打开文本图片集

摘要：随着高等教育现代化的普及，高等学校培养合格的复合型创新人才的力度逐渐增大，本文基于高等教育现代化对《工程流体力学泵与风机》实验教学的改革进行了探索与研究。通过揭示传统教学程序的不足，搭建了符合高等教育现代化背景的教学模式。从从丰富教学内容入手，摆脱实验指导书的束缚，培养学生交叉学科的意识、科学研究的探索、工程实例的感受；多元化教学方法，真正实现因材施教，CFD、CAI、VR等科技的运用增强了流体力学知识点的感官性、深入揭示了相关理论知识的现代化；课程思政元素的融入，全面提升了学生的爱国主义情怀，树立了正确的价值观；构建较为完善的考评体系，不再唯“实验报告”，多层次的考评方式和标准充分调动了学生的积极性，实现了全面的能力提升。综上所述，基于高等教育现代化对《工程流体力学泵与风机》实验教学改革，对培养具有独立创新性的复合型人才具有重要作用。

关键词：流体力学；教育现代化；实验教学；课程体系

在党的二十大报告中，习近平总书记指出：“教育兴则国家兴，教育强则国家强。建设教育强国，是全面建成社会主义现代化强国的战略先导，是实现高水平科技自立自强的重要支撑，是促进全体人民共同富裕的有效途径，是以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的基础工程。”我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确提出，到2035年我国将基本实现社会主义现代化，建成教育强国；“十四五”时期“建设高质量教育体系”。构建高质量高等教育体系要特别注重结构优化，以适应社会主义现代化国家建设需要。要深入探索产教融合、科教融合的人才培养模式，建立健全学术研究型、应用型和技能型分类人才培养体系，同时要加快建设国家战略人才力量，着力造就一批拔尖创新人才。

《工程流体力学泵与风机》作为高校中能源动力、土木工程、石油化工、航空航天等专业的一门重要的专业基础课，理论知识抽象复杂，概念原理晦涩难懂；而计算流体力学则更加广泛的列入了农业工程、水利工程、环境工程、生物医学工程等学科的研究生课程中，因此作为各专业最重要的专业基础课之一，流体力学是一门不可忽视的重要课程。流体力学教学内容涵盖理论教学和实验教学两部分内容，流体力学实验教学是帮助学生理解并运用抽象的理论知识、接受科学思维、培养创新意识的重要途径，但在高校教学过程中，往往忽视实验教学的重要性，实验教学往往呈现一成不变的教学模式。这种老旧的验证性实验教学体系不但限制了学生的主动性、创新能力，还禁锢了高校实验室的发展，使实验室现代化发展受到阻滞。随着近年来科技飞速发展、高新技术的不断涌现，高校实验教学也需要注入新颖独创的精神去推进高等教育现代化的脚步，培养具有举一反三、触类旁通、创造力丰富的新时代创新人才[1]。

一、《工程流体力学泵与风机》实验教学的现状

（一）“被动式接受”——教学模式单一

传统“被动式接受”教学模式，以实验教师教授为主，按照实验步骤对实验进行拆分讲解，学生缺乏探索背后理论知识的学习主动性；以5人左右一组按部就班进行实验，学生依赖心理过甚，往往靠同组其他同学得到的实验数据进行分析探讨，参与感差，无法培养学生的组织策划、团队协作和工程创新意识；完成实验后简单撰写实验报告，对实验所对应的理论知识点不求甚解，无法帮助其更深刻的掌握理论知识点[2]。实验教学的目的是锻炼学生解决实际问题和提升学生创新意识的能力，但在这种传统的以教师讲授为主的教学模式下，完全没有达到既定目标。长此以往，学生会渐渐失去对专业课程的学习兴趣、失去对科学研究的信心，在以后的工作学习中无法将所学知识充分应用到实际中去，变成了大家口中“学习的机器”[3]。

（二）“实验指导书”——教学内容陈旧

流体力学作为多个专业的最基础的专业课程之一，具有联系各学科基础课程的明显特性，与物理学、化学、农业学、水利学、医药学等专业课程都有相关联系。而目前流体力学实验教学还是以陈旧的“实验指导书”作为主要教学资料，且指导书中大部分都是验证性实验。学生往往只是参照实验指导书的实验步骤进行实验，将得到的实验数据参照指导书中的模式进行处理分析，这不仅无法帮助学生主动性的理解理论知识，还限制了学生的自主创新意识及实际动手能力。从理论教师的反馈中可以看出，学生对实验课程的掌握并不牢固，整个实验环节只是机械式的按照实验步骤进行，对每一步操作的目的及对理论知识的理解并不能清楚明了。另外，对于一些课堂上“吃不饱”的学生，实验指导书就略显单薄，无法扩充学生的知识网络，不能更好地将理论知识与实际工程相结合[4]。

（三）“实验报告”——考评体系匮乏

《工程流体力学泵与风机》实验教学基本上以实验报告作为期末考评的主要方式，虽然这种考评方式能够直观的反映出学生在实验课堂上的学习效果，但考评方式过于匮乏单一，对于这样一门重要的专业基础课程，应该建立更加综合全面的考评体系。单一的实验报告无法看出学生的个体差异性，无法做到尊重每个个体不同的培养发展，对实验数据简单的处理分析也限制了学生自主思考的能力；同时也给了一些同学偷懒的机会，常常以同组实验的数据作为自己的数据，导致其在实验过程中不能积极参与，缺乏基本的锻炼。考评结果无法真实反应学生的学习效果，不利于课程的持续改革创新。考评体系的匮乏削弱了学生的学习主动性，更加促使其“被动接受式”学习习惯的养成，不利于培养新时代复合型创新人才。

二、《工程流体力学泵与风机》实验教学的改革与探索

（一）丰富教学内容，拓展学生眼界

传统教学内容主要以实验指导书中的验证性实验为主，例如验证能量方程的伯努利实验、验证流体流动状态的雷诺实验、验证流体局部损失的局部阻力实验等，在这些基础实验教学之上，应增加演示性实验和自主设计性实验，通过课下制作小实验微视频和对实际工程问题的分析提高学生的学习兴趣。流体力学作为多学科的基础课程，应注重交叉学科教育，联系相关课程，注重内联外引。即将本学科学过的知识点与相关学科的知识点联系起来，使知识点连成线、面，让学生体验学习和思考的乐趣。通过设问、举例、实验、思考、总结等一系列教学内容，使学生不自觉地参加到教学内容的思考中来，激励学生的学习主动性，从而学会学习、学会思考。例如，通过对泵的工作原理的探讨，以设问的方式促进学生对能量方程公式的理解和记忆，同时对能量方程各部分赋予物理意义，帮助学生明晰流体流动过程中能量转换的关系。

通过整理一些涉及流体力学知识的典型工程实例来增强学生的学科意识，强化其从现象看本质的能力，进而充分理解所学理论知识。例如，给排水管网设计、室内外供暖管路敷设、空调送风口气流设计、油气输送管路等。另外，还可以列举一些与流体力学知识有关的生活现象，请学生自行讨论，指出并分析其中蕴含的理论知识，增强学生理论联系实际的能力，提升学生的学习兴趣。例如，机翼理论中的压强分布、高尔夫球粗糙表面与临界雷诺数的关系、大气海水运动中的流体力学知识。综上所述，从交叉学科的联系中使学生所学知识由点连线，全面建立知识网络，学会多角度分析问题；从工程实例的列举中使学生能够将理论知识与实际工程联系起来，培养学生的工程思维，提升学生对学科学习的热爱程度；从生活现象的分析中使学生在日常生活中看到科学现象，强化学生的自主思考能力，锻炼解决实际问题的能力。

（二）多元化教学方法，实现“阶梯式”因材施教

1.充分利用网络资源拓展课程内容

身处于网络信息如此发达的时代，高等教育要紧跟时代步伐，充分利用各类网络资源、媒介，拓展学生眼界，延伸课程内容。尤其是对于实验教学这一部分，由于课时数和实验室条件的限制，许多实验无法全面展开，而各大高校对于《工程流体力学泵与风机》实验课程的开设也不尽相同。通过为学生提供丰富的网络学习资源，可以补充实验教学未能辐射的知识点，同时还能帮助巩固理解本学科所学理论知识点。另外，CAI作为流体力学的计算机辅助教学已经基本上得到了各大高校的认可和应用，CAI综合运用多媒体、知识库等计算机技术，大大缩短了学习时间、个性化了实验设置、提高了教学效率。鼓励学有余力的学生可以通过电脑对实验教学项目进行预习和回顾，对实验进行了仿真模拟，并且更细致的了解实验台的搭建和调试，让学生更深刻的感受实验装置的设计，有助于其进行自主设计创新性实验，同时也使教师更加快速地掌握学生实验课程的学习情况[5]。

2.运用CFD软件将抽象的流体具象化

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大功能的交叉科学。将流体力学的理论知识点通过CFD软件应用到实际工程中去，可以帮助学生更好地理解理论基础知识，化抽象知识变具象结果，有助于学生知识点的深入理解和外延探索。如图1所示，对圆管内水流速度场的模拟分析可以清晰地分辨层流和紊流[6]（图1a）、对弯管管道内流体流动状态的模拟分析可以帮助理解流体流动损失的相关内容[7]（图1b）、对冷库或空调侧送风气流组织速度分布的模拟可以具象化孔口出流和气体射流的相关知识[8]（图1c）。引入这部分内容可以让对科学研究有兴趣的同学打开思路，更好地培养学生对流体力学学科的兴趣爱好。通过提出案例、研讨案例、总结案例多种途径，建立多样化、立体式的教学模式，全面提升学生的学习兴趣，增强学习效果。

（a）                                   （b）

（c）

图1 CFD模拟实例（a）圆管内水流速度分布（b）弯管管内流体流动速度分布

（c）空调及冷库侧送风气流速度分布

3.引入3D动画或VR技术进行演示性实验

为学生找一些包含流体力学知识的生活现象做3D动画，另外可以引入VR技术，让学生能够身临其境般的体会工程实例，例如一些工程上的管道流体流动问题和机械设备的拆装体验。将虚拟技术应用到流体力学可实现三维流场的可视化，使学生更加方便地观察流体的运动方式，进而更形象地研究流体力学问题。借助虚拟仿真技术可以将信息化技术与高等教育工程化进行深入结合，使流体力学实验教学中难以开展的、无法实现的工程应用得以呈现（如给排水、供暖管道中流体流动状态和阻力问题），学会分析如何将理论知识应用到实际工程中去，以此提升实验教学效果，同时增强学生的工程实践应用能力，实现高等教育现代化，为新时代高等教育改革对复合型创新人才的需求提供助力[9]。

4.鼓励学生进行创新性实验设计

通过对周围生活的观察，鼓励学生对其中蕴含的流体力学知识进行分析或动手创作，以小组形式进行PPT汇报或自制小型实验演示装置。例如，日常生活管道中流速与流量的测试、连续性方程的验证、圆管内压强的测定等。目的在于调动学生的学习积极性，培养学生的动手能力和团队协作意识，锻炼学生的创新能力。

（三）融入课程思政，培养学生职业素养

思政环节可以穿插在流体力学实验教学的各个环节中（如图2），要不断发掘实验教学中的“课程思政”问题，把专业课程的学习和激发学生的爱国主义热情、争做新时代的主人翁意识结合起来，树立正确的价值观，做合格且优秀的复合创新型人才。另外，实验教学课程思政还有极为重要的一部分，那就是实验室安全问题，实验教师需要拿出一定时间为学生列举出实验室安全案例，清楚明确的讲解实验过程中相关仪器的规范操作及试剂的安全使用流程，养成安全意识和实验习惯[10]。

图2 《工程流体力学泵与风机》实验教学内容与“课程思政”元素融合的教学设计

（四）完善考评体系，激发学习主动性

考核方式与学生对待本门课程的积极态度密切相关，建立合理的考评体系有助于激发学生的学习积极性。以前流体力学实验教学的“唯实验报告”考核方式在教育现代化的今天，显得刻板陈旧，无法对学生的学习态度、创新能力、科学及工程思想做出全面的评价，因此建立多角度、全面的考评体系对促进流体力学实验教学的改革发展有着重要的指导性。根据流体力学实验教学改革情况，建立了如表1所示的综合考评体系，既能调动学生的学习积极性，又能对能力不同的学生进行“阶梯式”因材施教，同时还拓展了学生的眼界、培养了工程思维。

表1 《工程流体力学泵与风机》实验教学考评体系及细则

考评项目及占比 考评细则 能力考核

实验报告

（60%） 实验报告是否严格按照实验分组撰写；实验数据是否做到“一人一数”；误差分析是否合理；严格审查实验报告抄袭情况。 实践动手能力：针对课程内的实验操作和数据处理，锻炼学生的实际操作及团队写作能力。

前沿技术及

科技成果汇报

（20%） 组内成员是否有明确分工，保证全员参与；汇报成果技术是否清楚明了；组内成员是否对涉及的理论知识点形成进一步的理解。 科学研究能力：利用PPT等形式进行分组汇报流体力学领域科学研究的最新进展，增强学生的科学思想、为以后深入研究做好铺垫。

创新性实验设计

（10%） 实验目的是否明确；实验原理是否正确；实验方法是否具有创新性；实验结果分析是否全面。 自主创新能力：通过鼓励学生以小组形式自主进行创新性实验设计，提升学生自主学习、交叉学科运用、综合分析能力。

工程实例简述

（10%） 工程概述是否清晰；简述内容是否符合流体力学相关知识点；工程思维是否初步形成。 综合运用能力：考查学生综合运用理论知识解决实际工程案例的能力，培养学生的工程思维、锻炼职业技能。

通过对《工程流体力学泵与风机》实验教学改革的探究与实践，以及课后学生们的反馈信息，发现学生们对理论课程中各项知识点的理解、掌握和运用都有了很大的提升。通过实践教学的改革提高了学生们对流体力学抽象化知识点的兴趣和掌握，促进了学生们的学习兴趣和主动思考，锻炼了学生们的创新意识和动手能力，拓宽了学生们的眼界、为以后的科研工作打下坚实的基础。进一步提升《工程流体力学泵与风机》实验教学改革的效果，使学生把相关专业知识连成体系，更好地将理论知识应用到工程实际中去，培养出更多具有高素质的创新型人才。

参考文献

[1]生悦，侯圣陶，余春红.“双一流”建设背景下高校教学实验室改革与创新[J].教育教学论坛，2022，（02）：73-76.

[2]王燕，郑健.新工科背景下流体力学课程项目式教学与考核评价体系研究[J].高教学刊，2021，7（28）：9-12.

[3]巩雪，常江，张英蕾，等.数字化视域下基于CDIO的“包装工艺学”课程改革与探索[J].印刷与数字媒体技术研究，2023，（04）：96-102.

[4]束秀梅，李华南，罗媛媛.流体力学实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（07）：310-312+320.

[5]张若玫，兰雅梅，李庆军.CAI在雷诺实验教学中的应用与探讨[J].教育教学论坛，2017，（17）：265-266.

[6]Deendarlianto， Moeso Andrianto， Adhika Widyaparaga， Okto Dinaryanto， Khasani， Indarto. CFD Studies on the gas-liquid plug two-phase flow in a horizontal pipe[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2016， 147： 779-787.

[7]Tanuj Joshi， Om Parkash， Gopal Krishan. CFD modeling for slurry flow through a horizontal pipe bend at different Prandtl number[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（56）： 23731-23750.

[8]Maria Hurnik， Nikolay Ivanov， Marina Zasimova， Zbigniew Popiolek. Local and gross parameters of air distribution in a room with a sidewall jet： CFD validation based on benchmark test[J]. Building and Environment， 2022， 207： 108509.

[9]许萍，许增光，温立峰，等.基于虚拟仿真技术的高校实验教学改革与实践[J].中国教育信息化，2023，29（04）：104-111.

[10]巩雪，董文丽，侯理达，等.新工科和工程认证背景下“课程思政”融入《包装工艺学》的教学改革与实践[J].包装工程，2020，41（S1）：87-91.

基金项目：黑龙江省高等教育研究课题：“中国式高等教育现代化”龙江探索背景下的流体力学实验教学改革与实践（23GJYBJ043）；哈尔滨商业大学博士科研支持项目：超高压下对虾温度特性及其大分子物质空间构象变化的机制研究（24BQ27）；哈尔滨商业大学实验教学和实验室建设研究项目：《工程流体力学泵与风机》实验教学改革及考评体系建设的研究 （HSDSY202413）。

作者简介：李立（1989- ），女，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，讲师，研究方向：低温制冷新技术。

*通讯作者：魏丹枫（1988- ），女，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，讲师，研究方向：企业管理。