高等流體力學(xué)教學(xué)方法探討

張莉 劉江 付在國

摘要：針對“高等流體力學(xué)”的課程特征和教學(xué)現(xiàn)狀，對研究生學(xué)位課程“高等流體力學(xué)”的教學(xué)方法、教學(xué)模式進(jìn)行了探討，以期更好地為人才培養(yǎng)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：高等流體力學(xué);教學(xué)方法;探討

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）41-0183-02

流動現(xiàn)象在人們的日常生活中隨處可見，也遍布在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的角角落落，掌握分析流動的能力，探尋流動中蘊(yùn)含的規(guī)律，對于培養(yǎng)能源動力方面的人才至關(guān)重要[1]。“高等流體力學(xué)”是“動力工程及工程熱物理”學(xué)科重要的學(xué)位課程之一，其重要性不言而喻。對于學(xué)生來講，學(xué)好“高等流體力學(xué)”課程中蘊(yùn)含的理論、方法和思想，將有助于其在未來的研究或工作領(lǐng)域領(lǐng)悟和運(yùn)用流動規(guī)律，甚至幫助其總結(jié)發(fā)現(xiàn)新的流動現(xiàn)象。而作為教師，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，因勢利導(dǎo)，將學(xué)生領(lǐng)入“流體力學(xué)”進(jìn)階的大門有著責(zé)無旁貸的職責(zé)。本文以上海電力大學(xué)“動力工程與工程熱物理”一級學(xué)科課程建設(shè)為契機(jī)，對“高等流體力學(xué)”的教學(xué)方法進(jìn)行了研究和探討。

一、課程特征

流體力學(xué)是力學(xué)的一個分支，它主要研究流體受力后平衡或運(yùn)動時流體運(yùn)動參數(shù)之間存在的內(nèi)在關(guān)系及其應(yīng)用，是大機(jī)械領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。“高等流體力學(xué)”是“流體力學(xué)”課程的延伸和拓展，側(cè)重于用理論分析的方法研究流體受力運(yùn)動時的平衡關(guān)系，以及流體與外界之間的相互作用，以通過對流動控制體守恒方程的建立和求解、發(fā)現(xiàn)和掌握流動規(guī)律為線索，幫助學(xué)習(xí)者形成解決流動問題的思路，對于學(xué)生要求更高，知識點(diǎn)更深更難。由此，該課程具有以下特征：

1.理論性強(qiáng)。高等流體力學(xué)以質(zhì)量守恒、動量守恒這兩大守恒定律為依據(jù)，對流體流動建立方程，然后再尋求方法加以求解。這種解決流動問題的思維特點(diǎn)和分析方法的特點(diǎn)是以數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)推進(jìn)問題解決的過程，過程嚴(yán)謹(jǐn)，環(huán)環(huán)相扣，理論性強(qiáng)。

2.工程應(yīng)用性強(qiáng)。盡管高等流體力學(xué)理論性強(qiáng)，但其落腳點(diǎn)仍然是幫助解決工程實(shí)際問題。面對生產(chǎn)實(shí)踐中形形色色的流動現(xiàn)象，“高等工程熱力學(xué)”又將流動問題層層分類，譬如：無旋流動和渦旋流動、不可壓縮流動和可壓縮流動、層流流動和小雷諾數(shù)流動乃至紊流流動等，脈絡(luò)分支多，其目的就是要能解決實(shí)際問題。

3.與其他課程的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。由于流動現(xiàn)象無處不在，高等流體力學(xué)也就與其他課程之間存在著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。首先，流動的流體是一種物質(zhì)，其物性的差異會導(dǎo)致流動的不同，流動的不同反過來也會影響流體的狀態(tài)和物性，因此高等流體力學(xué)和涉及物性研究的高等工程熱力學(xué)密不可分。其次，流動現(xiàn)象是很多現(xiàn)象的基礎(chǔ)，比如傳熱現(xiàn)象、燃燒現(xiàn)象等，因此高等流體力學(xué)為高等傳熱學(xué)、高等燃燒學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。此外，其他研究生的專業(yè)方向課程也無形中都會運(yùn)用高等流體力學(xué)的知識點(diǎn)。因此，高等流體力學(xué)較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性也決定了其在研究生課程中具有重要的地位。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

在教材選用方面，高等流體力學(xué)是經(jīng)典的學(xué)科，市面上不乏經(jīng)典的教材，上海電力大學(xué)“動力工程及工程熱物理”一級學(xué)科選用的由張鳴遠(yuǎn)編著的《高等流體力學(xué)》[2]（西安交通大學(xué)出版）具有很好的普適性及足夠的理論深度，在內(nèi)容編排上具有完善的理論體系。但是，其不具有鮮明的專業(yè)特色，比如對于電力生產(chǎn)、化工等相關(guān)專業(yè)，需要在教學(xué)中及時補(bǔ)充相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例。

高等流體力學(xué)理論性強(qiáng)的特點(diǎn)決定了其對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求高。而另一方面，工科學(xué)生數(shù)學(xué)功底往往不夠扎實(shí)，增大了學(xué)習(xí)難度，容易產(chǎn)生挫敗感和畏難情緒。再加上現(xiàn)在的研究生已經(jīng)是“90后”的獨(dú)生子女，無危機(jī)意識，學(xué)習(xí)方法不科學(xué)，缺乏鉆研精神，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳的現(xiàn)象出現(xiàn)。

此外，課程學(xué)習(xí)也存在一定的功利性。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時不知道學(xué)習(xí)該門課程有何用處，因此興趣不高，而日后在論文課題的研究過程中用到了這門課程的知識，才恍然大悟，再回去翻課本學(xué)習(xí)，甚至是找任課教師咨詢，大大地降低了課程的學(xué)習(xí)效率。

三、課程內(nèi)容的組織

高等流體力學(xué)涵蓋的內(nèi)容豐富，含有的課程信息量也巨大，要想在有限的課時內(nèi)清晰完整地向研究生傳達(dá)這些信息，組織“高等流體力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容時，就要結(jié)合研究生培養(yǎng)的特點(diǎn)，既照顧到經(jīng)典流體力學(xué)的通用知識，又重視課程知識的針對性、行業(yè)應(yīng)用的特殊性、學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣以及與其他研究生課程的關(guān)聯(lián)性。

1.奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。“高等流體力學(xué)”是一門系統(tǒng)性、邏輯性較強(qiáng)的課程，作為碩士研究生的學(xué)位課，在加深學(xué)生對流動所伴隨的物理現(xiàn)象的認(rèn)識、概念的建立及規(guī)律分析的同時，還應(yīng)努力加深學(xué)生學(xué)科知識分析和研究問題的基本思想和方法的理解和掌握，提高分析和解決流體力學(xué)問題的水平及能力。

2.注重課程的關(guān)聯(lián)性和完整性。在關(guān)聯(lián)性方面，首先與本科階段的教學(xué)內(nèi)容要有恰當(dāng)?shù)姆止ず豌暯樱浯我苊馀c其他相關(guān)課程之間缺乏銜接;在自身內(nèi)容體系的完整性方面，既要注意到對數(shù)學(xué)知識回顧和補(bǔ)充的必要性，又要對工程中不常見的復(fù)雜流動概念的介紹有所兼顧。考慮到以上幾個方面，將教學(xué)內(nèi)容梳理成五部分：第一部分安排了“矢量運(yùn)算分析”、“場論知識”的回顧以及曲線坐標(biāo)、張量分析知識的補(bǔ)充;第二部分“流體力學(xué)的基本方程”主要介紹流體力學(xué)的基本概念、流體力學(xué)的控制方程組以及一些相關(guān)的重要定理;第三部分“理想不可壓縮流體的流動”介紹平面勢流、空間軸對稱勢流和理想流體中的旋渦運(yùn)動，其中對平面勢流里的復(fù)位勢、疊加法、鏡像法和保角變換法做重點(diǎn)講解;第四部分“黏性不可壓縮流體的流動”中介紹納維—斯托克斯方程的精確解、小雷諾數(shù)流動、層流邊界層流動和紊流，其中對工程中應(yīng)用較多的層流邊界層流動和紊流做重點(diǎn)講解;第五部分“理想可壓縮流體的流動”分別介紹一維流動和平面流動，其中對一維流動做重點(diǎn)講解。

3.突出電力生產(chǎn)特色。針對我校研究生的專業(yè)背景和學(xué)科研究方向，強(qiáng)調(diào)本學(xué)科與電力生產(chǎn)流程和設(shè)備的結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識，認(rèn)識并解決相關(guān)電力工程問題的能力。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，保持基礎(chǔ)理論知識與工程應(yīng)用知識的相對平衡。

四、教學(xué)方法的探討

教學(xué)效果的關(guān)鍵之一在于是課堂教學(xué)，而課堂教學(xué)的中心是使用合理的教學(xué)方法組織課堂教學(xué)。這就需要教師不斷積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行教學(xué)方法的探討，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

1.教學(xué)手段。“高等流體力學(xué)”的基礎(chǔ)理論內(nèi)容較多，涉及的公式推導(dǎo)也比較多，傳統(tǒng)的“黑板板書”對教學(xué)信息的呈現(xiàn)不夠多元，也減慢了教學(xué)進(jìn)度。多媒體教學(xué)的引入對“黑板板書”起到了很好的輔助作用，“黑板板書”注重講思路、講方法，多媒體側(cè)重展示推導(dǎo)過程，也便于學(xué)生課后再學(xué)習(xí)鞏固。經(jīng)過實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法有利于學(xué)生理解并掌握復(fù)雜的基本理論。

2.教學(xué)模式。滿堂灌的“填鴨式”教學(xué)模式已不再適應(yīng)大學(xué)課堂，提高課堂教學(xué)的“波動”性，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，勢在必行。比如，在運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決問題時，拋出數(shù)學(xué)公式與物理概念之間有何結(jié)合點(diǎn)的問題，借此強(qiáng)調(diào)物理概念的數(shù)學(xué)表示和數(shù)學(xué)內(nèi)容的物理解釋;再如，在進(jìn)行理論推導(dǎo)后，詢問學(xué)生是否可以用自己精簡的話語來對整個過程進(jìn)行總結(jié);還有，在對某個知識點(diǎn)講述時，不經(jīng)意地運(yùn)用前面的知識從另一個角度或思路來講述該知識點(diǎn)，以活躍學(xué)生的思維和關(guān)聯(lián)能力，也讓學(xué)生不斷反思自己的學(xué)習(xí)效果。如此的教學(xué)“波動”會時不時地在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中激起“漣漪”，有助于聽課效果的提升。

3.案例教學(xué)。“只學(xué)不用”往往事倍功半，結(jié)合任課教師的科研積累，提煉工程案例，在教學(xué)中實(shí)時引入案例教學(xué)，有助于解除學(xué)生“如何用”的疑惑和迷茫[3]。通過案例的討論和分析，首先引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，然后帶領(lǐng)他們運(yùn)用所學(xué)知識解決問題，讓學(xué)生了解所學(xué)的知識可以解決什么問題，由此引導(dǎo)他們思考導(dǎo)師課題組的課題可能會用到哪些流體力學(xué)知識，帶著需求學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生運(yùn)用理論知識分析并解決工程實(shí)際問題的能力。

五、結(jié)束語

高等流體力學(xué)的教學(xué)工作任重而道遠(yuǎn)，只有在教學(xué)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，與時俱進(jìn)，因勢利導(dǎo)，改進(jìn)教學(xué)方法，才能提高該課程的教學(xué)效果，更好地為為人才培養(yǎng)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永學(xué)，師志成，董守平等.高等流體力學(xué)課程改革與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010，（17）：66-68.

[2]張鳴遠(yuǎn).高等工程流體力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[3]郭忠興.案例教學(xué)過程優(yōu)化研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010，（1）：59-61