對(duì)比教學(xué)法在工程流體力學(xué)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

摘要：工程流體力學(xué)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，然而其理論、概念、公式多而且容易混淆，使得工程流體的教與學(xué)過(guò)程存在較大的障礙。通過(guò)運(yùn)用對(duì)比法講解粘性流體運(yùn)動(dòng)方程，復(fù)雜管路系統(tǒng)串并聯(lián)管路計(jì)算，無(wú)粘性重力流體流動(dòng)能量方程，流體邊界層和熱力邊界層，粘性流動(dòng)與對(duì)流換熱的關(guān)系，把流體力學(xué)的相關(guān)概念、現(xiàn)象及理論與學(xué)生已經(jīng)熟識(shí)的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，不但能使學(xué)生容易明白知識(shí)點(diǎn)，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；對(duì)比法；課程體系；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0092-02

“工程流體力學(xué)”是能源與動(dòng)力工程專業(yè)一門基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專業(yè)的學(xué)科中起著承上啟下的作用。課程既包含一些基礎(chǔ)理論，又有理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。由于實(shí)踐工程的復(fù)雜性，在處理模型的過(guò)程中，往往會(huì)對(duì)模型進(jìn)行理想化，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論公式進(jìn)行一些修正，因此工程流體力學(xué)是一門理論和實(shí)踐緊密聯(lián)系的課程。另一方面，流體是該課程的研究對(duì)象，學(xué)生對(duì)流體的實(shí)體形象認(rèn)識(shí)不像固體那么鮮明，而且理論抽象、公式推導(dǎo)復(fù)雜，修正系數(shù)繁多，其物理意義很難理解，因此被認(rèn)為是能源動(dòng)力工程專業(yè)難教難學(xué)的課程之一。對(duì)老師而言，要考慮學(xué)生是處于從基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)換階段，在課程教學(xué)中，不但要考慮讓學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要引導(dǎo)學(xué)生把理論與流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械工程實(shí)踐之間的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生具備把所學(xué)理論應(yīng)用于解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，通過(guò)對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的解決，反過(guò)來(lái)又會(huì)思考理論模型的局限性和適用性。良好的教學(xué)設(shè)計(jì)不但有利于學(xué)生解決上述問(wèn)題的能力，還可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，是保證教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。教師應(yīng)在教學(xué)中引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)手段，巧妙設(shè)計(jì)教學(xué)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，才能使教與學(xué)的效果達(dá)到最佳。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談?wù)剬?duì)比教學(xué)法在“工程流體力學(xué)”中的應(yīng)用。

為了加深學(xué)生對(duì)概念的理解，可采用對(duì)比教學(xué)法把流體力學(xué)的相關(guān)概念、現(xiàn)象及理論與學(xué)生已經(jīng)熟識(shí)的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比。與專業(yè)課程體系相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)比，使學(xué)生知道相關(guān)課程的相互聯(lián)系及課程的差別，明確課程承擔(dān)專業(yè)的角色，理解其能解決工程實(shí)際中的哪些問(wèn)題。這些有的放矢的課程設(shè)計(jì)，不但能使學(xué)生容易明白知識(shí)點(diǎn)，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

一、工程流體力學(xué)課程本身前后關(guān)系的對(duì)比

在工程流體力學(xué)教學(xué)中應(yīng)注意到課程前后知識(shí)的連貫性，把相關(guān)知識(shí)進(jìn)行類比，可獲得較好的效果。如在講述粘性流體運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，在推導(dǎo)方程時(shí)，首先要把實(shí)際流體與理想流體的區(qū)別進(jìn)行比較（如表1），把靜止?fàn)顟B(tài)與流動(dòng)狀態(tài)比較，揭示影響實(shí)際流體流動(dòng)的主要原因是存在著粘性力的影響，讓學(xué)生更加深入地了解流體在實(shí)際與理想狀態(tài)下靜止與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所受力的不同及其內(nèi)在規(guī)律。

二、工程流體力學(xué)與其他學(xué)科已熟識(shí)的內(nèi)容對(duì)比

在講到復(fù)雜管路系統(tǒng)串并聯(lián)管路計(jì)算時(shí)，可讓學(xué)生比較串并聯(lián)管路流量與管路壓頭損失的關(guān)系表達(dá)式與電工學(xué)的串并聯(lián)管路的電流、電壓的關(guān)系表達(dá)式，找出他們表達(dá)方式上的共同點(diǎn)。對(duì)理工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，高中階段就已熟練掌握了串并聯(lián)電路的電壓、電流關(guān)系時(shí)的內(nèi)容，把這兩者放在一起比較（見表2），學(xué)生不但很容易理解串并聯(lián)管路的流體流動(dòng)特性，而且也很容易記住串并聯(lián)管路流量與管路壓頭損失的關(guān)系表達(dá)式。

三、工程流體力學(xué)與本專業(yè)基礎(chǔ)課關(guān)聯(lián)內(nèi)容性對(duì)比

“工程流體力學(xué)”是主要研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間的相互作用產(chǎn)生力、動(dòng)量、能量變化，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律是其研究基礎(chǔ)，是理解熱力學(xué)工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中流量、能量分配的基礎(chǔ)?！肮こ虩崃W(xué)”基本內(nèi)容是熱力學(xué)基本定律和工質(zhì)熱物性、熱過(guò)程，是研究如何充分和有效利用能量?！皞鳠釋W(xué)”研究熱量傳遞的基本規(guī)律，是理解和控制能源動(dòng)力系統(tǒng)熱量傳遞過(guò)程的理論基礎(chǔ)。因此，在工程流體力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，要盡可能多地將其與工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程聯(lián)系起來(lái)。

1.“工程流體力學(xué)”與“工程熱力學(xué)”在教學(xué)內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)性

“工程流體力學(xué)”與“工程熱力學(xué)”在教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：一維無(wú)粘性重力流體流動(dòng)能量方程（工程流體力學(xué)）與式（工程熱力學(xué)）具有相同的理論基礎(chǔ)，熱力學(xué)第一定律穩(wěn)流能量方程是普遍適用的能量方程式，是在一維無(wú)粘性重力流體條件下的特例和不同的表達(dá)方式；“工程流體力學(xué)”中的可壓縮流體流動(dòng)基礎(chǔ)與“工程熱力學(xué)”中的氣體和蒸汽的流動(dòng)研究對(duì)象及理論基礎(chǔ)完全相同，只不過(guò)研究的側(cè)重點(diǎn)不同，前者強(qiáng)調(diào)流動(dòng)特性，后者注重能量傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2.“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容方面的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性

“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容方面具有緊密的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，傳熱學(xué)與流體力學(xué)研究的對(duì)象主要是流體，易流動(dòng)和可壓縮是流體具有的特性，因此流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)涉及到流體與固體壁面之間的相互作用（包括力、能量相互作用）。流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的對(duì)比對(duì)較深刻理解兩門學(xué)科起著十分重要的作用，流動(dòng)邊界層與溫度場(chǎng)熱邊界層對(duì)比很容易闡明流體與固體壁面間力、能量相互作用的有關(guān)規(guī)律。在邊界層理論中，流體的粘性對(duì)流動(dòng)及傳熱均會(huì)產(chǎn)生影響，因而將流動(dòng)邊界層與熱邊界層的有關(guān)理論很好地聯(lián)系了起來(lái)，在教學(xué)中可作對(duì)比分析。

“工程流體力學(xué)”中粘性流動(dòng)與“傳熱學(xué)”中對(duì)流換熱方面也可用對(duì)比方法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，它們研究對(duì)象都是傳遞現(xiàn)象。“工程流體力學(xué)”研究的是動(dòng)量的傳遞，傳遞驅(qū)動(dòng)力速度差，而“傳熱學(xué)”研究的則是熱量的傳遞，傳遞驅(qū)動(dòng)力是溫度差。傳遞方式均為對(duì)流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，對(duì)于分子擴(kuò)散基本規(guī)律兩者具有類似的形式（牛頓摩擦定律及傅里葉定律），具有相似描述傳遞能力的物性參數(shù)（運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）和熱擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）），而且流動(dòng)邊界層與熱（溫度）邊界層具有相似的定義和相同的邊界層結(jié)構(gòu)；具有相似描述傳遞現(xiàn)象的控制方程（動(dòng)量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程）。如果粘性流體流經(jīng)與流體具有不同的溫度壁面時(shí)，在流體與壁面之間就會(huì)同時(shí)發(fā)生動(dòng)量傳遞和熱量傳遞。這時(shí)“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”研究的是流體的阻力特性和傳熱特性兩個(gè)不同方面。一般來(lái)說(shuō)，阻力特性是傳熱特性研究的基礎(chǔ)，“工程流體力學(xué)”是“傳熱學(xué)”的基礎(chǔ)；但在流動(dòng)及對(duì)流換熱具有耦合特征等某些特殊情況下兩者相互影響，例如圓管內(nèi)層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、流體外掠平板的層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、外掠圓柱的層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、各類自由流動(dòng)及對(duì)流換熱等等。顯然在此類教學(xué)內(nèi)容中，“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”的知識(shí)又相互耦合與影響。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工程流體力學(xué)教與學(xué)之間存在的困難，提出在教學(xué)設(shè)計(jì)上引入對(duì)比法來(lái)提高教師教學(xué)水平及提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的掌握和記憶。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的檢驗(yàn)，證明運(yùn)用對(duì)比法講述工程流體力學(xué)對(duì)老師和學(xué)生均可取得事半功倍的效果。總之，工程流體力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)專業(yè)的自身特性整合不同教材體系教學(xué)資源的精髓，嘗試新的教學(xué)手段和教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)能動(dòng)和創(chuàng)新性；注重理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，縱向與橫向知識(shí)對(duì)比，突出學(xué)生的獨(dú)立思考、創(chuàng)新能力培養(yǎng)，以便達(dá)到較好的教學(xué)效果方案。

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（責(zé)任編輯：王意琴）