建筑環境與設備專業流體力學課程教學改革探析

摘要：分析了不同工科專業基礎課程教材選用《流體力學》中的主要特點，針對建筑環境與設備專業后期課程的教學需要，提出了學生必需掌握的流體力學的基本知識點。通過改進教學方法，將與建筑環境與設備專業緊密相關的工程應用以及科研成果引入課堂，認真分析有關流體流動的基本概念和規律，適當略去繁難的公式推導，利用多媒體演示有關流體流動的規律，幫助學生深刻體會抽象難懂的流動的基本原理。通過改革教學手段，利用網絡教學，強化實驗教學環節，通過創新實驗引發學生思考等對策，激發學生對工程流體力學課程的學習興趣，提高學生掌握工程流體力學基本知識的能力。

關鍵詞：工程流體力學 基本知識點 教學方法改進 創新思維

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2012）11（a）-0203-02

流體力學是力學的一個重要分支，是研究流體平衡與運動規律及其在實際工程中應用的一門學科，根據研究問題側重點的不同，流體力學可以分為理論流體力學（統稱為流體力學）和應用流體力學（統稱為工程流體力學）。前者采用數學推理的方法，強調邏輯性、準確性和嚴密性，偏重于對流體力學理論的研究。后者采用對工程實際問題作近似處理的方法得出結果和結論，而不去追求數學上的嚴密性。隨著科學技術的快速發展，工程流體力學已廣泛應用到國民經濟的各部門，如，動力工程中流體的能量轉換；環境工程中污染物在大氣中的擴散；鐵路、公路隧道中的壓力波傳播；航空工業中飛機外形與阻力的關系；機械工業中的潤滑、液壓傳動；市政工程中的通風、通水問題；醫學中血液在人體內的流動等等。工程流體力學是一門理論性和工程實際意義都較強的課程，具有理論不易掌握、概念和方程較多且易混淆、對學生高等數學知識及綜合分析和處理問題能力要求較高等特點。針對所學專業如何讓學生掌握工程流體力學的基本知識點，激發學生對工程流體力學學習的興趣；如何改進教學方法，激發學生的創新思維能力，加強課程建設是工程流體力學教學改革值得研究的一個重要問題。

1 不同專業所用流體力學教材的主要特點

我國大學開設的工科專業主要分為：林業工程類（含森林工程、木材科學與工程、林產化工等），公安技術類（含刑事科學技術、消防工程），工程力學類（工程力學、生物工程類、生物工程），地礦類（含采礦工程、石油工程、礦物加工工程、勘察技術與工程、資源勘察工程），材料類（含冶金工程、金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料與工程），機械類（機械設計制造及其自動化、材料成型及控制工程、工業設計、過程裝備與控制工程），儀器儀表類（測控技術與儀器），能源動力類（熱能與動力工程、核工程與核技術），電氣信息類（電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術、電子科學與技術），生物醫學工程，土建類（建筑學、城市規劃、土木工程、建筑環境與設備工程、給水排水工程），水利類（水利水電工程、水文與水資源工程、港口航道與海岸工程），測繪類（測繪工程），環境與安全類（環境工程、安全工程），化學與制藥類（化學工程與工藝、制藥工程），交通運輸類（交通運輸、交通工程、油氣儲運工程、飛行技術、航海技術、輪機工程），海洋工程類（船舶與海洋工程），輕工紡織食品類（食品科學與工程、輕化工程、包裝工程、印刷工程、紡織工程、服裝設計與工程），航空航天類（飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器制造與工程、飛行器環境與生命保障工程），武器（武器系統與發射工程、探測指導與控制技術、彈藥工程與爆炸技術、特種能源工程與煙火技術、地面武器機動工程、信息對抗技術），農業工程類（農業機械化及其自動化、農業電氣化與自動化、農業建筑環境與能源工程、農業水利工程）。針對上述不同工科專業大類培養學生的不同要求，各高校所開設的流體力學課程所用教材主要有：北京大學出版社出版、吳望一教授編著的《流體力學》，科學出版社出版、歸柯庭教授等編著的《工程流體力學》，高等教育出版社出版、丁祖榮教授等編著的《流體力學》，石油工業出版社出版、汪志明編著《油氣井流體力學與工程》，中國建筑工業出版社出版、蔡增基教授等主編的《流體力學泵與風機》，中國電力出版社出版、杜廣生教授編著的《工程流體力學》。通過多年的教學實踐可以看出：北京大學出版社出版、吳望一教授編著的《流體力學》，科學出版社出版、歸柯庭教授等編著的《工程流體力學》，高等教育出版社出版、丁祖榮教授等編著的《流體力學》，偏重于對流體力學理論的研究，強調邏輯性、準確性和嚴密性。而中國建筑工業出版社出版、蔡增基教授等主編的《流體力學泵與風機》，中國電力出版社出版、杜廣生教授編著的《工程流體力學》，偏重于對工程實際問題作近似處理的方法得出結果和結論，與建筑環境與設備專業、熱能動力工程專業所需的基礎知識結合緊密。不同專業所用的流體力學教材，具有不同的特點。對于工程問題要追溯其基本概念時，還必須去參閱理論性較強的教科書。

2 建筑環境與設備工程專業應掌握知識點

由全國高校建筑環境與設備工程專業指導委員會推薦使用的專業基礎課--流體力學教材為中國建筑工業出版社出版、蔡增基教授等主編的《流體力學泵與風機》，課程里包含有流體靜力學、一元流體動力學基礎、流動阻力和能量損失、孔口管嘴管路流動、氣體射流、理想流體動力學基礎、有旋流動和無旋流動、粘性流體動力學基礎、一元氣體動力學基礎、相似性原理和因次分析等基本知識點，這些都是作為建筑環境與設備工程專業學生必須掌握的。建筑環境與設備工程專業后期課程主要有：流體輸配管網、熱質交換原理與設備、建筑環境學、泵與風機、暖通空調、冷熱源工程等，而這些課程的開設要求學生先期掌握流體力學課程的基本知識點。我從2004年擔任本科生的流體力學和研究生的兩相流與流態化教學工作至今，最大的體會是選用不同的主講教材，其講課效果和學生對流體力學知識點接受的認知程度也截然不一樣。大家知道：在流體力學學習過程中為了明白一個定理，甚至為了準確地理解一個概念，學生首先需要讀懂數學，然而讀懂了數學不一定意味著已經明白了數學符號背后所代表的物理意義，流體力學教學實踐表明，學生從讀懂數學到理解流動問題的物理本質有一個過程。因此，為了讓學生掌握建筑環境與設備專業流體力學課程的知識點，我們的教學團隊曾經嘗試用有理論深度的教材講解基本概念，再用專業知識幫助學生強化基本概念，比如：為了講清楚流體運動的本質特征—易變形性這一基本概念，首先運用亥姆霍茲（Helmholtz）速度分解定理，將流體運動的速度分解為：（1）平動速度v1：流體微團平動引起的，特征量是平動速度v0。（2）轉動速度v2：是由流體微團繞通過點M0的瞬時轉動軸線旋轉而產生的，特征量是rotv。（3）變形速度v3：是由流體微團變形引起的，特征量是二階對稱張量。然后，再分析流體的平動、轉動和變形的本質特征，并且將流體運動的情況和剛體運動的情況作類比，這樣讓學生對流體的運動本質有直觀的認識，在此基礎上，講解流體微團的有旋運動和無旋運動，配有多媒體動畫演示，可以收到較好的教學效果。針對建環專業學生要掌握的流體力學的每個知識點，講清楚和讓學生理解深刻，這是在教與學互動過程中應該達到的效果。

3 以建環專業工程應用活躍教學過程

流體力學是一門專業基礎課，一般開設時都是在大學二年級第一學期或第二學期，學生們對專業課還沒有太多的認知。因此，將與建筑環境與設備專業相關工程應用引入課堂，如，超高層建筑、大跨度橋梁的設計和建造相關的空調通風問題，可以以上海的金茂大廈、東方明珠塔、楊浦大橋舉例說明；還有，像地鐵通風、大型超市、體育館的中央空調設計等所涉及到的流動問題，可以引發學生去思考，怎樣的流動方式和氣流組織形式可以達到最優的空氣調節效果。還有，將日常生活與實際運用中的相關問題整理成“身邊的工程流體力學”話題向學生提出，供學生課堂上討論。如，高爾夫球：飛得遠的應是表面光滑還是表面粗糙的？汽車行駛時受到的阻力是來自前部還是后部？飛機的機翼，其升力是來自下部還是上部？大雁飛行為什么會排成“人”字形，微風中的花枝為什么垂直來流方向擺動，奧運會游泳名將在游泳時如何減小阻力、游得更快等問題，載粉氣流顆粒中氣流和顆粒的運動速度是否一樣？這些問題的提出，不僅可以大大激發學生的學習興趣，同時將大雁飛行原理、魚類游動原理與航天戰斗機、艦艇的船舵工作時產生自由渦導致升力下降、阻力上升的現象聯系起來，使抽象、枯燥的工程流體力學理論與具體的空軍、海軍武器裝備及運動員比賽時減阻特性緊密結合，開拓學生的視野，激發他們的好奇心和求知欲。在講授流體力學基本內容的同時，有意識地介紹建筑環境與設備學科有待解決的問題，可以培養學生廣泛的科研興趣和求知欲，并使學生在研究與解決問題的過程中獲得無窮的樂趣。

在教學過程中，應適當略去繁難的公式推導，將精力集中在公式建立的基本原理及其適用條件上，從思路上進行分析整理，淡化繁瑣的數學推導過程?！豆こ塘黧w力學》課程涉及高等數學、復變函數、大學物理等知識，教材中有較多的計算公式及推導，若將所有公式推導都進行講授，不僅浪費時間，而且還可能使學生感到工程流體力學理論高深莫測，學習起來產生畏難心理。例如，在講解沿流線的伯努利方程時，除了講清楚動能、位能和壓強勢能三者之和是常數外，要重點講清楚該方程適用的五個基本條件：無粘性重力流體；不可壓縮定常流動；然后，再分析其在畢托管測速中的應用。又比如在講解納維－斯托克斯方程時，首先要講清楚斯托克斯假設：（1）將牛頓粘性定律從一維推廣到三維；（2）流體各向同性；（3）靜止時法向應力等于靜壓強。N－S方程的適用條件是：ρ、μ都等于常數。然后，給學生講清楚N－S方程的物理意義是：慣性力=體積力+壓力+粘性力，同時對應解釋各項的物理意義。總之，在授課時，要重點介紹基本概念的具體內涵，理論模型的建立，重點公式所包含的物理意義、應用條件和各項參數所代表的物理含義等等。同時，還應適時對基本概念、重點公式等進行階段性總結，使學生在學習過程中有清晰的思路。

4 設計創新實驗，激發學生獨立思考

工程流體力學是一門建立在實驗研究基礎上的科學，很多工程流體力學理論都是以實驗為基礎建立起來的。工程流體力學實驗是工程流體力學課程的重要組成部分，它不僅是為了驗證理論，有助于學生學好工程流體力學，而且是培養學生進行科學研究，提高獨立工作和創新能力的重要環節。因此，在講授課程內容時，不僅要反復強調實驗在工程流體力學中的地位，使學生對實驗的重要性有正確認識。更重要的是：在實驗課內講授有關實驗內容的原理和方法時，除了完成流體力學經典的實驗外，還要讓學生設計創新型實驗，激發學生獨立思考的能力。比如，孔板流量計測流量的實驗，除了讓同學完成書本上講的實驗外，還要讓學生去查閱資料和專利文獻，能否有更好的測流速和流量的方法，從而使學生對流量的概念有清醒的認識。另外，開發適合本專業的多媒體課件，提供網絡教學，將難以理解的流動現象以多媒體的方式在課堂上直觀地呈現出來，再讓學生去進行實驗，例如，為了講清楚層流和湍流的基本概念，可以用帶顏色的流線進行課堂演示，然后，再讓學生實驗課時去動手做實驗，從而獲得深刻體會。

總之，工程流體力學課程教學改革中，要根據專業的具體情況，優化整合不同教材體系教學資源的精髓；改革教學手段和教學方法，突出學生的主體性，激發學生學習主動和創新性；理論與實驗并重，相互促進；突出學生的創新能力培養，多讓學生獨立思考和總結；以便達到較好的教學效果。

參考文獻

[1] 丁祖榮，流體力學[M].北京：高等教育出版社，2003：91-95.

[2] 陳曉珊，洪文鵬，張玲.工程流體力學課程改革的思考[J].東北電力大學學報，2006，26（3）：54-56.

[3] 王偉.土木專業工程流體力學課程教學研究[J].山西建筑，2008，34（21）：182-183.

[4] 喻萍，袁蘇躍，董羽蕙.土木專業《流體力學》教學模式探討[J].昆明大學學報：綜合版，2003（2）：82-83.

[5] 張培紅，王曉華.流體力學課程分層次教學模式研究[J].沈陽建筑大學學報：社會科學版，2007（2）：238-240.

[6] 龍天渝，蔡增基.流體力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2004：234-238.

[7] 杜廣生，高校工科流體力學教學改革探析[J].山東工業大學學報：社會科學版，1998（45）：80-81.

[8] 馬哲樹，張東輝.流體力學教學過程中宜強化的四個觀點[J].長春理工大學學報，2011（9）：175-176.