關(guān)于工程流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)思考

龐赟佶 陳俊俊 陳義勝 吳晅

摘要：工程流體力學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)性課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)用性。本文通過(guò)對(duì)工程流體力學(xué)本科教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行深入分析，結(jié)合授課經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際調(diào)查和課程自身的特點(diǎn)，從教學(xué)思想、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué);教學(xué)改革;教學(xué)方式;實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）45-0143-02

流體力學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究流體的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用，涉及能源、化工、水利、海洋、航空、冶金等領(lǐng)域。流體力學(xué)是一門(mén)不斷發(fā)展、不斷完善的學(xué)科，目前的分支主要包括工程流體力學(xué)、理論流體力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、粘性流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)等等。工程流體力學(xué)主要針對(duì)能源、環(huán)境、采礦、化工、機(jī)械等工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，課程的側(cè)重點(diǎn)亦有所不同，主要偏重于實(shí)際工業(yè)過(guò)程的應(yīng)用，趨向于解決工程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，很多學(xué)者在工程流體力學(xué)的教學(xué)改革方面做了相應(yīng)的探討[1-4]。

一、工程流體力學(xué)課程概況

1.課程內(nèi)容和特點(diǎn)。工程流體力學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)性的課程，是力學(xué)的一個(gè)分支，課程主要著眼于工程和工業(yè)上的流動(dòng)現(xiàn)象、流體理論和流體輸送的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。課程本身預(yù)備知識(shí)較多，需要具備高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等學(xué)科的預(yù)備知識(shí)，同時(shí)還要有熱力學(xué)等學(xué)科方面的知識(shí)。課程研究的對(duì)象為流體，具有流動(dòng)變形的特點(diǎn)，在研究和應(yīng)用過(guò)程中需要著眼于歐拉空間，這與學(xué)生先前所學(xué)力學(xué)中的思維方式不同。

工程流體力學(xué)目前的教學(xué)內(nèi)容包括流體的主要物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、一元流體動(dòng)力學(xué)、能量損失、孔口管嘴管路流動(dòng)、氣體射流、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、繞流運(yùn)動(dòng)、一元?dú)怏w動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和相似性原理和因次分析等。

2.教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題。流體力學(xué)有很強(qiáng)的理論性和實(shí)用性，學(xué)好流體力學(xué)對(duì)打好專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)有著重要的意義。筆者對(duì)所授專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和授課教師進(jìn)行了調(diào)研，并結(jié)合自身的授課經(jīng)驗(yàn)對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題作了如下總結(jié)：

對(duì)互聯(lián)網(wǎng)過(guò)度依賴(lài)。信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的普及，使得在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r(shí)獲得信息成為可能。近年來(lái)，學(xué)生過(guò)度依賴(lài)因特網(wǎng)，獲得知識(shí)的途徑簡(jiǎn)潔化，可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輕易獲得答案或者解釋?zhuān)^(guò)了對(duì)課程（或問(wèn)題）思考和總結(jié)的過(guò)程，將知識(shí)碎片化，難以建立系統(tǒng)的知識(shí)體系。手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化對(duì)課堂授課有重大影響，如流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中引入流體概念的時(shí)候會(huì)提出“什么是流體”的問(wèn)題，一些學(xué)生會(huì)回答“在剪切力作用下不斷發(fā)生形變的物體”，這明顯不是自己思考和總結(jié)的結(jié)果，而是拿出手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上搜索的答案，因?yàn)榇藭r(shí)學(xué)生還沒(méi)有這個(gè)總結(jié)的能力。問(wèn)答過(guò)程中本是提供了一個(gè)反思和想象的空間，而這樣的結(jié)果反而成為問(wèn)答本身的過(guò)程，這樣很難培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立制定計(jì)劃、預(yù)測(cè)事態(tài)和獨(dú)立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力，而培養(yǎng)能力恰恰是教育的重要環(huán)節(jié)。

缺乏追求真理的態(tài)度，創(chuàng)新不足。應(yīng)試教育的影響深遠(yuǎn)，以考試成績(jī)自評(píng)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識(shí)根深蒂固，這種應(yīng)試心理導(dǎo)致了對(duì)真理追求的缺乏。流體力學(xué)是理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，流體力學(xué)發(fā)展至今仍有較多未解決的理論問(wèn)題，如湍流的機(jī)理和描述等。在講授和課下討論過(guò)程中，學(xué)生往往缺少懷疑態(tài)度。目前工程流體力學(xué)的教材較多，教師往往指定授課教材，學(xué)生認(rèn)為考試內(nèi)容超不出教材，導(dǎo)致課堂上做筆記的比例低，課下學(xué)習(xí)被動(dòng)，對(duì)所留作業(yè)不認(rèn)真思考，遇到問(wèn)題不主動(dòng)查閱資料，只限于書(shū)本，甚至抄襲布置的作業(yè)。

理論性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)難度大。課程中不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、繞流運(yùn)動(dòng)、一元?dú)怏w動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和相似性原理和因次分析這個(gè)章節(jié)理論性較強(qiáng)，學(xué)生接受效果不好，分析原因主要是因?yàn)榻虒W(xué)過(guò)程涉及高等數(shù)學(xué)、牛頓力學(xué)，得出的結(jié)果均是以偏微分的形式表示出來(lái)（如N-S方程），甚至有些概念是以偏微分方程定義（如有旋流動(dòng)），學(xué)生理解起來(lái)相對(duì)有難度，而且得出的方程沒(méi)有后續(xù)的應(yīng)用和解析，致使理解抽象。

實(shí)驗(yàn)性教學(xué)環(huán)節(jié)達(dá)不到教學(xué)預(yù)期目標(biāo)。流體力學(xué)是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，目前學(xué)科中一些機(jī)理的研究尚未成熟，如湍流理論等。一些理論是基于實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論或公式，屬于唯象理論，缺少?lài)?yán)密的推導(dǎo)和論證，如總流伯努利方程中沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度k/d之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式的理解和接受需要實(shí)驗(yàn)的背景知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不能主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考，不能更好地理解實(shí)驗(yàn)的意義。

二、教學(xué)手段和方法應(yīng)對(duì)

課程講授過(guò)程中，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段和方法激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)積極性。在信息時(shí)代的大背景下，如何更好地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和有效地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)是教育改革的重要課題，認(rèn)清新形勢(shì)下學(xué)生所處的環(huán)境，采用有效的教學(xué)手段和方法，對(duì)教學(xué)過(guò)程有重要意義。

1.復(fù)合的課堂教學(xué)方式。復(fù)合的教學(xué)方式往往能夠達(dá)到較好的教學(xué)目的。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以用圖形、流程和動(dòng)畫(huà)等形式演示，將抽象的知識(shí)形象化、零散的知識(shí)系統(tǒng)化，同時(shí)，要重視板書(shū)這一教學(xué)手段。多媒體教學(xué)，可以傳遞較大的信息量，尤其在圖、表、流程、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)演示給學(xué)生提供直觀的演示和講解，但在理論推導(dǎo)方面達(dá)不到教學(xué)效果，學(xué)生普遍反映過(guò)快。講課提綱、重要概念、嚴(yán)謹(jǐn)理論推導(dǎo)部分應(yīng)在板書(shū)中體現(xiàn)。如具備條件可在上課期間抽出幾分鐘做一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)或者放映一些科學(xué)短片以提出問(wèn)題。如在講解尼古拉茲實(shí)驗(yàn)時(shí)，推導(dǎo)之間的關(guān)系和實(shí)驗(yàn)思路以板書(shū)的形式展現(xiàn)，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置、流程和結(jié)果的圖表化要以動(dòng)畫(huà)和流程圖等形式在多媒體中表現(xiàn)出來(lái)，突出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的層次，學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)程中就不會(huì)出現(xiàn)“只在此山中，云深不知處”。

2.強(qiáng)調(diào)基本概念。流體力學(xué)有其獨(dú)特的框架本學(xué)科是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)條件下的知識(shí)體系，連續(xù)介質(zhì)的概念就必須明確，流體運(yùn)動(dòng)的定律較多，在抽象為數(shù)學(xué)模型時(shí)需要?；藭r(shí)提出了相當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件，如理想流體、恒定流、均勻流和不可壓縮流體等，這些假設(shè)貫穿于各個(gè)章節(jié)，需要準(zhǔn)確把握其概念。另外一些基本概念容易理解錯(cuò)誤，如相對(duì)壓強(qiáng)概念：以當(dāng)?shù)赝叱檀髿鈮簽榱闫鹗键c(diǎn)的壓強(qiáng)，如果理解成以大氣壓為零起點(diǎn)的壓強(qiáng)，那么在理解氣體伯努利方程時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

3.工程和研究背景的重要性。在學(xué)習(xí)流體力學(xué)之前，學(xué)生接觸的大部分知識(shí)都是經(jīng)典固體力學(xué)范疇。描述流體運(yùn)動(dòng)的方法分為拉格朗日法和歐拉法，由于流體的流動(dòng)特性，在工程流體力學(xué)范疇基本上都是用歐拉法描述的，因此，明確歐拉法和拉格朗日法的特性非常重要。學(xué)生經(jīng)驗(yàn)公式的接受出現(xiàn)問(wèn)題，如尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，這里要著重說(shuō)明其歷史背景，在什么樣的情況下作此實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是什么，如何去做，得出什么結(jié)論，都要交代清楚，不然突如其來(lái)的結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)公式學(xué)生有些茫然不知。另外，針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，所講授內(nèi)容要及時(shí)調(diào)整，所舉工程實(shí)例盡量與授課對(duì)象專(zhuān)業(yè)相近。

4.突出研究手段，增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。研究手段的突出，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的創(chuàng)造過(guò)程有進(jìn)一步了解，進(jìn)而開(kāi)拓視野，積極思考。流體力學(xué)是從實(shí)驗(yàn)發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，因此，在教學(xué)中要突出實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中的地位，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，尤其是綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。流體力學(xué)中有較多的偏微分方程形式的數(shù)學(xué)模型和公式，這部分內(nèi)容無(wú)論是在老師講授還是在學(xué)生理解上都較為抽象，應(yīng)用已學(xué)高等數(shù)學(xué)知識(shí)不能求解這些數(shù)學(xué)模型，學(xué)生理解起來(lái)非常困難，因此介紹計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的研究方法顯得非常重要。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)CFD技術(shù)的普及和發(fā)展起了巨大的作用，各種CFD商業(yè)軟件的研發(fā)和集成使CFD技術(shù)的應(yīng)用更加簡(jiǎn)單化，學(xué)習(xí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)工具解決工程問(wèn)題已經(jīng)成為一種常規(guī)手段[6]。另外應(yīng)用解析方法理論分析也是流體力學(xué)研究過(guò)程中非常重要的手段。

5.及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，掌握學(xué)科前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。工程流體力學(xué)是面向部分工科專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，在實(shí)際工作中有廣泛的應(yīng)用，僅僅限于教材的講解或者限于學(xué)科內(nèi)的講解，使學(xué)生只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林。不同的專(zhuān)業(yè)，教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，如采礦專(zhuān)業(yè)在教學(xué)中教師要更多地結(jié)合礦井通風(fēng)方向去講授，建環(huán)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中要更多地結(jié)合通風(fēng)、燃?xì)廨斉涞确较蛉ブv授，盡可能講解一些前沿的工程，開(kāi)闊學(xué)生視野，注入新的思想。學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)是與時(shí)代背景相關(guān)的，授課內(nèi)容也要與時(shí)俱進(jìn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

總之，工程流體力學(xué)是很多學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生要打好扎實(shí)的基礎(chǔ)，但從學(xué)生掌握程度來(lái)看，仍達(dá)不到教學(xué)要求，需對(duì)其進(jìn)一步改革嘗試。針對(duì)目前的教學(xué)模式，教師要充分利用復(fù)合的教育技術(shù)與手段，結(jié)合現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)資源信息，及時(shí)更新知識(shí)，掌握學(xué)科前沿。教學(xué)過(guò)程不是一成不變的，了解不同時(shí)期授課對(duì)象的思想變化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，講清楚知識(shí)的來(lái)龍去脈，揭示問(wèn)題的本質(zhì)，給學(xué)生創(chuàng)造獨(dú)立思考問(wèn)題、解析問(wèn)題、解決問(wèn)題的空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，從而取得更好的教學(xué)效果。

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