應用型本科院校流體力學教學改革探索

摘 要：針對流體力學課程復雜、抽象的特點和學生畏難、厭學的現狀，從學生的重視程度和學習興趣、教學內容和教學環節、教學方法和手段等幾個方面進行該門課程教學改革策略的探討，以期提高教師的教學水平和學生的學習效果。

關鍵詞：流體力學；教學方法；應用型本科院校

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）12-0033-02

流體力學是宿遷學院土木工程專業的一門重要的專業基礎課。流體力學具有基本概念多、公式復雜、內容抽象等特點，是一門既有較強理論性又有較強工程實際意義的課程，因此，該課程既可以培養學生良好的邏輯思維能力和分析推理能力，又可以培養學生分析問題和解決問題的能力。然而學生的實際情況是由于在大學前兩年接觸最多的是固體力學，已形成一定的思維定式，而且由于精簡學時的原因很多流體力學課程中需要的高等數學知識沒有講解，到了大三一旦遇上流體力學這個新鮮事物，可能接受起來會碰到許多困難[1]。學生普遍感覺該課程枯燥乏味、難學，存在畏難、厭學情緒，期末考試不及格率較高。在學校提倡培養應用型人才的大背景下，有必要根據課程性質從提高教師教學水平和提高學生學習效果進行探討。

一、引導學生重視，激發學生的學習興趣

（一）強調課程的地位和重要性

教師除了說明流體力學在整個專業教學中的地位和作用外，還可補充說明它是注冊結構工程師基礎考試中公共基礎考試科目。此外，還可說明往年期末考試通過率的情況，以給學生適當加壓。當然，更重要的是還要說明該課程的學習方法，以幫助學生樹立信心。

（二）通過人物、工程實例及專業應用調動學生的學習興趣

“興趣是最好的教師，而教師則是點燃學生學習興趣的火炬”。如何調動學生的學習興趣是教師考慮的首要問題。在教學過程中可以穿插舉出古今中外的科學家、工程師生平事跡和工程實例以調動學生的學習興趣。如大禹采取疏壅導滯的方法治水三過家門而不入；理想流體力學奠基人歐拉16歲就獲得碩士學位，雙目失明后仍然從事科學研究直至去世當天還在進行科學研究等[2]。如兩千多年前李冰利用“深淘灘，低作堰”建造的都江堰；大約在同時期，古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等。除此之外，還可以介紹流體力學在土木專業及其他專業的應用，如美國華盛頓州塔科馬大橋被大風摧毀、汽車“風阻”和飛機“音障”等事例。

（三）將CFD技術引入課堂調動學生興趣

計算流體動力學（簡稱CFD）技術日趨成熟，已經成為研究流體力學的一種重要方法。在流體力學教學過程中引入CFD技術，不但可以將理論性較強的內容形象化，加深學生對基礎理論的理解，而且可以開闊學生的眼界，激發學生的學習興趣和探索精神。如對歐拉法中流線的模擬、圓管中層流和湍流流速的分布、局部阻力損失的流場分析[3]。

二、教學內容的取舍和教學環節設計

（一）教學內容的取舍

流體力學知識面廣，內容繁多，在學時限制的條件下要結合專業教學要求合理取舍。對土木工程專業而言需要掌握的內容有：（1）流體物理性質；（2）流體靜力學；（3）流體運動學和流體動力學；（4）阻力損失；（5）管道流、明渠流及滲流。

1.重要問題的處理。首先，要從力學角度分析流體的流動性。流體與固體的主要區別在于流體的流動性，其根本原因是流體和固體對承受剪切力的表現。為了形象說明，可以引用“抽刀斷水水更流”的詩句[4]。當然，還需說明無論流體靜止還是運動均不能承受拉力。

其次，要理解連續介質假設的概念。微觀上，流體是由大量分子構成的，是離散的，不連續的，這給我們研究流體力學問題帶來了困難。連續介質假設認為流體是由內部無間隙的連續流體質點構成。這里要理解流體質點微觀上“充分大”、宏觀上“充分小”的含義。如此流體在空間上就變為連續的，可以借助高等數學的方法來研究。

2.公式推導的處理。流體力學學習過程中會遇到大量復雜的公式，特別是實際流體伯努力方程的推導讓人很難掌握。筆者在處理公式推導問題時強調公式推導的目的是讓學生學習一種思想，學習一種處理問題的方法，將精力集中在公式建立的基本原理和適用條件上，從思路上進行分析整理，淡化煩瑣的數學推導過程。這樣學生有了獨立思考的空間，教師也有了更多的時間來講解基本概念和基本方法。需要強調的是，流體力學中很多公式都是在一定條件下推導出的，因此其應用也是具有一定范圍的，公式的應用往往也有一定的技巧，如伯努力方程的“三選一列”。

（二）教學環節的設計

1.調整習題或考題構成，重視習題課。這里有兩個問題需要注意。一方面，流體力學習題歷來存在重計算、輕概念的現象，特別是考題如果全是計算題，就會形成無形的指揮棒。這就不利于學生從整體上掌握該課程的重點，習題或考題的題型應豐富，除了計算題之外，還應有填空、選擇、判斷、作圖、名詞解釋等考查基本概念的題目。另一方面，在精選題目時，要注意將理論教學和實際應用結合起來，如查找資料的技能培養。在流體力學的牛頓內摩擦定律、能量損失計算和管道流等部分很多數據都是要查有關工程手冊和圖表的[5]。

習題課是流體力學教學的重要環節，為了能夠在學時緊張的前提下開展習題課，教師必須重視習題選擇和習題評講兩個方面。一方面，教師應選擇具有代表性的題目，另一方面，習題講評應使學生從解題過程中獲得解決問題的思路、方法和技巧，達到觸類旁通的效果。

2.重視實驗教學，強化實踐環節。實驗教學是流體力學教學中的重要組成部分，通過實驗，不但可以加深學生對流體力學基本原理的理解，而且有助于培養學生的動手能力、獨立工作能力和創新能力。如通過水靜壓強試驗，學生明確了測壓管水頭的含義；通過雷諾實驗，學生加深了層流、湍流及臨界雷諾數的理解。當然，由于實驗室條件的限制，目前的實驗主要以驗證性居多，在條件許可的情況下應進行設計性實驗。

此外，每學期筆者都會布置一個任務，讓學生留意身邊感興趣的流體力學現象，然后根據課堂所學知識和個人理解撰寫論文，以此增強學生的實踐應用能力和培養其創新能力。

三、教學方法和手段的改進

（一）注重討論法與案例教學法的運用

1.討論式教學方法。教學活動應該是雙向的師生互動過程，不應是教師的一言堂。教師應創造和諧、輕松的課堂氣氛，鼓勵學生積極發言，表達自己的疑問、見解，激發學生的學習積極性和創造性。如在課堂上通過提問的方式回顧上次課的主要內容，通過“自學—提問—討論—總結”的方法學習新內容，在考慮學生接受能力的前提下，甚至可以讓學生來講一次課。如通過反證法證明流體靜壓強的方向，通過隔離體分析法證明流體靜壓強的大小。通過討論式的教學方法不但可以調動學生的學習積極性，樹立信心，而且還可以培養學生勤于思考、善于發現問題、分析問題、解決問題的能力。

2.案例式教學方法。通過將生活和工程案例引入課堂，不但可以增強學生的學習興趣，而且可以加深學生對理論知識的理解，提高學生運用所學理論知識解決實際問題的能力。生活案例有馬利奧特容器原理應用于點滴吊瓶和家用飲水機[6]、洗衣機為什么老翻衣服兜[7]、撈面條的學問等。工程案例如1993年青海省溝后水庫在低于設計水位0.75m的情況下突然垮壩的事故；三峽工程如何在最大流量10×104m3/s、水頭高達100m、最高流速高達45m/s的情況下不會產生巨大的破壞力等[8]。

（二）綜合運用各種教學手段

流體力學概念抽象、繁多，僅靠傳統的一塊黑板、一支粉筆不能激發學生的學習興趣。借助于多媒體技術，利用其形象、生動、直觀、易于理解并可加強記憶的優點，通過動畫、視頻資料、數值模擬等手段將復雜的流動現象展示給學生，可取得事半功倍的效果。但是，考慮到多媒體技術授課和傳統的授課方法各自的優缺點，結合流體力學課程特點，采用取其長而避其短、兩者兼顧而又兩者不棄的原則。

“教學有法，但無定法，貴在得法”。我們要不斷更新教學理念，努力提升自身的綜合素質，及時總結教學過程中出現的問題并加以改進，注重教學過程中的每一個環節，多管齊下，才能保證學生取得良好的教學效果。

參考文獻：

[1]王偉.土木專業工程流體力學課程教學研究[J].山西建

筑，2008，（21）.

[2]張志宏，顧建農，王家楣.“流體力學”課程教學改革的實

踐與探索[J].高等理科教育，2006，（5）.

[3]趙琴，楊小林，嚴敬.CFD技術在工程流體力學教學中的

應用[J].高等教育研究，2008，（1）.

[4]劉建龍，王漢青，寇廣孝.激發學習興趣提高流體力學教

學效果[J].中國電力教育，2008，（20）.

[5]徐艷萍.《工程流體力學》教學探討[J].江西電力職業學

院學報，2003，（2）.

[6]毛根海.應用流體力學實驗[M].北京：高等教育出版社，

2008：8-10.

[7]武際可.拉家常·說力學[M].北京：高等教育出版社，

2008：1-7，25-30.

[8]劉起霞，鄒劍峰，王海霞.實際工程中的流體力學[J].力

學與實踐，2006，（6）.