關于工程流體力學教學過程中的幾點思考

龐赟佶 陳俊俊 陳義勝 吳晅

摘要：工程流體力學是一門基礎性課程，具有較強的理論性和實用性。本文通過對工程流體力學本科教學過程中存在的主要問題進行深入分析，結合授課經驗、實際調查和課程自身的特點，從教學思想、教學方法和教學手段等方面對課程教學改革進行探討。

關鍵詞：工程流體力學;教學改革;教學方式;實驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）45-0143-02

流體力學，是力學的一個分支，主要研究流體的力學運動規律和應用，涉及能源、化工、水利、海洋、航空、冶金等領域。流體力學是一門不斷發展、不斷完善的學科，目前的分支主要包括工程流體力學、理論流體力學、水動力學、氣體動力學、粘性流體力學、多相流體力學、滲流力學、電磁流體力學、計算流體力學、實驗流體力學、非牛頓流體力學等等。工程流體力學主要針對能源、環境、采礦、化工、機械等工科專業開設，課程的側重點亦有所不同，主要偏重于實際工業過程的應用，趨向于解決工程中出現的實際問題，很多學者在工程流體力學的教學改革方面做了相應的探討[1-4]。

一、工程流體力學課程概況

1.課程內容和特點。工程流體力學是一門基礎性的課程，是力學的一個分支，課程主要著眼于工程和工業上的流動現象、流體理論和流體輸送的動力學過程。課程本身預備知識較多，需要具備高等數學、理論力學等學科的預備知識，同時還要有熱力學等學科方面的知識。課程研究的對象為流體，具有流動變形的特點，在研究和應用過程中需要著眼于歐拉空間，這與學生先前所學力學中的思維方式不同。

工程流體力學目前的教學內容包括流體的主要物理性質、流體靜力學、一元流體動力學、能量損失、孔口管嘴管路流動、氣體射流、不可壓縮流體動力學基礎、繞流運動、一元氣體動力學基礎和相似性原理和因次分析等。

2.教學過程中普遍存在的問題。流體力學有很強的理論性和實用性，學好流體力學對打好專業基礎有著重要的意義。筆者對所授專業的學生和授課教師進行了調研，并結合自身的授課經驗對教學過程中存在的問題作了如下總結：

對互聯網過度依賴。信息技術的發展和網絡設備的普及，使得在短時間內獲得大量的信息或實時獲得信息成為可能。近年來，學生過度依賴因特網，獲得知識的途徑簡潔化，可以隨時通過網絡輕易獲得答案或者解釋，跳過了對課程（或問題）思考和總結的過程，將知識碎片化，難以建立系統的知識體系。手機的網絡化對課堂授課有重大影響，如流體力學教學過程中引入流體概念的時候會提出“什么是流體”的問題，一些學生會回答“在剪切力作用下不斷發生形變的物體”，這明顯不是自己思考和總結的結果，而是拿出手機在網絡上搜索的答案，因為此時學生還沒有這個總結的能力。問答過程中本是提供了一個反思和想象的空間，而這樣的結果反而成為問答本身的過程，這樣很難培養學生獨立制定計劃、預測事態和獨立進行解決問題的能力，而培養能力恰恰是教育的重要環節。

缺乏追求真理的態度，創新不足。應試教育的影響深遠，以考試成績自評學習效果的認識根深蒂固，這種應試心理導致了對真理追求的缺乏。流體力學是理論性和應用性較強的課程，流體力學發展至今仍有較多未解決的理論問題，如湍流的機理和描述等。在講授和課下討論過程中，學生往往缺少懷疑態度。目前工程流體力學的教材較多，教師往往指定授課教材，學生認為考試內容超不出教材，導致課堂上做筆記的比例低，課下學習被動，對所留作業不認真思考，遇到問題不主動查閱資料，只限于書本，甚至抄襲布置的作業。

理論性較強的知識點教學難度大。課程中不可壓縮流體動力學基礎、繞流運動、一元氣體動力學基礎和相似性原理和因次分析這個章節理論性較強，學生接受效果不好，分析原因主要是因為教學過程涉及高等數學、牛頓力學，得出的結果均是以偏微分的形式表示出來（如N-S方程），甚至有些概念是以偏微分方程定義（如有旋流動），學生理解起來相對有難度，而且得出的方程沒有后續的應用和解析，致使理解抽象。

實驗性教學環節達不到教學預期目標。流體力學是在實驗的基礎上發展起來的學科，目前學科中一些機理的研究尚未成熟，如湍流理論等。一些理論是基于實驗而得出的結論或公式，屬于唯象理論，缺少嚴密的推導和論證，如總流伯努利方程中沿程阻力系數λ與雷諾數Re和相對粗糙度k/d之間關系的經驗公式。經驗公式的理解和接受需要實驗的背景知識和實驗的結合才能達到較好的教學效果。在實驗教學過程中，學生不能主動學習和思考，不能更好地理解實驗的意義。

二、教學手段和方法應對

課程講授過程中，可以通過適當的教學手段和方法激發同學的學習積極性。在信息時代的大背景下，如何更好地應用網絡和有效地激發學生創新意識是教育改革的重要課題，認清新形勢下學生所處的環境，采用有效的教學手段和方法，對教學過程有重要意義。

1.復合的課堂教學方式。復合的教學方式往往能夠達到較好的教學目的。在教學過程中，教師可以用圖形、流程和動畫等形式演示，將抽象的知識形象化、零散的知識系統化，同時，要重視板書這一教學手段。多媒體教學，可以傳遞較大的信息量，尤其在圖、表、流程、實驗動畫演示給學生提供直觀的演示和講解，但在理論推導方面達不到教學效果，學生普遍反映過快。講課提綱、重要概念、嚴謹理論推導部分應在板書中體現。如具備條件可在上課期間抽出幾分鐘做一個簡單的小實驗或者放映一些科學短片以提出問題。如在講解尼古拉茲實驗時，推導之間的關系和實驗思路以板書的形式展現，而對于實驗裝置、流程和結果的圖表化要以動畫和流程圖等形式在多媒體中表現出來，突出了實驗過程的層次，學生在聽課過程中就不會出現“只在此山中，云深不知處”。

2.強調基本概念。流體力學有其獨特的框架本學科是建立在連續介質力學假設條件下的知識體系，連續介質的概念就必須明確，流體運動的定律較多，在抽象為數學模型時需要模化，此時提出了相當的假設條件，如理想流體、恒定流、均勻流和不可壓縮流體等，這些假設貫穿于各個章節，需要準確把握其概念。另外一些基本概念容易理解錯誤，如相對壓強概念：以當地同高程大氣壓為零起始點的壓強，如果理解成以大氣壓為零起點的壓強，那么在理解氣體伯努利方程時就會出現問題。

3.工程和研究背景的重要性。在學習流體力學之前，學生接觸的大部分知識都是經典固體力學范疇。描述流體運動的方法分為拉格朗日法和歐拉法，由于流體的流動特性，在工程流體力學范疇基本上都是用歐拉法描述的，因此，明確歐拉法和拉格朗日法的特性非常重要。學生經驗公式的接受出現問題，如尼古拉茲實驗，這里要著重說明其歷史背景，在什么樣的情況下作此實驗，實驗的目的是什么，如何去做，得出什么結論，都要交代清楚，不然突如其來的結論和經驗公式學生有些茫然不知。另外，針對不同專業的學生，所講授內容要及時調整，所舉工程實例盡量與授課對象專業相近。

4.突出研究手段，增加綜合性和設計性實驗。研究手段的突出，使學生對知識的創造過程有進一步了解，進而開拓視野，積極思考。流體力學是從實驗發展起來的學科，因此，在教學中要突出實驗在流體力學中的地位，增加實驗學時，尤其是綜合性實驗和設計性實驗平臺[5]。流體力學中有較多的偏微分方程形式的數學模型和公式，這部分內容無論是在老師講授還是在學生理解上都較為抽象，應用已學高等數學知識不能求解這些數學模型，學生理解起來非常困難，因此介紹計算流體力學（CFD）的研究方法顯得非常重要。計算機的出現和發展對CFD技術的普及和發展起了巨大的作用，各種CFD商業軟件的研發和集成使CFD技術的應用更加簡單化，學習運用計算機工具解決工程問題已經成為一種常規手段[6]。另外應用解析方法理論分析也是流體力學研究過程中非常重要的手段。

5.及時更新教學內容，掌握學科前沿，激發學生的學習興趣。工程流體力學是面向部分工科專業的基礎課，在實際工作中有廣泛的應用，僅僅限于教材的講解或者限于學科內的講解，使學生只見樹木，不見森林。不同的專業，教學內容的側重點不同，如采礦專業在教學中教師要更多地結合礦井通風方向去講授，建環專業教學中要更多地結合通風、燃氣輸配等方向去講授，盡可能講解一些前沿的工程，開闊學生視野，注入新的思想。學生的關注點是與時代背景相關的，授課內容也要與時俱進。

三、結束語

總之，工程流體力學是很多學科的專業基礎課，要求學生要打好扎實的基礎，但從學生掌握程度來看，仍達不到教學要求，需對其進一步改革嘗試。針對目前的教學模式，教師要充分利用復合的教育技術與手段，結合現代的網絡資源信息，及時更新知識，掌握學科前沿。教學過程不是一成不變的，了解不同時期授課對象的思想變化，激發學生的學習興趣，講清楚知識的來龍去脈，揭示問題的本質，給學生創造獨立思考問題、解析問題、解決問題的空間，培養學生的創新意識，從而取得更好的教學效果。

參考文獻：

[1]陳曉珊，洪文鵬，張玲等.工程流體力學課程改革的思考[J].東北電力大學學報，2006，（3）：54-56.

[2]董慶偉.《工程流體力學》課程教學改革的實踐[J].中國現代教育裝備，2008，（12）：78-80.

[3]郭楚文，王利軍.關于工程流體力學若干問題的探討[J].山東電力高等專科學校學報，2011，（1）：37-39.

[4]黃芬霞.《工程流體力學》教學改革的探索[J].吉林教育，2009，（13）：46.

[5]章軍軍，崔秀紅.創新實驗的設計性和自主性[J].實驗技術與管理，2008，（7）：23-24.

[6]王增光，韓瑞仕.工程流體力學常用公式電腦計算程序[J].河北冶金，2001，（3）：54-56.