葉志洪，安強，龍?zhí)煊澹鯐?/p>

(重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

“十四五”時期，面對新經(jīng)濟發(fā)展，開啟以“寬口徑、夯基礎(chǔ)、重交叉、強實踐”為特色的教學(xué)改革探索，推進不同課程交叉融合，造就身懷愛國之心且擁有儲備豐富的交叉學(xué)科基礎(chǔ)知識的卓越“新工科”人才，為我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綜合國力的提高提供堅實的智力支持和科技支撐是高校應(yīng)當持續(xù)探索的時代命題[1-3]。

流體力學(xué)作為力學(xué)的一個分支，主要研究在各種外力下，流體自身特性、流體平衡和運動規(guī)律[4]。作為環(huán)境專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生能對廢水、廢氣等流體在流動或平衡狀態(tài)情況下的力學(xué)規(guī)律進行定性、定量分析，理解環(huán)境流體與固體(例如管道)之間的相互作用以及流體傳遞過程規(guī)律[5]。但由于其本身具有理論性強、內(nèi)容抽象晦澀、專業(yè)跨度大的特點，對邏輯思維能力與理論基礎(chǔ)都有較高要求；同時課程具有較強的應(yīng)用性，在教學(xué)過程中需要與應(yīng)用實例相結(jié)合，通過多種方式引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力與創(chuàng)新實踐能力。因此，傳統(tǒng)的單一學(xué)科模式已不適用于該課程的傳授與學(xué)習(xí)[6]。本文分析了環(huán)境工程專業(yè)流體力學(xué)課程在教學(xué)過程中存在的不足以及學(xué)科交叉的必要性和可行性，通過打破學(xué)科專業(yè)壁壘，融通多學(xué)科知識體系，加強思政引領(lǐng)，以提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力、理論聯(lián)系實際能力和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)既有理論深度又有實踐基礎(chǔ)的高素質(zhì)人才。流體力學(xué)課程主要教學(xué)體系如圖1 所示。

圖1 流體力學(xué)課程主要教學(xué)體系

1 開展學(xué)科交叉的必要性與可行性

將兩門或兩門以上的不同學(xué)科相互融合滲透，打破學(xué)科之間壁壘的方式稱為學(xué)科交叉(interdisciplinary)。學(xué)科交叉融合不僅可以增強基礎(chǔ)學(xué)科的育人功能，還可以打破學(xué)生的刻板思維，拓寬視野，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，是高等教育發(fā)展的新引擎[7]。

1.1 學(xué)科交叉的必要性

流體力學(xué)出現(xiàn)至今，從未在人類社會發(fā)展中缺席，尤其是近現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域，如：航空航天、交通運輸、裝備制造等行業(yè)，流體力學(xué)的創(chuàng)新性應(yīng)用所展現(xiàn)出的潛在優(yōu)勢更是不容小覷。如果僅僅圍繞課本內(nèi)容“閉門造車”，由此造成的局限性將導(dǎo)致這門課程失去原有的“活力”，所以增強學(xué)生的交叉學(xué)科知識儲備成為在流體力學(xué)授課過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。只有打破學(xué)科屏障，適度的將其他學(xué)科的知識體系與流體力學(xué)相融合，提升學(xué)生相關(guān)領(lǐng)域的了解與認識，引導(dǎo)學(xué)生深入理解相關(guān)原理與應(yīng)用，進一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性探索與嘗試，才能更好助力學(xué)生成長成才。

1.2 學(xué)科交叉的可行性

20 世紀60 年代以來，流體力學(xué)逐漸與其他學(xué)科交叉滲透。經(jīng)過多年的發(fā)展，先后形成了物理-化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)、高超聲速空氣動力學(xué)等新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科。在實際教學(xué)工作中，由于流體力學(xué)本身涵蓋了多個學(xué)科知識，通過學(xué)科之間相互交叉滲透，使學(xué)科融合、思政引領(lǐng)、知識傳授三者有效結(jié)合，提升學(xué)生解決實際問題的能力。

2 教學(xué)過程存在的不足

2.1 學(xué)生對課程的重要性認識不足，主觀能動性差

傳統(tǒng)單一學(xué)科授課中，教師所教授的內(nèi)容以教材為基礎(chǔ)，對知識的處理與本專業(yè)相關(guān)知識的聯(lián)系較少，缺乏創(chuàng)新性與拓展性，教學(xué)模式和考核形式相對單一，導(dǎo)致課程與專業(yè)學(xué)習(xí)短期內(nèi)看起來相關(guān)性不大。學(xué)生的學(xué)習(xí)抱有“應(yīng)試”心態(tài)，缺乏獨立思考，難以發(fā)現(xiàn)所學(xué)知識與今后工作生活或科學(xué)研究的相關(guān)性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的主觀能動性和解決問題的自主性較差。

2.2 教師傳授知識方法單一

由于流體力學(xué)課程本身涉及專業(yè)名詞較多，且需要以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等課程為基礎(chǔ)進行相關(guān)物理意義的理解和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，加之相關(guān)的現(xiàn)象、修正公式、修正系數(shù)等紛繁復(fù)雜，理解起來較為抽象。且教材中便于理解的直觀案例較少，所以學(xué)生較難對所學(xué)知識有深入的認識和掌握。無法聯(lián)系實際，運用所學(xué)知識解決實際工程問題[8-9]。

2.3 教學(xué)模式固化

當前流體力學(xué)的教學(xué)多以講授的方式為主，但由于教學(xué)內(nèi)容的滯后性、教學(xué)平臺缺乏多樣化以及教學(xué)資源的局限性，導(dǎo)致教師的授課大多為“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生自主性不足。教師與學(xué)生的互動是幫助學(xué)生深入理解知識的重要途徑之一，但由于知識的高階性與復(fù)雜性，傳統(tǒng)教學(xué)模式中的互動方式，如簡單的“問答”、單一的課后作業(yè)形式，難以提供師生的有效溝通，易導(dǎo)致教師對課程安排、教學(xué)方案的誤判，使學(xué)生無法高效的掌握相關(guān)知識。

3 “交叉型”教學(xué)改革后的課堂內(nèi)容

“交叉型”教學(xué)是一種以核心課程為主，多學(xué)科交叉融合，實現(xiàn)“學(xué)科無界限”的教學(xué)模式。與傳授單一性知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，交叉型教學(xué)以主講課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，融入其他學(xué)科的相關(guān)知識，讓學(xué)生們認識到各學(xué)科之間的相互聯(lián)系、相互融合。

3.1 計算機學(xué)科交叉

計算機科學(xué)在許多理論研究領(lǐng)域和實際的工程應(yīng)用中都扮演著十分重要的角色，同樣，在環(huán)境流體力學(xué)課程中也占有一席之地。在計算機學(xué)科中，能夠模擬環(huán)境流體動力學(xué)問題的軟件主要有Fluent、Abaqus、Origin 等，它們在環(huán)境專業(yè)領(lǐng)域廢水、廢氣等流體的模擬和處置方面都有著廣泛的應(yīng)用[10]。Fluent是一種研究空氣動力學(xué)等問題的常用軟件，為了能夠讓學(xué)生初步了解計算機在環(huán)境流體力學(xué)中的應(yīng)用，可以在課堂上講述Fluent 這個典型軟件的一些基本操作步驟和具體的模擬案例。例如：模擬飛機的機翼在空氣中形成的流場、建立動態(tài)分析的毒性氣體擴散模型[11]、分析某空間中污染物的擴散過程等。無論是在大氣還是在水等其他方向的研究中，都可以培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)的理論知識，讓學(xué)生了解環(huán)境流體力學(xué)和計算機之間的學(xué)科交叉融合，為學(xué)生解決復(fù)雜問題提供新思想和新方法[12]。

3.2 化工學(xué)科交叉

在環(huán)境流體力學(xué)中，空氣和水是最為常見的研究對象，相關(guān)分析與流體的性質(zhì)和流體之間的化學(xué)反應(yīng)息息相關(guān)，它們影響著流體的流動狀態(tài)和傳質(zhì)行為。為了讓學(xué)生了解化學(xué)在環(huán)境流體力學(xué)中的作用，以雷諾數(shù)為例進行解釋：雷諾準數(shù)是環(huán)境流體力學(xué)中表示流體黏性的相似準數(shù)，與流體的黏性力、密度有關(guān)。隨著化學(xué)反應(yīng)的進行，流體物質(zhì)也不斷發(fā)生著改變，物質(zhì)的改變也會引起流體黏性力、密度的改變，層流可能會變?yōu)橥牧骷涌煳镔|(zhì)混合，進而促進化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)的加劇又促進了湍流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致雷諾數(shù)的變化[13]。另外，化學(xué)試劑的濃度、反應(yīng)速率等也都影響著流體力學(xué)的計算。通過講解化學(xué)學(xué)科對環(huán)境流體力學(xué)方程式的影響，直觀地讓學(xué)生認識到化學(xué)反應(yīng)在流體相關(guān)計算中的重要作用，開闊學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生多方位思考的能力。

3.3 機械設(shè)備學(xué)科交叉

廢氣、廢水處理過程中構(gòu)筑物及反應(yīng)器的設(shè)計與內(nèi)部流體的性質(zhì)和狀態(tài)等都有著較大的聯(lián)系。在氣、液兩相反應(yīng)中，反應(yīng)器的形狀對流體動力學(xué)行為有著顯著的影響，直徑的大小影響氣、液接觸面積和氣、液之間的傳質(zhì)行為[14]，直徑越大反應(yīng)器內(nèi)流體越均一，流動狀態(tài)就越穩(wěn)定。在攪拌反應(yīng)器的設(shè)計中，攪拌槳的形狀，攪拌槳離釜底的距離，攪拌速率[15]等都影響著流體的狀態(tài)；攪拌速率越慢，擴散不均勻，而攪拌速率越快，分子運動越劇烈，也會加劇湍流的不穩(wěn)定性。在教學(xué)過程中，引入環(huán)境專業(yè)廢水、廢氣處理過程中構(gòu)筑物、反應(yīng)設(shè)備對內(nèi)部流體的影響，可以增強學(xué)生對環(huán)境流體力學(xué)的理解，提高對環(huán)境專業(yè)的認識，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的思維模式。

3.4 思政學(xué)科交叉

多學(xué)科交叉融合的另一個重要體現(xiàn)還在于人文素養(yǎng)、堅韌的品格、工匠精神、正確世界觀等思想政治素質(zhì)的培養(yǎng)。大學(xué)生的世界觀、人生觀、價值觀還沒有穩(wěn)定形成，高校思想政治教育工作至關(guān)重要。圍繞愛黨、愛國、愛人民這條主線，將環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)課程和思想政治教育充分結(jié)合，在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，幫助學(xué)生形成良好的價值觀。

3.4.1 工程案例融合

從介紹我國流體力學(xué)史上典型工程案例入手，如：都江堰、三峽大壩、南水北調(diào)等工程，增強學(xué)生對國家的文化自信及對民族的自豪感。例如，三峽大壩是我國綜合規(guī)模和年發(fā)電量最大、防洪效益最顯著、建設(shè)難度最大的重大水利工程。三峽工程涉及環(huán)境水力學(xué)、土木與建筑學(xué)等多學(xué)科，在教學(xué)過程中可自由選擇并添加相關(guān)案例。比如，壩體和各種水利設(shè)施主要是運用了水靜力學(xué)的知識，水輪機主要涉及到葉輪機械的理論，包括多相流，三元理論正反問題，歐拉方程，伯努利方程等。在講解氣體問題時，可以列出與土木建筑類專業(yè)有關(guān)的流體力學(xué)問題，如：風對高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑的載荷作用和風振問題等。

通過這些工程實例的挖掘融入，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中提高對環(huán)境流體力學(xué)的認識，開闊學(xué)生的視野，增強對我國重大基礎(chǔ)工程的使命感和認同感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[16]。

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結(jié)合實際軍事裝備應(yīng)用去講解環(huán)境流體力學(xué)中的理論知識，可以使學(xué)生更加有認同感和獲得感。例如，遼寧號航母上殲-15 艦載機的成功研發(fā)為提高空軍裝備水平奠定了基礎(chǔ)，以其機翼減阻設(shè)計為例，對繞流物體的阻力和升力進行解釋。以蛟龍潛航器下潛7 000 m 為例(課本例題)，講解靜液作用于平面壁面和曲面壁面的總壓。在講解畢托管時，以C919 大型飛機工程為例，在前端、機翼前部或座艙兩側(cè)都有一些向前突出的管道，這是用來測量飛機速度的空速管—畢托管。

從國家國防領(lǐng)域的重大成就實例引入，可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的愛國情懷，培養(yǎng)學(xué)生的責任與擔當[17-18]。

3.4.3 歷史人文融合

從歷史人物中發(fā)掘思政元素，介紹流體力學(xué)奠基人的經(jīng)歷，豐富學(xué)生的愛國精神，為學(xué)生樹立好的榜樣。以錢學(xué)森的事跡及對國家的貢獻為例：錢學(xué)森是中國著名的空氣動力學(xué)家，兩彈一星功勛獎?wù)芦@得者等。他早年留學(xué)美國，師從現(xiàn)代流體力學(xué)名家馮卡門。而在新中國成立后，他毅然放棄優(yōu)越條件，在經(jīng)歷被美國當局非法扣押、拘留等不公平待遇后，歷經(jīng)千辛萬苦終于回到了祖國，為研制“兩彈一星”貢獻力量。此外，還可以介紹吳仲華、周培源等其他開拓者和建設(shè)者的事跡，將其故事與環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)的知識相結(jié)合，揭示專業(yè)知識與國家命運緊密相連的歷史規(guī)律，幫助學(xué)生樹立正確的價值觀念，在潛移默化中讓學(xué)生接受思想的洗禮，達到潤物無聲的教學(xué)效果。

3.4.4 理論與實踐融合

將環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)中的理論與現(xiàn)實生活中的現(xiàn)象相聯(lián)系，可以給學(xué)生一種親切感和現(xiàn)實感，更容易接受抽象的理論知識。比如坐高鐵時，需要站在黃線之外，否則，就有可能會被吸進軌道而受傷。這是因為列車在高速行駛過程中會帶動周圍空氣快速流動，導(dǎo)致其靜壓下降，會造成人體兩側(cè)的靜壓差。此外，以乒乓球為例，講解旋轉(zhuǎn)如何產(chǎn)生。當乒乓球被順時針摩擦?xí)r，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，因為表面摩擦加速了氣流，速度越大，壓強越小，在兩邊形成了壓強差，使乒乓球原來的運動軌跡發(fā)生變化。通過列舉一些生活中的實例，讓學(xué)生更好地理解伯努利方程以及其他流體力學(xué)知識的實際應(yīng)用，幫助學(xué)生更好的理解課堂知識。

此外，流體力學(xué)是一門需要緊密聯(lián)系實踐的課程。學(xué)生們?nèi)绻麅H僅機械地背知識做習(xí)題，很難做到融會貫通、靈活運用。為改善這種狀況，可以引入眾多實踐環(huán)節(jié)：例如，讓全班學(xué)生嘗試做紙飛機，通過設(shè)計不同的飛機模型讓飛機飛得更遠，從而讓學(xué)生在動手實踐的過程中真正理解繞流物體的阻力和升力等相關(guān)知識。另一方面，可以加強流體力學(xué)實驗環(huán)節(jié)。以往的實驗大多流于形式，很多學(xué)生甚至不清楚實驗原理，只是照本宣科地做實驗，沒有思考和創(chuàng)新。為此，可以讓學(xué)生參與流體力學(xué)實驗設(shè)計，數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)分析，實驗總結(jié)等全部過程，充分發(fā)揮學(xué)生的動手能力和思考能力，將實驗過程中的表現(xiàn)納入實驗考核中去，實現(xiàn)學(xué)生的全過程參與。

4 結(jié)語

學(xué)科之間的交叉融合是現(xiàn)階段高校教學(xué)的改革方向，也是適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢，在今后很長一段時間課堂教學(xué)都應(yīng)該朝著學(xué)科交叉的方向前進。在環(huán)境專業(yè)流體力學(xué)課程的教學(xué)過程中引入其他相關(guān)學(xué)科的知識，可以開闊學(xué)生的視野，更好的幫助學(xué)生理解知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將思政融入課堂教學(xué)中，可以增強學(xué)生的歷史認同感和愛國情懷，形成正確的價值觀念。在課堂知識的學(xué)習(xí)中，鼓勵動手實踐，提高學(xué)生的操作能力和人創(chuàng)新能力，對于培養(yǎng)專業(yè)知識扎實、思維活躍的創(chuàng)新型人才具有重要的意義。