新工科下“流体力学与液压传动”的实验教学探索
陈羽王毅刚张智明
［摘要］高校新工科建设是应对新一轮科技革命和产业变革的战略行动。面对我国双碳目标和智能电动汽车续驶里程等关键技术指标，产业快速发展与人才匮乏之间的矛盾日益突出，兼顾理论与实践的新工科人才培养实践教学体系亟须建立。以同济大学车辆工程专业本科生“流体力学与液压传动”课程为载体，结合课程大纲重点和难点，探索了研讨式、虚拟式、案例式实验教学、实物式等多种形式结合的课程实验教学方式，实现学生专业素质和创新思维的培养。
［关键词］新工科；车辆工程；流体力学与液压传动；实验教学
［基金项目］2021年度同济大学第十六期实验教学改革专项基金项目“流体力学中壁面剪切应力及车辆流动分离虚拟教学系统”（1700104200）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］2022-07-02
高校新工科建设是主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动。为贯彻落实国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设［1］。为此，世界各国的高等教育机构均大力进行智能汽车新工科专业人才培养［2］。在车辆工程领域，已建立了一些车辆动力学、智能交通、自动驾驶等领域的专业人才培养课程和教学实践平台［3］。
面对我国“双碳”目标和产业变革，我国智能电动汽车发展近年来进入快车道，出现了新的技术特点。首先，纯电动汽车的续驶里程焦虑是业界的难点和痛点，气动阻力消耗的能量在电动汽车总能耗占据的比重更高；其次，电动汽车取消了发动机和变速箱等动力装置，动力系统噪声掩蔽效应显著下降，气动噪声凸显；再次，电动汽车车载电源和电驱动系统的工作温度相比内燃机低一个数量级，且热源更加分散，对环境温度的变化更加敏感，动力系统的流体热管理要求更高。解决上述问题，需要具备扎实的流体力学专业知识和实践能力。因此，培养主动应对产业变革的科学技术人才和工程師队伍，对“流体力学与液压传动”课程教学提出了更高的要求。
本文充分利用同济大学汽车学院、上海市地面交通工具空气动力学与热环境重点实验室已有的教学、科研成果，在“流体力学与液压传动”课程中进行实验教学的改革与探索，以期形成车辆工程专业“流体力学与液压传动”课程的实验教学最佳实践。
一、课程教学现状与改革目标
（一）课程教学现状分析
“流体力学与液压传动”是一门理论性、实践性较强的基础性学科，是车辆工程专业的专业基础课，是后续专业课程的核心基础课程之一，在课程体系中具有重要地位。该课程属于理论课程体系，经过多年建设，已形成一套成熟的理论授课体系。以流体力学部分为例，在流体基本属性、流体静力学、流体动力学、相似原理与量纲分析、无粘流动和粘性流动等教学过程中，基本概念、基本理论主要以方程推导和概念讲述为主（如牛顿内摩擦定律、湍流雷诺应力、边界层动量积分方程），基本方法讲授还停留在传统的工程应用问题上（如翼型的曲面流动分离）。
结合近三年本科教学评价意见，以及与本科生课后交流，学生普遍反馈：（1）相比于其他经典力学课程，“流体力学与液压传动”内容抽象，概念性强，课程从头到尾以偏微分方程推导为主，公式多且繁杂；（2）希望经典理论能更好结合工程实际应用前沿，培养学习兴趣。因此，在新工科和行业快速发展的背景下，构建与工程应用相衔接的基本概念、基本理论教学方法、积极开展实验和实践教学模式创新，以此培养学生学习的积极性和主动性，成为“流体力学与液压传动”课程改革的重要任务。
（二）基于新工科背景的实验教学改革目标
传统的实验教学定义，是指实践性教学的一种组织形式。学生利用仪器设备，在人为控制条件下，引起实验对象的变化，通过观察、测定和分析，获得知识与发展能力。在基础课和专业课中广泛应用，其目的不仅验证书本知识，更着重于培养学生正确使用仪器设备，能够进行测试、调整、分析、设计实验方案和编写实验报告等能力［4］。但随着科技和行业的快速发展，前沿性流体力学实验存在高成本、高消耗，以及有的实验还需要单独进行安全培训后才可操作等问题，如流体力学中粒子图像测速技术实验，很大程度上限制了本科生学习的深度和兴趣。
在推进新工科建设、组织和实施时，新型工程教育信息化的探索与实践是其中的重点。近年来，出现了优质在线开放课程、基于虚拟仿真等技术的工程实践教学平台［5］、创新“互联网+”工程教育教学方法等一批教育信息化成果。
在实验教学的信息化探索与实践中，实验原理、实验方法与流程、实验方案设计