過程流體力學課程多媒體教學素材庫建設

閆小康　王利軍　孫鳳杰　陳英華　李國盛　張海軍.中國礦業大學化工學院　江蘇徐州　6 .中國礦業大學電力工程學院 江蘇徐州　6

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過程流體力學課程多媒體教學素材庫建設

閆小康1王利軍2孫鳳杰1陳英華1李國盛1張海軍1
1.中國礦業大學化工學院江蘇徐州221116 2.中國礦業大學電力工程學院 江蘇徐州221116

摘要：過程流體力學課程由于數學性、理論性較強，相比其他課程，在多媒體教學過程中可使用的有效素材不夠完善。為此討論了建設全面、系統素材庫的必要性，提出了素材庫建設的具體內容及實現手段，以期為授課教師和學生提供一個輔助平臺，與傳統教學相結合提高教學效率和學生的培養質量。

關鍵詞：過程流體力學；教學；多媒體；素材

流體力學是研究流體受力及運動規律的一門學科，既有基礎學科的性質、又有鮮明的應用學科特點，工程流體力學課程在講授流體力學的基本概念、基本原理、基本理論與方法的基礎上，側重其在工程實際問題中的應用。過程流體力學課程中貫穿的工程應用則更側重于過程工業，是過程裝備與控制工程專業的主干課程和核心課程，為學生分析研究過程裝備中的流體流動規律、設計開發新型高效的過程裝備奠定必備的基礎[1]。

然而，由于教材中有較多的計算公式及推導，常使學生感到流體力學理論高深莫測，大部分學生對學習該門課程都有某種程度的畏懼感，導致課程的教學效果不是很理想。究其原因，一方面由于課程本身理論性強、知識點不易表達另一方面由于學生對課程提不起興趣，聽課變成被動地為了應付考試而進行的一種固化行為。

作為授課教師，有責任將過程流體力學這門事實上博大精深而奇妙橫生的學科，想盡各種教學手段和方法，扭轉其在學生心目中的印象，變被動為主動，使學生在輕松、愉快的氛圍下領會貫通課程知識要點。

1　多媒體教學素材庫建設的必要性

傳統授課方式以“講授”為主，通過口頭解釋、文字表達或板書幫助學生理解知識點，“講”課非常重要，也是每一個教師必須掌握的最重要的基本技能。但是我們不能忽視當今大學生在接受新知識上的特點，網絡和信息科技的飛速發展，使他們更愿意接受形象生動、感性直觀的東西，單純說教式的教學方式已不能“抓”住學生，多媒體教學手段的運用為問題的解決提供了契機，可以為學生提供“看”到知識的平臺，有效調動學生的主動性和積極性。但是限于該學科理論性強、知識點抽象的特點，給多媒體教學的發展也帶來了難度，相對于其他學科尤其體現在可用多媒體素材的匱乏上。就目前該課程多媒體教學素材來講，存在著以下幾方面的問題。

1.1 數量較少、質量不高

教學素材以圖片為主，缺乏形象生動、感染力強的感性認識材料，使學生看到事物在運動、發展、變化的動態影像素材匱乏，僅有的少量視頻資料也存在著年代長久、分辨率低、制作粗糙的缺點。

1.2缺少系統性和完整性

過程流體力學課程表面上看起來幾乎全都是公式、方程，其實每一個知識點都在現實的物理現象當中有所映射。但是目前的可用素材多集中在幫助概念理解上，在守恒原理、邊界層理論等章節，相關素材尤其是動態素材就顯得捉襟見肘。

1.3 知識面拓展素材缺乏

為提高學生興趣，幫助學生了解學科前沿，教師在傳授教材知識的同時，有必要將相關的工程應用、科學研究以及生活中的流體力學現象等拓展知識介紹給學生，比如在講解相似理論時，可以給學生播放飛機風洞實驗相關的視頻資料。然而，這方面的案例雖然多，但是制作成可用多媒體素材的少之又少。又比如在科研中，經常會把工業設備縮小到實驗室規模進行預研究，這也是講解相似理論的很好的素材，但是由于空間和時間的限制，不太可能讓每名學生都到教師的科研實驗室實地觀摩，只通過口頭講解或者照片的方式，教學效果不理想。

1.4 缺乏專業特色

作為過程裝備專業的核心課程，學生經常困惑這門課程對于他們的專業學習有什么用。因此，我們有必要在講解的過程中，穿插和專業相關的流體力學應用案例。例如在講解靜力學的時候，和儲槽設計結合起來；講解繞物平面流動時，和塔設備的風載校核聯系起來。同樣這些案例由于低年級學生還不具備專業知識，對一些過程裝備沒有基本認識，單憑口頭講解無法達到授課目的，因此非常有必要補充相關的影像素材。

1.5 實驗演示素材亟待補充

在學校條件受限的情況下，若課程所配備的流體力學實驗課時不足時，如果將部分實驗采用計算機技術制作成交互式動畫，在課堂上演示給學生，將是一種非常有效的彌補手段。

1.6 無開放、共享措施

現有的視頻、圖像資料，學生只能在有限的傳播范圍內觀看，沒有規范化的平臺或媒介供學生下載，日常學習。

鑒于此，需對過程流體力學課程的多媒體教學素材進行全面、系統地建設，包括教學素材的梳理、搜集、制作和整合，素材主題涵蓋基礎理論理解、知識面拓展、工程應用案例、實驗演示等方面。通過該素材庫的建設，為授課教師和學生提供一個輔助平臺，與傳統教學相結合，使“教”和“學”都不再成為壓力，激發和調動學生的學習主動性和積極性，培養學生理論聯系實際的創新意識，這對于提高學生的培養質量具有重要意義，更是研究型大學培養有創造力學生的基本要求。

2　多媒體教學素材庫的主要內容

過程流體力學多媒體教學素材庫建設應包含以下方面。

2.1 基本概念教學素材

主要圍繞課程的《流體的力學性質》《流體流動的基本概念》章節進行素材的建設。素材主題涵蓋課程涉及的主要概念。例如，流體的黏度、壓縮性、表面張力特性的直觀表現；歐拉法、拉格朗日法、跡線、流線的動畫表征；有旋和無旋流動、層流和紊流的動態觀察、邊界層流動現象和邊界條件對流場的影響等。

2.2 靜力學、動力學教學素材

主要圍繞課程的《流體靜力學》《流體流動的守恒原理》章節，包括慣性坐標系和非慣性坐標系下的靜力學問題以及守恒方程的驗證及綜合應用。例如連續性方程、動量守恒方程的驗證和伯努利方程的應用等，這方面素材制作可以以教材例題或者課后習題為藍本。

2.3 知識面拓展素材

對課程相關知識點進行拓展，包括工程應用案例、科研案例、生活中的流體力學現象以及大自然中流體力學現象等素材。例如沉水走廊設計中的靜力學問題、大型浮選裝備的實驗室規模預研究案例、飛機機翼、汽車外形設計中的流體力學問題等。

2.4 專業特色素材

包括流體力學在過程裝備原理、設計和優化中的應用。例如攪拌設備中的流型圖、換熱器中的管道流動阻力、塔設備內部的多相流問題、流體機械內流問題等方面的素材建設。

2.5 實驗演示素材

可制作部分演示實驗和操作實驗的動畫及錄制視頻，例如現代測量技術中PIV，LDV原理的動畫素材以及測量過程的視頻錄制，勢流疊加演示、管道阻力系數測定、動量方程驗證等實驗的多媒體演示素材建設。

3　多媒體教學素材庫建設的實現手段

教學素材主要以高質量圖片、動畫、視頻形式展現，并配有文字說明或語音講解，通過搜集、制作、錄像、CFD模擬等方式獲取，最后通過合理整合形成課程的多媒體素材庫，借助網絡媒介進行發布和共享。主要實現手段如下。

3.1 搜集

一些非常著名的流動現象，如邊界層分離、卡門渦街和空化、汽蝕等，已有諸多學者在研究過程中使用流動顯示技術拍攝下來并共享；一些自然景觀的圖片稍微加工就可以為我們所用，如江河湖泊的洶涌流動是給學生講授湍流特征的很好的實例；高層樓廈、大型塔設備等建筑物后方受風作用而引起的振動所產生的毀滅性破壞的錄像，使學生認識到進行此類設備設計時都要進行風載計算或風洞模型實驗，以保證不會因黏性氣流的高速繞物流動造成建筑物的破壞[2]。

3.2 動畫制作

利用計算機技術，制作高質量、高分辨率動畫，用于解釋概念和原理，模擬演示流動現象、實驗過程。條件允許的話可以由本科生完成該項內容，以大學生創新訓練計劃的形式進行，或者作為一次課后大作業，將學生分為若干個興趣小組，每個小組選擇一個流體力學原理或者實驗進行動畫的制作。

3.3 視頻錄制、拍攝

教學視頻素材制作主要通過現場錄制的形式進行，包括三類：實驗室實驗錄制、流動現象錄制、工程應用案例錄制。一些實驗室實驗，如沿程阻力實驗、流體靜壓強等實驗，可視效果比較明顯，可以將其實驗攝像用于課堂教學；教師或者研究生的科研實驗現象錄制也可以作為拓寬學生知識面的很好的素材；隨著流體力學的發展，分析手段更加先進，許多第一手的流動現象可以通過高速攝像機等設備錄制下來。通過這些實例讓學生認識到理論和實踐的關系，認識到這門學科并不是高深莫測、虛無縹緲的。

3.4 CFD數值模擬

CFD技術可以對各種設備內流、物理問題進行數值模擬，通過對計算結果的后處理將流場信息以直觀的圖片、動畫表現。在科研中應用較為廣泛，常用于解決各種工程實際問題，其對于課堂教學來講也是一個很重要的輔助工具。該項技術主要應用于專業特色素材庫的建設上，例如在授課之前事先將一換熱器或者機械攪拌裝置進行非穩態的CFD數值模擬，通過后處理提取其內部流動的動態視圖，不僅可以幫助學生理解設備原理，還可引導學生在傳統設計的基礎上，對設備主體結構或者內構件進行創新性設計思考。

4　結束語

本文提出建立全面、系統的過程流體力學多媒體教學素材庫用于輔助教學，素材以高質量圖片、動畫、視頻方式呈現，通過搜集、制作、錄制、CFD模擬等手段進行資源的整合，素材主題涵蓋基礎理論理解、知識面拓展、工程應用案例、專業特色案例、實驗演示等方面的內容。為授課教師和學生提供一個輔助平臺，與傳統教學相結合，激發和調動學生的學習主動性、積極性。同時培養學生獨立思考、分析和解決問題的能力，對于提高教學效率和學生的培養質量具有重要意義。

參考文獻

[1] 黃衛星,肖澤儀,伍勇,魏文韞.過程裝備專業工程流體力學課程的地位與教學要求[J].化工高等教育,2010(1):21-24.

[2] 石爾,衣曉青,余濤,劉小波.可視化數字技術在《工程流體力學》課程教學中的應用[J].廣東化工,2009,36(193):238-240.

Construction of the Material Library for Multimedia Teaching of Processing Fluid Mechanics

Yan Xiaokang, Wang Lijun, Sun Fengjie, Chen Yinghua, Li Guosheng, Zhang Haijun
1. School ofChemical Engineering &Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China 2.School ofElectric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China

Abstract:The effective material for the multimedia teaching of processing fluid mechanics is far from adequate owe to its strong theoretical and mathematical features. Begin with the necessity analysis of a complete and systematic material library construction, the detailed content and the implementation approaches of the media library construction is discussed. This media library is supposed to be a helpful platform for teachers and students in teaching and studying. The work has important implications for the improvement of teaching efficiency and the cultivation quality of students.

Key words:processing fluid mechanics; teaching; multimedia; material

基金項目：中國礦業大學教改項目資助。121111

作者簡介：閆小康，博士，講師。

收稿日期：2015-06-03