陳羽 王毅剛 張智明

［摘 要］ 高校新工科建設(shè)是應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)。面對(duì)我國(guó)雙碳目標(biāo)和智能電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與人才匱乏之間的矛盾日益突出，兼顧理論與實(shí)踐的新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系亟須建立。以同濟(jì)大學(xué)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)本科生“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程為載體，結(jié)合課程大綱重點(diǎn)和難點(diǎn)，探索了研討式、虛擬式、案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)物式等多種形式結(jié)合的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］新工科；車(chē)輛工程；流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度同濟(jì)大學(xué)第十六期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目“流體力學(xué)中壁面剪切應(yīng)力及車(chē)輛流動(dòng)分離虛擬教學(xué)系統(tǒng)”（1700104200）

［作者簡(jiǎn)介］ 陳 羽（1986—），男，山西太原人，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)聲學(xué)研究；王毅剛（1964—），男，陜西西安人，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要從事風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)與氣動(dòng)聲學(xué)研究；張智明（1979—），男，遼寧遼陽(yáng)人，博士，同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院講師，主要從事新能源汽車(chē)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-02

引言

高校新工科建設(shè)是主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)。為貫徹落實(shí)國(guó)家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念，2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)［1］。為此，世界各國(guó)的高等教育機(jī)構(gòu)均大力進(jìn)行智能汽車(chē)新工科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)［2］。在車(chē)輛工程領(lǐng)域，已建立了一些車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、智能交通、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)課程和教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)［3］。

面對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)變革，我國(guó)智能電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展近年來(lái)進(jìn)入快車(chē)道，出現(xiàn)了新的技術(shù)特點(diǎn)。首先，純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程焦慮是業(yè)界的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，氣動(dòng)阻力消耗的能量在電動(dòng)汽車(chē)總能耗占據(jù)的比重更高；其次，電動(dòng)汽車(chē)取消了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等動(dòng)力裝置，動(dòng)力系統(tǒng)噪聲掩蔽效應(yīng)顯著下降，氣動(dòng)噪聲凸顯；再次，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電源和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作溫度相比內(nèi)燃機(jī)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且熱源更加分散，對(duì)環(huán)境溫度的變化更加敏感，動(dòng)力系統(tǒng)的流體熱管理要求更高。解決上述問(wèn)題，需要具備扎實(shí)的流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力。因此，培養(yǎng)主動(dòng)應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)變革的科學(xué)技術(shù)人才和工程師隊(duì)伍，對(duì)“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程教學(xué)提出了更高的要求。

本文充分利用同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院、上海市地面交通工具空氣動(dòng)力學(xué)與熱環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已有的教學(xué)、科研成果，在“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索，以期形成車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)最佳實(shí)踐。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革目標(biāo)

（一）課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”是一門(mén)理論性、實(shí)踐性較強(qiáng)的基礎(chǔ)性學(xué)科，是車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的核心基礎(chǔ)課程之一，在課程體系中具有重要地位。該課程屬于理論課程體系，經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，已形成一套成熟的理論授課體系。以流體力學(xué)部分為例，在流體基本屬性、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、相似原理與量綱分析、無(wú)粘流動(dòng)和粘性流動(dòng)等教學(xué)過(guò)程中，基本概念、基本理論主要以方程推導(dǎo)和概念講述為主（如牛頓內(nèi)摩擦定律、湍流雷諾應(yīng)力、邊界層動(dòng)量積分方程），基本方法講授還停留在傳統(tǒng)的工程應(yīng)用問(wèn)題上（如翼型的曲面流動(dòng)分離）。

結(jié)合近三年本科教學(xué)評(píng)價(jià)意見(jiàn)，以及與本科生課后交流，學(xué)生普遍反饋：（1）相比于其他經(jīng)典力學(xué)課程，“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”內(nèi)容抽象，概念性強(qiáng)，課程從頭到尾以偏微分方程推導(dǎo)為主，公式多且繁雜；（2）希望經(jīng)典理論能更好結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用前沿，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。因此，在新工科和行業(yè)快速發(fā)展的背景下，構(gòu)建與工程應(yīng)用相銜接的基本概念、基本理論教學(xué)方法、積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新，以此培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，成為“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程改革的重要任務(wù)。

（二）基于新工科背景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)定義，是指實(shí)踐性教學(xué)的一種組織形式。學(xué)生利用儀器設(shè)備，在人為控制條件下，引起實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變化，通過(guò)觀察、測(cè)定和分析，獲得知識(shí)與發(fā)展能力。在基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課中廣泛應(yīng)用，其目的不僅驗(yàn)證書(shū)本知識(shí)，更著重于培養(yǎng)學(xué)生正確使用儀器設(shè)備，能夠進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整、分析、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等能力［4］。但隨著科技和行業(yè)的快速發(fā)展，前沿性流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在高成本、高消耗，以及有的實(shí)驗(yàn)還需要單獨(dú)進(jìn)行安全培訓(xùn)后才可操作等問(wèn)題，如流體力學(xué)中粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)驗(yàn)，很大程度上限制了本科生學(xué)習(xí)的深度和興趣。

在推進(jìn)新工科建設(shè)、組織和實(shí)施時(shí)，新型工程教育信息化的探索與實(shí)踐是其中的重點(diǎn)。近年來(lái)，出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)在線(xiàn)開(kāi)放課程、基于虛擬仿真等技術(shù)的工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)［5］、創(chuàng)新“互聯(lián)網(wǎng)+”工程教育教學(xué)方法等一批教育信息化成果。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化探索與實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法與流程、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容仍是重點(diǎn)?；诮逃畔⒒浞绞椒椒梢远鄻踊?，但需要重視以下幾點(diǎn)：（1）在滿(mǎn)足教學(xué)大綱要求的基礎(chǔ)上［6］，為本科教學(xué)而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；（2）工程教育信息化在于提高工程教育效率和教學(xué)效果，但不能取代教師的作用，而是需要對(duì)教師作用重新定位，使之更精準(zhǔn)、更高效；（3）在工程教育信息化的同時(shí)，要注意處理好學(xué)生共性培養(yǎng)與個(gè)性化需求的關(guān)系［7］。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索思路及改革

在明確教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的基礎(chǔ)上，梳理大綱中的概念難點(diǎn)和應(yīng)用重點(diǎn)。采用研討式、虛擬式、實(shí)驗(yàn)案例式、實(shí)物實(shí)驗(yàn)參觀式等多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”中的基本概念、基本理論和基本方法進(jìn)行講授與互動(dòng)。以下分別舉例說(shuō)明該教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。

（一）實(shí)驗(yàn)方法研討式教學(xué)

《流體的基本屬性》章節(jié)中，重點(diǎn)是流體的粘性。對(duì)于液體的粘性，部分教材中有案例說(shuō)明其測(cè)量方法，但對(duì)于氣體的粘性，并未給出測(cè)量方法。物質(zhì)基本屬性的測(cè)量，通常伴隨著科學(xué)理論和技術(shù)的進(jìn)步，比如光速、聲速的測(cè)量。針對(duì)氣體粘性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法。采用研討式教學(xué)，學(xué)習(xí)不局限于書(shū)本知識(shí)，而是要接近學(xué)術(shù)前沿，目的是啟發(fā)學(xué)生思考，有自己獨(dú)特的見(jiàn)解。

在課后學(xué)習(xí)時(shí)，請(qǐng)學(xué)生針對(duì)氣體、混合氣體的粘性測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)案例，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置、實(shí)驗(yàn)流程，分析該實(shí)驗(yàn)方案下氣體粘性測(cè)量的精度、儀器設(shè)備成本。在課堂上以報(bào)告、師生研討式教學(xué)進(jìn)行開(kāi)展，要重視教師在前沿技術(shù)方面的綜述及評(píng)價(jià)作用，如圖1所示。

（二）實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)

《相似原理與量綱分析》章節(jié)中，重點(diǎn)之一是決定性相似準(zhǔn)則數(shù)、自模化性和穩(wěn)定性在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的作用，難點(diǎn)之一是決定性相似準(zhǔn)則是基于大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律。需要給學(xué)生介紹實(shí)例，并做到理論聯(lián)系實(shí)踐、知識(shí)結(jié)構(gòu)邏輯由淺入深、及時(shí)與學(xué)生討論和反饋的方法開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。

對(duì)于有壓流動(dòng)，決定性相似準(zhǔn)則為雷諾數(shù)。流動(dòng)分層流、過(guò)渡和湍流三種狀態(tài)，由臨界雷諾數(shù)決定。當(dāng)大于臨界雷諾數(shù)時(shí)，湍流狀態(tài)的速度分布不隨雷諾數(shù)增加而變化，這時(shí)的流動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)?；癄顟B(tài)。當(dāng)實(shí)物與模型都處于同一種自?；瘏^(qū)，模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)可不必與在實(shí)物的雷諾數(shù)相等。同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心有很好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，給出MIRA汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)模型、我國(guó)CRH3高速列車(chē)等基礎(chǔ)形體和工業(yè)產(chǎn)品的氣動(dòng)阻力自模化特性，圖2展示為MIRA汽車(chē)標(biāo)模實(shí)驗(yàn)案例。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《粘性流體力學(xué)》章節(jié)中，重點(diǎn)內(nèi)容有平板剪切應(yīng)力、層流平板邊界層、湍流平板邊界層和流動(dòng)分離。難點(diǎn)在于平板邊界層摩擦力由邊界層動(dòng)量積分方程得到，公式繁雜，流動(dòng)分離概念主要講述必要條件和現(xiàn)象，且兩個(gè)基本概念都缺少與工程問(wèn)題結(jié)合。考慮到實(shí)際風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的高成本，需要安全培訓(xùn)等限制因素，可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，講授平板壁面摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和流動(dòng)分離實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)的油膜法測(cè)量壁面摩擦系數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)包含：（1）牛頓內(nèi)摩擦力及雷諾應(yīng)力定義；（2）油膜法測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理；（3）油膜法測(cè)量壁面剪切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其中（3）又包含平板模型實(shí)驗(yàn)對(duì)象、光學(xué)儀器及油膜準(zhǔn)備、測(cè)試4步流程。粒子圖像測(cè)速儀（PIV）測(cè)量車(chē)輛流動(dòng)分離虛擬實(shí)驗(yàn)，包含（1）流動(dòng)分離現(xiàn)象及定義；（2）粒子圖像測(cè)速儀測(cè)量原理；（3）PIV測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)。其中（3）又包含車(chē)型及風(fēng)洞、粒子圖像測(cè)速儀布置、測(cè)試4步流程。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮便于理解和流程清晰，教師在課堂上講授，除基本內(nèi)容外，還重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的難點(diǎn)（如實(shí)驗(yàn)標(biāo)定），圖3為油膜法測(cè)量壁面摩擦系數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)。

（四）實(shí)物實(shí)驗(yàn)參觀

在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)生已對(duì)“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”課程產(chǎn)生了興趣，并反饋想進(jìn)一步了解實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以及參與部分工作的意愿。引導(dǎo)學(xué)生參觀實(shí)物實(shí)驗(yàn)、直觀感受風(fēng)洞，通過(guò)教師現(xiàn)場(chǎng)講解和相關(guān)實(shí)驗(yàn)演示，使學(xué)生了解汽車(chē)風(fēng)洞，掌握空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試方法等基礎(chǔ)知識(shí)。之后結(jié)合當(dāng)前科學(xué)和工程問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目工作。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)研討式、虛擬式、案例式、實(shí)物實(shí)驗(yàn)參觀式等多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，對(duì)“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”的基本概念、基本理論和基本方法有了更深刻和直觀的認(rèn)識(shí)；減輕了獨(dú)自面對(duì)繁雜公式、難題的挫折感；激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中勇于面對(duì)新的挑戰(zhàn)。

引導(dǎo)本科生積極參與科學(xué)研究與實(shí)踐活動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，個(gè)性化的研討和交流會(huì)促進(jìn)師生之間科研火花的碰撞。在2020—2021學(xué)年里，學(xué)生積極申報(bào)并獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目資助，并發(fā)表研究論文1篇。

結(jié)語(yǔ)

“流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)”是車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是上海市教委重點(diǎn)建設(shè)的課程之一。通過(guò)研討式、虛擬式、案例式、實(shí)物實(shí)驗(yàn)參觀式等多種形式結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和融會(huì)貫通。通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，獲得較好的教學(xué)效果。

（課題組成員：李辰悅、鄧世越、郭軼）

參考文獻(xiàn)

［1］教育部高等教育司.關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知：教高司函〔2017〕6號(hào)［A/OL］.（2017-02-20）［2022-06-23］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

［2］劉秀清，剛憲約，王玉瓊．“新工科”背景下車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系改革［J］．教育現(xiàn)代化，2019，6（96）：5-7+10．

［3］朱冰，趙健，高振海，等.智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021，40（6）：172-175.

［4］顧明遠(yuǎn).教育大辭典［M］.上海：上海教育出版社，1998.

［5］張智明，張娟楠，李昌昊，等.關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車(chē)《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》課程中應(yīng)用的探討［J］.教育教學(xué)論壇，2017（10）：265-267.

［6］李平，毛昌杰，徐進(jìn).開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

［7］林健.深入扎實(shí)推進(jìn)新工科建設(shè)：新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的組織和實(shí)施［J］.高等工程教育研究，2017（5）：24-37．

Abstract： The construction of “new engineering disciplines “ in universities is a strategic action in response to a new round of scientific and technological revolution and industrial transformation. In the face of Chinas carbon goals and key technical indicators such as the driving range of intelligent electric vehicles， the contradiction between the rapid development of industry and the shortage of talents has become increasingly prominent. It is urgent to establish a practical teaching system for the cultivation of new engineering talents that considers both theory and practice. Taking the course of “Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission” for the undergraduates majoring in vehicle engineering in Tongji University as the carrier， combined with the key points and difficulties of the curriculum outline， this paper explores the experimental teaching methods of courses in the combination of discussion type experimental teaching， virtual experimental teaching， case experimental teaching， physical experiment and other forms， so as to achieve the cultivation of students professional quality and innovative thinking.