面向熱能工程專業(yè)的“工程流體力學”課程教學探討

杜敏　耿江　張歡　王助良

[摘 要]“工程流體力學”在熱能工程專業(yè)教學中占據(jù)著舉足輕重的地位，但在教學過程中存在“老師難教，學生難學”的問題。解決問題的方法在于提高學生的學習興趣，教學內(nèi)容分塊，CFD在工程流體力學上進行應用，多媒體和板書結合，改革考試方式，采取科學的教學方式和多元合理的考核方法，提高“工程流體力學”課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的專業(yè)能力，提升學生的綜合素質(zhì)。

[關鍵詞]工程流體力學 熱能工程 教學探討

[中圖分類號] G642.3[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）06-0125-02

一、引言

“工程流體力學”是研究工程中流體（液體和氣體）的力學運動規(guī)律及其應用的學科，它主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態(tài)之間的相互作用和流動的規(guī)律。它不追求數(shù)學上的嚴密性，而是趨向于解決工程中出現(xiàn)的實際問題。由于熱能工程中所研究的傳熱介質(zhì)通常都是固體小顆粒，液體（水、汽、油），空氣等，因而只有熟練地掌握工程中流體的力學運動規(guī)律才能了解熱能工程工業(yè)過程中的流動、傳熱和傳質(zhì)過程，建立熱過程數(shù)學模型，為改進工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)和開發(fā)、研制新型高效節(jié)能的工業(yè)熱設備提供必要的理論基礎。

然而，要想學好這門課程卻不容易。一方面是這門課程所涉及的面廣，需要非常熟練地運用高等數(shù)學、材料力學、大學物理這些課程的公式，另一方面流體本身就比較抽象，相比其他學科這門課程非常枯燥，學生如果不在課下多下工夫很難跟上老師課上的節(jié)奏。因而總有老師反映該課程難教，學生訴苦課程難學。由于“工程流體力學”在熱能工程專業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位，因而這門課程的教學改革顯得尤為重要。

二、工程流體力學和熱能專業(yè)學科的聯(lián)系

（一）“工程流體力學”和“傳熱學”的聯(lián)系

傳熱不僅是常見的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術領域。就教學內(nèi)容來說，“傳熱學”與“工程流體力學”課程有緊密的關聯(lián)性和延續(xù)性。傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，是流體邊界層熱傳導和流體運動熱對流綜合作用的結果。因此，“工程熱力學”和“傳熱學”這兩門專業(yè)基礎課程緊密相連，有些學校直接將“流體力學與傳熱學基礎”作為一門課程進行教授。

（二）“工程流體力學”與“工程熱力學”的聯(lián)系

“工程熱力學”也是熱能工程專業(yè)的專業(yè)基礎課。“工程熱力學”和“工程流體力學”這兩門課程的內(nèi)容既有區(qū)別，又有聯(lián)系，通過對比教學可以加深學生對概念的理解。比如對于“理想氣體”與“理想流體”的概念，工程熱力學中的“理想氣體”指分子是彈性的、不占體積的質(zhì)點，且分子間沒有相互作用力;而流體力學課程中的“理想流體”是假想的、無黏性的流體。這兩種流體雖然都是假想流體，但概念完全不同。通過對比分析，使學生更容易理解概念間的差別，利于專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。

三、教學方法的探討

（一）提高學生的學習興趣

由于“工程流體力學”這門課程比較抽象和枯燥，因而學生在學習過程中效率很低。興趣是成功之父。如果能夠抓住學生的學習興趣，那么就相當于完成了該課程一半的教學任務，學生在接下來的學習就會變被動為主動。比如男生喜歡汽車，可以在教學過程中找一些流體力學成功運用在汽車行業(yè)的例子，這樣就能激發(fā)學生對感興趣領域的探索，主動學習這門課程。如果能夠引導學生解決學習上遇到的難題也將會收到很好的效果。學生在學習過程中遇到難題時，老師不應直接把答案告訴學生，而是通過循循善誘的方式引導，讓學生自己征服一個又一個困難，獲得心靈上的滿足和智力上的發(fā)展。

（二）教學內(nèi)容分塊

流體力學的教學內(nèi)容可以分為偏理論和偏工程實際兩大塊，不同的學生對流體力學知識需求不同，因而在教學過程中老師可以將流體力學分為學術類和工程技術類。許多同學在大三就確定接下來繼續(xù)深造還是找工作。所以，在開始教學的時候讓決定繼續(xù)深造的學生接受偏理論的學習，使他們集中精力考研;讓畢業(yè)要找工作的學生學習技術類的內(nèi)容，為他們接下來找工提供一份有分量的籌碼。

（三）CFD在“工程流體力學”上的應用

CFD是近代流體力學與數(shù)值計算方法和計算機科學結合的產(chǎn)物。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數(shù)學方法，用以模擬仿真實際的流體流動情況，對流體力學的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究。CFD軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動等等。CFD引入教學可以將抽象概念變成形象的畫面，提高學生的學習興趣和積極性，有利于加深學生對概念和相應知識的理解與運用。

（四）多媒體和板書的結合

正確處理多媒體和板書的關系，既要將多媒體這種現(xiàn)代化的教學方式充分利用起來，開闊同學們的視野，還要加強傳統(tǒng)的板書教學，加深學生對關鍵公式的理解記憶。多媒體教學能夠將很抽象的流體流動形象的展現(xiàn)出來，能夠激發(fā)學生的聯(lián)想能力，使學生對流體力學模型有一定的感性認識。如講到卡門渦街，有風吹過電線發(fā)出嗡嗚聲的動態(tài)畫面;在講到機翼升力原理，有飛機在起飛和降落時機翼的畫面;在講到伯努利方程，有水庫儲水和放水的畫面。流體在流動過程中的動態(tài)過程如果不是親眼所見，很難建立起清晰的數(shù)學物理模型。但是光有對現(xiàn)象表面的認識是不夠的，要想透過表面的現(xiàn)象認清本質(zhì)還應該建立起數(shù)學物理模型，要通過大量的公式推導求證得出，這樣就需要老師通過對重點知識的反復書寫講解，加深學生對公式的理解和記憶。這兩種教學方法相輔相成，既避免了學生的長時間精力高度集中產(chǎn)生疲勞，又加深了他們對這門課程的理解。

（五）考試的改革

考試成績能夠反映出學生對課程的掌握程度，但這并不是絕對的，因而要減少期末成績在該課程評定上所占的權重。以往考試內(nèi)容客觀題占大多數(shù)，包括概念、原理、理論計算題，而運用流體力學知識來解決工程實際問題和培養(yǎng)創(chuàng)新性思維的主觀題非常少。考試形式幾乎都是閉卷，因而在課程期末考試普遍存在死記硬背的突擊現(xiàn)象，這對學科知識的理解和運用是非常不利的，不僅降低了學生學習的主動性，更限制了大學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。但是以考試督促學生對課程的學習還是非常必要的，使考試試題規(guī)范、科學、新穎，才能既考查了基本知識，又提高了學生解決實際問題的能力。同時，老師應該多增加課堂和學生的互動，并且增加這一方面的考核。改革后的考試方法避免了學生只注重記憶，是對學生知識、能力和素養(yǎng)的全面考核，提高學生的不同能力，提升綜合素質(zhì)。

四、結束語

為使學生更好地學習和掌握“工程流體力學”課程的內(nèi)容，教學改革是必要的和緊迫的。以上教學方法的改革與實踐可以開闊學生的視野，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，提高教學質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] 嚴宗毅，蘇衛(wèi)東.在流體力學教學中調(diào)動學生學習主動性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神[J].力學與實踐，2001（3）：53-56.

[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）：28-29.

[4] 李夏隆，白振飛，劉波.普通高等院校課程考試現(xiàn)狀分析及對策初探[J].榆林學院學報，2009（5）：88-90.

[5] 宋文武，符杰，李慶剛.關于構建“熱能與動力工程”大專業(yè)多方向課程體系的思考——基于培養(yǎng)復合型應用人才的視角[J].高等教育研究，2011（4）：44-48.

[6] 柏朝暉，米曉云，張希艷.新能源材料與器件專業(yè)建設的探索[J].大學教育，2013（6）：52.

[7] 代乾，王澤生，楊俊蘭.能源與動力工程專業(yè)熱工系列課程改革實踐[J].中國電力教育，2013（5）：74-75.

[8] 李賀松.工程流體力學教學中引入相關技術的探討[J].赤峰學院學報（自然科學版），2010（4）：7-8.

[責任編輯：鐘 嵐]

[收稿時間]2014-12-28

[基金項目]本文系“江蘇大學高級專業(yè)人才科研啟動基金”（No.11JDG152）和“江蘇大學大學生實踐創(chuàng)新訓練項目”（No.201310299007W）的研究成果。

[作者簡介]杜敏（1981-），男，山東泰安人，博士，副教授，研究方向：多相流與傳熱性質(zhì)。