面向環(huán)境工程專業(yè)的《流體力學(xué)》教學(xué)探討

王軍 麻巍巍 刁永發(fā)

摘要：文章概述了流體力學(xué)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合從教經(jīng)驗(yàn)，探討了提高流體力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的方法和技巧。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）10-0158-02

環(huán)境工程是一門與土木建筑、化學(xué)工程、生物學(xué)、氣象學(xué)、管理學(xué)和社會(huì)學(xué)等多門學(xué)科相關(guān)的交叉學(xué)科，通過評(píng)價(jià)人類生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，用具體的工程、規(guī)劃和管理措施，控制環(huán)境污染，保護(hù)環(huán)境與資源，使社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。環(huán)境工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)具有可持續(xù)發(fā)展理念，具備水、氣、固及物理性等污染防治，環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)、環(huán)境規(guī)劃與管理、資源保護(hù)等方面的知識(shí)，具有進(jìn)行污染控制工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)營能力，制定環(huán)境規(guī)劃和進(jìn)行環(huán)境管理能力，以及環(huán)境工程新工藝和新設(shè)備的研究和開發(fā)能力，能在政府部門、規(guī)劃部門、經(jīng)濟(jì)管理部門、設(shè)計(jì)單位、工礦企業(yè)、科研單位、學(xué)校等從事規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、教育和研究開發(fā)方面工作的環(huán)境工程學(xué)科的高級(jí)工程技術(shù)人才。環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具有扎實(shí)的環(huán)境工程理論知識(shí)、專業(yè)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)能力，特別是在有機(jī)廢水的生物化學(xué)處理、可持續(xù)發(fā)展的垃圾填埋處置、綠色交通體系構(gòu)建及環(huán)境污染修復(fù)的生態(tài)工程等方面的理論和技術(shù)具有特色。其主干課程包括：土木工程制圖、工程力學(xué)、物理化學(xué)、工程流體力學(xué)、環(huán)境工程微生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程原理、水污染控制工程、固體廢物處理與處置、大氣污染控制工程、環(huán)境規(guī)劃與管理從環(huán)境工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)特點(diǎn)及主干課程中可以看出流體力學(xué)這門課與環(huán)境工程專業(yè)人才的培養(yǎng)有著千絲萬縷的聯(lián)系。那么流體力學(xué)是一門什么樣的學(xué)科呢？流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中隨時(shí)隨地都可遇到流體，大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個(gè)地球，地球表面的70%是水面。大氣運(yùn)動(dòng)、海水運(yùn)動(dòng)乃至地球深處熔漿的流動(dòng)都是流體力學(xué)的研究內(nèi)容。所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。遠(yuǎn)古時(shí)代，人類就會(huì)根據(jù)流體的流動(dòng)性，采用疏浚的辦法治理洪水，如古埃及人對(duì)尼羅河泛濫的治理及中國大禹治水的傳說；不僅如此，古時(shí)候的人們還利用河水的流動(dòng)特性，修建引水灌溉工程，如李冰父子修建的都江堰河道及古羅馬人修建的供水管道系統(tǒng)，至今還在發(fā)揮著作用。古希臘的阿基米德建立的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成做出了重要貢獻(xiàn)。隨著經(jīng)典力學(xué)中速度、加速度，力、流場等概念的建立以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律出現(xiàn)，流體力學(xué)逐步成為一門嚴(yán)密的學(xué)科。20世紀(jì)初，隨著飛機(jī)出現(xiàn)，流體力學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)新的分支學(xué)科——空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)?？諝鈩?dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的飛速發(fā)展導(dǎo)致飛機(jī)和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展，使人類的活動(dòng)范圍擴(kuò)展到其他星球和銀河系，從而使航空航天事業(yè)得到蓬勃發(fā)展，也使空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)成為流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。隨著工業(yè)和軍事領(lǐng)域的發(fā)展，流體力學(xué)分化出了更多的新領(lǐng)域及交叉領(lǐng)域，如石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用導(dǎo)致了滲流力學(xué)的出現(xiàn)，滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問題。燃燒過程的研究導(dǎo)致了物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)；對(duì)原子彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波的研究，形成了爆炸力學(xué)，對(duì)沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運(yùn)動(dòng)等流體中帶有固體顆?；蛞后w中帶有氣泡等問題研究導(dǎo)致了多相流體力學(xué)出現(xiàn)；對(duì)等離子體在磁場作用下運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究催生了等離子體動(dòng)力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們?cè)谑芸責(zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用；環(huán)境問題的出現(xiàn)及對(duì)流體力學(xué)在環(huán)境問題的研究中的應(yīng)用，導(dǎo)致了環(huán)境流體力學(xué)的發(fā)生與發(fā)展；流體力學(xué)在血液在血管中的流動(dòng)及心、肺、腎中的生理流體運(yùn)動(dòng)和植物中營養(yǎng)液的輸送的研究中的應(yīng)用，導(dǎo)致了生物流變學(xué)的出現(xiàn)。綜上所述，流體力學(xué)的出現(xiàn)、發(fā)展來源于人類的生產(chǎn)實(shí)踐、人類同對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)、探索及人類同自然災(zāi)害的斗爭，同時(shí)對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和探索活動(dòng)期指導(dǎo)作用。因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支；從對(duì)不同“力學(xué)模型”的研究來分，則有理想流體動(dòng)力學(xué)、粘性流體動(dòng)力學(xué)、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮流體動(dòng)力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。除水和空氣以外，流體還指作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等，氣象、水利的研究，船舶、飛行器、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)計(jì)及其運(yùn)行，可燃?xì)怏w或炸藥的爆炸，汽車制造，以及天體物理的若干問題等等，都廣泛地用到流體力學(xué)知識(shí)。因此流體力學(xué)是化工、環(huán)保、土木建筑、給排水、能源等許多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此該門課是培養(yǎng)專業(yè)人才的基石，具有舉足輕重的地位。流體力學(xué)的內(nèi)容包括流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)。流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)包括納維-斯托克斯方程、邊界層理論及位勢流理論等。流體力學(xué)的學(xué)習(xí)涉及到力學(xué)知識(shí)和、高等數(shù)學(xué)的微積分知識(shí)及場論，學(xué)生普遍對(duì)這些內(nèi)容感到頭疼，因此教好流體力學(xué)，對(duì)老師是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，而學(xué)好流體力學(xué)，對(duì)學(xué)生來說，更是一個(gè)挑戰(zhàn)。首先在教學(xué)方面，很多專業(yè)在流體力學(xué)的教學(xué)上，縮減學(xué)時(shí)數(shù)，而流體力學(xué)理論和應(yīng)用兩方面的內(nèi)容都很多，要在短時(shí)間內(nèi)把理論和應(yīng)用都講透徹，幾乎是不可能的。其次從學(xué)生的角度來講，覺得流體力學(xué)理論部分太抽象，主要是流體力學(xué)涉及到受力分析及數(shù)學(xué)里面的微積分、張量等，而這些知識(shí)都讓人感到高深莫測；而涉及到理論部分在工程上的應(yīng)用，就更讓人一籌莫展了。因此很多時(shí)候一提到流體力學(xué)，就會(huì)令老師擺腦袋、學(xué)生皺眉頭。筆者在近幾年的流體力學(xué)教學(xué)中，積累了一點(diǎn)教學(xué)心得和體會(huì)，在這里想和各位同行分享。在流體力學(xué)的理論部分的教學(xué)方面，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為首要任務(wù)。興趣是最好的老師，因此這是任何專業(yè)的流體力學(xué)需要做的事，而且也是很不容易做到的事。那么如何才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣呢？首先要讓學(xué)生感到流體力學(xué)這門課非常有用，只有讓學(xué)生感到流體力學(xué)這門課有用，學(xué)生才會(huì)有興趣來學(xué)習(xí)。在講新的原理之前，先提出一些與該原理有關(guān)的日常生活中的現(xiàn)象，并讓他們來解釋，因?yàn)闆]有學(xué)過這個(gè)原理，他們肯定解釋不出來，這個(gè)時(shí)候老師再揭示謎底，說這些現(xiàn)象與我們即將要講的某某原理有關(guān)，該原理具體是什么樣的呢？怎么用這個(gè)原理來解釋老師提到的這些現(xiàn)象呢？學(xué)生們就會(huì)帶著這些問題來聽老師講解了，這樣給學(xué)生們上課就會(huì)收到事半功倍的效果了。比如講到動(dòng)量定理的時(shí)候，先讓同學(xué)們思考：機(jī)動(dòng)船在水中前進(jìn)的動(dòng)力來自于何處？飛機(jī)為什么能在空氣中前進(jìn)？待把動(dòng)量定理講完后，再讓同學(xué)們用剛學(xué)過的原理來分析這兩個(gè)問題。再比如柏努力方程是關(guān)于能量守恒的問題，在講完柏努力方程的時(shí)候，可以讓同學(xué)們用該原理來分析電風(fēng)扇周圍的流場分布，也就是風(fēng)扇周圍哪個(gè)地方的流體壓強(qiáng)大，哪個(gè)地方的流體壓強(qiáng)小，并用柏努力方程來解釋；還有火車開動(dòng)時(shí)，人或物離火車太近，容易被卷入軌道，是什么原因等等，都可以用柏努力方程來解釋。通過對(duì)這些習(xí)以為常的現(xiàn)象的分析，一方面不僅可以加深同學(xué)對(duì)柏努力方程的理解，更重要的是可以激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情。其次是收集一些流體力學(xué)原理在生產(chǎn)、交通、軍事等領(lǐng)域中重大事件中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的時(shí)代責(zé)任感，讓他們感到為了國家和民族的發(fā)展、為了國家的繁榮昌盛而努力學(xué)習(xí)是一件光榮的事，增加同學(xué)努力學(xué)習(xí)的動(dòng)力。比如給同學(xué)們講講空氣動(dòng)力學(xué)專家錢學(xué)森、馮.卡門及普朗特的故事，或者講講空氣動(dòng)力學(xué)在軍備中的重要作用、錢學(xué)森老前輩在我國的航空航天領(lǐng)域的發(fā)展中的突出貢獻(xiàn)及水力學(xué)在三峽大壩建設(shè)中的作用等等。同學(xué)就會(huì)覺得原來學(xué)好流體力學(xué)這門課，不光是學(xué)位、文憑的事，更重要的是可以為國家做貢獻(xiàn)，從而樹立遠(yuǎn)大的理想，學(xué)習(xí)上就會(huì)有動(dòng)力了。再次要讓枯燥的理論公式變得生動(dòng)有趣。在理論公式的學(xué)習(xí)中，注重介紹理論公式產(chǎn)生的背景及其應(yīng)用，淡化公式的推導(dǎo)過程，強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)過程中用到的數(shù)學(xué)知識(shí)的名字，布置任務(wù)，讓學(xué)生們課后自己查閱數(shù)學(xué)書籍，自己動(dòng)手推導(dǎo)公式，課堂上再檢查，調(diào)動(dòng)同學(xué)的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。在公式的應(yīng)用方面，老師在課堂上要多講例題，多讓學(xué)生練習(xí)，讓學(xué)生做到舉一反三，觸類旁通，在理論公式的應(yīng)用過程中，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)到知識(shí)的喜悅，體會(huì)到成就感，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。再次，流體力學(xué)理論內(nèi)容繁多，在教學(xué)內(nèi)容的選材方面必須根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行取舍，體現(xiàn)專業(yè)特色。與專業(yè)關(guān)系密切的部分，重點(diǎn)講述，與專業(yè)關(guān)系不大的，作概述，做到師傅引進(jìn)門，修行在個(gè)人，給學(xué)生留有思考的余地。比如環(huán)境工程專業(yè)、建筑環(huán)境與設(shè)備及能源與環(huán)境等專業(yè)都有各自的特點(diǎn)，而流體力學(xué)都是它們的專業(yè)必修課，因此在講流體力學(xué)課的時(shí)候就需要緊扣專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。環(huán)境工程中，污水處理設(shè)施中的氧化溝與流體力學(xué)中的明渠流相同、污水沉淀池的溢流堰與流體力學(xué)的堰流有關(guān)……這些與環(huán)境工程專業(yè)特點(diǎn)聯(lián)系較緊密的章節(jié)，應(yīng)該選作重點(diǎn)，而其他與環(huán)境工程專業(yè)聯(lián)系不大的章節(jié)，可以作為自學(xué)部分，老師在課堂上點(diǎn)評(píng)。在流體力學(xué)的工程應(yīng)用教學(xué)方面，緊密結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際。帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地考察，從生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問題，并用相應(yīng)的流體力學(xué)知識(shí)來解決；或從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，用相應(yīng)的流體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)算，并與實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，討論理論計(jì)算值與實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因，從而增強(qiáng)學(xué)生的工程觀念。

如何搞好流體力學(xué)的教學(xué)是一個(gè)不斷探索的過程，需要同行之間交流與切磋，共同提高，為培養(yǎng)高素質(zhì)的人才，而共同努力。