流體力學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新的探索與實踐

劉志明　薛永飛

摘要：指出了流體力學(xué)課程是諸多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，扎實的流體力學(xué)基礎(chǔ)對于進(jìn)一步的專業(yè)課學(xué)習(xí)和畢業(yè)以后的工程實踐都非常重要。分析了流體力學(xué)課程的特點，并針對教學(xué)過程中存在的問題，從增強課堂師生互動、理論聯(lián)系實際、多媒體和板書有機結(jié)合、科學(xué)化考核、引入CFD等諸多方面進(jìn)行了初步的探索與實踐。實踐證明有助于提升教學(xué)效果，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）21020603

1引言

流體力學(xué)作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在諸多工科專業(yè)人才培養(yǎng)方案中都具有重要的地位。特別是隨著“厚基礎(chǔ) 寬口徑 強能力 高素質(zhì)” 現(xiàn)代高等學(xué)校跨世紀(jì)人才培養(yǎng)的基本目標(biāo)的確定，流體力學(xué)出現(xiàn)在越來越多的專人才培養(yǎng)方案中。諸如建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、土木工程、環(huán)境工程、水力工程、燃?xì)狻⒂吞镩_采與儲運、采礦工程等專業(yè)中均有不同課時的流體力學(xué)課程。

流體力學(xué)作為一門理論性很強的課程，包含了多個學(xué)科的知識，例如流體性質(zhì)、熱力學(xué)、高等數(shù)學(xué)和理論力學(xué)等。但是由于課程設(shè)置、培養(yǎng)模式、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)等方面因素的影響，各專業(yè)的基礎(chǔ)又不盡相同。流體力學(xué)具有與其他力學(xué)課程一樣的特點， 即描述比較抽象、概念較多、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。對學(xué)生來說，如果不能從中找到學(xué)習(xí)的樂趣和成就感，是相對枯燥的一門課。

因此，研究流體力學(xué)課程的特點，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行教學(xué)過程中的缺陷和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的問題，探索新形勢下的教學(xué)改革創(chuàng)新，避免學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的畏難情緒，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂趣，去積極主動的學(xué)習(xí)，成為擺在流體力學(xué)教課老師面前的重要課題。

2流體力學(xué)課程教學(xué)概況

2.1流體力學(xué)課程的特點

流體力學(xué)主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規(guī)律，以及其在工程實踐中的應(yīng)用，屬于力學(xué)的一個分支。課程主要側(cè)重工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中常見的流體力學(xué)現(xiàn)象及流體力學(xué)問題。學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程前需要學(xué)習(xí)掌握的預(yù)備課程包括高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、熱力學(xué)等。由于前期課程較多，并具有一定難度。所以流體力學(xué)的課程基礎(chǔ)也高低不一。

流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包括基本概念、基本原理和基本方法，突顯了“三基”的重要性。主要包括流體的力學(xué)相關(guān)概念和性質(zhì)、流體靜力學(xué)、一元流體動力學(xué)基礎(chǔ)、流動阻力和能量損失、孔口管嘴管路流動、氣體射流、不可壓縮流體動力學(xué)、繞流運動、一元氣體動力學(xué)基礎(chǔ)和相似性原理和因次分析等內(nèi)容。課程的內(nèi)容符合人們認(rèn)知新事物的規(guī)律，由淺入深、循序漸進(jìn)。流體力學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是為相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員提供必要的流體力學(xué)理論知識，解決科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的有關(guān)流體流動的問題。

2.2流體力學(xué)教學(xué)中遇到的問題

人類的生產(chǎn)和科技發(fā)展至今，很多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中都存在的大量的流體力學(xué)問題。因此學(xué)習(xí)掌握好流體力學(xué)對于各開設(shè)流體力學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說都具有重要的意義。根據(jù)近年的教學(xué)經(jīng)驗，在實際的流體力學(xué)教研活動中遇到的問題主要包括。

學(xué)習(xí)基礎(chǔ)各不相同。開設(shè)流體力學(xué)的專業(yè)涉及面非常多。學(xué)習(xí)流體力學(xué)各人的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不盡相同。從流體力學(xué)的期末考試成績來看，有90多分的，不及格的也有，學(xué)生之間的個體差異較大。

2.2.1過度依賴網(wǎng)絡(luò)

隨著校園網(wǎng)絡(luò)和智能手機的普及，學(xué)生幾乎可以隨時隨地獲得任何問題的答案。教師課堂啟發(fā)式的提問，本希望學(xué)生可以通過思考，從個人的思考角度獲得問題的不同答案。學(xué)生卻通過智能手機不加思考來獲得十分準(zhǔn)確的答案。這樣就放棄了思考的過程。對于學(xué)生探索新問題的能力培養(yǎng)非常不利。教師布置的課后作業(yè)本希望幫助學(xué)生對課堂上教授內(nèi)容的復(fù)習(xí)和進(jìn)一步鞏固。有了網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以輕易地從網(wǎng)上搜到整門課的課后習(xí)題的答案。這對于學(xué)生的獨立思考、解決問題能力的培養(yǎng)和鞏固學(xué)習(xí)非常不利。

2.2.2很難抓住學(xué)生的興趣點，吸引學(xué)生的注意力

特別是近年隨著智能手機的普及，學(xué)習(xí)之外的誘惑越來越多。如果學(xué)生感覺到課程枯燥難學(xué)，聽不懂，就極易出現(xiàn)學(xué)生課堂上發(fā)呆，或者是干脆玩手機，甚至出現(xiàn)逃課的情況。長此以往，將導(dǎo)致學(xué)生不學(xué)無術(shù)、荒廢學(xué)業(yè)。如果不能從學(xué)習(xí)中獲得成就感，感受到學(xué)習(xí)的樂趣，就會覺得內(nèi)容枯燥。雖然教師可以加強課堂教學(xué)秩序管理，但是如果不能從根本上解決學(xué)生的注意力問題，教學(xué)質(zhì)量則無法提高。

2.2.3部分章節(jié)理論性較強

流體力學(xué)課程中不可壓縮流體動力學(xué)基礎(chǔ)、繞流運動等章節(jié)中的內(nèi)容理論性較強，偏微分方程學(xué)生接受難度大。對這些章節(jié)容易失去興趣，甚至直接放棄這幾章的內(nèi)容。

3流體力學(xué)教學(xué)方法探索

針對上述流體力學(xué)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，必須拋棄傳統(tǒng)“灌輸式”教育模式，改變傳統(tǒng)老師全堂講，學(xué)生全堂聽，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下的現(xiàn)狀。從老師主動，轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒樱瑥墓噍斵D(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)。在教學(xué)各環(huán)節(jié)考慮到學(xué)生的實際情況，為學(xué)生學(xué)習(xí)服務(wù)。從而可以讓學(xué)生掌握好流體力學(xué)這門專業(yè)基礎(chǔ)課。流體力學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新與探索主要從以下幾方面入手。

3.1增強師生互動環(huán)節(jié) 注重聯(lián)系實際

要想吸引學(xué)生的注意力，抓住學(xué)生的興趣點，必須改變傳統(tǒng)“灌輸式”教育模式，讓學(xué)生真正參與到教學(xué)活動中。在師生互動中更扎實、更容易地掌握知識。例如在講表面張力現(xiàn)象時，首先提問大家生活中有沒有遇到過表面張力現(xiàn)象。有部分學(xué)生會回憶中學(xué)試管中讀數(shù)平視的問題，有部分學(xué)生會說到荷葉上的露珠問題。從而會引起大家的共鳴。然后一起分析產(chǎn)生表面張力現(xiàn)象的原因，再從本質(zhì)上解釋表面張力現(xiàn)象，把知識點揉進(jìn)與學(xué)生的互動當(dāng)中。進(jìn)而還要告訴大家表面張力現(xiàn)象在我們專業(yè)當(dāng)中也會出現(xiàn)。比如氣液兩相流動、液體的自由射流等。再進(jìn)一步提問中學(xué)試管中的液體讀數(shù)誤差具體是多少，引入毛細(xì)管現(xiàn)象。通過受力分析，得到毛細(xì)管中水的上升高度和水銀的下降高度。最后幫大家一起分析表面張力在什么情況下需要考慮，什么情況下可以忽略不計。得到結(jié)論：表面張力在一般工程實際中可以忽略不計。在液珠和氣泡的運動中、氣液兩相的流動傳熱過程中，將不可忽略。還可以引導(dǎo)感興趣的同學(xué)進(jìn)入兩相流動的學(xué)習(xí)，鼓勵更多的學(xué)習(xí)將來進(jìn)入研究生學(xué)習(xí)。endprint

3.2多媒體和板書相結(jié)合

隨著辦學(xué)條件的改善、硬件的更新，多媒體教學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了大多數(shù)的教學(xué)活動中。多媒體技術(shù)可以綜合視頻、動畫、文本、聲音、圖片等多種素材，更全面地給學(xué)生展示所教授的知識點，以學(xué)生更容易接受的方式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識。同時還可以增加教學(xué)活動中的趣味性。

但是多媒體教學(xué)也存在弊端。多媒體教學(xué)往往讓教學(xué)變得機械化、程序化，老師照屏宣科，學(xué)生照屏筆記，忽略了因材施教。而教學(xué)過程總是千變?nèi)f化，老師應(yīng)該關(guān)注課堂上學(xué)生的反映、接受程度、疑難知識點等方面，進(jìn)行靈活施教。

傳統(tǒng)板書具有直觀、簡潔、趣味、示范、靈活、啟發(fā)等特點。板書借助文字、符號和圖形等來突出課堂各知識點，老師方便強調(diào)重點和難點。在教學(xué)過程中可以拓展學(xué)生的思維，幫助學(xué)生形成科學(xué)的方法論。傳統(tǒng)教學(xué)中板書內(nèi)容一方面具有提綱挈領(lǐng)的作用，另一方面也是是整節(jié)課堂教學(xué)內(nèi)容的精華。特別是對于一些分析推導(dǎo)、演繹推理，在板書過程中完成，可以增加啟發(fā)性，增加學(xué)生參與課堂的積極性。

綜上，在教學(xué)過程中應(yīng)該把多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書教學(xué)相結(jié)合，揚長避短。利用多媒體的優(yōu)勢，增加抽象概念的直觀性，提高課堂教學(xué)效率。在一些受力分析和演繹推理過程中，則充分發(fā)揮課堂板書的特點，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生一起參與，逐步啟發(fā)。一方面使學(xué)生在參與過程中，掌握知識；另一方面還可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和方法。

3.3注重考核方式

課程考核是檢驗教學(xué)效果，了解學(xué)生掌握程度有效手段之一，屬于教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)之一。因此考核方式的科學(xué)性、客觀性、全面性，至關(guān)重要。

在日常教學(xué)活動中，課堂發(fā)言、課堂習(xí)題、課后作業(yè)、實驗等均納入了考核范圍。.

課堂發(fā)言最能顯示出學(xué)生聽課的專心和認(rèn)真程度。課堂積極發(fā)言的學(xué)生一方面在跟隨老師思路參與教學(xué)活動，另一方面也在積極思考老師提出的問題。對于課堂積極發(fā)言、回答問題的學(xué)生，平時成績應(yīng)給予加分。

課堂習(xí)題一般針對隨堂的重點難點內(nèi)容，用一道或者兩道典型題目，耗時10～15 min進(jìn)行隨堂練習(xí)。通過課堂習(xí)題可以幫助老師及時了解學(xué)生對于理論知識的理解和掌握程度、存在的問題等。由于時間緊，避免了學(xué)生之間的相互抄襲。特別是在講重點知識之前就說明要進(jìn)行課堂習(xí)題測試，這樣會進(jìn)一步增加學(xué)生的主動性。實踐表明，該方法不論對于了解學(xué)生掌握程度，還是對于增加學(xué)生學(xué)習(xí)效果都具有顯著的作用。

課后作業(yè)，不但看表象，還要看實際。批改作業(yè)過程中，對于疑似抄襲的學(xué)生，在課堂上針對性的讓學(xué)生上講臺重復(fù)作業(yè)題。即使存在抄襲，也不會再是簡單的抄襲，而是帶有學(xué)習(xí)的目的。促使學(xué)生即使抄不但要抄，并且還要抄會。

實驗對于流體力學(xué)的學(xué)習(xí)也至關(guān)重要，本身也是流體力學(xué)研究方法之一。流體力學(xué)的形成和發(fā)展過程都與實驗具有密切的聯(lián)系。目前的實驗教學(xué)大都是教師演示，學(xué)生學(xué)著做。同時，由于受實驗設(shè)備的限制，一般分組進(jìn)行，不能保證每位學(xué)生都可以親自操作，獲得切身感受。為了加強實驗教學(xué)，對實驗室的設(shè)備進(jìn)行了完善和購置。減少小組人數(shù)，確保每一個學(xué)生都真正參與到實驗當(dāng)中。

3.4引入CFD教學(xué)

CFD（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)伴隨著電子計算機數(shù)值計算和圖像技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)。流體力學(xué)的發(fā)展過程中出現(xiàn)了CFD技術(shù)，CFD技術(shù)的成熟和發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了流體力學(xué)的發(fā)展。理論分析、實驗研究、CFD方法，三者構(gòu)成完善的、系統(tǒng)的流體力學(xué)研究方法體系。

在教學(xué)過程中有意識的向同學(xué)介紹CFD的概念、原理、方法，然后當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生了好奇心后再向?qū)W校介紹相關(guān)的商業(yè)軟件，比如Fluent、CFX等，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行逐步學(xué)習(xí)。實踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生得到CFD的計算結(jié)果時，都會比較興奮。因此一般書上、文獻(xiàn)上的流速矢量圖、壓力云圖，自己也可以實現(xiàn)，很有成就感，同時還增加了學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中要由淺入深，繞開難點，減少學(xué)習(xí)過程中的畏難情緒。先知其然，再知其所以然。對于成績較好的，可以引導(dǎo)適當(dāng)參與科研活動，進(jìn)一步增強學(xué)生的實踐能力，以及進(jìn)一步的研究生學(xué)習(xí)。

4結(jié)語

在流體力學(xué)的全過程教學(xué)活動中進(jìn)行教學(xué)改革的實踐探索。理論聯(lián)系實際讓學(xué)生感覺到學(xué)有所用，增加了學(xué)習(xí)興趣和積極性；把多媒體技術(shù)和傳統(tǒng)板書有機結(jié)合，揚長避短，趨利避害；考核方式的科學(xué)化使學(xué)生建立了更扎實的基礎(chǔ)；引入CFD技術(shù)，可以增強學(xué)生的動手能力，增強了專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)實踐表明，改革初見成效，師生關(guān)系融洽，學(xué)生參與課堂的積極性提高，知識的掌握更加牢固扎實。

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