标声学特性”课程进行思政教学的效果。

（三）教学活动设计

第一步，教师随机点名提问，考查学生预习“水动力学方程与声学方程”知识点的效果。第二步，根据学生的预习情况，开展正常的授课，并依据教学大纲和教案进行知识点讲解。第三步，当讲解到水动力学方程与声波方程时，强调水动力学的重要方程——N-S方程，在对其进行时间平均后，会在N-S方程的右侧出现雷诺应力项，导致该方程不封闭，从而使方程无法求解。目前，对于N-S方程只能采用近似的方法进行求解，它的求解方法非常多，例如，有限体积法、奇异摄动方法等。同时，让学生上网搜索这些方法的求解过程以及目前的发展状况，并让他们着重关注奇异摄动理论的发展过程。第四步，奇异摄动方法是指数学上一个含有小参数，但不能直接把小参数设为零来求得所有近似解的问题。在描述奇异摄动问题的方程中，小参数将会作为系数出现在含有最高阶次方或导数项里面。如果按照常规摄动法把小参数设成零，会导致方程的阶数降低而不能得到所有的近似解。奇异摄动的来源是这类问题里存在多个尺度，为求得在每个尺度上的有效近似解，需要将方程用不同尺度进行规范化并得到一个新的方程，新的方程则可以用常规的摄动法来求近似解。第五步，中国的许多学者为奇异摄动法的发展做出了突出的贡献，例如郭永怀发展了变形坐标法，被钱学森先生命名为PLK法；钱伟长的合成展开法；林家翘的解析特征线法；等等。奇异摄动法是从事理论研究的重要数学工具之一，对于弱非线性问题的分析更为有效。该法在基础和应用基础研究中被广泛应用于轨道力学、固体力学、微分方程、非线性振动、流体力学、大气动力学、动力海洋学、声学、光学、等离子体物理学和量子力学等领域。因此，奇异摄动方法也非常适合经时间平均后的N-S方程的求解，在此引入对奇异摄动法做出重要贡献的郭永怀的光辉事迹，并讲述郭永怀报效祖国、无私奉献的事迹及其爱国主义精神，如图4所示。第六步，讲解完郭永怀先生的光辉事迹后，继续开展课程教学，直至课程结束。