工程流体力学课程思政的探索

孙泽　杨小波　许妍霞　刘程琳　宋兴福

[摘 要] 教育是民族振兴、社会进步的重要基石，而立德树人是教育的首要任务，课程思政是落实立德树人根本任务的战略举措。工程流体力学课程大部分是数字表达的定理、原理和公式，思想政治教育元素较少。但是如果仔细挖掘，会发现这些定理和公式的研究者都是艰苦奋斗、勇攀高峰的科学巨匠，他们就是典型的对学生进行思想政治教育的元素。在遵循课程教学规律和思想政治教育工作规律的前提下合理实施课堂思想政治教育，是帮助学生掌握事物发展规律，树立正确的世界观、人生观和价值观的必要途径。同时，结合国情，完全可以实现课程思政和课程内容的完美结合，做到课程思政润物细无声，潜移默化地教育学生，实现学生德智体美劳全面发展的培养目标。

[关键词] 工程流体力学;课程思政;资源循环科学与工程

[基金项目] 2019年度上海市教育委员会上海市重点课程建设“工程流体力学”

[作者简介] 孙 泽（1980—），男，内蒙古乌兰察布人，博士，华东理工大学资源与环境工程学院副教授，主要从事化工过程模拟与化工流体力学研究。

[中图分类号] G641 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）04-0123-04 [收稿日期] 2021-05-31

引言

孔子曰：“德若水之源，才若水之波;德若木之根，才若木之枝。”自古以來，修心立德都是历代先贤最看重的，他们将自身品德的修养放在首位，将修心立德放在教育的首位。教育兴则国家兴，教育强则国家强。教育的本质是培养人和塑造人，这是古今中外的共同认识，而立德树人是教育的根本任务，也是教育的初心和使命。习近平总书记指出，大学是立德树人、培养人才的地方，是青年人学习知识、增长才干、放飞梦想的地方。青年一代有理想、有本领、有担当，国家就有前途，民族就有希望。培养担当民族复兴大任的时代新人，是当前高校一切工作的出发点和落脚点，是新时代高等教育的战略任务。

习近平总书记强调，要把思想政治工作贯穿教育教学的全过程，这就明确要求不能只将思想政治教育全部放在思想政治理论课程，而是应该将其置于每一门课程，在每一门课程中落实立德树人任务，实现全方位育人。工科课程思政要有效发挥课堂育人的作用，坚持立德树人，把社会主义核心价值观融入教书育人全过程，将学科和课程内化为立德树人的重要资源，帮助学生树立正确的思想政治观念，养成科学的辩证唯物主义思想方法，提升专业素养与职业素养。

进入新时代，坚持中国特色社会主义教育发展道路，坚持社会主义办学方向，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，是教育工作者特别是高等教育工作者的根本任务，也是国家现阶段根本的需求。培养学生德智体美劳全面发展，其本质就是立德树人，这是教育事业发展必须始终牢牢抓住的根本。国无德不兴，人无德不立。育人之本，在于立德铸魂。立德树人首先要在坚定理想信念上下功夫，在厚植爱国主义情怀上下功夫，教育引导学生树立共产主义远大理想和中国特色社会主义共同理想，增强“四个自信”。“立德树人”是高校的灵魂和使命，它揭示了教育的本质，是对教育本质的最新认识。党的十八大把立德树人作为教育的根本任务，无疑是对教育如何培养人这一本质的新认识。立德树人也揭示了德育在人的全面发展中的突出地位，同时揭示了道德发展与人的全面发展的辩证关系，强调德性成长是人的全面发展的根本保障，体现了党对教育规律的深刻认识。

一、工科课程思政理念

华东理工大学资源循环科学与工程是国家级特色专业，类属化学工程与技术一级学科，是全国首批设置的10个资源循环科学与工程专业之一。2011年，经教育部、财政部批准，为第七批高等学校特色专业建设点;2015年，入选教育部首批“专业综合改革试点”项目;2016年，建成华东理工大学唯一国家级大学生省外实践教学基地;2018年，入选教育部首批“新工科”研究与实践项目;2019年，入选国家级一流本科专业建设。工程流体力学是资源循环科学与工程专业的核心课程之一，主要通过课程学习使学生获得工程流体力学的基本理论和技术方法，并能运用所学的方程和方法解决工程实际中有关流体力学的问题。

以前认为大学思想政治教育主要在思想政治课程中体现，在理工科课程中主要教授相关理工科的理论、原理和方法，没有深入挖掘课程中的思想政治元素[1]。实际上，理工科课程蕴含着丰富的思想政治素材，教师要结合讲授内容挖掘课程内容和课程思政的结合点，实现工科课程思政润物细无声，在潜移默化中达到立德树人的目的。同时，要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，工科课程教师要通过言传身教帮助学生树立正确的世界观、价值观、人生观。大学教师作为学生的领路人，其个人修养、道德品质在德育中显得极其重要。这就要求教师必须以身作则，以正确的思想启迪学生思考，以高尚的情操感染学生跟随，以优良的行为引导学生上进，在教育教学过程中时刻牢记自己所拥有的巨大的、潜移默化的教育力量，影响着学生成长。同时，要有理想信念、有道德情操、有扎实学识、有仁爱之心，要坚持教书和育人相统一，言传和身教相统一，潜心问道和关注社会相统一，学术自由和学术规范相统一，要做学生锤炼品格的引路人，做学生学习知识的引路人，做学生创新思维的引路人，做学生奉献祖国的引路人[2]。

二、课程内容和课程思政相结合

工程流体力学是资源循环科学与工程的核心课程，其逻辑思维性强，可以有效培养学生的思维能力，形成唯物主义辩证法思维。例如，量纲分析法是指导流体实验的理论基础，该方法可以将物理量之间复杂的函数关系式转换成无量纲准数，如雷诺数[3]。无量纲准数可以避开物理量大小及单位的限制，使其更能反映某种物理现象和过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，反映了各个物理量之间的内在联系。

流体力学包含大量公式和定理，是科学先驱们通过潜心研究和不懈奋斗总结出来的智慧结晶。在讲授科学原理的同时穿插介绍科学家的研究事迹和科学精神，教育学生在科学研究的过程中要有艰苦奋斗、不畏艰难永攀高峰的精神。例如讲授理想流体流动欧拉方程时，让学生了解经典流体力学奠基人、瑞士科学家欧拉，他在28岁因工作劳累右眼失明，34岁由于成就斐然出任柏林科学院院士，59岁在双目失明后仍然凭借顽强的毅力口述完成400篇论文。他的成果涉及数学、力学的各个领域，欧拉积分、欧拉数、欧拉方程均以他的名字命名[4]。

在课程讲授过程中，可结合流体发展史，培养学生的民族自豪感以及爱国主义情感。例如，4000多年前大禹治水，他率领民众改“堵”为“疏”治理中原地区的水患，体现出我国古代应用流体力学解决实际工程问题的智慧。其“三过家门而不入”的典故折射出古代先贤大公无私的奉献精神和敬业精神，值得学生学习[5]。还有公元前256年，李冰父子修建都江堰水利工程，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制水流量等问题，消除了岷江水患，不仅使成都平原成为“天府之国”“鱼米之乡”，而且都江堰是世界上仅存的、目前仍在发挥作用的无坝取水工程。在讲解湍流理论的时候，可以介绍我国著名科学家周培源，其主要贡献体现在爱因斯坦广义相对论中的引力论和流体力学中的湍流理论，奠定了湍流模式理论的基础[6]。周培源将其一生都奉献给了科学事业。他早生华发，50岁右耳失聪，但是没有被这些困难所吓倒，依然坚持湍流理论研究。89岁时，他的相对论、引力论研究有重大进展，91岁时他又招收了博士研究生，想在研究领域有新的突破。

另外，从教学内容上看，流体力学的大部分理论起源于西方社会，如纳维斯托克斯方程、牛顿内摩擦定律、欧拉方程、伯努利方程、普朗特边界层理论等，这些理论都来源于其背后科学伟人孜孜不倦、无关名利的巨大付出，他们追求真知的科学精神和态度值得学生学习[7]。同时，也要让学生认识到只有少数流体力学理论是由中国人提出的，其他研究领域有待国人去奋斗、去填补。在课堂上，重点介绍我国卓越的流体力学专家的成长和成就，以此激发学生的奋斗精神。比如我国著名的空气动力学家钱学森，在求学路上坚持奋斗，他先后获航空工程硕士学位和航空、数学博士学位。1938年7月至1955年8月，钱学森在美国从事空气动力学、固体力学和火箭、导弹等领域研究，并与导师共同完成高速空气动力学问题研究课题，建立了卡门-钱学森公式，在28岁时就成为世界知名的空气动力学家。钱学森于1955年冲破重重阻挠回到中国。他不断推出科研成果，被誉为“中国航天之父”“中国导弹之父”。由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射至少向前推进20年[8]。

三、CFD发展与课程思政相结合

除了流体研究历史上的科学巨匠，近代流体力学的发展也有很多思想政治元素，比如近些年发展的计算流体力学，其英语全称为“Computational Fluid Dynamics”（CFD）。CFD是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它是将流体力学控制方程中的积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间/空间点上的数值解。

CFD软件通常指商业化的CFD程序，具有良好的人机交互界面，能够让使用者无须精通CFD相关理论就能够解决实际问题。这是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学、化工处理、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域。

CFD在最近20年中得到了飞速的发展，其中计算机硬件的发展给它提供了坚实的技术基础。例如由于问题的复杂性，既无法做分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下，用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次实验。历史上也有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等。对每一种物理问题的流动特点都有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复和低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

目前比较主流的CFD软件有Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD、Comsol、Flow-3D、Adina、Abaqus、PowerFLOW，但是以上商业软件的版权都属于国外。目前，中国自主知识产权的计算流体力学的数值模拟软件在国际上还没有竞争力，无法和这些国际主流软件竞争。在课堂上，经常将计算流体力学领域现状讲给学生听，鼓励学生为创立我国自主知识产权的CFD软件而努力，使我国在计算流体力学领域能够占有一席之地。

经过精心设计和组织，将以上课程思政和课程内容以及流体力学研究现状紧密结合，可形成完整的工程流体力学课程思政教学方案，并在每一次上课时融合相关的思想政治内容，实现课程思政全程贯穿课程教学，实现全员、全程、全课程育人，以取得良好的效果。