化工類課程中流體力學(xué)所體現(xiàn)的課程思政及“邊界層分離”教學(xué)創(chuàng)新

莫文龍，任鐵真，高歌，劉曉玲，馬空軍，黃雪莉

(新疆大學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引言

2017年9月24日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化教育體制機制改革的意見》，指出“要建立以學(xué)生發(fā)展為本的新型教學(xué)關(guān)系。改進教學(xué)方式和學(xué)習方式，變革教學(xué)組織形式，創(chuàng)新教學(xué)手段”[1]。足以看出，高等學(xué)校應(yīng)以科學(xué)發(fā)展觀、現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，社會需求和學(xué)生就業(yè)為導(dǎo)向，更新教育理念；堅持知識、能力及素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展；以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標，突出和加強學(xué)生的基本實踐技能，提高大學(xué)生的學(xué)習能力及創(chuàng)新能力和實踐能力[2-3]。基于此，作者結(jié)合化工傳遞過程、化工原理和化工工藝學(xué)課程的基礎(chǔ)知識，在指導(dǎo)學(xué)生實習和撰寫畢業(yè)論文過程中，分析講解重要化工設(shè)備的原理、功能與注意事項，提高學(xué)生對工程實際裝置的興趣，營造良好的求知氛圍[4-5]。經(jīng)近幾年對化工傳遞過程、化工原理等課程教學(xué)內(nèi)容的理解，關(guān)于該課程流體力學(xué)部分“邊界層的分離”知識點也形成了些許看法。

1 流體力學(xué)相關(guān)課程在化工類專業(yè)中的地位

化工類專業(yè)課程中，與流體力學(xué)相關(guān)的主要有化工傳遞過程和化工原理課程。其中，化工傳遞過程課程是化工原理、化工工藝學(xué)、化工設(shè)計、化工過程與分析等化工類課程的基礎(chǔ)課，是化工類專業(yè)的專業(yè)理論核心課，注重從理論深度揭示各單元操作過程和設(shè)備的基本原理。該課程結(jié)合特定的單元操作過程和設(shè)備深入研究動量、熱量和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象，并歸結(jié)為速率問題進行綜合探討，同時研究和歸納3類傳遞現(xiàn)象基本理論之間存在的類似性。作為化學(xué)工程與技術(shù)等過程學(xué)科本科生、碩士生的必修課程，一直以來都是解決化學(xué)過程工業(yè)實際問題的基礎(chǔ)。同時，對石油化工、冶金工程、高分子化工、生物工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的研究人員，此課程也具有較高的學(xué)習和參考價值。

化工原理課程是化工類專業(yè)核心課程群中最為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁，主要講授化工生產(chǎn)過程中各單元操作的基本概念和基本原理。擬通過本課程教學(xué)，循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生逐漸學(xué)會用馬克思辯證唯物主義的哲學(xué)觀認知、學(xué)習、領(lǐng)會和掌握化工生產(chǎn)過程中各單元操作的基本概念、基本理論，掌握典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)及設(shè)計計算、操作、選型的基本步驟及方法，掌握研究工程實際問題的方法與技能，使學(xué)生逐漸建立工程概念，形成工程思維，具有工程頭腦，形成工程觀念。

上述兩門課程均講述流體力學(xué)的基本知識，涉及流體流動、流體輸送機械、液體的攪拌、流體通過顆粒層的流動、顆粒的沉降和流態(tài)化等，是后續(xù)學(xué)習傳熱、蒸發(fā)、氣體吸收、液體精餾、氣液傳質(zhì)設(shè)備、液液萃取、熱質(zhì)同時傳遞過程、固體干燥等的基礎(chǔ)[6]。其中，流體流動部分“流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”中“邊界層及邊界層脫體”小節(jié)關(guān)于“邊界層的分離”是相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須掌握的一個重要知識點。教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映邊界層分離的內(nèi)容比較深奧，附圖較為晦澀難懂，特別是關(guān)于逆壓強梯度的敘述，大部分學(xué)生無法通過圖示聯(lián)系原理進行理解。作者受教學(xué)過程中融入課程思政之科創(chuàng)精神啟發(fā)，根據(jù)自己的理解與分析，將附圖略加修改，結(jié)合理想流體的機械能守恒方程—伯努利方程，就“邊界層的分離”談一點自己的認識。

2 流體力學(xué)中體現(xiàn)的課程思政

作者經(jīng)近幾年的教學(xué)實施，挖掘出關(guān)于流體力學(xué)的系列課程思政點，其中的4個典型案例如表1所示。

表1 流體力學(xué)中體現(xiàn)的課程思政典型案例

2.1 政治認同之文化自信—理想與現(xiàn)實的較量

從理想流體機械能守恒方程和實際流體機械能守恒方程，引申“理想與現(xiàn)實的較量”，進而通過對比引出中國傳統(tǒng)文化中關(guān)乎理想與現(xiàn)實的古詩詞經(jīng)典詩句，如“咬定青山不放松，立根原在破巖中”“老驥伏櫪，志在千里。烈士暮年，壯心不已”“大鵬一日同風起，扶搖直上九萬里”等，凸顯中華優(yōu)秀古典詩詞的現(xiàn)實意義，提升學(xué)生對我國傳統(tǒng)詩詞的文化自信。此外，由理論與實踐的辯證關(guān)系，通過連續(xù)性假定分析流動流體的質(zhì)量守恒，得出理想流體與實際流體的機械能守恒方程，找出二者的區(qū)別和聯(lián)系，引申辯證統(tǒng)一的馬克思主義哲學(xué)觀點。

2.2 家國情懷之國家重大工程—蛟龍?zhí)?/h3>

基于流體靜力學(xué)方程，引申深海潛水器所受的壓力，其值隨著下潛深度的增加直線上升。相關(guān)技術(shù)既是對設(shè)備本身抗壓能力的考驗，更是深海環(huán)境各項操作與運行面臨的巨大挑戰(zhàn)。進而引出我國的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的開發(fā)過程。2002年，中國科技部將深海載人潛水器研制列為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)重大專項，啟動“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器的自行設(shè)計、自主集成研制工作。2009年至2012年，接連取得1 000米級、3 000米級、5 000米級和7 000米級海試成功。2012年6月，在馬里亞納海溝下潛7 062米，創(chuàng)造了中國載人深潛紀錄，這也是也是世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀錄。介紹具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)研究工作，增強學(xué)生的國家自豪感和民族自信心。

2.3 職業(yè)操守之老一輩化工專家及教育家的精神—顧毓珍

流體力學(xué)中含有許多較為經(jīng)典的經(jīng)驗公式，其中關(guān)于摩擦系數(shù)λ(或f)與直管雷諾數(shù)和相對粗糙度之間的方程就比較多。通過學(xué)習摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，引申我國著名化工學(xué)者—華東理工大學(xué)顧毓珍先生的故事。顧毓珍先生早年在美國MIT深入研究上述函數(shù)關(guān)系，得到著名的顧毓珍公式1932年顧先生獲博士學(xué)位，1933年學(xué)成后回國報效國家。顧先生的回國體現(xiàn)了愛國主義、理想信念和科學(xué)家精神。由此，給學(xué)生進一步深化，家是最小國，國是最大家；科學(xué)無國界，但科學(xué)家有國籍；作為中國人首先要有一顆“中國人的心”。

2.4 科創(chuàng)精神與愛國情懷—新疆坎兒井

通過常見的關(guān)于過濾的生活實例，如豆?jié){、咖啡的獲取過程，泥水的過濾處理等，引出我國古代的三大工程之一—新疆坎兒井(另外兩大工程為長城、京杭大運河)。告知學(xué)生，新疆坎兒井為高山融雪通過地表層過濾，首先進入“暗渠”，而后引到“明渠”供生產(chǎn)生活使用。新疆坎兒井早在《史記》中便有記載，時稱“井渠”，是荒漠地區(qū)的特殊灌溉系統(tǒng)，普遍存在于我國新疆吐魯番地區(qū)，為解決當?shù)氐纳a(chǎn)生活用水提供了極大便利，更體現(xiàn)了古代我國西部地區(qū)勞動人民的勤勞和智慧。清末鴉片戰(zhàn)爭后林則徐被貶新疆，大力推廣坎兒井在當?shù)乇蛔u為佳話。通過學(xué)習本節(jié)課內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生面對問題，要有不畏艱難險阻、迎難而上的精神，更要有先輩那種為了中華復(fù)興而不顧個人得失，腳踏實地建設(shè)祖國邊陲的愛國情懷。

3 科創(chuàng)精神之“邊界層分離”附圖優(yōu)化與分析

3.1 原文和附圖及學(xué)生比較困惑的地方

3.1.1 原文和附圖

圖1所示是流體對一圓柱體的繞流，因上下對稱，圖中只畫出上半部分。

圖1 流體對圓柱體的繞流(一般性原圖)

流體對圓柱體的繞流一般性的描述為：均速流體繞過圓柱體時，A點處速度為零，來流的動能全部轉(zhuǎn)化成壓強能，該處壓強最大。當流體自A點附近向兩側(cè)流去時，因圓柱體側(cè)表面的阻滯作用，形成了邊界層。流體自點A附近流至點B附近，即流經(jīng)圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小，點B附近壓強變小，在流動方向上的壓強梯度為負(或稱順壓強梯度)。當流體流過B點以后，流道逐漸擴大，壓強變大，邊界層內(nèi)流體處于減速加壓過程。此時，在剪應(yīng)力消耗動能和逆壓強梯度的雙重阻礙作用下，壁面附近的流體速度迅速下降，最終在C點附近流速降為零。離壁稍遠的流體質(zhì)點因具有較大的速度和動能，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零。將流體中速度為零的各點連成一線，如圖中C-C’線所示，該線與邊界層上緣之間的區(qū)域即成為脫離了物體的邊界層。這一現(xiàn)象稱為邊界層的分離或脫體[6]。

3.1.2 學(xué)生比較困惑的地方

(1)關(guān)于“當流體自A點附近向兩側(cè)流去時……”，“兩側(cè)”在圖中并未顯示出來，直觀標示的是向右上方流去，因此“兩側(cè)”的說法不易理解。

(2)關(guān)于“流體自點A附近流至點B附近，即流經(jīng)圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小……”“流道”具體在哪里？很多學(xué)生誤以為邊界層界限與圓柱體之間的區(qū)域即為流道。這樣一來，流體自點A流至點B附近，這個“區(qū)域”是逐漸增大的，與“流道逐漸縮小”不符。

(3)關(guān)于“離壁稍遠的流體質(zhì)點因具有較大的速度和動能，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零”。①“離壁稍遠”，到底在哪里？②流體質(zhì)點具有“速度”亦即具有“動能”，兩者是一回事，為何要寫成“和”的關(guān)系？

(4)上述分析未直接聯(lián)系機械能守恒方程，即伯努利方程進行說明，給學(xué)生的印象是與前述學(xué)習的內(nèi)容關(guān)聯(lián)度不大。實際上，可通過寫出伯努利方程，根據(jù)改進后的附圖，對圖中各段及邊界層的分離進行更為清晰的分析。

3.2 修改后的附圖及描述

基于“3.1.2學(xué)生比較困惑的地方”，作者在原圖基礎(chǔ)上，對附圖進行了修改。結(jié)合伯努利方程和原文，針對“邊界層的分離”，給出了自己的理解。

3.2.1 修改后的附圖

在流體對圓柱體的繞流原圖基礎(chǔ)上，進行了2處修改，如圖2所示。其一，增加了流道區(qū)域的大致范圍，從中可明顯看出流道從大到小，再從小到大的變化趨勢；其二，拓寬了流體可能流通的區(qū)域，見圖2中虛線部分。

圖2 流體對圓柱體的繞流(修改后)

3.2.2 理論依據(jù)

“邊界層的分離”理論依據(jù)主要有2個。其一，不可壓縮流體在管道中作定態(tài)流動時的質(zhì)量守恒方程，如公式(1)：

式中：u1、u2分別為截面1處和截面2處流體的平均流速(m2/s)；A1、A2分別為截面1處和截面2處流體的流通截面積(m2)。

其二，流體的機械能守恒方程，該方程的表達式：

式中：gz1、p1/ρ和u12/2分別為截面1處流體所具有的位能、靜壓能和動能(J/kg)；gz2、p2/ρ和u22/2分別為截面2處流體所具有的位能、靜壓能和動能(J/kg)；hf為截面1到截面2流體的機械能損失(J/kg)。

僅作理論分析，圖1和圖2均忽略位能的影響，且不計機械能損失，則公式(2)轉(zhuǎn)化為公式(3)：

據(jù)此，可分析“邊界層的分離”現(xiàn)象。

3.3 修改后的分析與描述

圖2所示是流體對一圓柱體的繞流，因上下對稱，圖中只畫出上半部分。

流體對圓柱體的繞流修改后描述為：均速流體繞過圓柱體時，A點處速度為零，來流的動能全部轉(zhuǎn)化成壓強能，該處壓強最大。當流體自A點附近向右上方及兩側(cè)(解惑1)流去時，因圓柱體側(cè)的阻滯作用，形成了邊界層。流體自點A附近流至點B附近，即流經(jīng)圓柱體前半部分時，流道逐漸縮小(如圖，已標示出流道，解惑2)，流通截面積降低，流速增加(公式(1))，根據(jù)公式3，點B附近壓強變小，在流動方向上的壓強梯度為負(或稱順壓強梯度)。當流體流過B點以后，流道逐漸擴大，流通截面積增加，流速減小(公式(1))，同樣由公式(3)可知，壓強變大，邊界層內(nèi)流體處于減速加壓過程。此時，在剪應(yīng)力消耗動能和逆壓強梯度的雙重阻礙作用下，壁面附近的流體速度迅速下降，最終在C點附近流速降為零。離壁稍遠(如C點右前方)(解惑3)的流體質(zhì)點因具有較大的速度(刪除“和動能”3字，解惑3)，故可流過較長的途徑至C’點速度也降為零。將流體中速度為零的各點連成一線，如圖中C-C’線所示，該線與邊界層上緣之間的區(qū)域即成為脫離了物體的邊界層。這一現(xiàn)象稱為邊界層的分離或脫體。

4 結(jié)語

化工傳遞過程、化工原理等課程是化工類專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，對專業(yè)素養(yǎng)的提升具有舉足輕重的作用，相關(guān)理論及實際運用涉及面廣，專業(yè)性強，也具有一定難度。作者結(jié)合專業(yè)課融入課程思政的教學(xué)體會，從科創(chuàng)精神角度就“邊界層分離”知識點中學(xué)生的疑惑進行了一些思考，通過對原圖進行局部修改，對分析描述進行細微增減，以期更有利于學(xué)生結(jié)合所學(xué)基礎(chǔ)理論，聯(lián)系實際分析和理解邊界層的分離現(xiàn)象。