多媒體流體力學輔助教學系統的教學實踐分析

摘要：以Visual C++作為編程語言，結合Windows Media Player多媒體功能，在參考國內外大量資料的基礎上，開發了多媒體流體力學輔助教學系統，涵蓋了流體力學的主要內容。教學實踐的應用表明，該系統可實現激發學生的求知欲、建立物理直覺、通過虛擬實驗室和多種模擬器實現交互式學習等基本教學目標。在豐富流體力學教學內容的同時，提高了教學效率，優化了教學目的，達到了事半功倍的教學效果。

關鍵詞：流體力學；多媒體；交互式學習

作者簡介：葉學民（1973-），男，河北邢臺人，華北電力大學能源動力與機械工程學院，副教授；李春曦（1973-），女，河北唐山人，華北電力大學能源動力與機械工程學院，副教授。（河北 保定 071003）

基金項目：本文系華北電力大學2010年本科教育教學改革教育教學重點項目的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）22-0052-02

一、“流體力學”教學現狀

“流體力學”作為能源動力類專業的一門專業基礎課，以研究流體的運動規律為主要內容，并為后續的傳熱學課程學習提供必要的基礎。由于教學內容涉及面較廣，既有工程應用性，又包括大量的理論性內容，且運用高等數學知識較多，因此學生普遍感到該課程概念模糊、內容抽象且理論性較強，這在一定程度上影響了教學效果。[1-3]究其原因，一方面，傳統的板書教學模式雖然在公式推導、理清思路、強化記憶、深入思考方面具有不可替代的優勢，但同時也存在缺乏生動、活潑、形象的一面；另一方面，由于學生尚未具備對多數基本概念的物理直覺、對于呆板文字描述的理解需要豐富的想象力，難以激發其積極性。

多媒體技術作為一種新的教學手段，通過教材內容與動態文本、圖像、動畫、音頻、計算機模擬技術的有機整合，使得原來抽象的概念形象化、枯燥的方程式清晰化、晦澀的物理過程機理生動化，可從多方面激發學生的積極性和創新思維，并且通過與傳統教學模式相結合起到了相得益彰的作用。近年來，隨著多媒體技術在計算機輔助教育領域的深入應用，多媒體輔助教學模式在高等教育中發揮了愈來愈重要的作用。[4-5]本文通過介紹自行開發的多媒體流體力學輔助教學系統，分析了該輔助教學系統在教學實踐中的應用效果，為進一步提高教學效果起到了積極的示范作用。

二、輔助教學系統簡介

以Visual C++作為編程語言，結合Windows Media Player多媒體功能，在遵循軟件開發一致性、易用性、容錯和聯機幫助等設計原則基礎上，通過對教學內容的系統性和連貫性梳理，并參考國內外多媒體流體力學的基礎上，[6]開發了多媒體流體力學輔助教學系統，其界面如圖1所示。該系統包括動力學、邊界層、運動學、名人堂、虛擬實驗室、演示、模擬、模擬器、圖片和表格、流動可視化等模塊，涵蓋了流體力學的絕大部分內容。

動力學包含了流體的經典研究方法、牛頓第二運動定律、納維爾-斯托克斯方程和各種邊界條件等。邊界層包含了邊界層概念、平板突然啟動產生的邊界層、層流邊界層、邊界層分離、不穩定現象和紊流邊界層等，其中的教學短片不乏趣味性、生動性。運動學涵蓋了由質點到場和由物質導數到各種流動線等內容，生動細致地描述了跡線、流線、脈線和等時線等抽象概念，通過運用豐富的流動顯示技術將運動過程展示出來。虛擬實驗室將動力學、運動學和邊界層等模塊中需要深入討論的部分細化出來，結合Java虛擬技術，讓使用者親自實現對流體流動等方面的模擬演示。演示將一部分錄像短片組織起來，作為特殊的演示呈現給使用者。模擬器基于Java虛擬機，將分子動力學模擬器、流體勢流構造器和邊界層微分方程數值解等獨立出來，從使用者親自實踐。圖片和表格將一些紛繁蕪雜的圖片和教學短片有機地綜合起來，通過表格或視頻播放的形式，將這些信息歸納整理起來。流動可視化通過可視化手段將不可見的流體流動清晰演示出來。名人堂中闡述了十五位具有杰出貢獻的科學家的生平和卓越貢獻。

三、教學實踐效果分析

在“流體力學”的教學實踐中，適時地應用了多媒體流體力學輔助教學系統（以下簡稱輔助教學系統），取得了良好的教學效果，現分析如下。

1.激發學生的求知欲

激發學生的興趣和求知欲是開展學習并獲得良好學習效果的前提。如果學生對于課程內容的學習缺乏基本的興趣，很難想象他能投入到課程的有效學習之中，更無從談起知識的綜合運用。因此，提高學習興趣就成了擺在授課教師面前的首要問題和關鍵所在。流體力學的內容浩如煙海，涉及日常生活和工業應用的方方面面，輔助教學系統的各模塊中提供了大量的鮮活實例，從而可有效地激發學生的求知欲。

在講解緒論和各章節時，可通過觀看錄像、圖片集、名家事跡等提高學習興趣和動力。如因人體與外界環境存在溫差產生的自然紊流對流及鼻孔處的強迫紊流（圖2a），又如自然界中水蜘蛛在水面上運動形成的毛細波（圖2b），再如通過數值模擬獲得的肺部氣管和支氣管在呼吸過程中氣體的速度分布（圖2c）。這樣的生動活潑的實例讓學生感到大量有趣的流體力學現象就在身邊，但對其內部物理機理的理解又需學習流體力學知識，從而可激發學習動力。另外，輔助教學系統中的名人堂模塊，不僅可使學生了解諸如達芬奇（圖2d）、牛頓、馮卡門等15名著名流體力學家的生平，也使其對流體力學和其他學科的卓越貢獻有了較為全面的認識，從而激發學生探索自然科學的積極性和主動性。

2.建立物理直覺

建立物理直覺是深刻理解物理概念的催化劑，并有助于強化大腦的記憶功能。流體力學中的概念和規律大多比較抽象，而教材中的描述和解釋需要學生具備一定或豐富的想象力，這在一定程度上影響了學習效果。在教學實踐中，如能通過形象直觀的圖片、動畫、錄像等手段來進行相關內容的學習，勢必強化對概念和規律的直觀認識，并在大腦形成深刻的、有效的記憶痕跡。

如講述層流和紊流概念時，既可通過雷諾試驗中等直徑圓管內流線的變化進行直觀認識，也可通過平板上流體的流態變化對比（圖3a）進一步加強認識，該影像清晰地給出了層流與紊流兩種流態的顯著區別。對于理想和實際流體繞流物體形成的流動特征，圖3b中的流線變化清楚地顯示了二者間的區別與聯系，對于理想流體，流線在車尾平滑地匯合，并流向下游；而對于實際流體，在汽車尾部將形成明顯的尾渦區，這是由于邊界層分離所致。另外，輔助教學系統還將有關抽象的數學方程與物理概念相結合，進一步加深對基本概念和運動規律的理解。如圖3c所示，該界面給出了多種流動形式及其控制方程（納維爾-斯托克斯方程），并且對于不同的流動形式，其主要控制因素也一目了然，極大地方便了對主要矛盾的掌握；而且點擊任一流動（如翼型），則顯示出繞流翼型時流線的變化及其控制方程，如圖3d所示。通過諸如此類的動畫和影像的有效使用，將使學生形成深刻的物理直覺，進一步加深對流動規律內涵的理解。

3.通過虛擬實驗室和模擬器實現交互式學習

交互式學習作為一種新型的學習方式，是指利用多媒體計算機技術和網絡技術，借助多媒體課件或網上資源，由學習者自主進行的一種雙向交流式學習方式。[7]借助交互式學習模式，以學生為主體，通過自我指導、反復實踐等手段，可以不斷加深對基本概念和規律的認識，從而使學生達到會學和學會的教學目的。

輔助教學系統中的虛擬實驗室和模擬器就提供了交互式學習這一功能。圖4a為用于模擬不同物質（固、液和氣體）界面間的連續性特征，通過選擇不同的粘性和驅動流體，可得到不同的流體特征。圖4b給出了在流體繞流不同物體（如翼型、橢圓體、球體）時的流線特征，進而比較不同繞流情形下的區別，并給出了理論結果和實驗影像；而且可通過改變繞流物體在流場中的方位進一步分析繞流特征的變化，如改變繞流翼型的沖角。圖4c為勢流模擬器，用于模擬繞流蘭金半體、蘭金體、圓柱體和旋轉柱體等多個物體的流線和等勢線特征，而且可通過改變偶極流強度觀察駐點的變化，也可以自行創造新的勢流流動，并觀察其繞流特性。圖4d為繞流大平板時層流邊界層的特征，可用于模擬不同流速下的邊界層厚度、位移厚度和動量損失厚度，還可繪制壁面阻力系數、邊界層外緣速度和速度剖面等曲線，進一步豐富了邊界層理論的學習，并加強了對邊界層基本特征的認識。

參考文獻：

[1]陶漢中，李菊香.關于“工程流體力學”課程多媒體教學的思考[J].中國電力教育，2010，(18):58-61.

[2]潘良明，何川，陳紅.工程流體力學立體教學法初探[J].中國電力教育，2008，(11):73-74.

[3]陳曉珊，洪文鵬，張玲，等.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.

[4]王發輝，桑俊勇，張丹.“流體力學”立體化教學體系的構建[J].中國電力教育，2009，(24):102-103.

[5]徐文娟，侯清泉，劉訓濤.多媒體技術在《工程流體力學》教學中的應用[J].理工高教研究，2008，(2):94-95.

[6]G.M.Homsy.Multimedia Fluid Mechanics[M].Cambridge University Press，2004.

[7]梁紅，吳繼耘，何立乾.應用多媒體課件改革英語教學模式[J].天津成人高等學校聯合學報，2005，(1):83-84.

（責任編輯：宋秀麗）