關于提高流體力學課程教學效果的若干思考★

褚 福 永

(麗水學院土木工程學系，浙江 麗水 323000)

1 概述

流體力學是土木工程專業的一門重要的專業基礎課，但由于其理論性較強，課程中存在大量的數學同時推導，且概念較為抽象，因此，對于土木工程專業的學生來說，流體力學也是較為難學的一門課程，但其對后續土力學、基坑工程、基礎工程等專業課的學習有著至關重要的作用，甚至于在以后的工作中，流體力學的理論公式也在一些領域被廣泛應用。因此，流體力學課程教學效果直接影響到學生專業素質的培養，進而影響畢業后工作的發展。

另一方面，土木工程專業的流體力學課程課時較少，僅32個課時。然而需要講授的內容又較多，主要包括以下內容：流體靜力學；流體動力學基礎；流動阻力和水頭損失；孔口、管嘴出流和有壓管路；明渠流動；堰流；因次分析和模型試驗；滲流等。這些內容概念性強，又比較抽象。因此，學生在學習的過程中，普遍感覺較難、學起來枯燥，也直接導致了學習的積極性不高。針對如何來提高流體力學課程的課堂教學效果，很多老師進行了積極的探索，并給出了很多有益的建議和結論[1-8]。

本人結合自身的教學實踐，從教學內容、教學方式和實驗教學3個方面的改革探索如何提高流體力學課堂教學效果。同時，利用筆者授課的麗水學院土木工程專業16級的教學效果，驗證了教學改革的可行性。

2 教學內容改革

2.1 突出專業特色的教學內容

對于土木工程專業而言，在實際工程最常碰到的流體力學問題主要有以下兩個方面：

1)土建工程中的基坑排水、路基排水、地基坑滲穩定處理、海洋平臺在水中的浮性和抵抗外界擾動的穩定性等；

2)市政工程中的橋涵孔徑設計、給水排水、管網計算、隧洞通風等。

另一方面，土木工程專業實際工程問題中的流體力學問題涉及的知識點主要包括：靜水壓力、平面及曲面靜水總壓力的計算等流體靜力學的知識，如在水中的結構物(如閘門、橋墩)受到水的作用力計算；水頭、水頭差、水力坡降、伯努利方程等流體動力學知識，如工程降水往往涉及水頭損失及能量守恒等問題；層流、紊流等流動損失知識；達西定律等滲流及滲透變形知識，如基坑排水等設計與滲流有關；水管水力計算等知識，如市政工程中往往涉及到排水管路的布置；明渠水力特征及計算等知識。

需要強調的是，教材中對于各知識點均按“基本概念和現象→公式推導→知識擴展”的順序進行研究，而且前后知識點聯系比較緊密。因此，對這些各章節講授時，應注意進行歸類對比。為解決課程課時少、需教授內容多的問題，選擇質量高、內容精煉的教材是至關重要的，本課程選擇的教材為同濟大學出版社出版、朱立明主編的《流體力學》教材。

2.2 有限元在流體力學中的應用

自20世紀60年代以來，隨著計算機技術的發展，仿真技術在土木工程領域得到了廣泛的應用，其中，最具代表性的流體力學仿真軟件為Flunt軟件。增加Flunt等仿真技術的相關知識，是從知識的深度和廣度兩個方面對學生的知識架構進行有益的補充，為學生工作以后能利用所學解決實際問題夯實了基礎。

同時，在講授流體力學內容時，配合仿真軟件的模擬，有利于加深學生對知識的理解。例如，在講解構件的管內層流運動、孔口出流流動及變截面局部阻力計算時，可利用有限元軟件Flunt軟件對其進行模擬，將模擬得到流動規律的動畫或圖片展示給學生，幫助學生建立清晰的物理概念，縮短認識過程。加深學生對基本概念的認識，取得了良好的效果。

3 基于激發學習積極性的教學方式

3.1 板書與多媒體資料相結合

流體力學的公式、定理很多，知識比較抽象。在教學中單純運用板書教學方式，會讓學生感覺非常枯燥、味同嚼蠟，很難達到良好的教學效果。利用PPT，并結合一些圖片和視頻展示給學生。往往可以有效地增加課堂的生動性，也有助于學生對抽象內容的理解，從而提高教學效果和效率。

例如，在講解“靜止流體作用在平面上的力”時，利用多媒體給學生展示我國300 m級土石壩(雙江口心墻堆石壩和兩河口心墻堆石壩)的圖片和錄用，闡述其工程背景，不僅刺激了學生對知識點的求知欲，也讓學生腦海中有具體的工程運用實例。再如，在講解層流和紊流時，可播放層流及紊流的動畫，通過多媒體的播放，教學變得生動，課堂氣氛輕松愉快，也加深了學生對流態的感性認識。因此，很有必要將PPT、視頻、動畫等多媒體教學方式應用于流體力學的課堂教學中。

而對于重要公式的推導及例題的講解應采用傳統的板書形式，這樣不僅利于學生理解推導過程和解題思路，也給學生充足的時間理解和消化。

3.2 靈活有效地引導學生主動學習

學生能力的體現在自主學習的能力，這也是高校中學生最應該培養的能力。我國數學家華羅庚有個著名的學習公式，即：薄—厚—薄。即預習、發散思維和知識的總結。

引導學生去通過預習可以大致了解教材中的知框架和基本的知識點；可通過工程實例及補充的知識點鍛煉學生的發散思維；知識點的總結可通過引導學生建立知識點的樹狀框架圖來完成。目前，麗水學院土木系流體力學對一些章節還采用了翻轉課堂的模式，即給出這些章節需要解決的問題，然后對班級學生進行分組，每個組選擇一個問題解決，并做PPT，在下次課上每個組，1名～2名學生上講臺針對知識點和問題進行講解。

另一方面，在對一些抽象的概念，盡可能通俗易懂，采用學生比較能接受的方式講授，比如層流和紊流，可以形象地把層流比喻成遵守次序排隊，隊伍整齊；紊流比喻成沒有遵守次序排隊，隊伍混亂。

3.3 加強課后練習和習題講解

有必要通過一定量的習題使得學生加深對概念的理解，培養學生分析和解決問題的能力，通過習題訓練，教師也能檢查學生對知識的掌握程度。

通過兩種方式加強學生的習題訓練，即：

1)對每章的典型例題進行精講，使學生掌握解題思路、解題方法和技巧，達到舉一反三的效果；

2)建立流體力學習題庫，并附有答案，題庫中習題有不同層次，即基礎練習和提高練習，可供學生循序漸進地訓練。

4 注重流體力學的實驗教學

理論也是建立在大量實驗的基礎之上的，流體力學的實驗教學是至關重要的。可以認為，實驗教學不僅可以培養學生的動手能力，也是將所學理論運用于實踐的重要過程。但目前流體力學實驗課時偏少，麗水學院的土木工程專業材料力學課程安排了6個實驗，分別是水靜壓實驗、能量方程試驗、雷諾試驗、沿程阻力損失試驗、局部阻力損失實驗和文丘里實驗。而且，目前的試驗教學方式采用理論和實驗分堂教學，其結果是理論課的時候內容過于抽象，結果理論知識脫節，導致實驗不流暢。另一方面，流體力學實驗教學仍以演示為主，學生不積極主動進行試驗，扮演著“看客”的角色。

針對以上兩個不合理的地方，筆者認為可以采取以下措施應對，即：

1)理論和實驗同堂教學。實驗相關的理論知識放在實驗室進行，先講授相關理論，接下來馬上進入實驗教學。可對教學班分成若干實驗小組，讓學生當天把實驗務必完成；

2)指定時間開放實驗室，并有專任實驗老師值班，學生可根據開放時間自主到實驗室完成實驗。此外，在實驗教學的過程中，教師一定要鼓勵學生勤動手、多動腦，通過實際操作，加強對理論知識的理解。

5 結語

本文針對流體力學的課程特點及結合土木工程專業特色，根據自身的教學經驗，從教學內容、教學模式和流體力學實驗教學三個方面進行探討，提出了基于土木工程專業的教學內容改革、基于引導學生學習主動性的教學改革和與理論教學相輔相成的實驗教學改革。

為驗證本文流體力學課程教學改革的合理性，筆者對土木工程專業16級的流體力學課程進行了相應的改革，結果表明，土木工程專業16級的同學在流體力學課程理論知識掌握均明顯強于往屆。值得一提的是，期末考試卷面成績最高分97分，平均分69分。由此可以證明本文提出的流體力學課程教學改革措施是合理可行的。

然而，課程教學改革一直以來都是一項長期的、復雜的課題，只有不斷摸索創新，持續深化改革，才能不斷提高教學質量，取得更好的教學效果。