在安全工程流体力学教学过程中,存在三个方面问题。一是流体力学的先修课程通常为高等数学、大学物理、工程热力学,课程理论性强,章节自成体系,演绎推导繁杂,知识点多且分散,学习难度大[5]。二是流体力学内容抽象,新概念多,如果无切身实例,学生很难有课程代入感,且与专业课缺乏衔接性,学生对学习背景意义不明确,对所学知识兴趣不足,主动参与度不够,进而影响了整体教学的效果[6]。三是实践教学手段单一,作为培养学生知识与能力转化、理论与实践结合、创新能力和综合素质养成的重要环节[7],现在流体力学仍停留在教师灌输为主,学生被动观摩或综合演示的传统实践模式,学生的创新性缺乏施展空间;且流体力学实验内容陈旧,缺乏前沿性创新实验,学生自主性差,课外拓展实验偏少。
为此,本文开展了安全工程流体力学课程教学模式探讨与实践研究,提出了创新理论教学模式;梳理课程脉络主干,将安全工程专业知识融入流体力学课程,让学生明确学什么、怎么学、如何用;通过制定安全工程流体力学教学实施方案,将编排的总体思路具体落地,改观流体力学教学过程中的不足,切实提高学生创新能力。
1 创新教学模式总体思路
针对目前安全工程流体力学教学过程中存在的问题,提出了理论模式创新、专业知识融合与实践教学方法改革的综合教学模式,并基于此建立了创新教学模式总体思路(图1)。
(1)创新流体力学理论教学模式。针对流体力学基础部分理论性强,学生接受效果不理想的现实特点,提出"流体知识寓日常,生活案例进课堂"的教学思路;梳理流体力学中的核心知识脉络,丰富编排课程内容,启发学生举一反三的拓展意识,提升学生凝练实例中流体力学的共性知识点,开动学生主动捕捉知识点的能力。
图1
(2)融合安全学科领域流体力学专业知识。安全工程具有很强的学科交叉性,是流体力学工程化应用最好的体现,结合学生对专业课程的强烈求知欲,将本学科领域的标志性、前沿性、最新成就中蕴含流体力学的知识点融入教学;使学生能够在专业领域"走进去、走一走、走出来",在对理论加深学习的基础上,拓展对专业领域的认知度,有机衔接后续要学习的系列专业课。
(3)改革流体力学实践教学方法。结合流体力学教学大纲和培养方案,提出"做精必做实验,做懂选做实验,做好自做实验"的原则,要求规定的必做实验做到位,自做实验有特色;教师主导实验进程,学生是实验的操作主体,引导学生积极融入安全工程教师课题及创新项目,培养学生从中获取流体知识的能力,鼓励学生自主构建实验平台,开展虚拟仿真实验[8],对未知课题进行深层次挖掘分析。
2 安全工程流体力学教学实施方案
2.1 深入浅出讲授流体力学基础理论
工程流体力学作为基础必修课,要求学生先修高等数学、大学物理、工程热力学等基础课程。课程理论性要求较强,结合教育部要求增大本科生课程难度的要求,确立了以流体静力学和动力学为主轴的脉络体系(图2)。学时分配量分别占到全部课程的23.8%和28.6%,并以此基础理论拓展至管道流动、孔口出流及缝隙流动等具体应用章节;使学生清晰化课程体系逻辑关系,掌握课程学习中的重点和难点,明确流体力学学什么、怎么学。
图2
针对流体静力学,以日常中的水箱、油罐、管道、堤坝、挡水闸门等结构所受静压强实例入手。引导学生归类分析上述常见物体壁面类型,进而将平衡流体对壁面的作用力简化为对平面、曲面和潜体壁面三种典型形式;并以此为课程学习目标,系统分析平衡流体受力,结合高等数学知识建立平衡微分方程,确定流体受力边界条件,积分求解计算。该章看似较难,实际上通过梳理脉络关系,使学生理解研究对象,明确学习的目的和重点,借助先导课程中的高等数学工具将变得简单很多。
流体动力学是本课程最为重要也是较难的一章,内容涉及连续性、伯努利和动量守恒三大方程,而三大方程之间并非孤立理论,而是具有紧密的逻辑递进关系。因而在理论推导过程中,启发学生递进式挖掘的能力,主动捕捉知识点,这就要求教师从知识传授型教学模式向研究型教学模式转变[9]。在进行伯努利方程推导时,采用从欧拉运动微分基础方程出发,运用第二章流体静力学中的定常流动、压强全微分和流线方程进行逐步简化推导;并结合连续性方程求解不同断面速度,可解决伯努利方程中的速度未知量问题,而通过伯努利方程求解的动压强,又可以解决动量守恒中的未知压强问题;通过逐步减少求解过程的未知量,使学生由浅入深逐层获取流体核心知识点。在理论推导过程中,引入生活中的一些典型流体实例,进行案例式教学(图3),深入浅出地讲授理论知识,让学生有代入感和感知力;采用提问互动的形式丰富教学内容,如提出足球场中的香蕉球/乒乓球的旋转是如何产生的呢?你能解释飞机如何起飞的吗?如何规避航海过程的船吸现象?你能用所学三大方程解释杜甫《茅屋为秋风所破歌》中的"八月秋高风怒号,卷我屋上三重茅"吗?将流体动力学中的理论重点融入到常见实例中,用实例为载体讲授理论,加深学生对流体力学广泛应用性的理解,激励学生主动求知的欲望,提高学生学习兴趣。
图3
2.2 强化拓展流体力学与安全工程关联性
图4
在拓展安全工程中的流体力学内容中,可以选择专业领域的一种利用流体力学的装备、一个流体力学现象、一套与流体动力学有关的技术或采用流体力学的工艺方法等;然后凝练出流体力学知识点,讲授专业中的流体力学理论知识,让学生能够"走进去(专业领域)、走一走(技术核心点)、走出来(流体知识点)";这就要求教师不断提高安全专业知识储备,丰富授课形式,用形象生动的形式(板书、事故案例、动态图片、小短片等)进行课堂展现,增强学生对流体现象的认知,提高课堂效率。
在讲授流体动力学中的三大方程时,介绍矿井通风阻力测定的意义,引导学生思考如何利用皮托管原理测试巷道内风速,合理简化伯努利方程并对各项赋值,科学测试巷道内部任意两点的阻力。介绍矿井外因火灾具有纵向发展的规律,引入火风压概念,启发学生思考火风压产生原因,结合连续性方程和伯努利方程对火风压大小影响因素进行量化分析。介绍目前瓦斯防治中采用最多的瓦斯抽采技术,如何测定瓦斯抽采流量,引入孔板流量计,解释其工作原理,结合连续性方程和伯努利方程确定瓦斯流量。对于粉尘防治中的重力除尘技术,对重力除尘器原理进行简单讲解,分析其利用流体连续性方程原理实现大颗粒粉尘沉降过程。对于建筑火灾中的自动喷水灭火系统,通过动态图片向学生展示火灾发生后,喷头开始响应,水经溅水盘形成水幕结构,启发学生结合三大方程,分析溅水盘受力过程。此外在讲授孔口出流时,介绍高压水射流冲孔及割煤技术,使学生对不同孔口形态的收缩系数、流量系数、流速系数及阻力系数有更为深刻的印象。围绕核心知识点,鼓励学生进行更为广泛的思考,引导学生认识到基本流体力学理论在专业应用中的强大渗透力[12]。让学生喜欢并主动钻研结合专业特色的流体力学课题,如列举一些建筑火灾现象,启发学生结合流体力学知识进行系统阐述,做到举一反三。
2.3 丰富流体力学实践教学环节
流体力学实践环节是强化理论学习的重要途径,协调处理好课程实践的技术性、综合性和探索性的关系,可有效培养学生的实践能力和创新素质[13]。传统以演示性为主的实验已不能满足学生强烈的求知要求,亟需改革实践教学模式。建立了围绕流体力学核心知识点的"必做$+$选做$+$自做"多个实验内容,对必做、选做和自做部分提出不同要求,其中必做实验为3个:管路串并联实验、流动阻力测定实验、离心泵特性测定实验。目的是使学生对伯努利方程和管道流动等基础理论知识有更深的学习,对必做实验的要求是做精,要求每人必须实际操作,并进行三组数据记录,结合课堂教学进行总结分析。选做实验是离心泵串并联实验,目的是让学生对离心泵特性和串并联特性进行综合实验,实验难度较大;对选做实验的要求是做懂,能够进行数据分析,此外还有雷诺实验观测层流与湍流转化规律,专业相关的达西渗流实验让学生提前了解多孔介质流体流动情况,可供学生选做,图5为丰富多样的安全工程流体力学实践教学内容。
图5
对自做实验不做强制要求,鼓励学生自主组队开展自做实验,人数以3$\sim$5人为宜。自做实验主要是学生结合学生课堂上所学,提出自己的实验目的和方法,与教师讨论实验可行性后,由教师主导实验进程。学生为主体制定实验方案、组建实验平台、操作实验过程、分析记录实验数据、归纳提炼实验结论。如引导学生对尼古拉兹实验进行分析,自己制定试验变量,确定测试方案,绘制曲线,并对其中的 "层流区、临界区、光滑管湍流区、过渡区、粗糙管湍流区"五大标志区段进行分析。对于部分有前沿思考性学生,引导学生根据科研选题或教师前沿性课题,开展相关自主实验,或由授课教师提供一些探索性课题,以丰富多样的形式提高学生的实践创新能力;如结合矿用大流量高倍泡沫灭火背景,开展以气液两相混合流动为基础的阻力特性研究。
局限于实验室条件,许多经典的流体力学实验难易开展,借助于模拟仿真方法可以近似重现流体流动全过程,并可对关键节点区域进行选择性分析研究,强化对理论授课抽象概念、方程及现象的理解[14]。为更好提高学生实践与创新能力,引导学生开展虚拟仿真实验,利用Gambit,Icem,CAD等软件进行所需流体几何建模。借助流体力学软件Fluent,CFX和Phoenix进行数值解算[15],进行数图分析及制作Flash视频等,使学生更为深刻地理解和掌握流体力学理论知识,也为将来从事科研打下基础。图6为学生结合流体力学管道流动中的卡门涡街进行的自主研究,首先利用Gambit建立圆管中圆柱体扰流模型,然后导入Fluent设置边界条件及选定模型;借助数据云图观测经过圆管中圆柱体扰流过程中形成的压力、流速、湍流强度等变化规律,获取实验室无法完成的测定工作。并通过与教师进行深入探讨,进行关键区域(如球体纵向、横向、前端、尾部)的数据挖掘,对球形扰流现象及本质问题有了更深入的探索,这对学生将来从事流体力学科研工作也有较强的促进作用。
图6
3 实施效果
工程流体力学是中国矿业大学(北京)"双一流学科"安全工程和消防工程的基础必修课,作者自2017年以来一直采用创新实践教学模式讲授该门课程,共计授课550人次,开展流体力学实验2000余次,取得了显著的教学效果。学生普遍反映该门课程相对于传统的工程力学和热力学等基础力学课程,授课内容与生活或专业课程交集较多,更易接受,课程中的难点和重点脉络清晰,学生不会形成片面孤立记忆。良好的流体力学知识也为学生将来学习专业课程打下了坚实的基础,未来很多走向科研和工作岗位的同学,也对该门课程中讲授的三大方程、管道流动、孔口出流等流体知识记忆深刻。
学生通过创新教学获得了灵活运用安全工程流体力学解决工程问题的能力,如作者作为指导教师的课题作品"急倾斜煤层高倍泡沫灭火工艺模型",通过让学生深入学习流体力学中管中流动及多孔介质的渗流规律,拓展非牛顿泡沫流体的本构方程。自主构建多孔采空区泡沫灌注实验平台,将所学知识与安全工程专业中的矿山防灭火进行结合,解决了困扰急倾斜煤层防灭火的技术难题,该成果也获得了第五届全国安全科学与工程类专业大学生实践与创新作品大赛的二等奖。通过将工程流体力学与安全工程专业课程有机结合,学生综合分析和创新能力都得到了大幅提高。参赛的安全工程专业5人中有3人获得保研资格,1人保送为清华大学直博生,1人保送为北京理工大学研究生,1人保送本校硕士研究生,另外2名低年级同学也通过本次实践掌握了较为扎实的流体力学基础知识,对即将开始学习安全工程专业课程《矿山安全工程》、《矿井火灾防治》、《工业通风与除尘》等充满了期待,取得了良好的育人效果。
4 结论
(1)确立了安全工程流体力学创新教学模式总体思路。提出了"流体知识寓日常,生活案例进课堂"的教学思路,梳理流体力学中的核心知识脉络,创新流体力学理论教学模式,融合安全工程领域流体力学专业知识,将其标志性成就的流体知识点提炼讲解,制定了"做精必做实验,做懂选做实验,做好自做实验"的原则,改革流体力学实践教学方法。
(2)制定了安全工程流体力学教学实施方案。构建了以流体静力学和动力学为主轴的脉络体系,使学生明确了流体力学学什么、怎么学,以日常流体力学小实例为载体,深入浅出地讲授理论知识,让学生有代入感和感知力,将看似孤立的理论方程穿插融合在一起,激励学生主动求知的欲望,提高学生学习兴趣。
(3)以学生对专业课浓厚的求知兴趣为推手,延伸安全工程中的流体力学知识点,使学生能够"走进去、走一走、走出来",并启发学生在共性知识上举一反三。丰富流体力学实践教学环节,建立了围绕流体力学核心知识点的"必做$+$选做$+$自做"多个实验内容,对必做、选做和自做部分提出不同要求,鼓励学生结合科研选题和教师前沿性课题,自主组队开展探索性自做实验。
参考文献
基于生活实践的工程流体力学启发性教学初探
工程流体力学教学中需要强调理论与实践的有机结合.本文提出基于生活实践案例以问题链形式进行启发性工程流体力学教学.以总流能量方程及水头损失计算教学为例,设计了"自来水水龙头堵住一部分出口后水流喷射的距离和流量如何变化"这一简单生活实践问题,将重要知识点贯穿其中.教学应用效果表明,启发性、开放性的生活实践问题,能够很好地引导学生综合运用理论知识,解决实际问题,同时能够培养学生的生活观察和独立思考能力.
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