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(xué) 能源與動力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

0 引言

2020年9月22日,我國提出了“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”的重大戰(zhàn)略目標(biāo)[1],積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)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(shí)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(biāo)對高校能源動力類專業(yè)發(fā)展而言既是機(jī)遇,也是挑戰(zhàn),也對專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求。東北電力大學(xué)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(fù)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(xué)”課程在能源動力類專業(yè)學(xué)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(xué)在“工程流體力學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)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(xué)體系及“引入日常生活現(xiàn)象、引入工程實(shí)際案例和創(chuàng)新科研成果,課程知識‘點(diǎn)、線、面’相結(jié)合”四位一體的教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了課堂理論教學(xué)與工程實(shí)踐操作的有機(jī)融合,提高了學(xué)生解決工程實(shí)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(xué)能動卓越班開展“流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課”課程,讓學(xué)生深入掌握理論,激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)其研究熱情,開發(fā)其創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力,進(jìn)一步推動應(yīng)用研究型人才的培養(yǎng)[3]。

1 流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課概況

“流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課”依托東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院流體力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(國家級精品資源共享課主講團(tuán)隊)及國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心,是對傳統(tǒng)工程流體力學(xué)教學(xué)和實(shí)驗的重要補(bǔ)充。通過一些創(chuàng)新性實(shí)驗,使學(xué)生認(rèn)識到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。課程充分利用學(xué)院科研資源,為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)培養(yǎng)平臺,構(gòu)建“導(dǎo)而思,導(dǎo)而學(xué)”的教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)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(xué)生。課程實(shí)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(fù)雜流體(粘彈性流體、納米流體)。開設(shè)7個創(chuàng)新性實(shí)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(xué)行為。實(shí)驗內(nèi)容新穎,涵蓋學(xué)科研究與實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題,從簡單過渡到復(fù)雜,循序漸進(jìn),涉及知識面廣且深,實(shí)現(xiàn)了專業(yè)知識的交叉融合。

2 課程特色與創(chuàng)新點(diǎn)

流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課相對于傳統(tǒng)課程而言,針對的教學(xué)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(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗課的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量補(bǔ)充升級[3-4],從學(xué)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(xué)實(shí)踐過程中逐漸形成了以下特色與創(chuàng)新點(diǎn):

1)教學(xué)內(nèi)容緊跟前沿。課程基于粘彈性流體動力學(xué)、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(xué)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(xué)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(shí)際狀態(tài)、從基礎(chǔ)到實(shí)際應(yīng)用,依次闡述表觀現(xiàn)象、流動規(guī)律和發(fā)生機(jī)制,形成循序漸進(jìn)、由淺入深的教學(xué)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(shí)際問題引導(dǎo)學(xué)生逐漸了解教學(xué)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,使其不僅“學(xué)會”,而且“會學(xué)”。

2)教學(xué)方法創(chuàng)新多樣。課程重視學(xué)生在學(xué)習(xí)中的體驗感,以學(xué)生為中心設(shè)計多種教學(xué)方法。結(jié)合能源動力專業(yè)特點(diǎn),建立多尺度流體力學(xué)“三引入”的實(shí)驗基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容:引入項目案例、科研報告、思政元素。融入“導(dǎo)而學(xué),導(dǎo)而思”的教學(xué)理念,鼓勵學(xué)生親自操作實(shí)驗,讓學(xué)生意識到自己是實(shí)驗的主導(dǎo)者,理解實(shí)驗每個環(huán)節(jié)的重要性。與學(xué)生實(shí)時交互,隨時解決學(xué)生疑惑,激發(fā)學(xué)生的課堂參與感和代入感。要求學(xué)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(dǎo)學(xué)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(shí)驗思考題。融入科學(xué)研究理念,培養(yǎng)學(xué)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(xué)生加深對實(shí)驗中出現(xiàn)的重要問題的認(rèn)識,進(jìn)而理解學(xué)科前沿問題。例如,在液滴撞擊固體表面動力學(xué)行為實(shí)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(jī)翼防冰、太陽能電池板除塵等領(lǐng)域提煉出的核心科學(xué)問題,可引導(dǎo)學(xué)生自由探索與思考。

4)全過程的教學(xué)評價體系。流體力學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗課對實(shí)驗教學(xué)目的的重視程度不夠,一般以簽到、實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄及實(shí)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(shí)驗報告。流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課采用授課教師指導(dǎo)、課題直接相關(guān)研究生一對一跟蹤的方式,對參加實(shí)驗的學(xué)生進(jìn)行全過程記錄與隨時指導(dǎo)。采用授課過程提問(20%)、實(shí)驗過程追蹤(30%)、實(shí)驗結(jié)果分析(20%)、實(shí)驗報告評分(30%)“四位一體”的教學(xué)全過程綜合評價體系,全面考查評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。隨著全過程教學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)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(shí)力不看資歷,準(zhǔn)入門檻較高。賽課大賽包括對參賽教師說課水平、教學(xué)計劃、教學(xué)方案、教學(xué)過程、實(shí)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(xué)者計劃入選者為帶頭人,多名擁有著名學(xué)府留學(xué)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(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課教學(xué)團(tuán)隊。

3 課程教學(xué)成效

開設(shè)流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課是對新教學(xué)模式和教學(xué)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(xué)成效的考核尤為重要,主要考核學(xué)生是否從該課程中真正學(xué)到了知識、實(shí)踐能力是否有所提高、創(chuàng)新意識是否有所提升等。學(xué)生對課程教學(xué)質(zhì)量的評價和建議十分重要,以學(xué)術(shù)提升為方向、以學(xué)生意見為中心持續(xù)改進(jìn)課程,為課程持續(xù)優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。

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

表1 流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課程教學(xué)質(zhì)量評價指標(biāo)

問卷結(jié)果顯示,學(xué)生對該課程評價較高,96%的學(xué)生認(rèn)為流體力學(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課達(dá)到了很好的教學(xué)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(qiáng)的創(chuàng)新性,理論知識與實(shí)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(yùn)動速度的體現(xiàn)。②對每個實(shí)驗的基本原理進(jìn)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(xué)生分析解決問題的能力,鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新意識。③實(shí)驗內(nèi)容非常貼近工程應(yīng)用實(shí)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(xué)生如何從實(shí)際工程應(yīng)用中提煉科學(xué)問題。④學(xué)生親自操作實(shí)驗儀器,切身體會實(shí)驗過程,掌握獲取與分析實(shí)驗數(shù)據(jù)的方法,培養(yǎng)自身科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。如在微尺度通道流動與換熱實(shí)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(xué)能源與動力工程學(xué)院流體力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊的努力下,兩年多的創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果,學(xué)生主動學(xué)習(xí)、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(xué)多尺度創(chuàng)新實(shí)驗課,根據(jù)科研平臺更新優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,修訂實(shí)驗指導(dǎo)用書,增加學(xué)生實(shí)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(jī),努力打造交叉性、創(chuàng)新性強(qiáng)的優(yōu)秀實(shí)驗課程,培養(yǎng)能源轉(zhuǎn)型亟需的卓越創(chuàng)新型人才。