面向熱能工程專業(yè)的“工程流體力學(xué)”課程教學(xué)探討

杜敏　耿江　張歡　王助良

[摘 要]“工程流體力學(xué)”在熱能工程專業(yè)教學(xué)中占據(jù)著舉足輕重的地位，但在教學(xué)過(guò)程中存在“老師難教，學(xué)生難學(xué)”的問(wèn)題。解決問(wèn)題的方法在于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)內(nèi)容分塊，CFD在工程流體力學(xué)上進(jìn)行應(yīng)用，多媒體和板書(shū)結(jié)合，改革考試方式，采取科學(xué)的教學(xué)方式和多元合理的考核方法，提高“工程流體力學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞]工程流體力學(xué) 熱能工程 教學(xué)探討

[中圖分類號(hào)] G642.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）06-0125-02

一、引言

“工程流體力學(xué)”是研究工程中流體（液體和氣體）的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，它主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用和流動(dòng)的規(guī)律。它不追求數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性，而是趨向于解決工程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)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(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律才能了解熱能工程工業(yè)過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，建立熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型，為改進(jìn)工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)和開(kāi)發(fā)、研制新型高效節(jié)能的工業(yè)熱設(shè)備提供必要的理論基礎(chǔ)。

然而，要想學(xué)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(yùn)用高等數(shù)學(xué)、材料力學(xué)、大學(xué)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(xué)科這門課程非常枯燥，學(xué)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(xué)生訴苦課程難學(xué)。由于“工程流體力學(xué)”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(xué)改革顯得尤為重要。

二、工程流體力學(xué)和熱能專業(yè)學(xué)科的聯(lián)系

（一）“工程流體力學(xué)”和“傳熱學(xué)”的聯(lián)系

傳熱不僅是常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域。就教學(xué)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，“傳熱學(xué)”與“工程流體力學(xué)”課程有緊密的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。工程上廣泛遇到的對(duì)流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過(guò)程，是流體邊界層熱傳導(dǎo)和流體運(yùn)動(dòng)熱對(duì)流綜合作用的結(jié)果。因此，“工程熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”這兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程緊密相連，有些學(xué)校直接將“流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)”作為一門課程進(jìn)行教授。

（二）“工程流體力學(xué)”與“工程熱力學(xué)”的聯(lián)系

“工程熱力學(xué)”也是熱能工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。“工程熱力學(xué)”和“工程流體力學(xué)”這兩門課程的內(nèi)容既有區(qū)別，又有聯(lián)系，通過(guò)對(duì)比教學(xué)可以加深學(xué)生對(duì)概念的理解。比如對(duì)于“理想氣體”與“理想流體”的概念，工程熱力學(xué)中的“理想氣體”指分子是彈性的、不占體積的質(zhì)點(diǎn)，且分子間沒(méi)有相互作用力;而流體力學(xué)課程中的“理想流體”是假想的、無(wú)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(guò)對(duì)比分析，使學(xué)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(xué)方法的探討

（一）提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

由于“工程流體力學(xué)”這門課程比較抽象和枯燥，因而學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中效率很低。興趣是成功之父。如果能夠抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，那么就相當(dāng)于完成了該課程一半的教學(xué)任務(wù)，學(xué)生在接下來(lái)的學(xué)習(xí)就會(huì)變被動(dòng)為主動(dòng)。比如男生喜歡汽車，可以在教學(xué)過(guò)程中找一些流體力學(xué)成功運(yùn)用在汽車行業(yè)的例子，這樣就能激發(fā)學(xué)生對(duì)感興趣領(lǐng)域的探索，主動(dòng)學(xué)習(xí)這門課程。如果能夠引導(dǎo)學(xué)生解決學(xué)習(xí)上遇到的難題也將會(huì)收到很好的效果。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到難題時(shí)，老師不應(yīng)直接把答案告訴學(xué)生，而是通過(guò)循循善誘的方式引導(dǎo)，讓學(xué)生自己征服一個(gè)又一個(gè)困難，獲得心靈上的滿足和智力上的發(fā)展。

（二）教學(xué)內(nèi)容分塊

流體力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容可以分為偏理論和偏工程實(shí)際兩大塊，不同的學(xué)生對(duì)流體力學(xué)知識(shí)需求不同，因而在教學(xué)過(guò)程中老師可以將流體力學(xué)分為學(xué)術(shù)類和工程技術(shù)類。許多同學(xué)在大三就確定接下來(lái)繼續(xù)深造還是找工作。所以，在開(kāi)始教學(xué)的時(shí)候讓決定繼續(xù)深造的學(xué)生接受偏理論的學(xué)習(xí)，使他們集中精力考研;讓畢業(yè)要找工作的學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)類的內(nèi)容，為他們接下來(lái)找工提供一份有分量的籌碼。

（三）CFD在“工程流體力學(xué)”上的應(yīng)用

CFD是近代流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，用以模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)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(dòng)、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)等等。CFD引入教學(xué)可以將抽象概念變成形象的畫(huà)面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有利于加深學(xué)生對(duì)概念和相應(yīng)知識(shí)的理解與運(yùn)用。

（四）多媒體和板書(shū)的結(jié)合

正確處理多媒體和板書(shū)的關(guān)系，既要將多媒體這種現(xiàn)代化的教學(xué)方式充分利用起來(lái)，開(kāi)闊同學(xué)們的視野，還要加強(qiáng)傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)關(guān)鍵公式的理解記憶。多媒體教學(xué)能夠?qū)⒑艹橄蟮牧黧w流動(dòng)形象的展現(xiàn)出來(lái)，能夠激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想能力，使學(xué)生對(duì)流體力學(xué)模型有一定的感性認(rèn)識(shí)。如講到卡門渦街，有風(fēng)吹過(guò)電線發(fā)出嗡嗚聲的動(dòng)態(tài)畫(huà)面;在講到機(jī)翼升力原理，有飛機(jī)在起飛和降落時(shí)機(jī)翼的畫(huà)面;在講到伯努利方程，有水庫(kù)儲(chǔ)水和放水的畫(huà)面。流體在流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程如果不是親眼所見(jiàn)，很難建立起清晰的數(shù)學(xué)物理模型。但是光有對(duì)現(xiàn)象表面的認(rèn)識(shí)是不夠的，要想透過(guò)表面的現(xiàn)象認(rèn)清本質(zhì)還應(yīng)該建立起數(shù)學(xué)物理模型，要通過(guò)大量的公式推導(dǎo)求證得出，這樣就需要老師通過(guò)對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的反復(fù)書(shū)寫(xiě)講解，加深學(xué)生對(duì)公式的理解和記憶。這兩種教學(xué)方法相輔相成，既避免了學(xué)生的長(zhǎng)時(shí)間精力高度集中產(chǎn)生疲勞，又加深了他們對(duì)這門課程的理解。

（五）考試的改革

考試成績(jī)能夠反映出學(xué)生對(duì)課程的掌握程度，但這并不是絕對(duì)的，因而要減少期末成績(jī)?cè)谠撜n程評(píng)定上所占的權(quán)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(jì)算題，而運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)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(duì)學(xué)科知識(shí)的理解和運(yùn)用是非常不利的，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，更限制了大學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。但是以考試督促學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)還是非常必要的，使考試試題規(guī)范、科學(xué)、新穎，才能既考查了基本知識(shí)，又提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，老師應(yīng)該多增加課堂和學(xué)生的互動(dòng)，并且增加這一方面的考核。改革后的考試方法避免了學(xué)生只注重記憶，是對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力和素養(yǎng)的全面考核，提高學(xué)生的不同能力，提升綜合素質(zhì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

為使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握“工程流體力學(xué)”課程的內(nèi)容，教學(xué)改革是必要的和緊迫的。以上教學(xué)方法的改革與實(shí)踐可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]

[收稿時(shí)間]2014-12-28

[基金項(xiàng)目]本文系“江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金”（No.11JDG152）和“江蘇大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”（No.201310299007W）的研究成果。

[作者簡(jiǎn)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)。