魯 義教授 吳笑迎 施式亮教授 朱雙江 李 賀副教授

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理研究院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

湖南科技大學(xué)安全工程學(xué)科是湖南省“雙一流”建設(shè)學(xué)科，也是湖南科技大學(xué)與應(yīng)急管理部共建學(xué)科平臺(tái)。近年來(lái)，在教育改革不斷完善、研究生質(zhì)量不斷提升的環(huán)境下，關(guān)于研究生教育的培養(yǎng)方案也在不斷完善。目前，國(guó)內(nèi)外許多高校針對(duì)流體力學(xué)課程進(jìn)行了不同模式的改革，流體力學(xué)課程主要是針對(duì)航空航天、水利、化工及機(jī)械等傳統(tǒng)工程學(xué)科而設(shè)計(jì)的，涉及液體、氣體、等離子體等多個(gè)方面，大多采用教學(xué)互動(dòng)的模式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。此類模式雖然可以拓寬學(xué)生對(duì)流體力學(xué)學(xué)習(xí)的廣度，但是對(duì)于安全領(lǐng)域的學(xué)生卻缺乏針對(duì)性。因此，本文以安全領(lǐng)域常見(jiàn)的工程實(shí)際問(wèn)題為基礎(chǔ)，將其融入流體力學(xué)課程之中，建設(shè)特色案例庫(kù)，以此讓學(xué)生更好地對(duì)理論知識(shí)活學(xué)活用，解決現(xiàn)實(shí)中遇到的難題。

1 流體力學(xué)課程定位

流體力學(xué)是一門研究流體平衡、運(yùn)動(dòng)、流體與流體及流體與固體相互作用的力學(xué)規(guī)律，以及這些規(guī)律在工程實(shí)際中應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程體系中的地位十分重要，有概念抽象、知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。作為連接大學(xué)公共課與專業(yè)課之間的橋梁，流體力學(xué)是高等院校工科研究生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程對(duì)于學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)、工作和生活具有重要意義[2]。同時(shí)，流體力學(xué)是解決工程實(shí)際問(wèn)題最有效的手段之一，其理論知識(shí)點(diǎn)對(duì)處理工程實(shí)際問(wèn)題起到很大幫助。然而該課程涵蓋知識(shí)點(diǎn)寬廣且專業(yè)跨度大，使得講授和學(xué)習(xí)的難度較大。此外，流體力學(xué)也是安全科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要理論基礎(chǔ)課程，與安全學(xué)科所涉及的多數(shù)專業(yè)課程和領(lǐng)域有所交叉。作為相關(guān)知識(shí)的理論基礎(chǔ)，流體力學(xué)在工業(yè)通風(fēng)與除塵、礦井通風(fēng)與防塵、消防工程、燃燒與爆炸理論等安全工程專業(yè)均有需要，在礦井通風(fēng)、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災(zāi)防控等眾多工程領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[3]。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 師資力量及研究生生源基礎(chǔ)

流體力學(xué)具有概念繁雜、公式眾多、內(nèi)容抽象等特征，是一門既有晦澀難懂的理論知識(shí)，又有較強(qiáng)工程應(yīng)用的學(xué)科。由于流體力學(xué)課程自身所具備的種種困難，對(duì)于教師的教授和學(xué)生的學(xué)習(xí)是一種考驗(yàn)。

從師資力量方面來(lái)看，目前安全工程專業(yè)的授課老師大部分來(lái)自于礦業(yè)類高等院校安全工程相關(guān)專業(yè)的博士，還有來(lái)自于公共安全和消防安全方面的博士，這些老師可能對(duì)自己研究的安全領(lǐng)域比較深入，但是對(duì)于教材中涉及的流體力學(xué)知識(shí)掌握得還不夠透徹[4]。由此看來(lái)，他們不具備很深厚的專業(yè)理論功底，難以真正引領(lǐng)學(xué)生的學(xué)習(xí)深度、拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)廣度、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量[4]。因授課老師沒(méi)有從安全工程角度講解教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生誤以為流體力學(xué)基本內(nèi)容與安全學(xué)科關(guān)聯(lián)不大且對(duì)以后解決工程實(shí)際問(wèn)題幫助甚小，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過(guò)程中得過(guò)且過(guò)、知難而退。

從研究生生源基礎(chǔ)來(lái)看，以湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院2022年研究生錄取情況為例，發(fā)現(xiàn)60%以上的研究生是通過(guò)調(diào)劑到安全領(lǐng)域，見(jiàn)表1。在調(diào)劑的學(xué)生中，又有大部分學(xué)生在本科階段的專業(yè)是機(jī)械工程、土木工程或工程管理等非安全工程領(lǐng)域。由于各高校對(duì)于不同專業(yè)本科生的培養(yǎng)方案不同，所開設(shè)的課程也不盡相同。因此，不同學(xué)生對(duì)于流體力學(xué)這門課程掌握的基礎(chǔ)程度必然存在一定的差異。甚至本科期間同為安全工程專業(yè)的學(xué)生，其各自學(xué)校之間關(guān)于流體力學(xué)學(xué)科的側(cè)重點(diǎn)也有所偏差，這就導(dǎo)致了教師在授課過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)的難易程度把控不準(zhǔn)。

表1 學(xué)院各專業(yè)錄取情況

2.2 教材匹配度

安全工程是“雙一流”建設(shè)背景下多交叉、廣融合的一門學(xué)科，流體力學(xué)作為安全領(lǐng)域多門專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻?，F(xiàn)如今市面上多為機(jī)械工業(yè)、中國(guó)水利、航空航天、化工能源等專業(yè)相關(guān)的流體力學(xué)教材，卻缺乏針對(duì)安全專業(yè)教學(xué)的流體力學(xué)教材。機(jī)械、航天、化工等專業(yè)雖與安全工程專業(yè)有所交叉，但其教材在編排上卻難以滿足本專業(yè)的授課需求。正是因?yàn)轭I(lǐng)悟不到流體力學(xué)與安全學(xué)科的密切關(guān)聯(lián)，才會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門課的重視程度不高，從而給課程教學(xué)帶來(lái)一定困難。若是在流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中穿插列舉一些生活和工程實(shí)例，就可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]。例如，在講解有能量輸出的伯努利方程時(shí)，可以介紹礦井巷道內(nèi)負(fù)壓通風(fēng)的工作原理；在講述連續(xù)性方程時(shí)，可以以采煤機(jī)工作中滅塵和除塵措施為例。

3 基于案例庫(kù)的課程教學(xué)方法

3.1 案例庫(kù)建設(shè)

在“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景下，結(jié)合湖南科技大學(xué)安全工程專業(yè)自身特色，將案例教學(xué)作為流體力學(xué)課程教學(xué)改革的核心。此次改革以學(xué)科應(yīng)用需求為導(dǎo)向，建設(shè)應(yīng)用型特色教學(xué)案例庫(kù)，從而開展案例教學(xué)，服務(wù)學(xué)科發(fā)展[3]。為更大限度的貼合實(shí)際、與時(shí)俱進(jìn)，在教學(xué)改革前期進(jìn)行充分的調(diào)研工作，選取國(guó)內(nèi)安全工程專業(yè)研究生課程體系架構(gòu)調(diào)研，見(jiàn)表2。

分析各高校流體力學(xué)課程的定位、教學(xué)大綱、考試大綱、教案、教學(xué)課件PPT等，深入聽(tīng)取任課老師對(duì)流體力學(xué)課程講授過(guò)程中的授課方法及側(cè)重點(diǎn)。隨后，依據(jù)多年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，初步將案例庫(kù)資源建設(shè)分成以下3個(gè)階段：

(1)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、期刊，以及相應(yīng)煤礦企業(yè)展開調(diào)研，結(jié)合本專業(yè)所研究的課題，搜集工程實(shí)踐和科研創(chuàng)新中關(guān)于礦井通風(fēng)、火災(zāi)、瓦斯、粉塵及建筑火災(zāi)等方面的流體力學(xué)問(wèn)題。

(2)對(duì)收集到的案例教材根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類匯總，將不同模塊加以劃分。

(3)對(duì)收集到的案例素材模塊進(jìn)行分類整合，由深入淺的方式精簡(jiǎn)知識(shí)點(diǎn)，最終將案例編輯規(guī)整，形成案例庫(kù)，見(jiàn)表3。

表3 安全工程流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)拓展提煉

基于上述調(diào)研基礎(chǔ)可以發(fā)現(xiàn)，若在教學(xué)過(guò)程中引入案例庫(kù)的形式，并以流體力學(xué)為理論解釋案例中的問(wèn)題，便可以為枯燥的內(nèi)容注入活力，解決學(xué)生興趣不高、動(dòng)力不足的問(wèn)題[6]。于是，將建設(shè)具有安全學(xué)科特色的案例庫(kù)作為案例教學(xué)的重點(diǎn)。所建設(shè)的案例庫(kù)需要同時(shí)兼顧流體力學(xué)與安全工程這2個(gè)方面，既要突出流體力學(xué)這門學(xué)科的靈活性，也要凸顯安全工程專業(yè)特色[7]。案例設(shè)計(jì)需要涉及流體力學(xué)在安全工程領(lǐng)域的幾大應(yīng)用，主要包括：多元混合氣體流動(dòng)、氣液固多相流動(dòng)、多孔介質(zhì)流動(dòng)、非牛頓流體、傳熱傳質(zhì)與流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)與流動(dòng)、氣固耦合流動(dòng)、相變流動(dòng)及計(jì)算流體力學(xué)等模塊和知識(shí)要點(diǎn)[7]。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有流體力學(xué)教材內(nèi)知識(shí)點(diǎn)的歸納分析及安全領(lǐng)域常見(jiàn)的工程實(shí)際問(wèn)題匯總，建立礦井通風(fēng)、瓦斯?jié)B流、煤火防控、降溫除塵、建筑煙氣流動(dòng)、管道排水、地?zé)崂?、稠化漿體等8種流體力學(xué)專題教學(xué)案例[3]。

3.2 案例教學(xué)實(shí)踐

授課時(shí)，將案例庫(kù)實(shí)例與授課內(nèi)容相結(jié)合。將教學(xué)過(guò)程分為3個(gè)階段：

(1)基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)之后導(dǎo)入課程相關(guān)案例。圍繞課堂中所學(xué)習(xí)到的某一流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)展開，根據(jù)案例庫(kù)中建立的8種專題案例，選取最為匹配的案例進(jìn)行分析講解。并以此案例為代表，教會(huì)學(xué)生如何將流體力學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題中，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。努力把知識(shí)點(diǎn)的講解變成講“故事”，在無(wú)形中將知識(shí)點(diǎn)“講圓講透”，這樣就可以把知識(shí)點(diǎn)講得既深刻，又通俗易懂，同時(shí)還很生動(dòng)，展現(xiàn)出一種集開放式與互動(dòng)式為一體的新型教學(xué)模式。通過(guò)這種對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的拆分式講解的形式，逐步引導(dǎo)學(xué)生凝練核心的流體力學(xué)問(wèn)題，并提出解決方法[8]。

(2)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課下學(xué)習(xí)的自主性。老師應(yīng)該摒棄面面俱到的滿堂灌做法，將教師個(gè)人唱獨(dú)角戲轉(zhuǎn)變成由老師組織和引導(dǎo)，學(xué)生自學(xué)為主的教學(xué)模式[9]。使學(xué)生在課程講解前根據(jù)案例任務(wù)獨(dú)立自主地查閱文獻(xiàn)資料，自主分析問(wèn)題的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并給出解決方案。

(3)課后及時(shí)對(duì)相應(yīng)案例進(jìn)行總結(jié)。案例教學(xué)結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的課堂反饋情況及作業(yè)完成度，及時(shí)對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，也可對(duì)案例庫(kù)中的案例進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

3.3 教學(xué)改革效果

通過(guò)新教學(xué)模式下的教育培養(yǎng)，建立了流體力學(xué)專題教學(xué)案例，通過(guò)8種極具典型性和代表性的案例，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性，真正將教學(xué)與應(yīng)用、理論與實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合，使得流體力學(xué)這門課程實(shí)現(xiàn)了最佳效果。在有效帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時(shí)，營(yíng)造輕松愉悅的教學(xué)環(huán)境。最大限度地調(diào)動(dòng)一年級(jí)研究生關(guān)于探索、求知的積極性。達(dá)成案例教學(xué)“互動(dòng)課堂”的設(shè)計(jì)理念。同時(shí)，由于每個(gè)案例要具有一定的完整性和獨(dú)立性，包含題目、摘要、案例背景、教學(xué)目的、案例分析、問(wèn)題討論、參考文獻(xiàn)等部分，也便于學(xué)生課后研討復(fù)習(xí)[7]。

在新教育模式培養(yǎng)和案例教學(xué)的引導(dǎo)下，使得學(xué)生見(jiàn)證了如何將安全工程專業(yè)特色教學(xué)案例與流體力學(xué)中關(guān)于渦旋運(yùn)動(dòng)、能量耗散、非牛頓特性、多相流動(dòng)、多孔介質(zhì)流動(dòng)特性、多元混合氣體流動(dòng)、氣固耦合流動(dòng)等知識(shí)進(jìn)行融合，引導(dǎo)學(xué)生積極探討流體力學(xué)在安全工程領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。

4 結(jié)論

(1) 分析“雙一流”建設(shè)背景下流體力學(xué)課程的重要性，總結(jié)安全工程專業(yè)在流體力學(xué)課程教學(xué)上所存在的教師專業(yè)系統(tǒng)性不強(qiáng)、研究生生源混雜、教材建設(shè)滯后等實(shí)際問(wèn)題。

(2) 針對(duì)流體力學(xué)課程教學(xué)存在的矛盾及其重要性，提出建立具有安全專業(yè)特色案例庫(kù)的改革方案，并根據(jù)安全領(lǐng)域常見(jiàn)的工程實(shí)際問(wèn)題，總結(jié)歸納出8種典型的工程案例作為案例庫(kù)的基礎(chǔ)，有效擴(kuò)充安全領(lǐng)域流體力學(xué)的教學(xué)資源。

(3) 通過(guò)對(duì)改革成果的觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生已成功將課堂所學(xué)與安全領(lǐng)域的科研實(shí)際問(wèn)題緊密結(jié)合，避免理論知識(shí)學(xué)無(wú)所用的現(xiàn)象，起到事半功倍的效果。