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工程流体力学课程教学改革探索

摘要:“工程流体力学”是石油工程学科的专业基础课,其理论性较强,通常以课堂教学板书为主。在“互联网+”的今天,该课程的改革势在必行。作者将线上富媒体教学与线下课堂教学相结合,将理论教学与工程实践相结合,并适时恰当地引入计算流体动力学软件模拟流体流动规律,将专业认证思想和新工科理念贯穿于授课过程中,建设具有新时代、新内涵的“工程流体力学”课程。

关键词:工程流体力学;线上线下混合模式;富媒体教学;专业认证

“工程流体力学”是石油工程学科油气储运工程、石油工程、海洋石油工程专业的基础课程[1],其学科的应用价值愈来愈广泛,渗透性越来越强,与所有石油工程专业基础和专业学科之间都存在交叉,在学生知识能力培养和知识体系结构中起着承上启下的作用。该课程理论性较强且涉及实际复杂工程问题较少。传统的满堂灌式教学缺乏对学生能力的针对性培养,造成毕业后对复杂工程问题的分析能力欠缺,而在工程教育认证背景下,学生应在课程学习中逐渐具备分析复杂工程问题的能力,这对教师教学提出了更高的要求。针对这一问题,为满足石油学科各专业培养学生实践能力的需要,东北石油大学将理论基础和工程实际问题相结合,以培养高水平石油工程师为目标,完善优化工程流体力学的教学内容和授课方式[2-5]。“工程流体力学”是一门理论性较强的工程应用基础课程,主要教学目的是使学生掌握流体力学的基础知识,并能利用流体的流动规律解决石油工程等方面的实际工程问题。由于石油工程中流体流动类问题在实际工程中包含了微观、介观和宏观多个尺度,所以在教学内容把握上,教师要以宏观常识为基础,再切入介观和微观,以防学生只理解数学模型,而不懂如何应用。同时,在教学方式上,教师要采用线上线下混合式教学;重视基本理论与工程实践相结合,运用富媒体技术和手段,激发学生学习和创造的热情,进而优化教学效果,促进学生对流体力学专业知识的理解,为日后从事工程和科研工作打下坚实的基础。

一、线上线下混合式教学

随着“互联网+”的日益发展,现代社会已经进入信息化与数字化时代。对现代高等教育来说,目前传统教学模式中的教学理念、教学方式、教学手段、教学方法等都已经受到了严峻的挑战。线上资源主要以视频、音频、课件为主,资源丰富,对于某个问题可以多次反复学习,直到学会为止;学习之后有对应的章节测试,用于检测学习效果,针对性较强;另外学习不受时间、地点的限制,节省时间;同时锻炼了学生的自学、独立思考、分析问题、解决问题的能力。该课程于2019年年底在超星学习通平台已经建成慕课。该慕课共包含7章49个视频98个任务点,单个视频时长在5~15分钟之间,视频总时长超过400分钟,每个视频对应有章节测试,测试题型包括选择、判断和填空。2020年上半年东北石油大学充分利用超星学习通平台开展线上教学,并配合腾讯课堂开展直播教学。在课下,学生利用业余时间观看视频并进行课后测试,课上教师主要概括总结知识点,对于难点和重点着重讲解,并有针对性地做一些习题以巩固基本知识点,加深学生对基本理论和思想的理解,起到了答疑解惑的作用。但是线上学习通存在一些不足,比如:缺少教与学的互动(虽然线上学习有讨论环节,但是提问与回答不能保证同步,也不能保证所有学生参与进去);缺少实践性环节(动手亲自做实验需要线下实验课来弥补);线上信息量大,学生抓不住重点;缺少同学间的竞争等。这些问题在线下课堂教学中得到弥补。学生普遍反映线上教学和线下直播有机结合效果特别好。由于线上学习时间较长,所以需要调整课程成绩构成。经课题组商讨,总成绩构成如下:平时成绩占60%,期末试卷成绩占30%,实验成绩占10%。平时成绩构成:超星学习通观看视频时长占20%,超星学习通小节习题测验占10%,期中测验占20%,单元作业占20%,课程讨论占10%,其他表现占20%,按百分制计分。期末考试题型包括选择题、判断题、填空题和计算题,由超星学习通平台题库随机组卷,通过腾讯会议开展监考以完成期末测试。期末测试完成后,主观题由任课教师单独批阅,客观题由慕课平台自动批阅,这样做保证了批阅过程的准确性和时效性。线上学习与线下课堂相结合的混合式教学模式是当今高等教育发展的必然趋势。通过优秀教学资源的建设,达到建设优秀教师团队的目的,使教师能够逐步深入了解学生对于课程重点和难点的掌握情况,也使教师逐渐适应多样化、个性化的学习要求,逐步完善教学资源,满足众多不同专业学生的需求。

二、基本理论与工程实践相结合

理论就是用于指导实践、解决工程问题的,“工程流体力学”的理论在石油工程领域的应用是非常重要的。由于油气水从井底到井口、从井口进入到管线,不同集油流程流体的流型、流态,流体在管道中流动的流速、流量的计算,在联合站油水分离以及储油罐静压力和总压力的计算,外输管路水头损失的计算,泵站位置的确定等都少不了“工程流体力学”知识。所以教师在授课过程中,将“工程流体力学”理论与现场应用结合起来,让学生明白所学知识的重要性、针对性、关联性和应用性。比如:在讲解流体静力学时,利用静压和总压计算公式,计算井筒内井底压力,计算油气储罐壁面和底面压力用于储罐的强度校核,油气管道上阀门受力等工程实际问题。在讲解流体运动学时,主要分析流体在井筒内流动规律、管道内油水两相或者油气水多相流动形态和状态等,为管路设计中压降的计算奠定基础。对于流体动力学这块,主要以输油管道中的泵和流量计算为研究对象,结合伯努利方程和实际工况计算选泵功率和流量,为长输管路设计中泵站的选取提供依据。在讲解孔口和管嘴出流时,用于计算储罐泄漏时的瞬态和稳态流量、泄流放空时间等。另外,课程理论的讲解不仅要与工程实际结合,而且还要适当增加思政元素,例如当讲解水击现象时,可以以课程思政的方式介绍米勒德冷藏服务公司制冷系统水击导致液氨泄漏事故的原因及带来的危害,从而让学生提高安全、环保以及职业规范意识。在讲解流体力学发展史时,通过介绍达芬奇,使学生了解更多关于流体力学相关的趣闻,从更多的维度来重新认识达芬奇,激发学生的学习兴趣,使学生树立正确的世界观、人生观、价值观。另外,单纯讲解也不直观,有时难免枯燥、乏味,这就需要添加更多的富媒体在里面,使之生动具体,让学生容易理解,印象深刻。同时教学过程中,任课教师可以拿出几个实例,例如可通过设计开放性作业、调查报告等手段实现。让学生分组设计,设计形式和结果由学生课下分组讨论共同完成,课上由一名学生单独讲解,其他学生也可以补充说明,最后由教师作点评和拓展,这样不仅锻炼了学生的自学能力、语言表达能力,同时还活跃了课堂氛围,发挥了学生的主观能动性,加深了学生对知识点的掌握。

三、教学过程引入计算流体动力学软件

随着工程仿真软件的发展,许多流体力学问题更加直观、逼真地展现在我们面前,其视觉效果好,便于理解流动机理。教学中适时引入计算流体动力学软件,可以增强学生的学习兴趣,使其将注意力集中在课堂上,大大提高教学质量。“工程流体力学”课程本身概念多,而且内容抽象,公式推导复杂,学习起来较其他学科难。例如,讲解流线是描述流场流动方向的曲线,流体流经圆管突然扩大管、突然缩小管、弯管以及三通中流体流动流线的形状、疏密,画法等均可以通过Fluent软件模拟出来。卡门涡街也是Fluent模拟中具有代表性的一个,随着时间的变化,流体流经不同形状固体物时后面产生的涡在不断变化。同样流体在两个平行平板中的纯剪切流、泊谡叶流和库特流的流场也可以在Fluent软件中实现。从数学模型的建立、网格的划分、物性参数和边界条件的确定,再到最后数值计算,结果的后处理,操作简单,学生课下可以自己尝试,变换初始条件和边界条件,观察流场的变化规律,分析问题解决问题,让学生逐渐对流体流动产生兴趣,养成独立思考的好习惯。流体计算仿真软件不仅仅有Fluent软件,还有Comsol、polyflow、Xflow等,每一种软件有自身的优点和适用性,针对不同问题选用不同类型软件,例如polyflow软件适用于模拟粘弹性流体的流动。作为一线教师,本文给出了“工程流体力学”课程在石油工程专业教学过程中的几点建议。并针对不同的专业,对“工程流体力学”的教学内容进行适当调整,使学生在熟练掌握“工程流体力学”相关知识的基础上,掌握系统性思维等逻辑思维方法,掌握实验设计、工程推理、数学建模、工程经验提炼的技能与方法,应用“工程流体力学”的基本原理表达、识别和分析石油工程领域相关的复杂工程问题,同时培养学生认知实际油田工程中复杂的流体流动的工程问题,使他们具备分析问题、解决问题的能力,为学习后继课程和从事石油工程领域专业技术工作奠定基础。

四、结论

1.采用线上线下混合式教学,将学生课下自学与教师课上精讲相结合,锻炼学生自学能力和自我约束能力,真正体现以学生为中心,以产出为导向的工程教育认证理念。课程体系设置更为合理,教学的设计、内容的取舍、教学环境的安排及部署,每一部分都经过充分的考虑。2.将理论与实践相结合,将工程领域实际问题融入到日常的授课讲解过程中,让学生明白如何应用理论去指导实践,如何将理论与工程实践相结合,如何在实践中校正理论结果。3.线上和线下课程中多引入一些计算流体动力学软件模拟的内容,给学生视觉冲击,用科学的魅力吸引学生的注意力,激发学生的学习热情和兴趣。

参考文献:

[1]杨树人,汪志明,何光渝,等.工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,2006:1-162.

[2]谢翠丽,倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨[J].力学与实践,2013(3).

[3]张引弟,廖锐全,李元凤,等.《工程流体力学》课程考核方式的教学改革与实践[J].西南师范大学学报(自然科学版),2015(4).

[4]朱智莹.《工程流体力学》教学方法探讨[J].教育教学论坛,2017(2).

[5]赵玉新,刘伟.计算流体力学软件在流体力学专业教学中的作用[J].教育教学论坛,2016(11).

作者:刘丽丽 范家伟 孙启冀 单位:东北石油大学

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