對土木專業《流體力學》教學的幾點體會*

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對土木專業《流體力學》教學的幾點體會*

前言

《流體力學》是研究流體機械運動規律及其應用的學科，是土木工程專業一門必修的專業基礎課程。土木工程專業的流體力學課程將為水文學、土力學、工程地質、土木工程施工、建筑設備等多門專業基礎課程和專業課程闡釋所涉及的流體力學原理，幫助學生進一步認識土木工程與大氣和水環境的關系。對于土木工程專業學生來說，《流體力學》與專業主干課的聯系不夠緊密，但是《流體力學》廣泛應用于土木工程的各個領域，例如風對高聳建筑物的荷載作用、水工建筑物地基的抗滲穩定處理等都依賴于水力分析和計算。因此，《流體力學》課程對于培養土木工程專業的學生的綜合能力和良好素質至關重要。作者在給土木專業講授《流體力學》課程的過程中，積累了一些體會，主要是以下幾個方面。

一、充實緒論內容袁提高學生學習的內在動力

由于土木專業學生在大學一、二年級接觸的多是固體力學，到了大三一旦遇到流體力學，可能接受起來會遇到很多困難。而流體力學又是一門理論性和工程實際意義都較強的課程，具有理論不易掌握、數學推導較多、對學生高等數學要求較高、與學生已具備知識體系聯結不夠緊密、土木專業學生對于課程的重視程度不夠等特點[1，3]，給課程的教學帶來一定的難度。因此，首先需要解決學生的學習興趣問題，作者認為可以從以下幾個方面入手。

（一）列舉工程應用實例，提高學生學習興趣

學生的學習興趣對于學習效果具有顯著的影響，在講相應章節時應該舉出一些工程實例來激發學生的學習興趣，對于土木工程專業的學生來說更重要的是如何應用到實際工程中[2，4]。如在《緒論》的講述中應該舉出一些與土木工程專業有關的流體力學問題，例如南水北調工程中水流采用有壓管道輸送時，在管道轉彎處會產生很大的推力，因此需要設混凝土支墩，如何計算支墩的大小關系到水流能產生多大的推力，推力計算與流體動力學的動量定理密切相關；在講解表面張力時，可以給學生兩塊玻璃，中間用水粘在一起，如果想把兩塊玻璃分開需要用力，其實就是要克服水與玻璃表面的表面張力作用。

（二）列舉流體造成的災害，使學生增強控制流體造成災害的使命感

由于人類排放大量污染物于天然水體中，排放的污染物量超過了水體的自凈能力，導致近年來水污染事件多次爆發，如2005年11月哈爾濱水污染事件，2007年太湖藍藻污染事件，2012年12月山西長治市苯胺泄污染事件等等，給當地人們生活帶來很大問題，甚至威脅生命。如何計算污染物隨流體運動擴散遷移的路徑就是典型的流體力學問題，在哈爾濱水污染事件中，由于流體力學研究者的精確計算導致人們對于停水時間有了判斷的初步依據，哈爾濱市民的恐慌情緒大幅緩解。

（三）列舉人類歷史上利用流體資源，變害為利的工程，激發學生學習熱情

人類歷史上利用流體資源，變害為利的例子數不勝數。比較著名的有：1.約公元前256年，李冰父子組織修建了大型水利工程都江堰，由分水魚嘴、飛沙堰、寶瓶口等部分組成，兩千多年來一直發揮著防洪灌溉的作用，使成都平原成為水旱從人、沃野千里的“天府之國”；2.貫通海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系的京杭大運河對中國南北地區之間的經濟、文化發展與交流，特別是對沿線地區工農業經濟的發展起了巨大作用。

二、教學內容上的重點、難點突出

在土木專業《流體力學》的教學過程中，以下幾部分是其中的重點、難點，需要在教學過程中加以重點闡述。

（一）靜力學部分

靜力學部分的內容高中階段已經簡單介紹過，在本科教學階段靜力學部分主要介紹平面和曲面上受到的水壓力及作用點。難點在于：學生需要與從解析公式過渡到利用高等數學中的微積分理論得到相應結論，而學生對于微元體的分析方法不夠熟練，導致推導過程有困難，進而影響后續內容的學習，曲面上受到的水壓力采用壓力體進行求解，而壓力體的概念是學生不太容易掌握的，在講解過程中，多舉些例題反復強調，并帶著學生多做練習鞏固，在做練習的過程中深入對于壓力體概念的理解。

（二）流線、跡線

流線、跡線的概念是比較難于理解的，應該重點強調，流線的落腳點在空間位置，跡線的落腳點在質點，如果能夠借助于動畫制作更能幫助學生理解概念，在講解過程中應該多舉例子說明。例如可以把閱兵時表演的空軍飛機比喻成質點，飛機拉出的彩色運行軌跡就是跡線，如果拍一張照片，照片上的飛機表演隊組成的圖案就可以看成是流線。如果每架飛機運行軌跡不隨時間變化，飛機順序通過空間固定位置，則單架飛機的流線就是整個空間的跡線，故恒定流的流線與跡線重合。這樣的例子可以幫助學生加深對流線、跡線的理解。

（三）孔口、管嘴及堰流

在講解孔口、管嘴、堰流這部分流體力學應用的章節時，由于公式推導過程較簡單，不需在課堂上全部講解，可以讓學生們自學得到相關公式，應該把重點放在講解孔口的不同形式、流速系數和流量系數對于孔口與管嘴、短管的區別、對于自由出流與淹沒出流的區別、對于不同形式堰的區別等等，并舉例說明。

三、作業和實驗環節

（一）作業

作業是學生學習《流體力學》必不可少的環節，學生通過做作業才能深刻理解課本內容，掌握流體力學的思維方法。布置的作業應該包括一些基本題和附加題，其中基本題是學生必須要掌握的，運用書中的公式可以得到正確的結果，附加題是培養學生開拓思維的、比較困難的題目，不一定要求學生每題都做，有些題目可以直接寫出思路即可，真正使學生通過做題目幫助其掌握《流體力學》這門課的思維方法。

（二）實驗

由于《流體力學》是一門理論和實驗相結合的課程，學生自己動手做一些實驗對于培養學生的主動思維和創造性具有積極作用，現在實驗室的設備還需進一步完善，應該充分發揮學生的能動性，鼓勵學生自己開發出一些實驗設備。結合流體力學課程申請SRTP項目，如結合節能減排設計綜合節能環保小屋，雨水綜合利用等等項目，使學生在項目實施過程中無論是專業技能和創新能力都得到鍛煉。

四、教學方法采用問題探索的形式

土木工程專業學生學習《流體力學》更多地應該關注于課程的應用，即學習了這門課程，對于土木工程專業的學生將來從事工程設計、施工中能夠發揮怎樣的作用。因此，在講授相關章節時，盡量提出問題讓同學們思考，引導同學得到書中的公式，思考問題的解決方法，使學生在學習這部分內容后能夠回答出來，這樣得來的知識更加深刻，也進一步提升學生學習的成就感。

例如在講授“流體靜力學”的章節時，提出“人在水下能潛多深”的問題，讓學生在學習這章的內容后得出自己的結論。并能提出相關的問題，例如為什么深潛動物能夠潛到水下七八百米的深度等等。在講授“流體動力學”章節時，提出“野外輸水大管道遇到地形改變必須轉彎時，如果不加支座會怎樣？如果加支座需要如何設計支座的荷載？”；在講授“邊界層理論基礎”章節時，提出“高爾夫球的表面應該是光滑還是粗糙，汽車的阻力來自前部還是后部”[5]等問題。學生在學習相應章節時就會一直帶著問題思考，而不會被復雜繁瑣的公式所困擾。

五、教學手段現代化

（一）鉆研課程內容，制作動畫

傳統教學通常是一支粉筆、一個板擦，在知識爆炸的21世紀，這種教學方法顯然有些落后了，顯得枯燥、呆板。在課堂上增加一些視聽感受能夠明顯提高教學效果，并能通過動畫設計使學生的思路跟著老師走，動畫制作既可以采用powerpoint，也可以采用flash制作，還可以研制CAI（Computer Aid Instruction）軟件，動畫可以涵蓋基本概念、習題解答、模擬實驗等各個環節，因為流體力學是研究流體運動的科學，采用動畫效果更能提高學生的學習興趣，使枯燥繁瑣的學習變成生動活潑的活動。

（二）采用“互聯網+流體力學”方式，全方位建立流體力學課程的網絡應用

目前是互聯網時代，在網上可以通過建立QQ群或網頁公布課程的教學日歷、教學大綱、教學課件、習題答案等等幫助學生學習，還可以在線答疑，及時解決學生學習上的困惑。隨著智能手機的普及，可以建立微信群與學生交流互動。

六、向學生介紹一些流體力學上的經典袁提升學生利用所學知識解決問題的動力

（一）達朗貝爾佯謬

圓柱體在靜止流體中作等速直線運動時，阻力為零，這個結論與實際流體繞圓柱體流動的實驗結果是不一致的。在普朗特創立了邊界層理論以來，這個問題才得以解釋。主要是由于實際流體粘性作用，圓柱前、后表面上的壓強分布不對稱，由于邊界層分離，在圓柱尾部的壓強較前部低，造成壓差阻力，這樣的解釋符合實際觀察到的情況。

（二）判別流態的無量綱數——雷諾數

雷諾實驗在圓管中進行了大量的實驗，發現了流體的兩種流態—層流和紊流。經過對實驗數據的分析整理，創建了無量綱數—雷諾數作為判別層流和紊流的依據，這個結論被尼古拉茲等眾多科學家加以證實，兩種不同的流態其能量損失規律具有顯著差異。

這些流體力學問題現在看來容易理解，但是在流體力學的發展過程中，長期困擾著科學家們，介紹這些內容有助于幫助學生樹立信心，開拓思維，提升創新能力。

七、結束語

綜上所述，本文針對目前土木工程專業流體力學課程教學中存在的一些主要問題，在教學方法、教學內容和教學模式上提出一些舉措，流體力學在土木工程專業教學過程中首先必須提升學生的興趣，豐富教學內容，其次注重重點、難點、作業及實驗環節，再次優化教學手段，提升教學高度。在實際教學過程中尋覓適合土木工程專業的流體力學教學模式，培養出能把所學知識應用到實踐的復合型人才。

參考文獻

[1]王偉.土木專業工程流體力學課程教學研究[J].山西建筑，2008，34（21）：182-183.

[2]肖淑杰.土木專業流體力學課程改革探討[J].教研，2012，11（上旬刊）：34-35.

[3]喻萍，袁蘇躍，董羽蕙.土木專業《流體力學》教學模式探討[J].昆明大學學報（綜合版），2003（2）：82-83.

[4]張秀芳.關于土木力學本科專業《流體力學》課程設置的新思考[J].科技信息，2010（26）.

[5]朱俊鋒，梅群，李一帆.淺談土木工程專業工程流體力學課程教學改革[J].山西建筑，2010，36（23）：224-225.

王玉敏余冉
（東南大學能源與環境學院環境科學與工程系，江蘇南京210096）

摘要：土木專業的《流體力學》課程是一門重要的專業技術基礎課程，為了提升教學效果和質量，作者在土木專業《流體力學》的教學實踐過程中，積累得到以下體會：首先要提高學生的學習興趣，因為興趣是學好任何一門學科的根本動力；其次在教學方法和教學手段上應該主次分明，分層次教學，重點介紹難以理解的基本概念及基本理論，對于容易理解的內容盡量鼓勵學生自學。教學手段應該先進、自動化程度較高；最后應該培養學生自己動手解決問題的能力，即加強課后作業和實驗的環節。

關鍵詞：學習興趣；教學方法；教學手段；解決問題

*本文為東南大學英文淵雙語冤課程、系列研討課程和校企共建課程建設項目

Abstract:The course "fluid mechanics" is an important professional and technical basic course for students of civil engineering specialty. In order to improve the teaching effect and teaching quality, the author has gained some experience which is as follows: firstly, we should raise students' learning interest which is the foundation for studying any subjects; Secondly, teaching methods and teaching measures should be classified. The basic concepts and basic theories which is difficult to be understood should be focused on. Students should be encouraged to self-study con-tents that are easy to be understood. The teaching measures should be advanced and highly-automated; finally we should train the students to develop the ability of solving problems by themselves which means that after-class as-signments and experiments have to be introduced.

Keywords:studying interest; teaching method; teaching measure; problem-solving

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）02-0069-02