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天博综合克罗地亚app:陕西省学位与研究生教育学会研究生教育成果奖申报

发布日期:2023-05-23点击量:

逻辑求源、交叉创新——基于知识树的流体力学本硕博课程体系的探索与实践


完成人:崔:、陈力、张志政、周宇、黄明华



1. 主要解决的研究生教育实践问题;

流体力学系列课程是传统土木类专业的核心基础课,贯穿于土木类人才培养的--全流程,特别是在以气环境、水环境研究为主的土建类高校,覆盖了绝大部分研究生科研选题的知识基。ㄍ1)。但与航空航天、能源动力类高校不同,土建类的流体力学问题特征在于低速、跨尺度、不稳定性、复杂场景,因此,不能简单参考其他专业的流体力学课程体系,需要建立具有土木类人才培养特色的课程体系,尤其在新工科的背景下,亟需面对医工交叉、智能土木等时代背景下的课程体系塑造问题。


图1、以环境领域为例的流体力学多学科交叉问题

目前存在的主要问题如下:

(1)  新工科学科交叉背景下,缺乏适用于土木类学科--培养的系统、高效的流体力学知识树。

我们将流体力学的知识树定义为三个层次:数理基础、思维方式、创新逻辑。要求在本科阶段重基。妒拷锥吻克嘉,博士阶段求创新。在--贯通的人才培养模式下,一方面,需要理顺三个阶段教学内容的有序衔接,打造高效的教学体系;另一方面,需要与新工科学科交叉背景结合,突出各阶段的培养特点,合理重塑各阶段的教学逻辑。我们知道,学科交叉不能离开基础学科的支撑,所以,在强调学科交叉的同时,尤其需要强化数理基础的学习。同时,学科交叉不是无源之水,为学科交叉而交叉,反倒会适得其反,所创造出来的大量碎片化的无效知识将使原有知识体系更加凌乱。因此,定义一个学科的知识体系的演进,即知识树,具有重要的意义,可以以清晰的视角界定该学科的科学问题,概括出科学问题的主要特征和本质属性,进而利用知识演进的规律清楚地选题,这样的学科交叉创新就会与既有科研方向有效地融合,实现扎实创新。

(2)新工科学科交叉背景下,缺乏与流体力学知识树相适应的多样化教学模式。

研究生阶段所欠缺的并不是扩展相关知识技能的学习能力,而是缺乏从跨学科的视角去思考问题的科学方法论,需要通过多样化的教学模式去帮助他们建立。传统工科学生通常在所熟悉的专业领域从事以技术研究为主的问题,很少有机会从跨学科的视角去思考科学方法论的问题,难以形成底层逻辑思维能力和创新意识。一旦进入新工科或跨学科领域,跳出了原有学科框架,在转换视角或从多重视角去审视新问题时,思路上极有可能会出现差异、矛盾和冲突,容易失去创新的原动力。流体力学是实践学科交叉融合的有效平台课程,需要我们去建立多样化教学模式,引导研究生不断跨界,让他们有办法、有能力、有信心开展的创新。

(3)新工科学科交叉背景下,缺乏与流体力学知识树相匹配的丰富的教学资源与案例库。

传统工科教育以教材-教师为中心,存在教学资源与案例库滞后于社会需求的问题。而世界正处在新一轮科技革命和产业变革加速进行时期,新工科是我国高等工程教育在新科技革命、新产业革命和新经济背景下工程教育改革的重大战略与部署。在土木领域,当下涌现了人工智能+计算流体力学、医工交叉的环境流体力学、防疫通风、微纳尺度流体力学、极端建筑内的流体力学等新方向。需要教师紧跟最新的科研成果,打造丰富的教学资源与案例库,从具体化的科研实践案例中培养学生创新能力和知识整合能力。

鉴于此,教学团队将针对流体力学--系列课程体系(图2)进行重新整合,构建系统、高效的知识树体系(图3),建设丰富的教学资源与案例库,通过多样化的教学模式实践,提高研究生融合创新的能力。


图2、土木类流体力学“本-硕-博”一体化的教学体系


图3 本、硕、博三阶段流体力学“知识树”结构


2. 解决实践问题的方法;

本成果解决上述实践问题的指导思想可概括为是逻辑求源、交叉创新。首先,将数理逻辑的渗透到本科、硕士阶段的流体力学课程环节,使学生了解既有知识体系的形成的内在逻辑;其次,在厚基础的前提下,了解掌握创造新知识的方法论,再通过有效的学科交叉活动科研的,并力求避免碎片化的无效创新,增强研究生进行学科交叉的意愿,培养独立开展科研创新的素质。

第一,持续强化基本概念的学习,构建贯通的知识树体系,掌握知识创新的内在逻辑

1)巩固本科教学的基础地位,打通研究生课程间的壁垒,整合教学内容,提高研究生课程教学效率,制定出各门课程间有机衔接的研究生课程教学大纲。

2)构建流体力学系列课程的完备知识树的体系,梳理知识的内在逻辑,在教学实践中开展有侧重的教学活动。

3)选择经典著作(如阿瑟.爱丁顿的《物理科学的哲学》)、经典问题(湍流——经典物理的最后一个疑题),梳理流体力学系列课程中的数理哲学概念与内容,拓展研究生的逻辑思辨空间。

第二,虚拟与现实结合的实验教学模式、课内与课外结合的课程教学模式、知识与能力结合的课程考核模式

1一方面,继续强化实验教学,与实验室教辅人员合作,开展自制实体实验设备的研制工作,建立新型的流体力学管流综合实验平台;另一方面扩展虚拟仿真教学,完成虚拟仿真项目两项,改善流体(水、空气)运动不可见、难想象的困难,营造可视化、可感知的流体力学虚拟与现实结合的实验教学模式。

2)采用参与式教学法,一方面立足经典的流体力学教材,保障课堂教学的高质量;另外,引导学生课外主动学习,阅读Annual Review of Fluid Mechanics等顶尖期刊综述文章,深入探讨医工交叉、智能+流体力学、微纳尺度流体、生物流体力学等最新科研方向选题。

3)通过优化过程考核,构建知识与能力结合的考评体系。逐渐减小试卷考核的占比(50%~60%),引入CFD计算、小论文撰写、课堂分组讨论等形式,提高过程考核的占比40%~50%。

第三,扩充基础教学资源,构建丰富的学科交叉案例库

1)构建线上、线下的课程资源,打造线上交流互动平台,制作教学视频与微课,着力提高线上平台的利用率。详细建设内容参见附件中线上教学资源数据。

2首先,构建经典与时代特色并重的土木工程领域丰富的案例库(如自然对流、涡环、射流等经典问题,太阳能、相变储能、管廊等具有时代特色的问题);其次,选取最新学科交叉领域的案例,如智能+流体力学(例如基于机器学习的机械风频谱特性调整的可行性分析)、 医工交叉(例如房水在眼球中的流动模拟、人工晶状体孔尺寸对眼内流体动力学的影响)、微纳尺度流体(例如气泡驱动的微机器人数值模拟)、生物流体力学(例如蒲公英散播力学机制的数值模拟)等领域。基于丰富的案例分析,剖析新知识生成的哲学思想。案例总数83个,详细建设内容参见附件中案例清单。

3)结合教师科研活动,引导学生积极参与其中,以实际科研问题构建身边的案例库(例如西安咸阳机场疫情溯源研究、西宁机场东指廊典型区域夏季室内环境模拟、人体呼吸过程中呼气射流的模拟、高原环境下弥散供氧的数值模拟、电除尘器内的电场流场耦合模拟等)。

3. 创新点;

(1)知识体系创新:通过知识体系的创新,建立了具有鲜明土建类特色的流体力学课程体系,紧扣土木类流体流动问题的特征进行讲授,又与当下新研究热点充分的结合。

(2)教学模式创新:作为重要的专业基础课,流体力学在不同时期都紧跟教学改革的步伐,进行了完整的课程建设,教学模式丰富,是我校较早的校级和省级精品课程。近年来,已建立起线上、线下融合型的--贯通教学模式。特别地,流体力学作为经典的力学课程,团队依托课程本身深厚的底蕴,引入大量知名科学家,如钱学森、周培源、陆士嘉等,在该领域所做的贡献,为学生讲授了丰富的科学史及课程思政内容。

(3)教学资源创新:继续充实已有的线下教学资源,并开发了线上及虚拟仿真实验等的教学资源。建立了自编教材、配套电子教案、虚拟仿真实验平台、实体实验设备改造升级、线上课程及其教辅资源相结合的立体化教学资源体系。特别地,提出了科研成果→CFD模拟教学资源科教融通的创新教育方案。例如,在研究生教学中,介绍了2022年课题组开展的防疫通风流体流动问题,是建立在有关西安咸阳机场病毒溯源及疫情防控的最新研究基础之上的,强化了科研成果与专业热点问题的关联。

4. 推广应用成果及贡献。

(1)创建了系统的流体力学--贯通的一体化教学体系,教学效果得到本、硕、博学生的广泛认可。

本成果是涵盖了本科流体力学、高等流体力学(硕)、高等流体力学(博)、应用流体力学、湍流、两相流体力学、环境流体力学、计算流体力学的完整系列课程,已在我校本科教学中全面实施,校内直接受益本科学生包括土木类、环境类、资源与采矿类等专业,每年约800人;硕、博贯通流体力学系列课程面向土木与水利工程类研究生,每年受益研究生超过600人次。

本成果构建的--一体化知识体系与教学模式深受广大学生喜爱,教学成效显著。流体力学已被评为校级精品课(2007年度)、陕西省省级精品课(2012年度)。团队教师3人次获得植物医生、优秀主讲教师等荣誉称号,获得线上教学优秀教案、优秀教学教案二等奖等教学奖励。成果实施期内教学团队承担各类教学质量工程项目6项、发表教学研究论文5篇。

本成果将对土木类院校的研究生流体力学系列课程--一体化教学改革具有借鉴意义与示范作用。

(2)教材建设具有较高的推广价值。

《流体力学》教材由科学出版社出版,被评为天博综合克罗地亚app校级优秀教材。使用该教材的国内高校包括大连海事大学、西安科技大学等,该教材目前已经过再版,印刷14次,发行约2.05万册,在国内同类教材中具有较大影响。在教材使用范围逐渐扩大的同时,与教材配套的电子教案与教辅资源同样得到国内多所高校的认可与借鉴。

(3)教学资源建设成效显著,对土木类公共基础课程线上资源建设具有示范和引领作用。

线上资源建设中上传教学视频147个,课件、影像视频等173个,总时长2265分钟,测验习题库813题,以及大量课外文献、国内外经典教材等教学资源。线上课程访问量超过426万余次,选课人数达2694人,累计互动2907次。线上课程教学效果得到校内外学生的广泛认可。学生线上评价教师讲解透彻、内容层层递进,容易接受等。

(4)结合教师科研项目,建设虚拟仿真实验项目;

结合课程内容与特点,融合多学科专业,建立了流体力学虚拟仿真实验项目。自建了:

基于 Web 实时 CFD 技术的流体力学虚拟仿真项目,其基于网页的高效计算流体力学能力为本科及研究生提供了即时的数值仿真手段,摆脱了大型商业软件在课堂教学的不足。

建立的“PM2.5肺部吸入过程虚拟仿真项目,将现实的疫情问题、防疫通风技术与课堂教学紧密结合,为研究生提供了认识这一复杂问题的直观平台。

(5)依托课程的深厚底蕴,紧扣时代精神,开展卓有成效的课程思政创新:

流体力学是经典的力学课程,团队依托流体力学课程本身深厚的底蕴,引入诸多国内知名科学家,如钱学森、周培源、陆士嘉等,介绍他们在该领域所做的杰出贡献。此外,在课程中积极践行并宣传黄大年等时代楷模的先进事迹。这些都对学生提供了丰富生动、贴近现实的课程思政内容。流体力学(双语)(水工程概论)于获陕西省中外合作办学优秀课程思政示范项目。

(6) 依靠学科竞赛、鼓励学生创新,培养学生研究创新的质量;

将科研成果反哺教学,结合个性化培养,指导学生参加课外竞赛,以赛促教培养学生创新性、工程思维能力。2018-2022年所属学院本科及研究生获得国家及省部级奖项175次。在研究生科研产出方面,2018-2022年所属学院本科及研究生发表科研论文578篇,获得专利授权217项。





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