新工科背景下流体力学与农业航空植保创新实验建设探讨

杨嵩　朱先勇　王辉　朱航　于萍

[摘 要]新工科建设背景下，基于学科交叉融合的实验教学改革和建设正在进行。本文以工科基础课程流体力学为切入点，针对流体力学实验教学的弊端，结合农业航空植保工程实际需求，探讨面向学科交叉融合、创新实验建设的可行性及融合方法。对创新实验教学思路、教学方法、建设内容进行了详细的探讨。结合创新实验的特点，提出了TTBL实验教学方法、“审核+考核”准入制度及复合式成绩评定法，并对上述方法与创新实验之间的关系进行了研究。

[关键词]流体力学;学科交叉;实验教学;复合式成绩评定法

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1005-5843（2020）04-0106-06

[DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2020.04.020

新一輪科技革命、产业变革和新经济的发展都对高等教育尤其是高等工程教育的发展提出了新的挑战[1]。新工科建设正是对这一挑战的积极回应[2]。高等教育的发展水平是一个国家综合国力和发展潜力的重要标志。新工科背景下，高等工程教育应与产业发展紧密联系、相互支撑[3]。多学科交叉、融合成为工程创新人才培养的着力点和重大工程科技创新的突破点[4]。

农业作为初级生产的第一产业，是人类最大和最重要的经济活动。农业现代化是传统农业向现代农业转化的过程和手段，亦是中国现代化的重要组成部分。农业病虫害、农药不合理施用作为影响农产品有效供给及农产品安全的重要制约因素，其防控手段的现代化是农业现代化的重要组成部分[5][6]。农业航空植保作为一种高效作业技术，是实现化肥和农药使用量零增长，防控突发性农业灾害，保障中国粮食安全与生态安全，提高农业作业质量和生产效率的重要方法，亦是战略性新兴产业的培育方向[7]。农业航空植保于1911年由德国人提出，1949年美国开始研制农业植保专用喷洒飞机。历经百年发展，农业航空植保技术及产业取得了长足的进步，美、日两国作为其中的佼佼者，美国是航空喷雾应用技术和标准最成熟的国家，日本是农用无人机喷药第一大国。农业航空植保是现代农业的重要组成部分，也是反映农业现代化水平的重要标志[8]。

农业航空植保技术涉及到飞行器设计、飞机喷洒设备设计、飞机喷施设备技术测定、航空喷雾设备喷头性能测试、喷雾飘移风洞实验室测定等多方面的技术和规范[9]。纵观以上所述的关键技术及规范可知，无论是飞行器设计还是喷洒装置的设计及测定都与流体力学知识密切相关。流体力学作为基础科学，以流体（包含气体、液体、等离子体）流动现象及相关力学行为为研究对象。流体力学在推动科技发展方面发挥了广泛且巨大的作用。其应用范围及交叉学科涵盖物理学、化学、航空工程、机械工程、医学等诸多学科和领域[10][11]。流体力学教学包含理论教学和实验教学两个环节，实验教学作为巩固理论知识、关联工程实践的中间环节，是培养学生实践、创新能力和综合素质的重要环节[12][13]。在高等学校工程教育“新工科”的建设背景下，选择流体力学与农业航空植保作为推进流体力学实验教学“工程化”改革探索的试验田，是传统流体力学应对新机遇和挑战的一次尝试，更是实现流体力学这一专业基础类课程建设从“老工科”到“新工科”转变的一次探索。

一、流体力学实验教学现状及问题

流体力学是机械工程、土木工程、能源与动力工程等工科专业的一门专业基础课，其基础理论和概念较为抽象，流动现象复杂且不易表述[14]。流体力学实验是对抽象复杂理论知识及流动现象的验证与演示，是学生理解复杂理论知识的重要途径，亦是学生实现知识与能力、理论与实践相结合的重要纽带[15]。依据笔者的实验教学经验，现阶段流体力学实验教学环节的现状和存在的问题主要表现在如下几个方面。

一是实验教学内容陈旧、更新缓慢。传统教学项目以验证性实验项目为主（如伯努利方程验证），实验内容单一且枯燥，不利于激发学生的学习兴趣，抑制创新能力培养。

二是实验教学方法单一，师生互动性不强。流体力学实验教学多采用示范教学法，教师通过大量的讲解，将实验原理、实验步骤等教学信息通过灌输式教学传授给学生，教学过程中，教师居于绝对主体位置，学生被动接受知识，整个教学过程师生互动性不强。

三是实验教学整合度不足。流体力学各实验项目多单独运行，各实验项目之间关联性弱，缺少综合性、创新性的实验项目，造成了本应相互关联的理论知识的实验割裂，易导致学生理解和认知出现偏差。

四是实验项目“工程化”程度弱。流体力学的实验项目多围绕基本原理的验证、基本物理参数的测定进行展开，而实验教学与工程实践应用脱节，学生对如何将基本原理用于工程问题的解决感到茫然，经常有学生提出“这个实验能干什么？”的疑惑。

五是实验考核方式单一。流体力学实验成绩主要依据实验报告质量进行评定，忽略实验操作、实验预习、实验总结和实验思考等表现，存在部分学生旁观实验、共享实验数据等现象。

六是实验开放性不足。流体力学实验属于基础类科学技术实验，实验内容抽象、枯燥、工程延展性及关联性弱，加之实验设备陈旧，无法有效激发学生的实验兴趣。

新形势下，流体力学实验教学改革和建设应围绕“工程教育”这一核心原点进行展开，以“新工科建设”为坐标轴，针对问题和不足展开讨论和探索。国内高校针对流体力学相关实验教学的新工科建设进行了广泛的探索，研究内容以现有流体力学基本实验的组合和拓展为主;研究方向涵盖教学方法建设、实验项目建设、虚拟实验建设、实验装置建设、实验运行模式建设等。随着高等学校创新人才培养的持续推进，以问题为核心的探究性实验教学方法逐渐成为主流。创新实验作为一种以问题为基础的研究性实验教学模式，正成为一种培养学生创新精神、研究主动性和实践能力的重要途径[16][17]。

二、创新实验教学思路及方法

创新实验是联通专业基础理论、科学探索和工程实践研究的桥梁环节，应同时具备“理论”“实践”和“探索”的属性[18][19]。学科交叉作为创新性人才培养和创新性产出的重要渠道，其为“新工科”背景下创新教学的开展提供了广阔平台和丰富内容[20]。农业航空植保所面临的工程需求与流体力学关联度较高。流体力学作为基础类科学，其研究的对象为基本流动现象;农业航空植保所面临的工程需求是基本流动现象的复杂化和综合化再现。两者之间是源与流的关系。

（一）创新实验教学思路

创新实验作为面向“新工科”教学改革的新型实验，着重解决现有实验教学环节所存在的不足。拟采用的基本教学思路为：以专业培养方案为准则，以学科交叉为依托，通过梳理课程知识点，开展成果导向式教学，培养学生的综合研究能力和严谨的科学素养[21][22]。

在机械工程专业培养方案和培养目标的框架下，结合学科发展前言，搭建以流体力学和农业航空植保学科交叉为依托的创新实验平台。创新平台通过对流体力学和农业航空植保基本知识进行理论维度、工程维度的双向拓展，为实验教学内容的更新、整合及工程化提供了广阔空间;通过一系列设计型、探究型、开放型综合创新实验的开展，将流体力学理论知识点与农业航空植保工程应用进行有机整合，并以工程成果的形式进行实现。通过实验的训练，激发学生学习兴趣和探索精神，培养严谨求实的科学精神，启发学生创新思维，为人才培养质量的提升和流体力学及农业航空植保领域的双创新提供坚实的基础。

（二）创新实验教学方法

教学方法是教学思路实现的方法论。创新实验拟采用改进型TBL教学方法——TTBL（Team Task Based Learning）方法，即基于小组的任务驱动型实验教学方法[23]。TTBL教学方法的基本特征是，学生作为教学主体，以任务小组为基本单位，采用任务驱动模式，是一种将教师启发教授与学生创新实践相结合，教学目标明确的教学方法，其基本教学流程（如图1所示）。

教学团队依据培养方案，在综合考虑流体力学知识要点、农业航空植保工程应用实际、学生基本能力等因素的条件下规划实验项目;学生依据自己的兴趣、专业优势组建任务小组并选择合适的实验项目作为研究对象;实验小组在教师的指导下完成资料查询、问题解析、任务分工、方案制订等工作。实验小组以预约形式開展研究，研究过程中实验小组可依据实验运行情况对实验方案进行调整，教师在实验过程中对实验小组进行辅助性指导。学生以小组为单位向教师提交实验成果并进行实验汇报;教师针对实验小组的成果及表现对实验进行考评，小组内进行互评。实验过程中，学生和教师通过建立理论学习、问题分析、动手实践、探究创新的学习链条，实现理论教学和实验教学的交叉螺旋上升，达到理论知识巩固、工程能力提升、科学精神和团队协作精神的培养的目标。

TTBL教学方法在“开放性”“创新性”“探究性”上满足创新实验教学的需要，其优势及内在逻辑主要表现为：（1）开放性。开放是创新实验的基础，TTBL教学方法在实验项目选择、任务小组组建、方案制订、实验预约等方面充分体现开放性，学生作为实验的主体，可依据实际情况自由选择;（2）创新性。TTBL教学方法的开放性为创新性的培养提供了平台，学生在教师的指导下，针对问题进行发散性思维，通过组内“头脑风暴”等形式对问题进行剖析，形成具有创新性的实验方案和研究方法;（3）探究性。TTBL教学方法的开放和创新属性为探究性研究提供可能，面向工程应用的任务驱动模式教学，通过工程应用将理论知识具体化。实验过程中，学生在由实验成果、兴趣及探索精神所组成的正反馈闭环激励下，不断完成相关领域的探索。

三、创新实验教学当前的建设重点

创新实验教学建设是创新实验教学思想和方法的具体化。笔者拟在实验教学项目建设、实验教学模式建设、实验准入及考评体系建设、师资队伍建设4个方面进行探讨。

（一）实验教学项目建设

实验教学项目是实验教学建设的核心，是实验教学开展的载体。创新实验教学项目的建设应坚持内核精练、外延宽泛的基本原则。为适应TTBL实验教学方法，提出一种以STEP为内核，以开放性、可行性和发展性为外延的建设理念。内核与外延是灵魂与肉体的关系，实验项目是内核和外延的统一体。

STEP是科学性（Science）、技术性（Technology）、工程性（Engineering）和流程性（Process）的简称，将STEP作为实验项目的内核，其与创新实验的匹配主要表现为：（1）科学性。实验教学项目应包含学科领域的理论知识，实验的开展应有益于学生对理论知识的理解、巩固和拓展。（2）技术性。实验教学项目应包含学科领域常用的分析方法，实验的开展应有益于学生对实验方法、先进设计方法、先进分析方法、仪器设备等的掌握和熟练;（3）工程性。实验教学项目应具备足够的工程属性，实验的开展应有益于学生理论与实践结合、工程应用能力的锻炼和拓展;（4）流程性。实验教学项目应具备流程训练内容，实验的开展应有益于学生掌握工程开发流程，在流程训练中培养学生创新能力和综合素质养成。

实验项目的外延主要表现在实验的操作层面。实验项目应具备开放性和挑战性，有益于激发学生的探索欲望和创新潜能;符合教学发展和运行的基本规律，适合学生的知识结构和实践能力水平，保证可行性;实验项目内容具备更新、改进、完善、提升的空间，形成难易层次分布合理，具备足够的发展、探索空间，兼顾发展性。依据上述实验教学项目建设理念，针对现有教学环节在教学内容更新缓慢、实验项目整合不足、“工程化”程度不强及实验教学开放性不足等问题进行强化及修正。综合考虑流体力学实验教学目标、农业航空植保研究现状、本校教学实际和专业优势，拟在如下3方向开展实验教学项目建设：无人机航空喷洒设备管路优化设计;无人机航空喷洒喷头结构优化设计;航空喷洒流量精确标定及控制技术。

上述创新实验教学项目研究方向均以农业航空植保领域的前沿技术及工程应用热点为依托，作为涵盖了流体力学基本理论（如伯努利方程、动量方程、流动阻力、流量控制理论及方法等）、工程分析方法（如联合优化算法、3D建模及快速原型制造、有限元分析法等）及工程项目开发流程的统一体，充分体现了STEP内核理念。外延性主要表现为在教学实际中，教师依据任务组的实际情况，对研究方向进行具体化操作，通过量化相关实验目标的方式，确定具体实验项目，保障实验的可行性及发展性。

（二）实验教学模式建设

实验教学模式是教学方法的实践形式。为更好地适应TTBL教学方法，改进现有教学环节在教学方法单一和开放性不足的问题，创新实验教学拟采取学生为主体、小组运行、项目引导、师生共建、成果驱动的导向式渐进教学模式。学生和指导教师作为教学活动参与者，其位置相对传统实验教学发生了根本性转变，实验教学方式由“填鸭式”向“觅食式”转变。

学生所组成的任务小组是实验运行的基本单元。学生作为实验的主体参与到项目设计、方案制订、研究开展、汇报展示、总结考评环节。实验教学项目为“觅食式”教学的顺利开展提供了良好的载体，任务小组为复杂型创新实验项目的开展提供了有力的组织保障，实验成果作为“食物”驱动学生在实验研究的过程中不断探索创新。教师作为实验的指导及裁判，是实验的灵魂规划者。教师在实验运行过程中坚持引导为主的基本原则，通过激励、引导等方式为学生答疑解惑、提供决策支持，把握实验运行方向，保障实验安全顺利运行。实验教学模式能充分调动学生的主观能动性，将信息检索、问题分析、团队协作、创新探索等训练有机的整合到实验过程中，为培育学生的探索精神和创新能力的培养提供保障。

（三）实验准入及考评体系建设

实验准入及考评体系是实验运行的制度保障。为更好适应TTBL实验教学方法，改进现有教学环节存在的不足，创新实验拟采用“申请+考核”的准入制度及面向实验运行全流程的综合考评方法。通过学生在线申请及教师综合审核形成“申请+考核”准入制度，可有效保证实验生源的质量。与传统课内实验准入制度相比较，“申请制”保证了学生完全出于自愿及兴趣而参与实验，“审核制”增加了教师对学生知识体系、基本能力的评估，通过师生间的“双向选择”，确保了实验参与人员的基本条件，满足实验开展要求。面向实验运行全流程的综合考评方法采用复合式成绩评定法，即教师讲评确定小组成绩，组内互评确定成员成绩，两项成绩经加权算法计算后成为学生的最终成绩。小组成绩由方案成绩、运行成绩、成果成绩、汇报成绩、创新成绩5部分组成;互评成绩由分工成绩、出勤成绩、贡献成绩、态度成绩4个部分组成。小组成绩和互评成绩的组合覆盖了创新实验运行的全流程。教师主导的小组成绩面向学生专业能力和创新能力的培养，学生主导的互评成绩面向学生实际参与度、团队协作等，由此所形成的分层成绩评定体系符合创新实验教学思想及运行规律。

（四）师资队伍建设

师资队伍是实验教学运行的人员基础。为更好适应TTBL实验教学方法，保障实验的顺利开展，拟建立实验教学团队。实验教学团队由不同层次的专业教师、科研教师、实验教师和研究生助教共同组成。教学团队采用委员会负责制，以高级职称教师组成指导委员会，对实验项目的制订、分配、指导、运行、评估进行全過程跟踪和指导，保障实验教学效果;研究生助教发挥自身专业和沟通优势，提升实验运行的平顺性。实验教学团队定期进行教学培训、讨论和总结，确保实验教学效果的稳步提升[24]。

四、创新实验建设的挑战及前景展望

创新实验作为一种新型实验教学方法，其在实验建设理念、实验内容、运行方式、考核评价方式等方面与传统实验教学存在一定的差异。“新工科”建设背景下，创新实验的建设面临挑战和机遇并存的局面。目前，创新实验的开展处于探索阶段，创新实验作为课内实验教学的补充，以课外教学身份运行。

（一）挑战

实验教学项目的合理性及实验教学模式的执行性是目前实验建设所面临的两大挑战。创新实验因缺乏教学大纲的规范，在实验教学项目的组成上有足够的自由度。自由度所带来的不确定性如同一把双刃剑，合理的实验项目能有效地将课程要点、学习规律、培养目标进行整合，形成实效性高、主动性强的实验项目，对引导学生主动参与实验，树立正确的科学观、价值观起到积极作用;不合理的实验项目有可能起到相反的作用。创新实验教学所采用的小组“觅食式”教学模式与传统的教学模式有较大的差异，长久的填鸭式教学形成了极强的学习模式惯性，学习模式快速而彻底的转变成为创新性实验顺利开展的关键。上述挑战主要存在于创新实验的探索期，随着创新实验的逐步开展，教学理论的发展及教育经验的积累，现阶段所面临的挑战能得到有效的解决。

（二）前景展望

“新工科”建设为创新实验的建设和发展提供了良好的契机，高等学校通识教育及学科交叉的广泛开展为创新实验的建设提供了坚实的人员基础及广阔平台。基于流体力学与农业航空植保学科交叉的创新实验建设，为流体力学实验教学和人才培养注入新的活力，流体力学的强理论属性也将为农业航空植保的发展提供强劲的支持，两者共同支撑高等学校人才培养及科研建设。作为流体力学实验教学改革探索的一部分，其为基于学科交叉的流体力学创新实验的开展提供了参考。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济 [J].高等工程教育研究，2017，1：1-9.

[2]林健.面向未来的中国新工科建设 [J].清华大学教育研究，2017（2）：26-35.

[3]“新工科”建设复旦共识 [J].复旦教育论坛，2017（2）：27-28.

[4]钟登华.新工科建设的内涵与行动 [J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5]陈晓明，王程龙，薄瑞.中国农药使用现状及对策建议 [J].农药科学与管理，2016（2）：4-8.

[6]林蔚红，孙雪钢，刘飞，徐正红，张初，何勇，姚建松.我国农用航空植保发展规划和趋势 [J].农业装备技术，2014（1）：6-10.

[7]周志艳，明锐，臧禹，何新刚，罗锡文，兰玉彬.中国农业航空发展现状及对策建议 [J].农业工程学报，2017（20）：1-13.

[8]周志艳，臧英，罗锡文，LanYubin，薛新宇.中国农业航空植保产业技术创新发展战略 [J].农业工程学报，2013（24）：1-10.

[9]于萍.工程流体力学[M].北京：科学出版社，2008.

[10]万晓龙，郑彩霞，王斯民.计算流体力学在医学教育系统中的应用 [J].西北医学教育，2016（3）：441-444.

[11]吴琼，王文欢，刘海龙，任洪波.流体力学实验教学改革与探讨 [J].教育教学论坛，2016（42）：124-125.

[12][24]杨嵩，朱先勇，于萍，王辉，王继利.新工科背景下流体动量方程实验教学探索与建设 [J].实验室研究与探索，2019（6）：206-209.

[13]束秀梅，李华南，罗媛媛.流体力学实验教学改革与实践 [J].实验室研究与探索，2011（7）：310-313.

[14]李志海，鐘源.新工科个性化人才培养模式下的课程改革探索与实践——以工程流体力学课程为例 [J].中国现代教育装备，2018（5）：82-84.

[15]黄卫清，花开慧，陈忠明，范洪波，兰善红.基于新工科理念的伯努利方程教学探讨 [J].广东化工，2019（9）：252-253.

[16]于梅春.新工科背景下流体力学教学方法研究与实践[J].当代教育理论与实践，2019（3）：41-45.

[17][18]安永磊，高淑珍，刘娜，刘南.开放性创新实验教学模式优化与实践 [J].实验技术与管理，2016（8）：21-23.

[19]盛苏英.创新实验项目建设的实践 [J].实验室研究与探索，2011（9）：107-109.

[20]杜卫，陈恒.学科交叉：应用型本科院校学科建设的战略选择 [J].高等工程教育研究，2012（1）：127-131.

[21]陆国栋， 李拓宇.新工科建设与发展的路径思考 [J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[22]许华，朱敏杰，李志鹏.学科交叉与研学结合开展研究型实验的探索 [J].实验技术与管理，2016（5）：24-27.

[23]于述伟，王玉孝.LBL、PBL、TBL教学法在医学教学中的综合应用 [J].中国高等医学教育，2011（5）：100-102.

（责任编辑：郭彦松）

Discussion on the Construction of Innovation Experiment of Fluid Mechanics and Agricultural Aviation Industry for Plant Protection under the Background of Emerging Engineering Education

YANG Song，ZHU Xianyong，WANG Hui， ZHU Hang， YU Ping

（Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Abstract： Under the background of the emerging engineering education in higher education， the reform and construction of experimental teaching based on integration of discipline-crossing is ongoing. In this paper， we take fluid mechanics of engineering basic courses as the starting point， and in view of the disadvantages of fluid mechanics experimental teaching， combining with the actual needs of agricultural aviation industry for plant protection engineering， we explore the feasibility and fusion method of establishing a discipline-crossing innovative experiment. The creative experimental teaching ideas， teaching methods and construction contents are discussed in detail. Combining the characteristics of innovative experiments， the TTBL experimental teaching method， the "application + assessment" admission system， and the composite score evaluation method were proposed， and the relationship between the above methods and innovative experiments was studied.

Key words：   fluid mechanics; discipline-crossing; experiment teaching; composite score evaluation method

[收稿日期]2019-12-21

[基金项目]吉林大学2019年实验技术项目（流量计标定与校正实验创新方法研究）吉林大学2019年度本科教学改革研究（项目编号：2019XYB160）。

[作者简介]杨嵩（1987-），男，吉林伊通人，硕士，吉林大学机械与航空航天工程学院工程师;研究方向：流体力学实验教学、精密制造。朱先勇（1968-），男，安徽合肥人，教授，吉林大学机械与航空航天工程学院博士生导师;研究方向：机械制造工艺与装备。王辉（1963-），女，吉林永吉人，吉林大学机械与航空航天工程学院研究员;研究方向：机电一体化、流体力学实验教学。朱航（1982-），女，吉林长春人，吉林大学机械与航空航天工程学院副教授;研究方向：机电一体化、农业航空植保。于萍（1963-），女，黑龙江密山人，吉林大学机械与航空航天工程学院教授;研究方向：流体力学、流体传动。