熱能與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)方法探討

郝彩俠　張海平　牛建會(huì)

摘 要：流體力學(xué)課程概念多、理論抽象、計(jì)算公式繁多、流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜且與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密。根據(jù)該課程的特點(diǎn)，采用全面的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，給學(xué)生提供理論知識(shí)應(yīng)用的平臺(tái)，在傳授該課程理論知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程的能力。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；應(yīng)用；實(shí)際工程

流體力學(xué)是熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要主干基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是通過(guò)各種教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本概念、基本理論、基本計(jì)算方法，從而具有一定的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，為專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。理論推導(dǎo)公式并且應(yīng)用于工程中是該課程的基本特點(diǎn)。如果不注重講授方法，很容易產(chǎn)生消極、沉悶的課堂氣氛，直接制約和影響教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果。因此在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，讓學(xué)生掌握基本理論知識(shí)和應(yīng)用技能，需要教師有良好的教學(xué)方法。良好的教學(xué)方法既能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程乃至該專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。本文通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐來(lái)探討實(shí)際教學(xué)中采用的各種教學(xué)方法。

一、以生活實(shí)例引出流體力學(xué)的相關(guān)理論

我們生活在流體（空氣）所包圍的環(huán)境中，流體力學(xué)知識(shí)滲透到生活中的方方面面，許多流體問(wèn)題與生活息息相關(guān)。學(xué)生對(duì)流體世界僅有感性認(rèn)識(shí)而缺乏理性認(rèn)識(shí)。如果教師能建立一個(gè)流體力學(xué)的體驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生從生活認(rèn)知上升到流體認(rèn)知，那么他們就容易接受并應(yīng)用流體力學(xué)的基本理論知識(shí)。為此，教師可以以生活實(shí)例結(jié)合相關(guān)的流體理論知識(shí)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。用現(xiàn)實(shí)、熟悉的生活常識(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考和學(xué)習(xí)。學(xué)生將會(huì)深刻理解并掌握該理論知識(shí)點(diǎn)。因?yàn)槭煜さ那榫呈菍W(xué)生課堂學(xué)習(xí)的出發(fā)點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)的情境是學(xué)生思維的支撐點(diǎn)。比如講解流體的粘性時(shí)，大多數(shù)學(xué)生會(huì)有疑問(wèn)，“什么是流體的粘性”、“為什么感覺(jué)不到水或空氣的粘性”，不能理解流體粘性的含義。這時(shí)候教師可以用日常生活中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明，用筷子攪動(dòng)飯盆中部的水，整個(gè)盆中的水都被帶動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而停止攪動(dòng)后，水旋轉(zhuǎn)逐漸緩慢直至靜止，筷子并沒(méi)有接觸到盆中所有的水，但是盆中的水隨之運(yùn)動(dòng)。所以得到流體的粘性即為能帶動(dòng)或阻礙鄰近流體運(yùn)動(dòng)的特性結(jié)論。通過(guò)舉例，學(xué)生容易掌握流體的基本物理性質(zhì)及其在后續(xù)課程中的應(yīng)用。盡管有比較復(fù)雜的公式和嚴(yán)密的理論，但流體力學(xué)同時(shí)也是一門(mén)貼近生活的學(xué)科，可以列舉很多相關(guān)的生活實(shí)例，借此引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生通過(guò)實(shí)例能真正掌握相關(guān)理論，這是流體力學(xué)課程的一個(gè)重要的特點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合

流體力學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門(mén)學(xué)科，流體力學(xué)中的基本概念、基本理論都是在實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)中建立并發(fā)展起來(lái)的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是流體力學(xué)課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但目前大多數(shù)院校的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)存在著相脫節(jié)的現(xiàn)象，教師在課堂講完理論后，學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟去驗(yàn)證理論結(jié)果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不明顯，學(xué)生的積極能動(dòng)性和創(chuàng)造性得不到有效的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)與理論有機(jī)結(jié)合能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到流體力學(xué)并非大量復(fù)雜公式堆積的理論學(xué)科。例如在講靜力學(xué)等壓面時(shí)，教師可以先在課堂上演示實(shí)驗(yàn)，裝置示意圖如圖1所示，打開(kāi)閥門(mén)A，同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)B，水箱的水通過(guò)連通的管路流動(dòng)到測(cè)壓管1和2中，讓學(xué)生討論兩管中水位的高度是否相同及其原因。待水靜止后，可以看到兩個(gè)測(cè)壓管中水柱的高度相同；放掉主管路中的水，關(guān)閉閥門(mén)A和閥門(mén)B，從兩個(gè)測(cè)壓管上部注入密度不同的兩種液體，再次觀察，可看到兩個(gè)測(cè)壓管中液面的高度不同；打開(kāi)閥門(mén)A和B，讓管路中的水流動(dòng)起來(lái)，觀察測(cè)壓管中水位高度。教師可根據(jù)三次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問(wèn)題：為什么管中是同種流體時(shí)，兩支測(cè)壓管水位高度相同？管中注入非同種流體和流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)壓管水位高度為什么不同？學(xué)生就此現(xiàn)象可開(kāi)展討論，大大激發(fā)了學(xué)生探索流體力學(xué)基本規(guī)律的興趣。最后教師可講解靜壓強(qiáng)等壓面的基本理論知識(shí)并用其解釋三次測(cè)壓管高度差別的原因。同時(shí)可以讓學(xué)生自己總結(jié)水平面為等壓面的條件。

實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，理論是總結(jié)。理論源于實(shí)驗(yàn)，并高于實(shí)驗(yàn)，具有高度的概況性和總結(jié)性。實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的課堂教學(xué)，可以用形象化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，自己總結(jié)流體靜止的基本規(guī)律，教師及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和拓展。這種教學(xué)方法不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生真正融入到課堂教學(xué)中，而且使理論教學(xué)更加清晰明了。大大提高了學(xué)生的探索欲和求知欲，使得學(xué)生接受和理解能力得到了進(jìn)一步提高。

三、多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

本科學(xué)生在接觸專(zhuān)業(yè)課之前很少有機(jī)會(huì)接觸到工程實(shí)際，缺乏對(duì)工程的感性認(rèn)識(shí)，因此難于理解一些抽象的理論。教師可以采用多媒體來(lái)輔助教學(xué)，在課堂上演示一些流體流動(dòng)現(xiàn)象，采用特寫(xiě)手段處理流動(dòng)現(xiàn)象，既真實(shí)又藝術(shù)的再現(xiàn)了流體的流動(dòng)，從而將枯燥的理論描述變成新穎形象的實(shí)踐演示。在形象化的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象有了一定的感性認(rèn)識(shí)，再經(jīng)教師的強(qiáng)化，易于理解和接受抽象的理論，從而實(shí)現(xiàn)了感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍。例如在講解水擊現(xiàn)象時(shí)，教師用語(yǔ)言描述的水擊現(xiàn)象，學(xué)生很難理解和掌握。如果利用水擊錄像，學(xué)生通過(guò)畫(huà)面便可清楚的觀察到水擊現(xiàn)象的全過(guò)程，教師可以再配以圖片講解熱能動(dòng)力專(zhuān)業(yè)實(shí)際中的設(shè)備及管道產(chǎn)生水擊的原因，以及如何避免水擊造成工程上的破壞等。學(xué)生通過(guò)真實(shí)案例認(rèn)識(shí)到該課程在工程上的重要性。培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，同時(shí)，學(xué)生也真正明白了現(xiàn)在學(xué)習(xí)的理論知識(shí)在將來(lái)工作中的重要性。

而對(duì)該課程中理論公式的推導(dǎo)，必須使用傳統(tǒng)教學(xué)中的板書(shū)，教師將理論、教學(xué)方法融為一體，通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，推導(dǎo)理論公式。例如，在講解壓差阻力時(shí)教師可以借助形象的圖片講解汽車(chē)的一次次外形改進(jìn)的歷史，從早期箱形車(chē)、甲殼蟲(chóng)型車(chē)、魚(yú)型車(chē)到現(xiàn)在的流線(xiàn)型汽車(chē)，汽車(chē)的阻力系數(shù)從0.8降低到0.137，僅為原來(lái)的1/6。目前在汽車(chē)外形設(shè)計(jì)中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車(chē)具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。[ 1 ]通過(guò)講汽車(chē)外形發(fā)展歷史吸引學(xué)生的注意力，創(chuàng)造良好課堂的氣氛，然后引出流體邊界層分離產(chǎn)生壓差阻力等基本理論知識(shí)，這時(shí)學(xué)生會(huì)恍然大悟，由此明白了汽車(chē)外形的演變過(guò)程，掌握了邊界層分離的理論知識(shí)。合理使用多媒體，并使其與傳統(tǒng)教學(xué)巧妙結(jié)合，這樣才能達(dá)到最佳的教學(xué)質(zhì)量和效果。

四、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)比分析問(wèn)題的能力

流體力學(xué)課程的各章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系緊密，前面章節(jié)的理論是后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。部分知識(shí)點(diǎn)及理論貫穿于流體力學(xué)課程教學(xué)的始終。教師在教學(xué)過(guò)程中注意培養(yǎng)學(xué)生對(duì)比分析問(wèn)題的能力。尋找相同知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系并總結(jié)分析其異同之處，從而使學(xué)生能真正具備應(yīng)用理論知識(shí)的能力。例如在推導(dǎo)能量方程時(shí)，涉及到緩變流過(guò)流斷面上壓強(qiáng)的分布規(guī)律，得到和靜力學(xué)中壓強(qiáng)分布規(guī)律相同的結(jié)論，即z+=C。但二者應(yīng)用條件有所不同，在緩變流同一過(guò)流斷面上任意點(diǎn)的位置勢(shì)能和壓強(qiáng)勢(shì)能之和相同，而不同過(guò)流斷面這兩種勢(shì)能之和并不相同。而靜力學(xué)中在同種流體內(nèi)，任意點(diǎn)的這兩種勢(shì)能之和均相同。講解時(shí)注重讓學(xué)生自己來(lái)對(duì)比總結(jié)其相同及不同之處。又如講解相同質(zhì)量流量下，速度和過(guò)流斷面的關(guān)系時(shí)，教師可以提出問(wèn)題“流體在圓形管道中流動(dòng)時(shí)，管徑小則流速大，管徑大則流速小”，學(xué)生一般會(huì)根據(jù)水在管道中流動(dòng)的特點(diǎn)認(rèn)為這種說(shuō)法正確。這時(shí)，教師可以結(jié)合流體的壓縮性，將氣體的超聲速和亞聲速兩種流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，氣體作亞聲速流動(dòng)時(shí)，速度和斷面面積成反比；而氣體作超聲速流動(dòng)時(shí)，速度隨著斷面面積增大而增大。一般情況下，不考慮水的壓縮性，認(rèn)為水的密度不變，從而得出速度與斷面成反比的結(jié)論。而氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮到密度變化，可得到兩種不同的結(jié)論。通過(guò)對(duì)比分析，可培養(yǎng)學(xué)生全面分析問(wèn)題的能力。

五、加強(qiáng)作業(yè)和習(xí)題的講解與討論

流體力學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)非常重要，教師要重視培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。比如并聯(lián)管路的水力計(jì)算在專(zhuān)業(yè)課程中占有很重要的地位，尤其是工程實(shí)踐中的水力平衡問(wèn)題。因此教師應(yīng)該嘗布置一部分與之相關(guān)的作業(yè)題，僅僅要求學(xué)生寫(xiě)出該問(wèn)題的解決方法，不必寫(xiě)出詳細(xì)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，這樣既能有效減輕學(xué)生的計(jì)算量，又培養(yǎng)了學(xué)生用流體力學(xué)的基本理論解決專(zhuān)業(yè)實(shí)際問(wèn)題的能力。

流體力學(xué)這門(mén)課程的基本概念、基本原理、基本計(jì)算方法多，如果教師只注重基本知識(shí)的講授，那么學(xué)生可能在應(yīng)用這些基本原理的時(shí)候可能會(huì)有困難，所以一定要加強(qiáng)習(xí)題的練習(xí)與講解，選擇一些具有代表性的題目在習(xí)題課上講解，選擇一些實(shí)際的例子課堂上探討。比如，在靜壓強(qiáng)習(xí)題課舉例時(shí)，可與學(xué)生共同探討著名的“儒可夫斯基佯謬”；[ 2 ]在課堂上提出“水壩縱斷面要做成上面窄下面寬的梯形形狀”；[ 3 ]講能量方程時(shí)，列舉“人們等候火車(chē)的時(shí)候不能站到離軌道很近的站臺(tái)邊緣處” 等這些日常生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，讓學(xué)生思考為什么，能使他們更加深刻理解并運(yùn)用課堂學(xué)到的基本理論，達(dá)到事半功倍的效果。

流體力學(xué)作為熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，既有較強(qiáng)的理論性，又和工程實(shí)踐緊密結(jié)合。教師在課堂教學(xué)過(guò)程中，必須采用多種教學(xué)方法和手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，從而達(dá)到流體力學(xué)的教學(xué)目的，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁祖榮.流體力學(xué)上冊(cè)[M].高等教育出版社，2005.12：2-3.

[2] 聞德蓀.工程流體力學(xué)上冊(cè)[M].高等教育出版社，2004.01：61.

[3] 周光垌.流體力學(xué)上冊(cè)[M].高等教育出版社，2003.04：80.

作者簡(jiǎn)介：郝彩俠（1978-），女，河北省藁城市人，漢族，講師，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)應(yīng)用。