面向環境工程專業的《流體力學》教學探討

王軍 麻巍巍 刁永發

摘要：文章概述了流體力學的特點，在此基礎上結合從教經驗，探討了提高流體力學教學質量的方法和技巧。

關鍵詞：流體力學；教學改革；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0158-02

環境工程是一門與土木建筑、化學工程、生物學、氣象學、管理學和社會學等多門學科相關的交叉學科，通過評價人類生產和社會活動對環境的影響，用具體的工程、規劃和管理措施，控制環境污染，保護環境與資源，使社會、經濟和環境協調發展。環境工程專業的目標是培養具有可持續發展理念，具備水、氣、固及物理性等污染防治，環境監測與評價、環境規劃與管理、資源保護等方面的知識，具有進行污染控制工程的設計及運營能力，制定環境規劃和進行環境管理能力，以及環境工程新工藝和新設備的研究和開發能力，能在政府部門、規劃部門、經濟管理部門、設計單位、工礦企業、科研單位、學校等從事規劃、設計、管理、教育和研究開發方面工作的環境工程學科的高級工程技術人才。環境工程專業培養的學生應具有扎實的環境工程理論知識、專業技術和工程設計能力，特別是在有機廢水的生物化學處理、可持續發展的垃圾填埋處置、綠色交通體系構建及環境污染修復的生態工程等方面的理論和技術具有特色。其主干課程包括：土木工程制圖、工程力學、物理化學、工程流體力學、環境工程微生物學、環境監測、環境工程原理、水污染控制工程、固體廢物處理與處置、大氣污染控制工程、環境規劃與管理從環境工程專業的培養目標、專業特點及主干課程中可以看出流體力學這門課與環境工程專業人才的培養有著千絲萬縷的聯系。那么流體力學是一門什么樣的學科呢？流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產活動中隨時隨地都可遇到流體，大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個地球，地球表面的70%是水面。大氣運動、海水運動乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學的研究內容。所以流體力學是與人類日常生活和生產事業密切相關的。遠古時代，人類就會根據流體的流動性，采用疏浚的辦法治理洪水，如古埃及人對尼羅河泛濫的治理及中國大禹治水的傳說；不僅如此，古時候的人們還利用河水的流動特性，修建引水灌溉工程，如李冰父子修建的都江堰河道及古羅馬人修建的供水管道系統，至今還在發揮著作用。古希臘的阿基米德建立的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎，對流體力學學科的形成做出了重要貢獻。隨著經典力學中速度、加速度，力、流場等概念的建立以及質量、動量、能量三個守恒定律出現，流體力學逐步成為一門嚴密的學科。20世紀初，隨著飛機出現，流體力學領域出現新的分支學科——空氣動力學和氣體動力學。空氣動力學和氣體動力學的飛速發展導致飛機和其他各種飛行器得到迅速發展，使人類的活動范圍擴展到其他星球和銀河系，從而使航空航天事業得到蓬勃發展，也使空氣動力學和氣體動力學成為流體力學中最活躍、最富有成果的領域。隨著工業和軍事領域的發展，流體力學分化出了更多的新領域及交叉領域，如石油和天然氣的開采，地下水的開發利用導致了滲流力學的出現，滲流力學還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術問題。燃燒過程的研究導致了物理-化學流體動力學的出現；對原子彈爆炸產生的沖擊波的研究，形成了爆炸力學，對沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題研究導致了多相流體力學出現；對等離子體在磁場作用下運動規律的研究催生了等離子體動力學和電磁流體力學，它們在受控熱核反應、磁流體發電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應用；環境問題的出現及對流體力學在環境問題的研究中的應用，導致了環境流體力學的發生與發展；流體力學在血液在血管中的流動及心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養液的輸送的研究中的應用，導致了生物流變學的出現。綜上所述，流體力學的出現、發展來源于人類的生產實踐、人類同對自然界的認識、探索及人類同自然災害的斗爭，同時對人類的生產活動和探索活動期指導作用。因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學，主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態之間的相互作用的力學分支；從對不同“力學模型”的研究來分，則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。在生活、環保、科學技術及工程中具有重要的應用價值。

流體力學中研究得最多的流體是水和空氣。除水和空氣以外，流體還指作為汽輪機工作介質的水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產生成分復雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等，氣象、水利的研究，船舶、飛行器、葉輪機械和核電站的設計及其運行，可燃氣體或炸藥的爆炸，汽車制造，以及天體物理的若干問題等等，都廣泛地用到流體力學知識。因此流體力學是化工、環保、土木建筑、給排水、能源等許多專業的專業基礎課。因此該門課是培養專業人才的基石，具有舉足輕重的地位。流體力學的內容包括流體靜力學、流體運動學及流體動力學。流體動力學的理論基礎包括納維-斯托克斯方程、邊界層理論及位勢流理論等。流體力學的學習涉及到力學知識和、高等數學的微積分知識及場論，學生普遍對這些內容感到頭疼，因此教好流體力學，對老師是一個不小的挑戰，而學好流體力學，對學生來說，更是一個挑戰。首先在教學方面，很多專業在流體力學的教學上，縮減學時數，而流體力學理論和應用兩方面的內容都很多，要在短時間內把理論和應用都講透徹，幾乎是不可能的。其次從學生的角度來講，覺得流體力學理論部分太抽象，主要是流體力學涉及到受力分析及數學里面的微積分、張量等，而這些知識都讓人感到高深莫測；而涉及到理論部分在工程上的應用，就更讓人一籌莫展了。因此很多時候一提到流體力學，就會令老師擺腦袋、學生皺眉頭。筆者在近幾年的流體力學教學中，積累了一點教學心得和體會，在這里想和各位同行分享。在流體力學的理論部分的教學方面，以激發學生的學習興趣為首要任務。興趣是最好的老師，因此這是任何專業的流體力學需要做的事，而且也是很不容易做到的事。那么如何才能激發學生學習流體力學的興趣呢？首先要讓學生感到流體力學這門課非常有用，只有讓學生感到流體力學這門課有用，學生才會有興趣來學習。在講新的原理之前，先提出一些與該原理有關的日常生活中的現象，并讓他們來解釋，因為沒有學過這個原理，他們肯定解釋不出來，這個時候老師再揭示謎底，說這些現象與我們即將要講的某某原理有關，該原理具體是什么樣的呢？怎么用這個原理來解釋老師提到的這些現象呢？學生們就會帶著這些問題來聽老師講解了，這樣給學生們上課就會收到事半功倍的效果了。比如講到動量定理的時候，先讓同學們思考：機動船在水中前進的動力來自于何處？飛機為什么能在空氣中前進？待把動量定理講完后，再讓同學們用剛學過的原理來分析這兩個問題。再比如柏努力方程是關于能量守恒的問題，在講完柏努力方程的時候，可以讓同學們用該原理來分析電風扇周圍的流場分布，也就是風扇周圍哪個地方的流體壓強大，哪個地方的流體壓強小，并用柏努力方程來解釋；還有火車開動時，人或物離火車太近，容易被卷入軌道，是什么原因等等，都可以用柏努力方程來解釋。通過對這些習以為常的現象的分析，一方面不僅可以加深同學對柏努力方程的理解，更重要的是可以激發同學的學習熱情。其次是收集一些流體力學原理在生產、交通、軍事等領域中重大事件中的應用，激發學生的時代責任感，讓他們感到為了國家和民族的發展、為了國家的繁榮昌盛而努力學習是一件光榮的事，增加同學努力學習的動力。比如給同學們講講空氣動力學專家錢學森、馮.卡門及普朗特的故事，或者講講空氣動力學在軍備中的重要作用、錢學森老前輩在我國的航空航天領域的發展中的突出貢獻及水力學在三峽大壩建設中的作用等等。同學就會覺得原來學好流體力學這門課，不光是學位、文憑的事，更重要的是可以為國家做貢獻，從而樹立遠大的理想，學習上就會有動力了。再次要讓枯燥的理論公式變得生動有趣。在理論公式的學習中，注重介紹理論公式產生的背景及其應用，淡化公式的推導過程，強調推導過程中用到的數學知識的名字，布置任務，讓學生們課后自己查閱數學書籍，自己動手推導公式，課堂上再檢查，調動同學的學習主動性，培養學生的自學能力。在公式的應用方面，老師在課堂上要多講例題，多讓學生練習，讓學生做到舉一反三，觸類旁通，在理論公式的應用過程中，讓學生體會到學習到知識的喜悅，體會到成就感，從而激發學生的學習熱情。再次，流體力學理論內容繁多，在教學內容的選材方面必須根據專業特點進行取舍，體現專業特色。與專業關系密切的部分，重點講述，與專業關系不大的，作概述，做到師傅引進門，修行在個人，給學生留有思考的余地。比如環境工程專業、建筑環境與設備及能源與環境等專業都有各自的特點，而流體力學都是它們的專業必修課，因此在講流體力學課的時候就需要緊扣專業的培養目標。環境工程中，污水處理設施中的氧化溝與流體力學中的明渠流相同、污水沉淀池的溢流堰與流體力學的堰流有關……這些與環境工程專業特點聯系較緊密的章節，應該選作重點，而其他與環境工程專業聯系不大的章節，可以作為自學部分，老師在課堂上點評。在流體力學的工程應用教學方面，緊密結合本專業的特點，理論聯系實際。帶領學生實地考察，從生產中發現問題，并用相應的流體力學知識來解決；或從現場采集數據，用相應的流體力學知識進行驗算，并與實際的數據進行比對，討論理論計算值與實際數據產生差異的原因，從而增強學生的工程觀念。

如何搞好流體力學的教學是一個不斷探索的過程，需要同行之間交流與切磋，共同提高，為培養高素質的人才，而共同努力。