基于土木工程專業人才培養的流體力學課程教學改革探索

摘?要：流體力學是土木工程專業一門重要的工程技術基礎課程，該課程具有知識點維度廣難度大、概念抽象、與工程實際聯系較多等特點，然而目前該課程的教學過程中存在著重視度不夠、與土木工程專業知識結合較少以及授課教師未能因地制宜制定教學方法等問題，且相關教學研究對上述特點及存在問題的討論較為有限。由此，本文從教材選用、教學內容選擇及教學過程設計等方面，詳細闡述了該課程教學改革的具體措施?；谠摻虒W改革措施，以計算流體動力學為基本工具，即可因地制宜地制定教學方法，引入相關專業知識體系，加深學生對流體力學以及土木工程專業知識的理解，該教學改革措施可取得較好的效果。

關鍵詞：流體力學；土木工程；計算流體動力學；教學改革

隨著科技的發展，如今高層或超高層建筑結構越來越多，而大跨度橋梁的建設也屢見不鮮，對土木工程專業的學生而言，掌握流體力學知識顯得愈發重要。流體力學是土木工程專業一門重要的工程技術基礎課程，該課程的設立目標旨在使學生掌握流體力學的基本概念和基本規律，能夠運用流體力學的基本原理求解工程實際問題。對于土木工程專業而言，涉及流體力學的工程結構主要為風作用下的高層建筑結構、風或水作用下的橋梁結構以及水作用下的水工結構等。

1?課程特點分析

土木工程專業本科生所學的力學課程主要包括理論力學、材料力學、結構力學、流體力學、土力學及彈性力學等。流體力學與其他力學課程相比，具有一定的特殊性。從力學研究對象角度而言，除流體力學以外的上述力學課程均屬于固體力學范疇，而流體力學可被認為是與固體力學平行的另一力學分支，這表明流體力學與其他上述單個力學課程相比，其知識廣度以及難度原則上更大，由此引申出該課程的以下特點：

（1）課程知識點分支較多，分布零散，維度較大。流體本身包含了氣體和液體兩類，而二者的力學特性實質上有較大差別，因此這兩類流體又分別能細分出各自對應的常見力學課程，即空氣動力學和水力學；按照經典力學的分類方法，流體力學又可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學三部分，各自又有自己的分支；從流體是否具有黏性的角度又可將流體分為無黏性流體和黏性流體，二者的計算求解差別也較大。除上述主要分類以外，在細節方面還有較多的分類或分支，知識點分支較多，分布較為零散，枝繁葉茂，在本科生初次接觸時，往往很難把握該課程的主體脈絡，不能理清前后知識點之間的關系，從而導致學習不夠系統，效率不高。

（2）課程知識點難度較大，概念抽象，計算復雜。和固體力學所包含的力學課程相比，流體力學的概念理解更為抽象，這點對于空氣而言更甚，因此在教學中，流體力學更難以進行實物的舉例和演示，造成力學概念較難理解。除此之外，知識點的難度也較大，大量的公式均基于方程的推導，對數學基礎要求較高；計算過程較為復雜，尤其是以NS方程為代表的動力學方程，必須基于數值計算進行求解，從而又引出了計算流體動力學（CFD）這一數值計算工具，使得學生對概念的理解更易產生混淆。

（3）課程與工程實際聯系較多，不可或缺，但又有一定的獨立性。從力學課程體系上來說，基于剛體運動的理論力學和基于桿件力學特性的材料力學為流體力學課程的先修課程，主要提供了該課程所需的基礎知識，如彎矩、剪力等概念。而流體力學課程主要是解決工程結構荷載輸入的問題，即確定作用在結構上的流體荷載?；谠撦斎牒奢d，即可進一步結合結構力學等力學知識，計算工程結構構件的內力和變形，進而依據結構形式特點，基于結構設計知識，確定結構構件尺寸和配筋信息。由此可見，流體力學扮演著確定流體荷載輸入這一關鍵先決角色，在土木工程專業課程體系中不可或缺，與各課程聯系緊密，不僅如此，該課程又與土木工程專業熱門科研方向如工程結構抗風分析等聯系極為緊密，為該科研方向打下基礎。然而與部分核心專業課程相比，其在土木工程專業培養體系中又顯得較為獨立，知識體系較為零散，造成部分土木工程專業任課教師對該課程較為忽視。

目前，部分高校對此課程重視度不夠，為了便于全校資源的統一調配，往往采用全校公共課或專業選修課的形式進行授課，教授土木工程專業該課程的教師可能來自其他專業，授課時不能很好地與本專業知識有效結合，且部分教師授課時，不能因地制宜地依照教學對象的實際情況制訂教學方案，教學過程死板，教學方法生搬硬套。由此可見，如何結合本專業知識，針對學生因材施教、因地制宜地授課，是目前該專業流體力學課程的教學改革重點和方向，本文進行深入探討。

2?教學研究現狀

目前已有部分教學研究者針對流體力學課程的教學模式進行了不同程度的改革探索，研究的熱點主要為課程思政的融入、課程教學工具的使用以及課堂教學的改革等。如蘭雅梅等［1］結合德育實施情況提煉了該課程所含的思政教育內容；孫優善等［2］對思政教育的融入方法進行了詳述，并探索了具體融入路徑；王維等［3］就目前該課程教學內容和形式等方面存在的問題，從教師自我提升、教材改革以及教學環節等方面提出了教學改革的思路和措施；張引弟等［4］探討了課堂考核方式，詳細闡述了半開卷考試的特點和效果，并證明半開卷期末考試耦合多元化的過程性考核有助于培養學生理論聯系實踐的能力；王沖等［5］簡要介紹了問題鏈教學模式，分析了該教學模式的內涵和關鍵要素；許棟等［6］以總流能量方程及水頭損失計算教學為例，設計了“自來水水龍頭堵住一部分出口后水流噴射的距離和流量如何變化”這一簡單生活實踐問題，基于生活實踐探索了課程的啟發性教學；陳慶光等［7］總結了流體質點與流體微團、連續介質假設、牛頓內摩擦定律、不可壓縮流體等基本概念的教學方法；包圖雅［8］闡述了計算流體動力學軟件FLUENT在課程教學改革研究中的應用。然而，關于該課程的教學研究依舊較為匱乏，對本文上節闡述的教學現狀基本問題鮮有提及，且針對土木工程專業的教學討論較少，尤其是結合流體力學對土木工程結構理論聯系實際的闡述嚴重不足。

3?教學模式改革詳述

3.1?教材選用

在選擇教材時，應當首先對比市面上各類流體力學教材，綜合分析教材的優缺點，最好能選擇一些作者出身自土木工程專業并且能夠結合工程實例的教材［9］。相對而言，部分教材對于理論推導過程講解較為詳細，應當主要針對研究型高校的本科生，而部分教材則對實際應用闡述更為詳細，應當主要針對應用型本科高校的本科生，而對于中外合作辦學類的土木工程專業，可優先選擇一些優質的英文教材［10］。

3.2?教學內容選擇

傳統的流體力學教學內容主要包括流體靜力學、流體運動學以及流體動力學這三大力學部分以及隨后的量綱分析相似原理、流動阻力和水頭損失等與工程聯系相對更為緊密的各部分。對于教學內容的選擇和課時的分配，應當結合授課學生的具體情況決定。以下進行闡述：

（1）三大力學部分為本課程的理論基礎，這部分如對研究型高校的學生進行授課，應重點講授公式的推導過程以及公式的理解，而對于應用型高校的學生來說，公式的實際應用可能更受關注，應重點闡述。

（2）量綱分析和相似原理部分主要闡述了量綱分析法以及相似原理，前者為尋求各物理量的關系、推導理論公式提供了方法，對所有基于物理類知識的專業學習均有較大的裨益，而后者則為試驗研究提供了基礎，指導了流體力學縮尺模型試驗的進行。因此對于研究型高校而言，這部分內容可相對更多地闡述，且量綱分析法部分可考慮作為獨立內容融入其他課程的學習中。

（3）剩下的部分與實際工程聯系相對更為緊密，教學內容應當根據授課對象的實際情況進行取舍，如流動阻力和水頭損失這一部分為基本內容，對于土木工程專業所有方向的學生都應當有效講授；有壓管流這部分內容由于主要闡述了有壓管道流動中的流體力學現象，因此應當對市政工程方向或建筑環境設備方向的學生重點講授；明渠流動這部分主要闡述無壓明渠中的流動規律，因此應當對土木工程專業交通土建方向的學生重點講授；堰流這部分內容應當對水利工程方向的學生重點講授；滲流這部分內容討論了水在土孔隙中的流動現象，可考慮針對土木工程專業巖土方向的學生重點講授。如培養方案課程學時較為緊張，以上內容也可作為獨立內容融入相應方向的專業課中，如明渠流動這部分內容可考慮融入“橋梁工程”課程中；滲流這部分內容可考慮融入“土力學與基礎工程”課程中，從而提高課程的教學效率。

3.3?教學過程設計

這部分內容是重中之重，由于本文探討的是如何針對土木工程專業進行流體力學課程的授課，因此在教學過程和授課方法上應注意結合實際工程結構，在授課過程中可通過工程問題作為引入，設計教學環節，以下為若干實例：

3.3.1?相似原理部分

該部分由于包含模型試驗的內容，因此對于某些具備風洞試驗室或水工模型試驗室的高校，可在授課時結合建筑結構風洞試驗或橋梁結構水工試驗的設計進行授課，如授課教師本人從事過相關試驗的設計或研究，可直接以其科研成果為例進行闡述，提高學生理論聯系實際的能力。以下為某授課內容設計實例：

（1）以某縮尺模型風洞試驗為引子，給定某實際工程結構的尺寸、結構10m高處的平均風速，以及風速觀測時間，由此進行模型的設計，引出長度比、時間比以及速度比等概念，并引出相似原理的含義及作用，闡述幾何相似的概念。

（2）關于相似準則的應用，針對該風洞試驗模型，介紹雷諾準則、弗勞德準則以及歐拉準則的概念，并且結合試驗實際情況，闡述選定準則的注意事項。

（3）針對已知的幾何相似比，確定如風壓比、風壓系數比等關鍵指標，闡述運動相似和動力相似的概念。

（4）進一步選擇性拓展，對需要加深學習的情況，選擇性地講解風洞試驗的過程以及試驗的可能結果。

以上教學設計可加深學生對相似原理和模型試驗的概念理解，并為學生之后學習結構抗風等相關知識打下基礎。

3.3.2?計算流體動力學數值分析的應用

計算流體動力學（Computational?Fluid?Dynamics，簡稱CFD）是目前采用數值分析方法進行流體力學分析的重要工具和手段，在土木工程專業流體力學的授課中，可結合CFD進行知識點的講解，加深學生對概念的理解。涉及的部分如下：

（1）黏性流體運動微分方程部分。黏性流體運動微分方程（NS）方程是實際流體求解的基本方程，而CFD的求解過程實際上就是求解NS方程，因此可在闡述這部分內容的時候，結合CFD的背景進行介紹。

（2）相似原理模型試驗部分。該部分已在上節詳述，即可以通過設計風洞試驗進行授課，在最終得到風洞試驗結果時，可采用CFD進行對比分析，得到對應風洞試驗的數值解，如結構表面風壓系數等，將結果以云圖的形式展示給學生，并與試驗結果進行對比分析，加深學生對模型試驗這部分內容的理解。

（3）邊界層和繞流阻力部分。該內容為流動阻力和水頭損失部分的重點之一，可采用CFD模擬某圓柱繞流問題，展示水流繞流的過程以及圓柱背后的尾流旋渦，模擬出圓柱體受到的繞流阻力，從而給學生直觀映像，并結合數值模擬內容闡述“失阻”“邊界層”“黏性底層”等概念。

3.3.3?繞流阻力中渦激共振部分

渦激共振指的是在卡門渦街中當旋渦發生頻率與物體自振頻率耦合時引起的物體共振現象，該部分的授課可采用以下教學設計：

（1）以具體工程實例為引子，引人入勝地引入教學主題。在授課前可播放工程結構的振動視頻，給學生留下直觀映像。

（2）基于CFD數值模擬或實際工程風洞試驗，展示卡門渦街的旋渦以及由此產生的交變側向力，并進一步闡述渦激共振的原理、繞流阻力的概念以及計算方法，并與CFD數值模擬結果進行大致比對。

（3）通過以上交變側向力的闡述，引入土木工程專業其他課程的相關知識，如交變側向力產生的鋼構件疲勞和斷裂問題、能夠減小側向力產生效果的結構振動控制相關知識等。

在實際運用中，可考慮采用一周實訓的形式，有效利用該課題進行項目化教學授課，甚至可以結合本科生的畢業設計部分，以該知識點為基礎，研究某工程實際結構的渦激共振情況以及設計抑制渦激共振的手段。

結語

通過以上分析和教學設計，可以發現，在土木工程專業的流體力學授課時，可采用流體力學和工程實際相聯系的方法，以CFD為基本工具，因地制宜地制定教學方法，引入土木工程相關專業知識體系，加深學生對流體力學及土木工程專業知識的理解，該教學改革對學生大有裨益，可取得較好的效果。

參考文獻：

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［2］孫優善，張長平，黃超，等.思政教育融入流體力學課程教學的路徑探索［J］.創新創業理論研究與實踐，2020，3（05）：152153.

［3］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）：6163.

［4］張引弟，廖銳全，李元鳳，等.《工程流體力學》課程考核方式的教學改革與實踐［J］.西南師范大學學報（自然科學版），2015，40（04）：139143.

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［8］包圖雅.FLUENT在流體力學教學中的應用研究［J］.新課程研究（中旬刊），2015，375（08）：7172.

［9］劉鶴年，劉京.流體力學.第3版［M］.中國建筑工業出版社，2016.

［10］YNakayama，RF?Boucher.Introduction?to?Fluid?Mechanics［M］.BathsworthHeideman，2000.

作者簡介：方釗（1989—?），男，漢族，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向：土木工程防災減災。