蔡偉華,李 倩,李浩然,孫建闖,王 悅,李洪偉,洪文鵬

(東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)

0 引言

2020年9月22日,我國提出了“2030碳達峰、2060碳中和”的重大戰(zhàn)略目標[1],積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和,必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力”[2],為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、人才培養(yǎng)提出了新要求。國家提出的雙碳戰(zhàn)略目標對高校能源動力類專業(yè)發(fā)展而言既是機遇,也是挑戰(zhàn),也對專業(yè)學生的培養(yǎng)提出了更高的要求。東北電力大學作為傳統(tǒng)電力能動類高校,培養(yǎng)了大批專業(yè)人才,更肩負了新時代能源轉(zhuǎn)型創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的重任。

“工程流體力學”課程在能源動力類專業(yè)學生培養(yǎng)體系中占據(jù)重要地位,是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。近年來,東北電力大學在“工程流體力學”課程的教學實踐中進行了大量探索,構(gòu)建了“基礎(chǔ)理論-專題內(nèi)容-工程應(yīng)用”三段式教學體系及“引入日常生活現(xiàn)象、引入工程實際案例和創(chuàng)新科研成果,課程知識‘點、線、面’相結(jié)合”四位一體的教學方法,實現(xiàn)了課堂理論教學與工程實踐操作的有機融合,提高了學生解決工程實際問題的能力,取得了良好效果,推動該課程入選國家級一流本科課程。

本研究在東北電力大學能動卓越班開展“流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課”課程,讓學生深入掌握理論,激發(fā)其學習興趣,培養(yǎng)其研究熱情,開發(fā)其創(chuàng)新意識與實踐能力,進一步推動應(yīng)用研究型人才的培養(yǎng)[3]。

1 流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課概況

“流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課”依托東北電力大學能源與動力工程學院流體力學創(chuàng)新團隊(國家級精品資源共享課主講團隊)及國家級實驗教學示范中心,是對傳統(tǒng)工程流體力學教學和實驗的重要補充。通過一些創(chuàng)新性實驗,使學生認識到理論聯(lián)系實際的重要性。課程充分利用學院科研資源,為學生提供優(yōu)質(zhì)的教學培養(yǎng)平臺,構(gòu)建“導而思,導而學”的教學模式,培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新意識。

課程授課對象為能動類專業(yè)卓越班大二、大三學生。課程實驗內(nèi)容設(shè)計方面,流動尺度從宏觀、介觀過渡到微觀,流動介質(zhì)由簡單流體(水、二氧化碳)過渡到復雜流體(粘彈性流體、納米流體)。開設(shè)7個創(chuàng)新性實驗:基于粒子圖像測試技術(shù)的二維速度場測量、粘彈性流體槽道湍流減阻、表界面張力測量、微尺度通道流動與換熱、多孔介質(zhì)內(nèi)Hele-Shaw Cell流動、界面光熱蒸發(fā)器熱濕平衡調(diào)控、液滴撞擊固體表面動力學行為。實驗內(nèi)容新穎,涵蓋學科研究與實際工程應(yīng)用領(lǐng)域的熱點問題,從簡單過渡到復雜,循序漸進,涉及知識面廣且深,實現(xiàn)了專業(yè)知識的交叉融合。

2 課程特色與創(chuàng)新點

流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課相對于傳統(tǒng)課程而言,針對的教學對象有較大差異,更注重于培養(yǎng)卓越人才。課程在流體力學傳統(tǒng)實驗課的基礎(chǔ)上進行了大量補充升級[3-4],從學科前沿問題中的多尺度流動問題出發(fā),與其他先修基礎(chǔ)課程交叉融通,在教學實踐過程中逐漸形成了以下特色與創(chuàng)新點:

1)教學內(nèi)容緊跟前沿。課程基于粘彈性流體動力學、電子器件微通道散熱、多孔界面光熱蒸發(fā)、微納超疏水防除冰、二氧化碳地質(zhì)封存等前沿技術(shù),闡述多尺度流體力學對能源動力工程師職業(yè)發(fā)展的重要作用。針對特定應(yīng)用場景的流體力學基礎(chǔ)問題,從單相到多相、從宏觀到微觀、從理想狀態(tài)到實際狀態(tài)、從基礎(chǔ)到實際應(yīng)用,依次闡述表觀現(xiàn)象、流動規(guī)律和發(fā)生機制,形成循序漸進、由淺入深的教學體系,突破傳統(tǒng)課程從發(fā)展歷程切入的思路,基于工程實際問題引導學生逐漸了解教學內(nèi)容,激發(fā)學生的學習熱情,使其不僅“學會”,而且“會學”。

2)教學方法創(chuàng)新多樣。課程重視學生在學習中的體驗感,以學生為中心設(shè)計多種教學方法。結(jié)合能源動力專業(yè)特點,建立多尺度流體力學“三引入”的實驗基礎(chǔ)教學內(nèi)容:引入項目案例、科研報告、思政元素。融入“導而學,導而思”的教學理念,鼓勵學生親自操作實驗,讓學生意識到自己是實驗的主導者,理解實驗每個環(huán)節(jié)的重要性。與學生實時交互,隨時解決學生疑惑,激發(fā)學生的課堂參與感和代入感。要求學生在掌握各項新興技術(shù)測試原理和方法的同時,提升新問題提出能力、新方案設(shè)計能力、新數(shù)據(jù)分析能力,引導學生創(chuàng)新解決問題的途徑,助力其成長為卓越工程師。

3)科研式的實驗思考題。融入科學研究理念,培養(yǎng)學生深層次思考的意識。思考意識是創(chuàng)新型人才的基本素養(yǎng),在思考中啟發(fā)學生加深對實驗中出現(xiàn)的重要問題的認識,進而理解學科前沿問題。例如,在液滴撞擊固體表面動力學行為實驗中,液滴撞擊親水、疏水及超疏水表面后,形態(tài)有何差異。液滴撞擊固體表面后,液滴的最大鋪展直徑、接觸時間、最大反彈高度與哪些因素有關(guān)。這些在機翼防冰、太陽能電池板除塵等領(lǐng)域提煉出的核心科學問題,可引導學生自由探索與思考。

4)全過程的教學評價體系。流體力學傳統(tǒng)實驗課對實驗教學目的的重視程度不夠,一般以簽到、實驗數(shù)據(jù)記錄及實驗報告為評定依據(jù),與專業(yè)基礎(chǔ)課甚至通識性基礎(chǔ)課的考核方式?jīng)]有本質(zhì)區(qū)別,評價方式過度倚重實驗報告。流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課采用授課教師指導、課題直接相關(guān)研究生一對一跟蹤的方式,對參加實驗的學生進行全過程記錄與隨時指導。采用授課過程提問(20%)、實驗過程追蹤(30%)、實驗結(jié)果分析(20%)、實驗報告評分(30%)“四位一體”的教學全過程綜合評價體系,全面考查評價學生的學習效果。隨著全過程教學評價體系的逐步完善,基本消除了傳統(tǒng)課程中平時成績與期末成績反差較大的情況,學生的學習效果明顯提升。

5)優(yōu)質(zhì)的師資隊伍。自2021年開設(shè)流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課以來,課題組把師資隊伍建設(shè)放在首位,通過賽課大賽擇優(yōu)篩選授課教師,考核過程只看實力不看資歷,準入門檻較高。賽課大賽包括對參賽教師說課水平、教學計劃、教學方案、教學過程、實驗水平等方面的考核,是考核擬上課教師綜合能力、選拔優(yōu)秀專業(yè)教師的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過3年的發(fā)展,課題組建設(shè)了一支以教育部青年長江學者計劃入選者為帶頭人,多名擁有著名學府留學經(jīng)歷的骨干教師為創(chuàng)新層,一批青年優(yōu)質(zhì)教師為人才梯隊的流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課教學團隊。

3 課程教學成效

開設(shè)流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課是對新教學模式和教學理念的創(chuàng)新性嘗試,著力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的卓越人才。因此,課程教學成效的考核尤為重要,主要考核學生是否從該課程中真正學到了知識、實踐能力是否有所提高、創(chuàng)新意識是否有所提升等。學生對課程教學質(zhì)量的評價和建議十分重要,以學術(shù)提升為方向、以學生意見為中心持續(xù)改進課程,為課程持續(xù)優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。

通過三輪實驗教學,選課人數(shù)達到82人。以調(diào)查問卷的形式開展教學質(zhì)量評價,共發(fā)放和回收問卷82份,回收率100%。課程教學質(zhì)量評價的具體指標詳見表1。

表1 流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課程教學質(zhì)量評價指標

問卷結(jié)果顯示,學生對該課程評價較高,96%的學生認為流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課達到了很好的教學效果,受益頗多,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①課程內(nèi)容新穎,具有很強的創(chuàng)新性,理論知識與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系。如基于粒子圖像測速技術(shù)的二維速度場測量,是歐拉法描述流體運動速度的體現(xiàn)。②對每個實驗的基本原理進行講解的同時,設(shè)置了具有創(chuàng)新性的思考問題,培養(yǎng)了學生分析解決問題的能力,鍛煉了學生的創(chuàng)新意識。③實驗內(nèi)容非常貼近工程應(yīng)用實際。如粘彈性流體槽道湍流減阻、二氧化碳在Hele-Shaw Cell中的流動,界面光熱蒸發(fā)器熱濕平衡調(diào)控等,教會了學生如何從實際工程應(yīng)用中提煉科學問題。④學生親自操作實驗儀器,切身體會實驗過程,掌握獲取與分析實驗數(shù)據(jù)的方法,培養(yǎng)自身科學研究的嚴謹性。如在微尺度通道流動與換熱實驗中如何獲得微通道內(nèi)流型、如何分析流動壓降的不穩(wěn)定性等。

4 結(jié)束語

在東北電力大學能源與動力工程學院流體力學創(chuàng)新團隊的努力下,兩年多的創(chuàng)新實驗教學取得了良好的教學效果,學生主動學習、主動思考和創(chuàng)新意識得到了提升,分析與解決問題的能力得到了鍛煉。未來課題組將繼續(xù)致力于優(yōu)化流體力學多尺度創(chuàng)新實驗課,根據(jù)科研平臺更新優(yōu)化教學內(nèi)容,修訂實驗指導用書,增加學生實踐與師生研討時間等。在國家雙碳戰(zhàn)略背景下,以該課程為契機,努力打造交叉性、創(chuàng)新性強的優(yōu)秀實驗課程,培養(yǎng)能源轉(zhuǎn)型亟需的卓越創(chuàng)新型人才。