陸新曉 李 峰 薛 雪 韓 宇

(中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京100083)

工程流體力學是經(jīng)典力學的分支，但與理論流體力學相比，更側(cè)重于實用性和實踐性[1]。流體力學涉及石油化工、冶金采礦、水利水電、燃燒爆炸、航空航天等工程領(lǐng)域[2]，也是大部分工科專業(yè)學生的必修基礎(chǔ)課程。安全工程學科是涉及面極廣的綜合性交叉學科，其教學過程具有實踐性、應用性及綜合性特點[3]。在礦井通風、瓦斯抽采利用、煤自燃防治、火災防控等安全工程領(lǐng)域[4]，流體力學也有非常強的實用性；流體力學已成為安全工程和技術(shù)科學研究的重要基礎(chǔ)，因而許多開設(shè)安全工程專業(yè)的高等院校均設(shè)置有流體力學基礎(chǔ)課。

在安全工程流體力學教學過程中，存在三個方面問題。一是流體力學的先修課程通常為高等數(shù)學、大學物理、工程熱力學，課程理論性強，章節(jié)自成體系，演繹推導繁雜，知識點多且分散，學習難度大[5]。二是流體力學內(nèi)容抽象，新概念多，如果無切身實例，學生很難有課程代入感，且與專業(yè)課缺乏銜接性，學生對學習背景意義不明確，對所學知識興趣不足，主動參與度不夠，進而影響了整體教學的效果[6]。三是實踐教學手段單一，作為培養(yǎng)學生知識與能力轉(zhuǎn)化、理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)養(yǎng)成的重要環(huán)節(jié)[7]，現(xiàn)在流體力學仍停留在教師灌輸為主，學生被動觀摩或綜合演示的傳統(tǒng)實踐模式，學生的創(chuàng)新性缺乏施展空間；且流體力學實驗內(nèi)容陳舊，缺乏前沿性創(chuàng)新實驗，學生自主性差，課外拓展實驗偏少。

為此，本文開展了安全工程流體力學課程教學模式探討與實踐研究，提出了創(chuàng)新理論教學模式；梳理課程脈絡(luò)主干，將安全工程專業(yè)知識融入流體力學課程，讓學生明確學什么、怎么學、如何用；通過制定安全工程流體力學教學實施方案，將編排的總體思路具體落地，改觀流體力學教學過程中的不足，切實提高學生創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)新教學模式總體思路

針對目前安全工程流體力學教學過程中存在的問題，提出了理論模式創(chuàng)新、專業(yè)知識融合與實踐教學方法改革的綜合教學模式，并基于此建立了創(chuàng)新教學模式總體思路(圖1)。

(1)創(chuàng)新流體力學理論教學模式。針對流體力學基礎(chǔ)部分理論性強，學生接受效果不理想的現(xiàn)實特點，提出“流體知識寓日常，生活案例進課堂” 的教學思路；梳理流體力學中的核心知識脈絡(luò)，豐富編排課程內(nèi)容，啟發(fā)學生舉一反三的拓展意識，提升學生凝練實例中流體力學的共性知識點，開動學生主動捕捉知識點的能力。

(2)融合安全學科領(lǐng)域流體力學專業(yè)知識。安全工程具有很強的學科交叉性，是流體力學工程化應用最好的體現(xiàn)，結(jié)合學生對專業(yè)課程的強烈求知欲，將本學科領(lǐng)域的標志性、前沿性、最新成就中蘊含流體力學的知識點融入教學；使學生能夠在專業(yè)領(lǐng)域“走進去、走一走、走出來”，在對理論加深學習的基礎(chǔ)上，拓展對專業(yè)領(lǐng)域的認知度，有機銜接后續(xù)要學習的系列專業(yè)課。

(3)改革流體力學實踐教學方法。結(jié)合流體力學教學大綱和培養(yǎng)方案，提出“做精必做實驗，做懂選做實驗，做好自做實驗”的原則，要求規(guī)定的必做實驗做到位，自做實驗有特色；教師主導實驗進程，學生是實驗的操作主體，引導學生積極融入安全工程教師課題及創(chuàng)新項目，培養(yǎng)學生從中獲取流體知識的能力，鼓勵學生自主構(gòu)建實驗平臺，開展虛擬仿真實驗[8]，對未知課題進行深層次挖掘分析。

2 安全工程流體力學教學實施方案

2.1 深入淺出講授流體力學基礎(chǔ)理論

工程流體力學作為基礎(chǔ)必修課，要求學生先修高等數(shù)學、大學物理、工程熱力學等基礎(chǔ)課程。課程理論性要求較強，結(jié)合教育部要求增大本科生課程難度的要求，確立了以流體靜力學和動力學為主軸的脈絡(luò)體系(圖2)。學時分配量分別占到全部課程的23.8%和28.6%，并以此基礎(chǔ)理論拓展至管道流動、孔口出流及縫隙流動等具體應用章節(jié)；使學生清晰化課程體系邏輯關(guān)系，掌握課程學習中的重點和難點，明確流體力學學什么、怎么學。

針對流體靜力學，以日常中的水箱、油罐、管道、堤壩、擋水閘門等結(jié)構(gòu)所受靜壓強實例入手。引導學生歸類分析上述常見物體壁面類型，進而將平衡流體對壁面的作用力簡化為對平面、曲面和潛體壁面三種典型形式；并以此為課程學習目標，系統(tǒng)分析平衡流體受力，結(jié)合高等數(shù)學知識建立平衡微分方程，確定流體受力邊界條件，積分求解計算。該章看似較難，實際上通過梳理脈絡(luò)關(guān)系，使學生理解研究對象，明確學習的目的和重點，借助先導課程中的高等數(shù)學工具將變得簡單很多。

流體動力學是本課程最為重要也是較難的一章，內(nèi)容涉及連續(xù)性、伯努利和動量守恒三大方程，而三大方程之間并非孤立理論，而是具有緊密的邏輯遞進關(guān)系。因而在理論推導過程中，啟發(fā)學生遞進式挖掘的能力，主動捕捉知識點，這就要求教師從知識傳授型教學模式向研究型教學模式轉(zhuǎn)變[9]。在進行伯努利方程推導時，采用從歐拉運動微分基礎(chǔ)方程出發(fā)，運用第二章流體靜力學中的定常流動、壓強全微分和流線方程進行逐步簡化推導；并結(jié)合連續(xù)性方程求解不同斷面速度，可解決伯努利方程中的速度未知量問題，而通過伯努利方程求解的動壓強，又可以解決動量守恒中的未知壓強問題；通過逐步減少求解過程的未知量，使學生由淺入深逐層獲取流體核心知識點。在理論推導過程中，引入生活中的一些典型流體實例，進行案例式教學(圖3)，深入淺出地講授理論知識，讓學生有代入感和感知力；采用提問互動的形式豐富教學內(nèi)容，如提出足球場中的香蕉球/乒乓球的旋轉(zhuǎn)是如何產(chǎn)生的呢？你能解釋飛機如何起飛的嗎？如何規(guī)避航海過程的船吸現(xiàn)象？你能用所學三大方程解釋杜甫《茅屋為秋風所破歌》中的“八月秋高風怒號，卷我屋上三重茅” 嗎？將流體動力學中的理論重點融入到常見實例中，用實例為載體講授理論，加深學生對流體力學廣泛應用性的理解，激勵學生主動求知的欲望，提高學生學習興趣。

2.2 強化拓展流體力學與安全工程關(guān)聯(lián)性

將學科領(lǐng)域研究成果、科研資源的精華部分實質(zhì)性地融入本科生教學過程，達到教學與科研的有機結(jié)合，是目前高等教育教學過程亟待解決的問題[10-11]。本科生經(jīng)過兩年單調(diào)的基礎(chǔ)課程學習，由于缺乏對問題的感性認識，學習興趣有所降低，而對專業(yè)課有濃厚的求知興趣，流體力學承接了基礎(chǔ)課與專業(yè)課的自然過渡。安全工程專業(yè)課程主要涉及礦山“一通三防” 和建筑消防領(lǐng)域，如圖4 所示，而幾乎各個專業(yè)領(lǐng)域均涉及流體力學應用。全面細化的講授專業(yè)課程必然是不現(xiàn)實的，也是本末倒置的。因而需要梳理出安全工程中的流體力學知識，生動具體地反映給學生，當然知識點不可過于專業(yè)，易造成學生對背景理解不透。

圖3 流體力學案例式教學

圖4 安全工程流體力學知識點拓展提煉

在拓展安全工程中的流體力學內(nèi)容中，可以選擇專業(yè)領(lǐng)域的一種利用流體力學的裝備、一個流體力學現(xiàn)象、一套與流體動力學有關(guān)的技術(shù)或采用流體力學的工藝方法等；然后凝練出流體力學知識點，講授專業(yè)中的流體力學理論知識，讓學生能夠“走進去(專業(yè)領(lǐng)域)、走一走(技術(shù)核心點)、走出來(流體知識點)”；這就要求教師不斷提高安全專業(yè)知識儲備，豐富授課形式，用形象生動的形式(板書、事故案例、動態(tài)圖片、小短片等) 進行課堂展現(xiàn)，增強學生對流體現(xiàn)象的認知，提高課堂效率。

在講授流體動力學中的三大方程時，介紹礦井通風阻力測定的意義，引導學生思考如何利用皮托管原理測試巷道內(nèi)風速，合理簡化伯努利方程并對各項賦值，科學測試巷道內(nèi)部任意兩點的阻力。介紹礦井外因火災具有縱向發(fā)展的規(guī)律，引入火風壓概念，啟發(fā)學生思考火風壓產(chǎn)生原因，結(jié)合連續(xù)性方程和伯努利方程對火風壓大小影響因素進行量化分析。介紹目前瓦斯防治中采用最多的瓦斯抽采技術(shù)，如何測定瓦斯抽采流量，引入孔板流量計，解釋其工作原理，結(jié)合連續(xù)性方程和伯努利方程確定瓦斯流量。對于粉塵防治中的重力除塵技術(shù)，對重力除塵器原理進行簡單講解，分析其利用流體連續(xù)性方程原理實現(xiàn)大顆粒粉塵沉降過程。對于建筑火災中的自動噴水滅火系統(tǒng)，通過動態(tài)圖片向?qū)W生展示火災發(fā)生后，噴頭開始響應，水經(jīng)濺水盤形成水幕結(jié)構(gòu)，啟發(fā)學生結(jié)合三大方程，分析濺水盤受力過程。此外在講授孔口出流時，介紹高壓水射流沖孔及割煤技術(shù)，使學生對不同孔口形態(tài)的收縮系數(shù)、流量系數(shù)、流速系數(shù)及阻力系數(shù)有更為深刻的印象。圍繞核心知識點，鼓勵學生進行更為廣泛的思考，引導學生認識到基本流體力學理論在專業(yè)應用中的強大滲透力[12]。讓學生喜歡并主動鉆研結(jié)合專業(yè)特色的流體力學課題，如列舉一些建筑火災現(xiàn)象，啟發(fā)學生結(jié)合流體力學知識進行系統(tǒng)闡述，做到舉一反三。

2.3 豐富流體力學實踐教學環(huán)節(jié)

流體力學實踐環(huán)節(jié)是強化理論學習的重要途徑，協(xié)調(diào)處理好課程實踐的技術(shù)性、綜合性和探索性的關(guān)系，可有效培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)[13]。傳統(tǒng)以演示性為主的實驗已不能滿足學生強烈的求知要求，亟需改革實踐教學模式。建立了圍繞流體力學核心知識點的“必做+ 選做+ 自做” 多個實驗內(nèi)容，對必做、選做和自做部分提出不同要求，其中必做實驗為3 個：管路串并聯(lián)實驗、流動阻力測定實驗、離心泵特性測定實驗。目的是使學生對伯努利方程和管道流動等基礎(chǔ)理論知識有更深的學習，對必做實驗的要求是做精，要求每人必須實際操作，并進行三組數(shù)據(jù)記錄，結(jié)合課堂教學進行總結(jié)分析。選做實驗是離心泵串并聯(lián)實驗，目的是讓學生對離心泵特性和串并聯(lián)特性進行綜合實驗，實驗難度較大；對選做實驗的要求是做懂，能夠進行數(shù)據(jù)分析，此外還有雷諾實驗觀測層流與湍流轉(zhuǎn)化規(guī)律，專業(yè)相關(guān)的達西滲流實驗讓學生提前了解多孔介質(zhì)流體流動情況，可供學生選做，圖5 為豐富多樣的安全工程流體力學實踐教學內(nèi)容。

對自做實驗不做強制要求，鼓勵學生自主組隊開展自做實驗，人數(shù)以3 ～5 人為宜。自做實驗主要是學生結(jié)合學生課堂上所學，提出自己的實驗目的和方法，與教師討論實驗可行性后，由教師主導實驗進程。學生為主體制定實驗方案、組建實驗平臺、操作實驗過程、分析記錄實驗數(shù)據(jù)、歸納提煉實驗結(jié)論。如引導學生對尼古拉茲實驗進行分析，自己制定試驗變量，確定測試方案，繪制曲線，并對其中的“層流區(qū)、臨界區(qū)、光滑管湍流區(qū)、過渡區(qū)、粗糙管湍流區(qū)”五大標志區(qū)段進行分析。對于部分有前沿思考性學生，引導學生根據(jù)科研選題或教師前沿性課題，開展相關(guān)自主實驗，或由授課教師提供一些探索性課題，以豐富多樣的形式提高學生的實踐創(chuàng)新能力；如結(jié)合礦用大流量高倍泡沫滅火背景，開展以氣液兩相混合流動為基礎(chǔ)的阻力特性研究。

圖5 安全工程流體力學實踐教學內(nèi)容

局限于實驗室條件，許多經(jīng)典的流體力學實驗難易開展，借助于模擬仿真方法可以近似重現(xiàn)流體流動全過程，并可對關(guān)鍵節(jié)點區(qū)域進行選擇性分析研究，強化對理論授課抽象概念、方程及現(xiàn)象的理解[14]。為更好提高學生實踐與創(chuàng)新能力，引導學生開展虛擬仿真實驗，利用Gambit，Icem，CAD 等軟件進行所需流體幾何建模。借助流體力學軟件Fluent，CFX 和Phoenix 進行數(shù)值解算[15]，進行數(shù)圖分析及制作Flash 視頻等，使學生更為深刻地理解和掌握流體力學理論知識，也為將來從事科研打下基礎(chǔ)。圖6 為學生結(jié)合流體力學管道流動中的卡門渦街進行的自主研究，首先利用Gambit 建立圓管中圓柱體擾流模型，然后導入Fluent 設(shè)置邊界條件及選定模型；借助數(shù)據(jù)云圖觀測經(jīng)過圓管中圓柱體擾流過程中形成的壓力、流速、湍流強度等變化規(guī)律，獲取實驗室無法完成的測定工作。并通過與教師進行深入探討，進行關(guān)鍵區(qū)域(如球體縱向、橫向、前端、尾部)的數(shù)據(jù)挖掘，對球形擾流現(xiàn)象及本質(zhì)問題有了更深入的探索，這對學生將來從事流體力學科研工作也有較強的促進作用。

圖6 借助數(shù)值模擬軟件對流體力學進行挖掘分析

3 實施效果

工程流體力學是中國礦業(yè)大學(北京)“雙一流學科”安全工程和消防工程的基礎(chǔ)必修課，作者自2017年以來一直采用創(chuàng)新實踐教學模式講授該門課程，共計授課550 人次，開展流體力學實驗2000 余次，取得了顯著的教學效果。學生普遍反映該門課程相對于傳統(tǒng)的工程力學和熱力學等基礎(chǔ)力學課程，授課內(nèi)容與生活或?qū)I(yè)課程交集較多，更易接受，課程中的難點和重點脈絡(luò)清晰，學生不會形成片面孤立記憶。良好的流體力學知識也為學生將來學習專業(yè)課程打下了堅實的基礎(chǔ)，未來很多走向科研和工作崗位的同學，也對該門課程中講授的三大方程、管道流動、孔口出流等流體知識記憶深刻。

學生通過創(chuàng)新教學獲得了靈活運用安全工程流體力學解決工程問題的能力，如作者作為指導教師的課題作品“急傾斜煤層高倍泡沫滅火工藝模型”，通過讓學生深入學習流體力學中管中流動及多孔介質(zhì)的滲流規(guī)律，拓展非牛頓泡沫流體的本構(gòu)方程。自主構(gòu)建多孔采空區(qū)泡沫灌注實驗平臺，將所學知識與安全工程專業(yè)中的礦山防滅火進行結(jié)合，解決了困擾急傾斜煤層防滅火的技術(shù)難題，該成果也獲得了第五屆全國安全科學與工程類專業(yè)大學生實踐與創(chuàng)新作品大賽的二等獎。通過將工程流體力學與安全工程專業(yè)課程有機結(jié)合，學生綜合分析和創(chuàng)新能力都得到了大幅提高。參賽的安全工程專業(yè)5 人中有3 人獲得保研資格，1 人保送為清華大學直博生，1人保送為北京理工大學研究生，1 人保送本校碩士研究生，另外2 名低年級同學也通過本次實踐掌握了較為扎實的流體力學基礎(chǔ)知識，對即將開始學習安全工程專業(yè)課程《礦山安全工程》、《礦井火災防治》、《工業(yè)通風與除塵》等充滿了期待，取得了良好的育人效果。

4 結(jié)論

(1)確立了安全工程流體力學創(chuàng)新教學模式總體思路。提出了“流體知識寓日常，生活案例進課堂”的教學思路，梳理流體力學中的核心知識脈絡(luò)，創(chuàng)新流體力學理論教學模式，融合安全工程領(lǐng)域流體力學專業(yè)知識，將其標志性成就的流體知識點提煉講解，制定了“做精必做實驗，做懂選做實驗，做好自做實驗” 的原則，改革流體力學實踐教學方法。

(2)制定了安全工程流體力學教學實施方案。構(gòu)建了以流體靜力學和動力學為主軸的脈絡(luò)體系，使學生明確了流體力學學什么、怎么學，以日常流體力學小實例為載體，深入淺出地講授理論知識，讓學生有代入感和感知力，將看似孤立的理論方程穿插融合在一起，激勵學生主動求知的欲望，提高學生學習興趣。

(3)以學生對專業(yè)課濃厚的求知興趣為推手，延伸安全工程中的流體力學知識點，使學生能夠“走進去、走一走、走出來”，并啟發(fā)學生在共性知識上舉一反三。豐富流體力學實踐教學環(huán)節(jié)，建立了圍繞流體力學核心知識點的“必做+ 選做+ 自做” 多個實驗內(nèi)容，對必做、選做和自做部分提出不同要求，鼓勵學生結(jié)合科研選題和教師前沿性課題，自主組隊開展探索性自做實驗。