工科流體力學教學方法與改革

楊　揚　張勤星　王利霞　李倩

[摘 要]流體力學理論性較強，內容抽象，是學生認為比較難學的課程。本文從教學理念、教學思路、教學手段和方法等方面對流體力學課程教學與改革進行探討。在理論教學中，將精力集中在公式建立的基本原理及其適用條件上，側重于公式的推導思路，淡化公式推導過程；在教學手段上，將多媒體和數值實驗引入教學中，便于學生對復雜流動現象和抽象理論的理解；在授課過程中，采用多媒體技術具體形象地展示流體的抽象理論和復雜流動現象，達到了很好的教學效果，提高了教學質量。

[關鍵詞]流體力學 教學改革 教學方法

[中圖分類號] G424.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）05-0129-02

一、引言

流體力學是研究流體平衡和運動規律及其實際應用的技術科學，是航空航天、土木、機械、水利、化工、材料成型等多個學科的重要的專業基礎課。流體力學具有理論性強、概念和方程較多、對學生高等數學知識及綜合分析和處理問題能力要求較高[1]、工程實際應用廣等特點。學好流體力學課程對專業課學習甚至對將來工作中遇到的理論和實際工程技術問題的解決具有重要的意義。

在流體力學的學習中，學生需要掌握大量的概念、定理、公式、經驗參數和理論模型，而流體力學的理論較為抽象和深奧，且計算求解過程復雜，學生在學習過程中會覺得比較難學。[2]近年來隨著科學技術的突飛猛進，計算機技術、實驗手段和流體力學的應用都取得了長足的進步，如果仍然按照傳統教學模式來講授流體力學課程，那么學生就會覺得內容枯燥難懂，影響學生的學習積極性和效果。筆者根據多年流體力學的應用和教學的經驗，并參照兄弟院校的先進經驗，從教學理念、教學手段和教學方法等方面對流體力學教學改革進行論述。

二、教學理念的轉變

流體力學課程教學的主要目的，不僅僅是讓學生掌握課程理論知識，更是讓學生應用流體力學的基礎知識解決工程實際問題。因此，教師要在課程的第一次課，借助多媒體視頻手段介紹流體力學在各個領域中的實際運用，尤其是在本學科工程實際中的應用，使抽象的理論知識具體化，讓學生深刻體會學習流體力學的重要性，并激發學生的學習興趣。在基礎篇的課程講解中，注重思路和方法的講解，培養學生學習該課程和解決問題的能力。專題部分，每個專題要結合工程實際中的問題和學科前沿的發展講解，讓學生將所學知識更好地和工程實際結合起來，便于學生理解抽象的理論知識，并掌握在工程實際中的應用思路和方法。在整個教學過程中，把流體力學的教學從單純的專業理論知識教育轉變為知識、專業素質和能力并進的培養教育。 [3]

（一）課堂教學手段和方法的改革

1. 理論教學

理論內容是流體力學教學的主要部分，是進行實驗指導、工程應用的基礎。流體力學教材中有較多的計算公式及推導，在講授這些理論內容時，如果像數學的教學那樣，將重點放在公式推導上，不僅浪費時間，而且還可能使學生感到流體力學理論高深莫測，學習起來易產生畏難心理。所以，在教學過程中，應將精力集中在公式建立的基本原理及其適用條件上，側重于公式的推導思路。[1]學生理解了公式建立的原理和推導思路，公式推導自然就不是什么難事了。例如，在流體力學基本方程的講解中，以連續性方程為例，可將重點放在質量守恒定律的物理意義、流體微元各個表面上流入流出的流體的描述、微元內流體質量的變化及其各個量的數學描述上，根據質量守恒定律很自然地就可以寫出質量守恒定律的數學描述，剩下的工作，就是采用簡單的數學手段將公式簡化整理。

在講解公式的適用條件時，要讓學生明白，特定適用條件（可舉本學科工程實際或者生活中常見的現象）對應怎樣的數學描述，在適用條件的數學描述基礎上對應方程會有怎樣的簡化等。這樣學生就會對方程有充分的理解，比單純記公式效果要好得多。

相信大部分剛看到一堆公式就有點發怵的學生，經過這樣的講解都會有豁然開朗的感覺，理解連續性方程的推導過程自然也就不是問題了，同樣方法可用于動量方程和能量方程的推導。講完連續性方程的推導，引導學生討論動量方程和能量方程應考慮哪些物理量，并引導學生如何在單元體上應用動量守恒和能量守恒，這樣到了具體推導的過程大部分學生自己就能完成了。以這樣的方式講授流體力學課程，不但可以簡化繁瑣的數學推導過程，還可以使學生建立學科的思維方式，使流體力學的學習變得簡單易行。

學生通過這樣的方式學習流體力學，不僅學到知識，還形成學科思維方式，學到該類課程的學習方法并提高了利用流體力學知識解決實際問題的能力。

2.教學手段的改革

流體力學的很多理論較為抽象和深奧，許多復雜的流動物理圖像難于用語言清晰地描述出來，因此在課程的講解中，學生理解起來比較困難。

近年來，多媒體技術成為國內外改革教學方式的重要手段，利用多媒體可以形成新的教學模式，達到很好的教學效果，提高教學質量。[4]在教學的過程中，利用多媒體播放視頻動畫或者實驗錄像，將構造的生動實物形象搬上屏幕，引入課堂。這種方式形象生動，能夠幫助學生建立清晰的物理概念，縮短認識過程，加深學生對某些重要知識點的理解。

在實際教學中，有些流體力學現象無法用實驗來演示，有些實驗受各種條件的限制。在這樣的情況之下，電子演示技術便顯示其優越性。許多高校的流體力學國家精品課程，都有豐富的電子演示資源，尤其是上海交大丁祖榮教授的流體力學課程，將每部分的抽象概念和流體現象都做成了動畫，相信通過這些電子演示資源的演示，授課效果會得到大大提高。[6]

除了動畫外，電子演示資源還包括實際實驗現象的錄像和圖片、數值計算結果的動態演示和圖片、實驗演示錄像等多種形式，具體形象地展示流體的流動現象和抽象的概念，使一門抽象和深奧的理論課程的講授過程變得生動活潑，大大提高教學效果及教學效率。

（二）教學過程與本學科的工程實際結合

大學的工科課程教學的最終目的是讓學生學以致用，而目前高等教育普遍存在著理論知識與工程實際脫節的現象。將課程教學過程與本學科工程實際結合可改善目前的狀況。

在課程的專題部分，結合工程實際問題進行講授，也可邀請從事相關領域研究的教師加入一些與專題相關的專題講座，使學生對所學知識在實踐中的應用有一個更明晰的認識。另一方面，目前的數值模擬技術已經深入各個領域，在工程實際中都有相關的模擬軟件的應用。在教學過程中可引入流體力學模擬軟件[7]（如fluent軟件、CFD軟件以及與流體力學相關的本學科專業模擬軟件等）的介紹和一些具體應用的例子，并可作為大作業讓學生利用模擬軟件解決典型的問題和進行一些專題的數值實驗，還可以鼓勵學有余力的學生參加相關課題組教師的一些科研工作，以獲得直接的科研鍛煉，這樣不但可以使課堂內容豐富多樣，還可以使學生了解學科前沿的內容，接觸工程實際的具體問題。學生通過這些活動，綜合素質、創新精神與實踐能力都有所提高，為日后參加工作打下良好的基礎。

三、結束語

作為多個學科的專業基礎課，流體力學的教學目的不僅要讓學生學習到相關的理論知識，還要使學生掌握應用流體力學解決實際問題的能力。流體力學教學改革是目前各個高校流體力學課程共同關注的問題。從教學理念、教學手段和方法上對流體力學進行教改，并將流體力學的教學與本學科的工程實際緊密結合，取得了很好的教學效果。

[ 注 釋 ]

[1] 楊小林，楊開明，嚴敬，趙琴.流體力學課程教學改革探析[J].高等教育研究，2006（2）：47-48.

[2] 毛欣煒，毛根海.數字流體力學教學系統——力學課程的教學改革[J].力學與實踐，2004（6）：80-81.

[3] 黃芬霞.《工程流體力學》教學改革的探索[J].吉林教育，2009（5）：46.

[4] 嚴宗毅，蘇衛東.運用多媒體進行流體力學教學的體會[J].力學與實踐，2000（2）：56-58.

[5] 李巖，孫石.《工程流體力學》課程教學改革與實踐[J].科教文匯，2008（11）：88-89.

[6] 丁祖榮，流體力學（上、中、下）[M].北京：高等教育出版，2003.

[7] 鄭捷慶，鄒鋒，張軍，羅惕乾.CFD軟件在工程流體力學教學中的應用[J].中國教育裝備，2007（10）：119-121.

[責任編輯：覃侶冰]