流體力學(xué)教學(xué)過程中的思考與探索

亓玉棟 宋桂梅 李慧敏

摘 要：流體力學(xué)是很多工科專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程之一。通過在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教學(xué)中對課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)手段與實踐教學(xué)的改進(jìn)、重視基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)與應(yīng)用、注重理論與實際的聯(lián)系、調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性、既要講授知識更要重視過程、開展拓展性教學(xué)訓(xùn)練等措施，在多年的教學(xué)過程中潛移默化形成了以上做法，收到了在校學(xué)生及畢業(yè)生的好評。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；探討

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）05-0047-03

Abstract： Fluid mechanics is one of fundamental technical courses for some engineering majors. Under the subtle influence of many years' teaching process， through adjusting teaching contents， improving educational methods and practice teaching， paying attention to the study and application of basic course， emphasizing the relation between theory and practice， stimulating students' activity and initiative， placing equal emphasis to knowledge and teaching process， and developing expanding teaching training in the major of built environment and energy application engineering， this course has gained good reputation from many students at school and graduates.

Keywords： fluid mechanics； teaching reform； discussion

流體力學(xué)是很過工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對宇航、熱能動力、水利水電、土木、化工、環(huán)境氣象、船舶與海洋工程等專業(yè)是一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，和其他力學(xué)課程相比，既具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、理論性強(qiáng)、工程應(yīng)用廣等共同特點，又有其特殊之處。流體力學(xué)中有許多復(fù)雜現(xiàn)象、概念和公式，難以理解和掌握，使得流體力學(xué)教學(xué)難度大，同時為實現(xiàn)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力”的培養(yǎng)目標(biāo)，課程學(xué)時被不斷壓縮[1]。如何根據(jù)專業(yè)和課程的特點來調(diào)整教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和重點，切實不斷提高教學(xué)效果，保證教學(xué)質(zhì)量，是流體力學(xué)教學(xué)工作中必須注意的問題。

下面將結(jié)合本人十余年來的教學(xué)經(jīng)歷，從理論教學(xué)、實踐教學(xué)及如何調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性等方面，僅就建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)過程中的幾點嘗試作進(jìn)行初步探討。流體力學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的教學(xué)目標(biāo)是：通過各種教學(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、水力計算方法和實驗的基本技能，為學(xué)習(xí)專業(yè)課程、從事專業(yè)工作和進(jìn)行科學(xué)研究打下堅實的流體力學(xué)基礎(chǔ)。本課程注重訓(xùn)練學(xué)生對流動現(xiàn)象全面細(xì)致的觀察能力和運(yùn)算分析能力，培養(yǎng)學(xué)生從紛繁復(fù)雜的流體運(yùn)動中抓住重點以及進(jìn)而從基本原理出發(fā)提煉出流體力學(xué)模型的科學(xué)思維方法。積極引導(dǎo)學(xué)生重視對物理概念、流動本質(zhì)的理解，密切結(jié)合本專業(yè)而理論聯(lián)系實際地學(xué)習(xí)。

一、理論教學(xué)

（一）課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

如前所述，流體力學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是后續(xù)課程如流體輸配管網(wǎng)、傳熱學(xué)、暖通空調(diào)等的基礎(chǔ)，因此授課內(nèi)容應(yīng)注意與前后課程的銜接。由于舊的教學(xué)模式的“慣性效應(yīng)”，各課程之間過于追求“自身”體系的完整性和獨立性，同時現(xiàn)有教材為保持自身的系統(tǒng)性和完整性在專業(yè)內(nèi)部存在不同課程之間內(nèi)容的重復(fù)，因此需要教研室全體老師對各門課程授課內(nèi)容及學(xué)時進(jìn)行集體研討，特別是針對內(nèi)容重復(fù)部分進(jìn)行合理分配，以充分利用有限的學(xué)時數(shù)并緩解目前存在的專業(yè)課程學(xué)時有限的壓力。如在本課程的授課過程中因“總水頭線和測壓管水頭線”“管路的串聯(lián)與并聯(lián)”“管網(wǎng)計算基礎(chǔ)”“泵與風(fēng)機(jī)”等部分章節(jié)內(nèi)容與“流體輸配管網(wǎng)”課程內(nèi)容重復(fù)，經(jīng)集體商議以上內(nèi)容安排在“流體輸配管網(wǎng)”課程中進(jìn)行講解。最終該課程各部分內(nèi)容學(xué)時分配見表1。

（二）重視基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)與應(yīng)用

流體力學(xué)課程理論性強(qiáng)、公式繁多復(fù)雜、概念抽象難以理解，為便于學(xué)生接受和理解，每次下課前將下次課用到的數(shù)學(xué)公式作為課外作業(yè)讓學(xué)生自己查詢，而在每次上課前將本節(jié)課用到的數(shù)學(xué)公式寫在黑板的右上角，以便在公式推導(dǎo)中能便于理解。同時注重數(shù)學(xué)中的概念、公式在流體力學(xué)中的應(yīng)用，如針對課程中部分概念和公式，如牛頓內(nèi)摩擦定律中的速度梯度、連續(xù)性方程、流體的旋度等概念則與高等數(shù)學(xué)中的公式梯度、散度、旋度直接聯(lián)系起來；歐拉法中質(zhì)點運(yùn)動加速度與隨體導(dǎo)數(shù)；質(zhì)量力勢函數(shù)與函數(shù)的全微分、空間曲線積分與路徑無關(guān)等高數(shù)相關(guān)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，使學(xué)生加深對課程的理解并重視高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)及與相關(guān)課程的聯(lián)系與應(yīng)用。

（三）注重理論與實際相結(jié)合，增加講課的趣味性

學(xué)以致用，學(xué)習(xí)的最終目的是為了應(yīng)用特別是對于工科類專業(yè)，流體力學(xué)也不例外[2]。在講到表面張力時不妨先想想為什么浮在水面的硬幣不會下沉？被水打濕的衣服為什么容易粘連在一起？在講到繞流阻力時，可讓學(xué)生思考高爾夫球的表面是光滑還是粗糙？行駛的汽車其阻力主要來自汽車前部風(fēng)流的阻擋作用還是后部？飛機(jī)機(jī)翼的升力是來自機(jī)翼下部還是上部？旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的足球為什么按“貝氏弧線”運(yùn)動？“鯊魚皮”泳衣表面與普通泳衣相比有什么特點？為什么能夠減小游泳時的阻力？在講到流體粘性時，不妨思考高中課本中的賣油翁“油自錢孔入，而錢不濕”，除去“惟手熟爾”的因素外，如果將油換作水或酒還能那么輕松嗎？如果賣油翁和一賣酒翁相比，兩人均能“自錢孔入，而錢不濕”，你認(rèn)為誰的技術(shù)更高超，為什么？……這些問題在課堂上未必當(dāng)堂給出解釋可以讓學(xué)生在課下思考并探尋解釋，一方面能增加課程的趣味性并能鍛煉學(xué)生分析與解決問題的能力[3]。

二、教學(xué)手段和實踐教學(xué)

改進(jìn)教學(xué)方法和手段是課程建設(shè)的一個重要方面，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法也有其獨特的魅力與功效。授課過程中針對理論性與邏輯性較強(qiáng)的公式采用傳統(tǒng)的板書授課；對部分流動動畫如紊流與層流、繞流脫體、卡門渦街、繞流升力等則采用多媒體授課為輔。在一定程度上緩解了課程學(xué)時少而內(nèi)容多的壓力，近6年來，該教學(xué)方式一直得到學(xué)生的好評。

實驗是本課程的一個重要教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，不僅能加深對課程所學(xué)內(nèi)容的理解，更能培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動手能力。實驗包括演示性實驗和測量實驗，雷諾實驗和水擊實驗為演示實驗，其目的是細(xì)致觀察流動現(xiàn)象，加深對流動機(jī)理和測量設(shè)備的感性認(rèn)識；測量實驗主要是通過實驗驗證所學(xué)理論，掌握并熟悉常規(guī)的測量技能，分析實驗數(shù)據(jù)和編寫實驗報告的能力，具體實驗內(nèi)容如表1所示。實驗共安排9學(xué)時，為解決學(xué)生人數(shù)多（兩個班，約70人）、實驗儀器與設(shè)備有限并保證實驗效果，采用利用學(xué)生空閑時間分組輪流進(jìn)行，一般被安排在了周末及晚上，保證了實驗效果，但大大增加了實驗老師的工作量。

三、積極調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性

流體力學(xué)作為一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，其與我們的工作生活息息相關(guān)，鼓勵學(xué)生注意觀察、思考生活中與流體有關(guān)的一切物理現(xiàn)象，并學(xué)會利用所學(xué)知識分析問題。鼓勵學(xué)生對所感興趣的問題成立興趣研究小組，共同探討研究流體力學(xué)中的一些小課題并嘗試撰寫小論文，對學(xué)生的一些奇思妙想甚至異想天開的想法積極進(jìn)行引導(dǎo)，最近6年來，每年都有學(xué)生申請實用新型專利被授權(quán)或撰寫論文被錄用發(fā)表，這極大的促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時根據(jù)學(xué)生所取得的成果在最終成績提交時給予5～10分的獎勵。

四、要講知識，更要講過程

流體力學(xué)公式繁多，講課的過程不僅要講知識，還要講知識產(chǎn)生、來源與推演過程，使學(xué)生了解相關(guān)知識提出的背景、采用的思維方法與處理手段，所謂“授人以魚不如授人以漁”，同時可適當(dāng)?shù)膶⒁恍┤宋牡闹R和名人典故帶進(jìn)課堂，使學(xué)生增加對課程的理解，如在講到湍流部分的“卡門渦街”理論時可對，可對馮·卡門進(jìn)行簡單介紹，同時可借此講講錢學(xué)森與馮·卡門之間的典故，以激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和對課程的重視程度。而不論是從早期的阿基米德、牛頓、伯努利、歐拉……到19世紀(jì)的赫姆霍茲、雷諾、普朗特……20世紀(jì)的馮·卡門、錢學(xué)森、泰勒……，可以看出他們不僅僅是在流體力學(xué)領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域如數(shù)學(xué)、熱學(xué)、物理、電磁等不同領(lǐng)域可能做出了歷史性的貢獻(xiàn)。因此，流體力學(xué)的發(fā)展不可能離開數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展，藉此可激勵學(xué)生對數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的重視。

五、進(jìn)行拓展性教學(xué)訓(xùn)練

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）受到普遍重視，已成為很多專業(yè)研究生教育的必修課程，因此鼓勵有余力感興趣的本科生可以在老師及研究生的指導(dǎo)和幫助下盡早應(yīng)用CFD進(jìn)行相關(guān)問題的應(yīng)用模擬。如可利用其進(jìn)行等溫射流、貼附射流及溫升射流的模擬，并與理論值進(jìn)行比較，同時也可以藉此模擬冬季利用散流器頂送或側(cè)送所存在的問題。當(dāng)然更鼓勵學(xué)生對自己看到或想到的問題進(jìn)行模擬分析，如各類流動現(xiàn)象，在教學(xué)過程中先后有本科生對卡門渦街進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析對比了不同的網(wǎng)格尺度對卡門渦街現(xiàn)象模擬結(jié)果的分析；也有同學(xué)對彎管中的二次流產(chǎn)生了好奇，對其產(chǎn)生的機(jī)理及壓強(qiáng)與流速分布難以理解，對此進(jìn)行了CFD的數(shù)值模擬，借助模擬的云圖與動畫加深了對這些物理現(xiàn)象的認(rèn)識，并在班上將自己的模擬結(jié)果對大家進(jìn)行了展示。這極大的刺激了大家的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

六、結(jié)束語

流體力學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，授課內(nèi)容應(yīng)由全系老師研討商定，以防不同課程之間的內(nèi)容重復(fù)及授課學(xué)時緊張；因課程內(nèi)容與公式繁多復(fù)雜，在教學(xué)過程中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生對高等數(shù)學(xué)等相關(guān)內(nèi)容和知識點的回顧與應(yīng)用，注重對專業(yè)基礎(chǔ)的培養(yǎng)；根據(jù)課程應(yīng)用性較強(qiáng)的特點可以適當(dāng)?shù)呐c后續(xù)專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行引導(dǎo)，以引起學(xué)生對課程的重視程度，也可以讓學(xué)生對常見的流體現(xiàn)象及典故進(jìn)行解釋說明，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題及分析問題的能力；對流體力學(xué)課程的教學(xué)，要講知識更要講過程，適當(dāng)講解知識產(chǎn)生的歷史及演進(jìn)，以學(xué)習(xí)前人分析問題的方法，對學(xué)有余力的同學(xué)可進(jìn)行拓展性教學(xué)訓(xùn)練。在多年流體力學(xué)的教學(xué)過程中逐漸養(yǎng)成了以上的教學(xué)做法，根據(jù)學(xué)生的測評及畢業(yè)后分反饋，認(rèn)為該方法是行之有效的。

參考文獻(xiàn)

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