應用型本科院校流體力學課程教學方法研究

孫俊偉 陳善群

（安徽工程大學建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

流體力學課程對于大部分工科專業來講均為專業必修課，它的任務是為學生學習后續專業課程和從事專業工作奠定基本的流體力學基礎，與很多專業都密不可分[1]。 專業課程教學包含理論與實踐兩個重要教學環節，傳統的課程教學往往是以老師為中心而開展的，“教”和“學”分離與新時代人才培養需求有著諸多的不適應[2]。因此，教學方法改革已成為應用型本科高等院校育人綜合改革的重要組成部分，也是更好地培養學生能力、知識、素質的有效舉措。為迎合全面構建新型復合型應用人才培養體系要求，流體力學的教學方法也在不斷地探索和完善。

1 流體力學課程特點及教學目標

對于學習基礎課的低年級學生而言，熟悉的力學知識大多以固體為研究對象。對于較為陌生的流體而言必然出現一些全新的概念，如連續介質模型、流線、水頭損失、水（擊）錘等。 另外還出現了大量的公式和理論推導， 且理論分析過程中還會涉及高等數學、大學物理和理論力學知識點，因此需要相應課程的基本知識[3]。所以對于高數等課程基礎比較差的學生，怎樣使他們在枯燥又抽象的教學內容中激發出學習興趣是教學的難處。 同時，在注重復合應用型人才教育大背景下，教學中應合理刪減理論推導，適當增加專業應用內容。

學生掌握流體力學相關知識點后最終還要與專業實際相結合以解決工程中遇到的現實問題。這就要求學生熟悉專業動態，密切聯系實際，將理論更好地應用于實踐。 因此，流體力學課程教學要符合應用型本科教學培養目標， 構建適合其專業的教學體系，提高教學效率并取得較好的教學效果。

2 構建科學的教學體系

當前流體力學講授內容偏于理論分析和實驗驗證，造成教學形式單一，教學內容復雜，教學過程枯燥，甚至部分學生產生“流體力學無用論”和畏難情緒。學生學習主動性變差，陷入機械學習，對老師產生“等靠要”依賴性心理，而課程教學發展的核心理論是以學生自我學習為核心，老師做適當引導進而提高學習效果。也就是說學生獲取知識的過程不只是知識從外到內的簡單傳遞過程，也不是原封不動的占有和接受過程，而是把知識轉化為自己所有的過程，這是經過新內容和已有內容、經驗之間循環相互糅合而形成的[4]。 因此，以課程教學發展核心理論作向導，建構科學的教學系統很有必要。

2.1 改革教學內容

從內容上來說流體力學主要涉及流體靜力學計算和流體動力學三大方程的應用，但學科之間、專業之間分工越來越細[5]，相同的流體力學知識結合專業特點解決的問題側重點也有所不同，所以教學內容要圍繞各專業指導性培養方案， 緊扣教學大綱進行改革。 知識點應依據各專業教學大綱進行選取，但教學內容在此基礎上可以做合理的刪減和調整。與專業密切相關的內容要多花時間深入講，與專業聯系較弱的內容簡單講或者是作為自學內容。例如，機械類專業，在學習牛頓內摩擦定律后，為了加深理解和應用可對機械工程中常見的縫隙流動， 展開分析和專題講解，而對其專業應用較少的長管流動、滲流等可少講或作為自學內容。

2.2 改革教學方法

2.2.1 針對課程內容設計問題，提升學習者課堂參加度

針對學生要掌握的知識點， 如某些公式或信息，授課教師不能以口述方式強調其重要性并要求學生記住。這樣學生為了課程考核會機械性地記憶上課所講知識，或在不理解基本內容的基礎上去識別正確答案。 這種機械性記憶難以長期維持，對培養學生解決實際復雜問題的能力而言是徒勞的。 在課堂上，教師應在介紹基本內容后及時引入問題，引導學生建立自己的理解認識，由自己的總結、判斷去解決實際問題。教和學只有結合問題互動才能得到預想的教學結果。學生通過把知識點和自身經驗相融合，才愈加能引發他們學習主動性。如為了讓學生更好地理解總流的能量方程，可以讓學生現場拿出兩張薄紙，平行提在手中，順著紙間縫隙吹氣時，觀察薄紙的狀態變化是不動、靠攏還是張開。 學生嘗試之后可以讓學生利用總流的能量方程來解釋這種現象。

2.2.2 CFD 技術融入教學，體現課程發展趨勢

流體本質是無形的，認識并理解流體就是用有形去描述無形，但又不能拘于有形[6]。 嘗試將CFD 應用在該門課的教學過程中。通過利用軟件對基本流動現象進行數值模擬和分析， 將課堂所講授的抽象概念、理論轉化為形象的可視化圖像及動畫演示，更有助于學生對講解知識點的接受。例如流體力學中涉及流場的描述，憑學生個人想象很難理解。 借助FLUENT 軟件可以計算出不同雷諾數（Re）下流體流動情況。 圖1從左往右分別為 10、102、103和 106四種雷諾數下二維圓柱繞流形態，從圖中可以向學生形象地展示從恒定流到非恒定流、從層流到紊流圓柱繞流情況，同時雷諾數為103時圓柱后面流體出現卡門渦街周期性脫落過程，此現象也可制作后期動畫向學生直觀形象地展示。 這樣教學過程中體現了課程發展趨勢，同時也培養了學生創新科研能力。

2.2.3 開展第二課堂，強化協作學習

近年來，高校為提高學生綜合素質而進行相關改革，鼓勵把時間交給學生，教學學時存在不同程度的壓縮。對流體力學課程而言僅靠上課時間掌握所有知識點是不現實的。 因此，可以根據實際情況柔性開展第二課堂，時間、地點和人數不限，以學生為中心、老師答疑和引導的形式開展。 學習的最終目的就是應用，教師積極引導學生思考，在尚未學習專業課之前就探討學生感興趣的相關專業問題，鼓勵學生有自己想法，并組成學習小組，把教學過程中學生對老師產生的“等靠要”依賴性心理轉化為同學之間的“拉幫帶”過程。

經驗背景和知識點掌握程度的差異，使得學生對問題的看法和理解也產生差異，這會使學生之間形成不同意見的質疑和交鋒。 只有通過持續性的思索、交流和探討，才會使學生對知識有更正確、全面的認識。另外，面對面互動式批改作業也是一種促進學習的手段，同樣值得提倡。

2.2.4 豐富實踐環節，培養創新能力

流體力學課程實踐環節應以實驗教學和學生創新意識為出發點。 目前，很多院校流體力學實驗主要以國內幾個實驗裝置生產廠家提供的綜合試驗臺開展的。 受實驗裝置臺套數和裝置本身結構所限，實現項目開展率不高，部分能開設的實驗其實驗現象不能很好地表現出來。 長管沿程阻力和阻力系數的測定，由于裝置管道長度不可能設置得太長，測壓管高度差不明顯，實驗效果不是很理想。

實踐環節的開展，應根據課程設置的要求和側重點，制定合理的實驗教學計劃，把基礎性、設計性和綜合性實驗有機結合起來。 可以利用已有實驗臺結合LabVIEW 平臺開發仿真實驗進行實驗教學，二者形成互補可以大大提高實驗開設率和實現很好的實驗結果。 為進一步提高實踐環節教學效果，實驗平臺應激勵學生提出創意，自行設計開發新的實驗研究內容。

3 結束語

流體力學課程教學要結合新時代大學生的特點，緊緊圍繞學生在課堂中的主體地位，積極開展教學方法的良性轉變。如何使學生在主觀意愿上提高學習興趣，獲得較強的解決問題能力，教師的引導作用不可或缺。 在提高教師自身素養的前提下，努力構建科學的教學體系， 將流體力學課程建設改革循序漸進，引向深入，最終實現“因材施教”。

圖1 二維圓柱繞流流線（局部放大）