對比教學法在工程流體力學課程中的應用與實踐

摘要：工程流體力學是能源與動力工程專業的一門主要技術基礎課，然而其理論、概念、公式多而且容易混淆，使得工程流體的教與學過程存在較大的障礙。通過運用對比法講解粘性流體運動方程，復雜管路系統串并聯管路計算，無粘性重力流體流動能量方程，流體邊界層和熱力邊界層，粘性流動與對流換熱的關系，把流體力學的相關概念、現象及理論與學生已經熟識的內容進行對比，不但能使學生容易明白知識點，更能提高學生的學習興趣。

關鍵詞：工程流體力學；對比法；課程體系；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0092-02

“工程流體力學”是能源與動力工程專業一門基礎課程，在整個專業的學科中起著承上啟下的作用。課程既包含一些基礎理論，又有理論在工程實踐中的應用。由于實踐工程的復雜性，在處理模型的過程中，往往會對模型進行理想化，然后通過實驗對理論公式進行一些修正，因此工程流體力學是一門理論和實踐緊密聯系的課程。另一方面，流體是該課程的研究對象，學生對流體的實體形象認識不像固體那么鮮明，而且理論抽象、公式推導復雜，修正系數繁多，其物理意義很難理解，因此被認為是能源動力工程專業難教難學的課程之一。對老師而言，要考慮學生是處于從基礎課向專業課學習的轉換階段，在課程教學中，不但要考慮讓學生具備扎實的理論基礎，還要引導學生把理論與流體機械和動力機械工程實踐之間的關系聯系起來，使學生具備把所學理論應用于解決工程實際問題的能力，通過對工程實際問題的解決，反過來又會思考理論模型的局限性和適用性。良好的教學設計不但有利于學生解決上述問題的能力，還可提高學生的學習興趣和主動性，是保證教學效果，提高教學質量的重要手段。教師應在教學中引進先進的教學手段，巧妙設計教學，不斷改進教學方法，才能使教與學的效果達到最佳。本文結合教學實踐，談談對比教學法在“工程流體力學”中的應用。

為了加深學生對概念的理解，可采用對比教學法把流體力學的相關概念、現象及理論與學生已經熟識的內容進行對比。與專業課程體系相關知識點的對比，使學生知道相關課程的相互聯系及課程的差別，明確課程承擔專業的角色，理解其能解決工程實際中的哪些問題。這些有的放矢的課程設計，不但能使學生容易明白知識點，更能提高學生的學習興趣。

一、工程流體力學課程本身前后關系的對比

在工程流體力學教學中應注意到課程前后知識的連貫性，把相關知識進行類比，可獲得較好的效果。如在講述粘性流體運動方程時，在推導方程時，首先要把實際流體與理想流體的區別進行比較（如表1），把靜止狀態與流動狀態比較，揭示影響實際流體流動的主要原因是存在著粘性力的影響，讓學生更加深入地了解流體在實際與理想狀態下靜止與運動狀態時所受力的不同及其內在規律。

二、工程流體力學與其他學科已熟識的內容對比

在講到復雜管路系統串并聯管路計算時，可讓學生比較串并聯管路流量與管路壓頭損失的關系表達式與電工學的串并聯管路的電流、電壓的關系表達式，找出他們表達方式上的共同點。對理工科學生來說，高中階段就已熟練掌握了串并聯電路的電壓、電流關系時的內容，把這兩者放在一起比較（見表2），學生不但很容易理解串并聯管路的流體流動特性，而且也很容易記住串并聯管路流量與管路壓頭損失的關系表達式。

三、工程流體力學與本專業基礎課關聯內容性對比

“工程流體力學”是主要研究流體靜止和運動兩種狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間的相互作用產生力、動量、能量變化，牛頓運動定律和質量守恒定律是其研究基礎，是理解熱力學工質流動過程中流量、能量分配的基礎。“工程熱力學”基本內容是熱力學基本定律和工質熱物性、熱過程，是研究如何充分和有效利用能量。“傳熱學”研究熱量傳遞的基本規律，是理解和控制能源動力系統熱量傳遞過程的理論基礎。因此，在工程流體力學教學設計中，要盡可能多地將其與工程熱力學和傳熱學兩門專業基礎課程聯系起來。

1.“工程流體力學”與“工程熱力學”在教學內容上的關聯性

“工程流體力學”與“工程熱力學”在教學內容的關聯性之處主要體現以下兩個方面：一維無粘性重力流體流動能量方程（工程流體力學）與式（工程熱力學）具有相同的理論基礎，熱力學第一定律穩流能量方程是普遍適用的能量方程式，是在一維無粘性重力流體條件下的特例和不同的表達方式；“工程流體力學”中的可壓縮流體流動基礎與“工程熱力學”中的氣體和蒸汽的流動研究對象及理論基礎完全相同，只不過研究的側重點不同，前者強調流動特性，后者注重能量傳遞與轉換過程。

2.“工程流體力學”與“傳熱學”課程在教學內容方面的關聯性和延續性

“工程流體力學”與“傳熱學”課程在教學內容方面具有緊密的關聯性和延續性，傳熱學與流體力學研究的對象主要是流體，易流動和可壓縮是流體具有的特性，因此流體運動過程中會涉及到流體與固體壁面之間的相互作用（包括力、能量相互作用）。流場和溫度場的對比對較深刻理解兩門學科起著十分重要的作用，流動邊界層與溫度場熱邊界層對比很容易闡明流體與固體壁面間力、能量相互作用的有關規律。在邊界層理論中，流體的粘性對流動及傳熱均會產生影響，因而將流動邊界層與熱邊界層的有關理論很好地聯系了起來，在教學中可作對比分析。

“工程流體力學”中粘性流動與“傳熱學”中對流換熱方面也可用對比方法進行教學設計，它們研究對象都是傳遞現象。“工程流體力學”研究的是動量的傳遞，傳遞驅動力速度差，而“傳熱學”研究的則是熱量的傳遞，傳遞驅動力是溫度差。傳遞方式均為對流擴散和分子擴散，對于分子擴散基本規律兩者具有類似的形式（牛頓摩擦定律及傅里葉定律），具有相似描述傳遞能力的物性參數（運動粘度（m2/s）和熱擴散系數（m2/s）），而且流動邊界層與熱（溫度）邊界層具有相似的定義和相同的邊界層結構；具有相似描述傳遞現象的控制方程（動量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程）。如果粘性流體流經與流體具有不同的溫度壁面時，在流體與壁面之間就會同時發生動量傳遞和熱量傳遞。這時“工程流體力學”與“傳熱學”研究的是流體的阻力特性和傳熱特性兩個不同方面。一般來說，阻力特性是傳熱特性研究的基礎，“工程流體力學”是“傳熱學”的基礎；但在流動及對流換熱具有耦合特征等某些特殊情況下兩者相互影響，例如圓管內層流與紊流流動及對流換熱、流體外掠平板的層流與紊流流動及對流換熱、外掠圓柱的層流與紊流流動及對流換熱、各類自由流動及對流換熱等等。顯然在此類教學內容中，“工程流體力學”與“傳熱學”的知識又相互耦合與影響。

四、結束語

本文針對工程流體力學教與學之間存在的困難，提出在教學設計上引入對比法來提高教師教學水平及提高學生學習興趣，加深學生對新知識的掌握和記憶。經過一段時間的檢驗，證明運用對比法講述工程流體力學對老師和學生均可取得事半功倍的效果。總之，工程流體力學課程教學設計中，要根據專業的自身特性整合不同教材體系教學資源的精髓，嘗試新的教學手段和教學方法，強調學生的主體性，激發學生學習主動能動和創新性；注重理論與實驗對比，縱向與橫向知識對比，突出學生的獨立思考、創新能力培養，以便達到較好的教學效果方案。

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（責任編輯：王意琴）