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应用型本科院校工程流体力学课程改革与实践

更新时间:2018-06-15      点击次数:1946

随着工业化的发展,生态破坏和环境污染已成为人类社会面临的两大类环境问题,严重制约了经济、社会的可持续发展。
为解决日益突出的环境问题而产生的环境工程这一学科也迅速成熟[1]。环境工程的大多数过程是在流体流动的状态下进行的,如利用管道或明渠等设施输送流体、气体和液体中的颗粒物的分离、连续运行生化反应器中污染物的去除等。而环境工程专业中关于污染物的迁移和扩散问题、流体在管路中的输运问题均离不开工程流体力学的基本知识。因此,对于环境工程专业来说,工程流体力学是重要专业技术基础课程,其教学质量的优劣,在一定程度上会影响环境工程专业学生的专业知识架构和从业能力,进而影响到毕业生的就业质量。然而地方院校环境工程专业工程流体力学课程的学时一直在压缩,工程流体力学的内涵和前言却一直在更新变化,要讲授的知识越来越多。加之应用型地方本科院校对于人才培养的要求不断提高,强调人才培养的创新性和前沿性。因此,本文立足应用型人才培养转型发展的需求,从我校环化学院环境工程专业的实际情况出发,对工程流体力学课程基于能力培养的课程体系建设进行思考,对该课程的教学内容、教学方法及考核方式进行了探讨改革和实践。希望以此提高我校工程流体力学课程的教学质量,培养出具有创新性、实践性的应用型毕业生,以适应新形势下市场发展对环境工程专业人才培养工作的要求。
1 教学内容的改革
1. 1 优化培养方案
“工程流体力学”是研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律的一门学科,其主要由流体静力学、流体运动学和流体动力学三部分组成[2]。该课程是环境工程专业一门主要的专业基础课,其教学效果好坏也直接影响了后续主干课程如水污染控制工程、大气污染控制工程等的学习。因此,工程流体力学教学过程的改革和创新有助于培养学生的专业兴趣,打好专业基础,在环境工程专业人才培养中有着十分重要的作用。目前,地方本科院校面临应用型本科教育转型的机遇和挑战,为了适应时代的发展,其人才培养方案也应做适当的调整。首先,我们通过对社会环境工程专业人才需求情况的调研和分析,制定了环境工程专业的职业岗位群及与其对应的专业能力。工程流体力学这门课对应的主要环境从业职业岗位是环境工程设计工程师、安装调试工程师、环境修复工程师和销售工程师等,旨在培养学生的环境工程设计与运营管理能力。其次,根据岗位需要具备的专业能力,制定了相应的人才培养目标。工程流体力学这门课要求学生掌握流体力学的基本理论、基本计算方法、基本实验技能以及在工程实际中的初步应用。通过该课程的学习使学生初步具备分析和解决实际流体力学问题的能力,能够从事环境工程设计行业的技术研发、工艺控制等,培养具有实践能力和创新精神的应用人才。
1. 2 调整教学内容
工程流体力学这门课现阶段使用的教材是冶金工业出版社谢振华主编的《工程流体力学》( 第4 版) ,该教材系统地阐述了流体力学的基础理论及其应用,主要内容包括: 流体静力学基础、流体动力学基础,黏性流体运动及其阻力计算,有压管流与孔口、管嘴出流,明渠均匀流与堰流,泵与风机、工程流体力学应用实例等。通过该课程的学习可以使学生初步具备分析和解决实际流体力学问题的能力,并为学习后续专业课程、从事专业技术工作和进行科学研究打下良好的基础。
《工程流体力学》理论性强,概念抽象,然而高等学校工程流体力学课程的学时一直在压缩。同时学习工程流体力学这门课之前,学生已经完成了高等数学、大学物理等相关课程的学习。这就要求我们优化《工程流体力学》课程教学内容,避免不必要的重复,利用有限的学时,深化工程流体力学课程的主要内容,渗透前沿知识,应对应用型人才培养的需求。所以在组织课堂教学内容时,结合高等数学、大学物理等的教学内容及其与《水污染控制工程》及《大气污染控制工程》等后续主干课程间的紧密,对工程流体力学的教学内容进行了重整,适当弱化了与高等数学及大学物理重复部分繁难公式的推导和微元运动的分析,重点讲授基本概念、公式的物理意义、应用条件和各项参数的含义方面的内容,增加与环境工程专业知识相的内容介绍。教会学生如何把基础理论应用在环境保护与环境污染治理中,以此拓宽学生的知识面,培养学生理论实际,利用理论知识解决实际问题的能力。如流体静力学和流体动力学部分,略去其中关于微分方程及其积分的数学推导,重点讲授流体静力学基本方程、伯努利方程等的适用范围、物理意义、各参数的应用条件; 同时,结合流体力学实验中测压管的使用,使学生更好地理解伯努利方程中位置水头、压强水头和速度水头的概念及他们之间的关系。以环境工程中的实际工程( 例如城市排水管道、市政污水处理厂、学校污水处理站) 为例,对孔口管嘴、有压管流、明渠流、泵与风机等应用流体力学的部分进行讲解,可以使学生对流体力学理论在环境工程实践领域的工程应用有深刻的认知。当前,随着计算机技术的发展和数值模拟建模技术的提高,计算流体力学( CFD) 对流体力学理论的发展起到重要作用,在流体力学的教学过程中可以增加2 ~ 4 学时关于计算流体力学技术的介绍,不仅可以转化学生思维方式、拓展学生学术视野,还可以为学生进一步学习深造奠定基础。
2 教学方法的改革
2. 1 体验式教学,提高学生的综合素质
培养应用型人才要求培养学生的创新性和实践性,提高学生的综合素质。而传统教学模式往往不利于学生自我身份构建、自我任责及主观能动性的发挥,缺乏对学生能力的培养和锻炼。因此在教学中要以学生为主,加强基于能力的培养。为此在教学中实行“学生讲、老师听”的换位学习模式,即将学生划分小组,每组拟定一个与流体力学相关的工程案例作为研究课题,组内学生分工合作分别进行文献查询、资料整理、演示文稿制作等工作,后在每堂课前走上讲台讲解该小组的演示文稿。报告结束后,教师组织引导学生参与讨论,可随机向汇报组成员提问。通过这样的体验式教学方式,可以发挥学生的积极性和创新性,使学生在有限的学时内拓展知识面,同时锻炼学生语言表达能力、动手能力和团队合作能力。
2. 2 打破单一验证性实验教学,加大综合性、创新性实验比例,提高学生创新能力和综合素质
工程流体力学是一门理论和实践并重的学科,实验教学可以培养学生基本操作技能、严谨的科学态度、理论实际的能力。然而原有的工程流体力学实验课内容相对简单,缺少设计性和研究性,而且学生对实验前的准备工作不够了解,容易忽略对学生实验全局设计思路的考核。因而引入综合性的实际工程模拟类实验,让学生真正参与整个研究过程( 课题确定、查阅文献、确定实验方法、前期试剂仪器的准备、数据测定、结果处理到实验报告的完成) ,有助于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,提高学生的创新能力和综合素质。
2. 3 引入实际工程案例,激发学生的学习兴趣,培养学生解决实际问题的能力
工程流体力学是环境工程专业的重要技术基础课,如何在有限的课时内,激发学生的学习兴趣,加强学生对环境工程设计与运营管理本质的认识,培养学生利用理论知识解决实际环境问题的能力,对于培养应用型专业人才至关重要。因此,在教学过程中引入切身相关的实际工程案例,利用所学的基础理论和方法对其剖析,激发学生求知欲和自主性,培养学生解决实际问题的能力。如在学习粘性流体运动及其阻力计算的内容时,可以将学生实习的污水处理厂作为案例进行分析。以污水处理厂中的格栅、沉砂池、曝气池、二沉池、纤维转盘滤池和消毒池等不同处理单元为对象,分析计算其沿程阻力损失和局部阻力损失,从而将学生在课堂上所学的理论知识与实践中见到的工程体系结合起来,终深化学生对流体力学理论知识的认知深度,明确其在工程上的适用范围,激发学生学习理论知识用以解决实际工程问题的主动性。
3 考核方式的改革
在培养方案和教学内容改革的基础上,考核方式也应做相应调整。在应用型人才培养转型的背景下,结合实际发展,将工程流体力学的成绩设置为3 部分: 期末考试占60%,实验成绩占20%,平时成绩占20%。其中平时成绩主要依据学生课堂参与度,课下作业完成情况,以及分组对实际工程中流体力学应用的讲解进行打分,由此评价学生积极主动性和团队合作能力。实验成绩主要依据学生对流体力学基本实验过程中的参与及表现打分,以此评定学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。期末考试采取开卷形式,试卷命题中多以结合实际工程案例的综合题为主,防止学生死记硬背流体力学公式,使其真正将所学知识应用到解决实际问题中去。
4 结语
目前,随着国内对环境问题重视程度的提高,对于专业型人才的需求也在逐年增加。应用型人才培养是要塑造全面、具有可持续发展和创新能力的人才。所以在这样的转型背景下应加强双师型队伍建设,使从事相关教学的教师“走出去、走回来”,具备理论教学的素质的同时也应具备实践教学的素质,在有限的时间内,提高学生的全面素质,培养真正的环境工程应用型人才。

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