工程力學專業流體力學教學方法探討

李靜 王聰 徐世民

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對工程力學專業流體力學教學中的難點問題進行研究，分析教學內容和教學環節中的問題，提出理論分析、實驗研究和數值模擬相結合的教學內容組織方法，并提出以雨課堂、線上教學模式作為輔助傳統授課方式的多樣化教學模式，以此提高教學效果，培養學生的實驗創新能力和解決實際工程問題的能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? 流體力學;教學模式;實驗研究;數值模擬

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）22-0066-02

流體力學是研究流體平衡和宏觀運動規律的科學，其研究內容與工程實踐有著緊密聯系，相關的理論和研究方法被廣泛應用在航空航天、水利采礦、交通土建、石油化工、生物醫學等工程技術中[1]。流體力學作為力學是力學專業的基礎課程，也是工科工程類學生的一門重要的專業基礎課[2]。設置該課程的目的是要求學生認識和掌握流體運動遵循的基本規律，特別是對理論求解方法有較全面的了解和掌握，要求學生初步學會應用流體力學的理論和方法解決一些簡單的工程實際問題，培養學生的自學能力、邏輯思維能力、流動現象的解讀能力[3]。

流體力學涉及高等數學、理論力學、材料力學等基礎課程，在當前大部分高校的講授過程中都涉及較廣的知識面，其較強的理論性、繁多的公式推導、較高的抽象性等，令課程講授難度大，在實際教學過程中，學生對大量的數學公式推導感到乏味，對如何利用所學理論知識解決實際問題仍存在疑惑[4-6]。本文依據鄭州大學工程力學專業流體力學教學中存在的問題和難點，對流體力學的教學內容和教學模式進行探討。

一、工程力學專業流體力學教學中存在的問題

（一）教學內容

由于工程力學專業學生未來繼續深造、就業范圍較廣，流體力學在講授過程中一直兼顧材料、機械、土木等工程行業的應用，目前我校工程力學專業安排流體力學課時為48學時，按照教學大綱要求，需要講授的內容如下表。

從上表可以看出，工程力學專業48學時的教學內容范圍很廣，而且教學內容一直停留在理論分析的講解上，課程的重點在于教授學生流體力學的基本概念和基本理論上，這些內容主要是經典流體力學理論，其適用范圍非常有限，或者僅僅是理論，很多學生很難將這些理論與實際的流體運動規律聯系起來。

（二）教學環節

流體力學課程本身具有較強的理論性和系統性，其研究方法和研究體系與學生之前研修的理論力學與材料力學有著顯著的不同，這直接導致一部分學生在接受新的研究方法時存在困難，因此，以往課堂的講授教師多注重公式推導。例如，積分形式、微分形式的納維斯托克斯方程，在推導控制方程的過程中除了要求學生建立新的研究方法外，還要求學生對學過的微積分知識牢固掌握，這無疑又增加了學生接受的困難。授課過程中累積的晦澀難懂的知識體系容易使學生對課程產生厭倦，學習熱情降低，對課堂互動反應平淡，在這種被動接受式的教學過程中失去了探究知識實際應用的興趣。

二、新的教學方法和改革策略

（一）改革教學內容

流體力學的研究方法包含理論分析、實驗研究和數值模擬三種手段，三種研究手段是相輔相成的。因此，在本科教學中適當加強實驗研究和數值模擬的教學，可以加強學生對流體力學理論知識在實際應用中的理解。

強調實驗教學的重要性，不僅僅是傳統的教學演示實驗，需要增加具有創新性的設計型課外實驗，這樣不僅可以培養學生的動手能力，如引導學生設計簡單的實驗驗證連續性方程，調動學生主動思考實驗方案，增加學生對所學理論知識的思考，使學生對流體力學中的規律在實際中的應用有更直觀的認識，提高學生的實踐和創新能力。

目前商業化的CFD軟件都相對容易上手，因此在教學內容中引入數值模擬的算例，可加深學生對理論分析的理解，同時也將工程實例與理論相結合。例如，講解定常流動和非定常流動時，可數值模擬二維翼型的定常流動以及俯仰運動，對數值模擬結果可進行深入的探討，進一步透徹理解流線跡線的概念。再比如，在講解圓柱體繞流時，可數值模擬圓柱體繞流的算例，加深學生對升阻力產生的原因、前后駐點、壓強速度分布等概念的理解。數值模擬手段的引入，加深學生對抽象概念和理論分析的理解，讓學生對所學的理論知識在工程中的應用有所了解，并可以根據數值模擬結果分析一些簡單的流動現象，從而提高學生的學習興趣，提升教學效果。

理論分析、實驗研究和數值計算這三種方法各有利弊，相輔相成。以理論指導實驗和數值模擬，以實驗驗證理論和數值模擬結果的正確性，以數值計算彌補理論分析和實驗研究的不足，可以對復雜流動問題進行高效的計算分析。基于三種研究方法的教學內容改革，不僅可以讓學生從枯燥無味的公式推導中脫離出來，還能增加學生的學習興趣，探究所學知識在工程中是如何應用的，為學生后續從事的相關科研和工作打下良好的基礎。

（二）開發多樣化的教學模式

探索合理的多樣化教學模式，對提高授課效率、增加學生課堂參與度、激發學生學習興趣有較大的促進作用。傳統課堂教學模式依然可以作為教學的主導模式，但需要引入其他新穎的輔助教學模式，可以激發學生的探索熱情，保持對課堂的興趣。

比如，在傳統授課過程中使用雨課堂，提前將講授內容的難點通過MOOC視頻和工程實例視頻推送到學生手機實現提前預習，減少課堂講授時間;課堂上增加實時討論、彈幕互動時間，滿足師生及時溝通反饋。這樣可以實現課前—課上—課后每一個教學環節科學地覆蓋，讓教、學與溝通及時對接，提高效率。

再比如，春季學期的課程已開展了線上教學，線上教學的引入為傳統課堂轉化為多樣化教學注入了新能量。絕大部分學生對這種新穎的網絡授課方式給予了較多的認可度，在未來的授課中也可以作為互動溝通的一種教學模式，可以以線上教學作為傳統教學的輔助。在傳統課堂外，利用線上教學，開展對實際工程問題中流體力學實例的討論。在此過程中并不強調課本知識的重要性，以學生的興趣點和知識體系為出發點，利用學生活躍的思維和能力去引導學生解決實際問題。這樣不僅可以調動學生自己思考身邊實時存在的應用實例，也可以培養學生解決問題和科研創新的能力。

三、結語

教學內容的改革以及多樣化教學的引入，打破了傳統教學的固定模式，對教師的自身素質不斷提升提出了新的考驗，需要教師更加關注學生的學習動態，幫助學生解決創新實踐過程中遇見的問題，對教學效果的提升也將起到促進作用，提高學生對課程的參與度、積極性，提高學生解決實際工程問題的能力。

參考文獻：

[1]唐婉.CFD模擬技術在流體力學實驗教學改革中的若干探索[J].教育教學論壇，2020（9）：119-120.

[2]楊輝，劉筱，朱必武，等.“流體力學”課程教學創新探索與實踐[J].教育現代化，2019，6（7）：149-151.

[3]何霖，陸小革.航空航天專業研究生實驗流體力學教學改革探索[J].教育教學論壇，2019（52）：83-85.

[4]金光遠，宋春芳，袁方洋，等.流體力學類課程多元化教學方法探索[J].中國教育技術裝備，2019（13）：104-105.

[5]李偉鋒，劉海峰.“探究型”流體力學課程改革探索[J].化工高等教育，2018（5）：42-44.

[6]王維，賈月梅，王根偉.“雙一流”建設背景下《流體力學》教學改革思考與探討[J].教育現代化，2018，5（40）：61-63.

編輯 馮永霞