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摘要:“工程流体力学”作为环境工程学科的专业基础课,在本科生整个培养体系中起着举足轻重的作用,是一个很重要的教学环节,如何将该课程与其他相关课程进行有效地协调一直是该学科的热点和难点问题。本文结合笔者教学实际,深入剖析了这个问题,以期对“工程流体力学”课程的建设和环境工程本科专业的进一步发展起到抛砖引玉的作用。
关键词:工程流体力学;精品课程;环境工程原理;应用流体力学基础;环境工程
作者简介:齐旭东(1981-),男,河北唐山人,河北工业大学能源与环境工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:淡水资源的社会循环与安全保障技术;李志会(1981-),女,河北石家庄人,河北工业大学能源与环境工程学院,实验师,工学硕士,主要研究方向:工业催化与绿色化学。(天津 300401)
随着工业化的发展,环境污染和生态破坏已严重到必须全球共同关注的程度。当然,从土木工程、应用化学、微生物学、材料学、管理学等相关学科里衍生出来的新的交叉学科——环境科学与工程的发展速度也加快了,并在世界主要国家中均被确立为一级学科。该学科研究的“环境”主要限定在与人类社会密切相关的生物圈的环境污染控制和生态保护问题。而在生物圈范围内,水和空气是无处不在的,水和空气均属于流体范畴,工程流体力学对环境工程学科的影响范围之大、程度之深可见一斑。环境工程主要研究由于人类的生产生活而产生的污废水、废气、固体废弃物、物理性污染的控制和污染土壤修复等,以期不超过受纳生态系统的自净容量,从而实现人类社会和大自然的和谐共处。所有这些都是我们通过一系列物理、化学、生物等人工强化的措施来实现的,为了给这些措施提供良好的工作条件,需要建造相应的人工构筑物,构筑物内流体的流态直接影响反应效率,并且还需要管道或明渠等设施进行液态或气态污染物的传输,这些都离不开工程流体力学的帮助。可见,“工程流体力学”是环境工程学科很重要的一门专业基础课。而课程教学是本科生人才培养的基础,是教育部和各所高校倡导的教学质量与教学改革工程的基本单元和核心,其重要性不言而喻。
我国的精品课程建设是教育部启动的“高等学校教学质量与教学改革工程”中的一项重要内容,是贯彻教育部4号文件精神、从根本上提高教学质量进而提高人才培养质量的奠基性工程和重要举措,精品课程建设工程实施以来,有一大批优秀课程脱颖而出。[1]河北工业大学环境工程、热能工程、建筑环境与设备工程专业在共同建设“工程流体力学”校级精品课程的过程中,进行了多方位、深层次的探索,成果颇丰,在提高课程教学质量和加快相关学科培养体系的优化和发展方面效果显著。
一、传统的“工程流体力学”课程体系与其他课程的融合及适当变型的必要性
工程流体力学是一门基础性学科,对航空、航天、航海、水利、能源、机械、化工、土木、交通、环保、生物等众多学科的发展都有着直接影响,使得这门学科的内容十分丰富,甚至说已渗透到大部分工科学科。当然,工程流体力学与环境工程学科渊源也颇多,如加压管网的优化设计、两(三)相流体、气浮、漩涡、跌水能量计算等都对环境工程学科的发展产生巨大的推动作用。
接下来,笔者主要想谈谈开设“环境工程原理”的必要性以及将“工程流体力学”下篇(即应用流体力学基础)纳入到“环境工程原理”课程体系中的重要性。
环境工程学科是工科,属于工程范畴,不仅需要理科等基础课程的支持,还需要其他相关工科的辅助,从相关工科选取必要的基础知识组建“环境工程原理”课程势在必行。目前,包括我国在内的很多国家的高校在环境工程本科教育中都开设了这门课程,课程体系大概包括“流体力学基础”、“传热与传质基础”、“分离工程基础”、“反应工程基础”等,课程体系相对稳定。但在本科生工程流体力学教学中,已基本覆盖环境工程原理中流体力学基础的内容,而工程流体力学课程由于环境工程本科生培养体系的要求往往限定在64学时左右,所以应用流体力学基础的内容在工程流体力学课程的教学中很少涉及,[2]笔者建议可把“应用流体力学基础”纳入到“环境工程原理”课程体系中去,这样可能对优化环境工程本科生的培养体系很有价值。诚然,课程建设的目标是提高教学质量,归根到底是提高培养学生的质量,而学生质量的衡量标准则是其综合素质和能力。就一门课程培养学生的综合素质及能力,这种提法显然有些过大,不太合适,只有依靠整个学科或专业的优势才可以有效培养学生的综合素质和能力。
二、应用流体力学基础整合到环境工程原理课程体系中的可行性分析
应用流体力学基础、传热与传质基础、分离工程基础、反应工程基础在组建“环境工程原理”课程体系时是否脉络清晰呢?对此我们可以做出肯定的回答。虽然应用流体力学基础与水利工程学科关系密切,但同时也是机械、动力、化工、土木等很多学科或专业的基础学科,同时,环境工程和化学工程就像原电池和电解池一样关系密切,所以应用流体力学基础的选材应该主要侧重环境工程、化学工程和土木工程中用到的水力学知识,这些知识与分离工程基础、反应工程基础衔接得非常恰当,因为这些知识在化学工程中都有着这样或那样的应用。
“工程流体力学”是环境工程与其他学科体系沟通的桥梁,这个桥梁作用是其他专业基础课或专业课无法替代的,直接影响到环境工程学科体系的完善性。环境工程学科或专业是一个交叉学科和新兴学科,与化工、生化、材料、土木等学科的联系甚多,从1985年我国筹建第一批环境工程本科专业至今,环境工程在自己学科体系的完善过程中取得了许多成就,但作为一个学科或专业的独立性较差,这是业内人士的共识,笔者认为和上述原因有直接关系。环境工程专业一线教师都很清楚,可以担负起此类作用的课程主要有“物理化学”、“有机化学”、“环境微生物学”、“工程流体力学”、“环境工程原理”等,而“有机化学”、“工程流体力学”和“环境工程原理”的课程内容较多,课时量不能过低,否则直接影响环境工程学科体系完善性的构建。“有机化学”在我国高等院校往往都由理学院或化工学院的有机化学专任教师担任,收到的教学效果甚为理想。而“工程流体力学”作为专业基础课,在授课过程中既应保持理科课程的特色,又要注意与土木和化工等其他工科的联系,“工程流体力学”上篇即“理论流体力学”基础,学时64左右即可,“工程流体力学”下篇即“应用流体力学”基础(包括孔口管嘴出流和有压管流、明渠流),与“理论流体力学基础”的联系并不是很强,笔者建议可以将其整合到“环境工程原理”的课程体系中来,并且将“环境工程原理”学时调整至80学时左右,分成应用流体力学基础、传热与传质基础、反应工程基础、分离工程基础四大块,前两块由一位教师负责,24学时左右,后两块由一位教师负责,56学时左右。笔者根据自己的教学实际,主要想谈谈“应用流体力学”基础这一块内容。
孔口管嘴出流和有压管流以及明渠流(又称为无压流)与环境工程学科息息相关,污废水、废气、固体废弃物治理中的流体输配和反应器组成部件是环保设备研制或设计的必要环节,并且可以架起与化工设备、土建构筑物、水力枢纽等沟通的桥梁。值得注意的是,应用流体力学基础从学科体系上讲,属于工程流体力学,不应偏离这个宗旨,故而,我们应该在课程讲述过程中侧重应用流体力学基本理论,在相关知识点处引出一些化工设备、土建构筑物、水力枢纽等的专属名词即可。
笔者根据实际教学经验,在仔细研究孔口管嘴出流和有压管流以及明渠流两章内容的基础上,简单总结一下涉及到的水力学典型部件,这些知识为优良反应器或构筑物的设计、调试、稳定运行提供了支撑作用,具体包括孔口出流、管嘴出流、简单短管的水力计算、简单长管的水力计算、串联管道的恒定有压流、并联管道的恒定有压流、沿程均匀泄流管道中的恒定有压流、管网水力计算基础、有压管道的水击、明渠均匀流、明渠运动状态、水跃和水跌、棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析、堰流。[2,3]
三、结语
课程建设的目的一方面是提高培养学生的质量,而另一方面是对教师的教学方法进行提炼、升华和交流。笔者建议在“应用流体力学基础”的教学过程中应多采用启发式教学法。“应用流体力学基础”的前期课程是“理论力学”、“材料力学”、“工程流体力学”(即“理论流体力学基础”),这些课程与应用流体力学基础有着千丝万缕的联系,因此,可从知识点回顾与对比中引出新概念。这都属于启发式教学法。[4]还有,该方法要求在课程开始时不仅要讲清学习这门课的意义,而且要在讲授每一部分内容之前使学生明确学习这部分内容的目的,明确它在整个课程中的地位。该方法强调知识领会的过程,而不仅仅是获取知识的最终结果,所以对于工科学生思维能力的培养效果显著,各位同行在教学过程中值得借鉴参考。
这样,通过强化“物理化学”、“有机化学”、“环境微生物学”、“工程流体力学”、“环境工程原理”等骨干课程的基础性和桥梁性作用,不仅可以使环境工程本科生的理论功底更扎实,而且可以拓宽学生在相关专业领域的知识面,并且可以根据各所高校的实际情况将一些选修课删掉,而多开设一些人文社科哲学特色的校级选修课。我们相信,这样的努力必将对我国环境工程本科教育的继续前进产生重要的推动作用。
参考文献:
[1]徐文娟,赵存友,侯清泉.“工程流体力学”精品课程创新人才培养模式设计与实践[J].高教论坛,2009,(2):50-52,32.
[2]闻德荪,李兆年,黄正华.工程流体力学(水力学)(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]伍悦滨,王芳.工程流体力学(水力学)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[4]陈峥滢,陈仲培.“工程流体力学”教学中培养学生能力的尝试[J].机械工业高教研究,1995,(4):74-75.
(责任编辑:郝魁府)
关键词:工程流体力学;精品课程;环境工程原理;应用流体力学基础;环境工程
作者简介:齐旭东(1981-),男,河北唐山人,河北工业大学能源与环境工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:淡水资源的社会循环与安全保障技术;李志会(1981-),女,河北石家庄人,河北工业大学能源与环境工程学院,实验师,工学硕士,主要研究方向:工业催化与绿色化学。(天津 300401)
随着工业化的发展,环境污染和生态破坏已严重到必须全球共同关注的程度。当然,从土木工程、应用化学、微生物学、材料学、管理学等相关学科里衍生出来的新的交叉学科——环境科学与工程的发展速度也加快了,并在世界主要国家中均被确立为一级学科。该学科研究的“环境”主要限定在与人类社会密切相关的生物圈的环境污染控制和生态保护问题。而在生物圈范围内,水和空气是无处不在的,水和空气均属于流体范畴,工程流体力学对环境工程学科的影响范围之大、程度之深可见一斑。环境工程主要研究由于人类的生产生活而产生的污废水、废气、固体废弃物、物理性污染的控制和污染土壤修复等,以期不超过受纳生态系统的自净容量,从而实现人类社会和大自然的和谐共处。所有这些都是我们通过一系列物理、化学、生物等人工强化的措施来实现的,为了给这些措施提供良好的工作条件,需要建造相应的人工构筑物,构筑物内流体的流态直接影响反应效率,并且还需要管道或明渠等设施进行液态或气态污染物的传输,这些都离不开工程流体力学的帮助。可见,“工程流体力学”是环境工程学科很重要的一门专业基础课。而课程教学是本科生人才培养的基础,是教育部和各所高校倡导的教学质量与教学改革工程的基本单元和核心,其重要性不言而喻。
我国的精品课程建设是教育部启动的“高等学校教学质量与教学改革工程”中的一项重要内容,是贯彻教育部4号文件精神、从根本上提高教学质量进而提高人才培养质量的奠基性工程和重要举措,精品课程建设工程实施以来,有一大批优秀课程脱颖而出。[1]河北工业大学环境工程、热能工程、建筑环境与设备工程专业在共同建设“工程流体力学”校级精品课程的过程中,进行了多方位、深层次的探索,成果颇丰,在提高课程教学质量和加快相关学科培养体系的优化和发展方面效果显著。
一、传统的“工程流体力学”课程体系与其他课程的融合及适当变型的必要性
工程流体力学是一门基础性学科,对航空、航天、航海、水利、能源、机械、化工、土木、交通、环保、生物等众多学科的发展都有着直接影响,使得这门学科的内容十分丰富,甚至说已渗透到大部分工科学科。当然,工程流体力学与环境工程学科渊源也颇多,如加压管网的优化设计、两(三)相流体、气浮、漩涡、跌水能量计算等都对环境工程学科的发展产生巨大的推动作用。
接下来,笔者主要想谈谈开设“环境工程原理”的必要性以及将“工程流体力学”下篇(即应用流体力学基础)纳入到“环境工程原理”课程体系中的重要性。
环境工程学科是工科,属于工程范畴,不仅需要理科等基础课程的支持,还需要其他相关工科的辅助,从相关工科选取必要的基础知识组建“环境工程原理”课程势在必行。目前,包括我国在内的很多国家的高校在环境工程本科教育中都开设了这门课程,课程体系大概包括“流体力学基础”、“传热与传质基础”、“分离工程基础”、“反应工程基础”等,课程体系相对稳定。但在本科生工程流体力学教学中,已基本覆盖环境工程原理中流体力学基础的内容,而工程流体力学课程由于环境工程本科生培养体系的要求往往限定在64学时左右,所以应用流体力学基础的内容在工程流体力学课程的教学中很少涉及,[2]笔者建议可把“应用流体力学基础”纳入到“环境工程原理”课程体系中去,这样可能对优化环境工程本科生的培养体系很有价值。诚然,课程建设的目标是提高教学质量,归根到底是提高培养学生的质量,而学生质量的衡量标准则是其综合素质和能力。就一门课程培养学生的综合素质及能力,这种提法显然有些过大,不太合适,只有依靠整个学科或专业的优势才可以有效培养学生的综合素质和能力。
二、应用流体力学基础整合到环境工程原理课程体系中的可行性分析
应用流体力学基础、传热与传质基础、分离工程基础、反应工程基础在组建“环境工程原理”课程体系时是否脉络清晰呢?对此我们可以做出肯定的回答。虽然应用流体力学基础与水利工程学科关系密切,但同时也是机械、动力、化工、土木等很多学科或专业的基础学科,同时,环境工程和化学工程就像原电池和电解池一样关系密切,所以应用流体力学基础的选材应该主要侧重环境工程、化学工程和土木工程中用到的水力学知识,这些知识与分离工程基础、反应工程基础衔接得非常恰当,因为这些知识在化学工程中都有着这样或那样的应用。
“工程流体力学”是环境工程与其他学科体系沟通的桥梁,这个桥梁作用是其他专业基础课或专业课无法替代的,直接影响到环境工程学科体系的完善性。环境工程学科或专业是一个交叉学科和新兴学科,与化工、生化、材料、土木等学科的联系甚多,从1985年我国筹建第一批环境工程本科专业至今,环境工程在自己学科体系的完善过程中取得了许多成就,但作为一个学科或专业的独立性较差,这是业内人士的共识,笔者认为和上述原因有直接关系。环境工程专业一线教师都很清楚,可以担负起此类作用的课程主要有“物理化学”、“有机化学”、“环境微生物学”、“工程流体力学”、“环境工程原理”等,而“有机化学”、“工程流体力学”和“环境工程原理”的课程内容较多,课时量不能过低,否则直接影响环境工程学科体系完善性的构建。“有机化学”在我国高等院校往往都由理学院或化工学院的有机化学专任教师担任,收到的教学效果甚为理想。而“工程流体力学”作为专业基础课,在授课过程中既应保持理科课程的特色,又要注意与土木和化工等其他工科的联系,“工程流体力学”上篇即“理论流体力学”基础,学时64左右即可,“工程流体力学”下篇即“应用流体力学”基础(包括孔口管嘴出流和有压管流、明渠流),与“理论流体力学基础”的联系并不是很强,笔者建议可以将其整合到“环境工程原理”的课程体系中来,并且将“环境工程原理”学时调整至80学时左右,分成应用流体力学基础、传热与传质基础、反应工程基础、分离工程基础四大块,前两块由一位教师负责,24学时左右,后两块由一位教师负责,56学时左右。笔者根据自己的教学实际,主要想谈谈“应用流体力学”基础这一块内容。
孔口管嘴出流和有压管流以及明渠流(又称为无压流)与环境工程学科息息相关,污废水、废气、固体废弃物治理中的流体输配和反应器组成部件是环保设备研制或设计的必要环节,并且可以架起与化工设备、土建构筑物、水力枢纽等沟通的桥梁。值得注意的是,应用流体力学基础从学科体系上讲,属于工程流体力学,不应偏离这个宗旨,故而,我们应该在课程讲述过程中侧重应用流体力学基本理论,在相关知识点处引出一些化工设备、土建构筑物、水力枢纽等的专属名词即可。
笔者根据实际教学经验,在仔细研究孔口管嘴出流和有压管流以及明渠流两章内容的基础上,简单总结一下涉及到的水力学典型部件,这些知识为优良反应器或构筑物的设计、调试、稳定运行提供了支撑作用,具体包括孔口出流、管嘴出流、简单短管的水力计算、简单长管的水力计算、串联管道的恒定有压流、并联管道的恒定有压流、沿程均匀泄流管道中的恒定有压流、管网水力计算基础、有压管道的水击、明渠均匀流、明渠运动状态、水跃和水跌、棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析、堰流。[2,3]
三、结语
课程建设的目的一方面是提高培养学生的质量,而另一方面是对教师的教学方法进行提炼、升华和交流。笔者建议在“应用流体力学基础”的教学过程中应多采用启发式教学法。“应用流体力学基础”的前期课程是“理论力学”、“材料力学”、“工程流体力学”(即“理论流体力学基础”),这些课程与应用流体力学基础有着千丝万缕的联系,因此,可从知识点回顾与对比中引出新概念。这都属于启发式教学法。[4]还有,该方法要求在课程开始时不仅要讲清学习这门课的意义,而且要在讲授每一部分内容之前使学生明确学习这部分内容的目的,明确它在整个课程中的地位。该方法强调知识领会的过程,而不仅仅是获取知识的最终结果,所以对于工科学生思维能力的培养效果显著,各位同行在教学过程中值得借鉴参考。
这样,通过强化“物理化学”、“有机化学”、“环境微生物学”、“工程流体力学”、“环境工程原理”等骨干课程的基础性和桥梁性作用,不仅可以使环境工程本科生的理论功底更扎实,而且可以拓宽学生在相关专业领域的知识面,并且可以根据各所高校的实际情况将一些选修课删掉,而多开设一些人文社科哲学特色的校级选修课。我们相信,这样的努力必将对我国环境工程本科教育的继续前进产生重要的推动作用。
参考文献:
[1]徐文娟,赵存友,侯清泉.“工程流体力学”精品课程创新人才培养模式设计与实践[J].高教论坛,2009,(2):50-52,32.
[2]闻德荪,李兆年,黄正华.工程流体力学(水力学)(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]伍悦滨,王芳.工程流体力学(水力学)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[4]陈峥滢,陈仲培.“工程流体力学”教学中培养学生能力的尝试[J].机械工业高教研究,1995,(4):74-75.
(责任编辑:郝魁府)