熱能與動力專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)方法探討

郝彩俠　張海平　牛建會

摘 要：流體力學(xué)課程概念多、理論抽象、計算公式繁多、流體運動復(fù)雜且與實際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密。根據(jù)該課程的特點，采用全面的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，給學(xué)生提供理論知識應(yīng)用的平臺，在傳授該課程理論知識點的同時，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程的能力。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；應(yīng)用；實際工程

流體力學(xué)是熱能與動力工程專業(yè)的一門重要主干基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是通過各種教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本概念、基本理論、基本計算方法，從而具有一定的分析問題、解決問題能力，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。理論推導(dǎo)公式并且應(yīng)用于工程中是該課程的基本特點。如果不注重講授方法，很容易產(chǎn)生消極、沉悶的課堂氣氛，直接制約和影響教學(xué)過程和教學(xué)效果。因此在有限的學(xué)時內(nèi)，讓學(xué)生掌握基本理論知識和應(yīng)用技能，需要教師有良好的教學(xué)方法。良好的教學(xué)方法既能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能培養(yǎng)學(xué)生對課程乃至該專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。本文通過多年的教學(xué)實踐來探討實際教學(xué)中采用的各種教學(xué)方法。

一、以生活實例引出流體力學(xué)的相關(guān)理論

我們生活在流體（空氣）所包圍的環(huán)境中，流體力學(xué)知識滲透到生活中的方方面面，許多流體問題與生活息息相關(guān)。學(xué)生對流體世界僅有感性認(rèn)識而缺乏理性認(rèn)識。如果教師能建立一個流體力學(xué)的體驗平臺，引導(dǎo)學(xué)生從生活認(rèn)知上升到流體認(rèn)知，那么他們就容易接受并應(yīng)用流體力學(xué)的基本理論知識。為此，教師可以以生活實例結(jié)合相關(guān)的流體理論知識進行教學(xué)活動。用現(xiàn)實、熟悉的生活常識引導(dǎo)學(xué)生思考和學(xué)習(xí)。學(xué)生將會深刻理解并掌握該理論知識點。因為熟悉的情境是學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的出發(fā)點，現(xiàn)實的情境是學(xué)生思維的支撐點。比如講解流體的粘性時，大多數(shù)學(xué)生會有疑問，“什么是流體的粘性”、“為什么感覺不到水或空氣的粘性”，不能理解流體粘性的含義。這時候教師可以用日常生活中的實例來說明，用筷子攪動飯盆中部的水，整個盆中的水都被帶動作旋轉(zhuǎn)運動，而停止攪動后，水旋轉(zhuǎn)逐漸緩慢直至靜止，筷子并沒有接觸到盆中所有的水，但是盆中的水隨之運動。所以得到流體的粘性即為能帶動或阻礙鄰近流體運動的特性結(jié)論。通過舉例，學(xué)生容易掌握流體的基本物理性質(zhì)及其在后續(xù)課程中的應(yīng)用。盡管有比較復(fù)雜的公式和嚴(yán)密的理論，但流體力學(xué)同時也是一門貼近生活的學(xué)科，可以列舉很多相關(guān)的生活實例，借此引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生通過實例能真正掌握相關(guān)理論，這是流體力學(xué)課程的一個重要的特點。

二、實驗教學(xué)與理論教學(xué)有機結(jié)合

流體力學(xué)是建立在實驗基礎(chǔ)上的一門學(xué)科，流體力學(xué)中的基本概念、基本理論都是在實踐或?qū)嶒炛薪⒉l(fā)展起來的。實驗教學(xué)是流體力學(xué)課程的一個重要環(huán)節(jié)，但目前大多數(shù)院校的流體力學(xué)實驗教學(xué)與理論教學(xué)存在著相脫節(jié)的現(xiàn)象，教師在課堂講完理論后，學(xué)生去實驗室按實驗指導(dǎo)書的步驟去驗證理論結(jié)果。實驗教學(xué)的效果不明顯，學(xué)生的積極能動性和創(chuàng)造性得不到有效的開發(fā)。實驗與理論有機結(jié)合能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生認(rèn)識到流體力學(xué)并非大量復(fù)雜公式堆積的理論學(xué)科。例如在講靜力學(xué)等壓面時，教師可以先在課堂上演示實驗，裝置示意圖如圖1所示，打開閥門A，同時關(guān)閉閥門B，水箱的水通過連通的管路流動到測壓管1和2中，讓學(xué)生討論兩管中水位的高度是否相同及其原因。待水靜止后，可以看到兩個測壓管中水柱的高度相同；放掉主管路中的水，關(guān)閉閥門A和閥門B，從兩個測壓管上部注入密度不同的兩種液體，再次觀察，可看到兩個測壓管中液面的高度不同；打開閥門A和B，讓管路中的水流動起來，觀察測壓管中水位高度。教師可根據(jù)三次實驗現(xiàn)象提出問題：為什么管中是同種流體時，兩支測壓管水位高度相同？管中注入非同種流體和流體運動時，測壓管水位高度為什么不同？學(xué)生就此現(xiàn)象可開展討論，大大激發(fā)了學(xué)生探索流體力學(xué)基本規(guī)律的興趣。最后教師可講解靜壓強等壓面的基本理論知識并用其解釋三次測壓管高度差別的原因。同時可以讓學(xué)生自己總結(jié)水平面為等壓面的條件。

實驗是基礎(chǔ)，理論是總結(jié)。理論源于實驗，并高于實驗，具有高度的概況性和總結(jié)性。實驗和理論相結(jié)合的課堂教學(xué)，可以用形象化的實驗現(xiàn)象加深學(xué)生對理論知識的理解。學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象，自己總結(jié)流體靜止的基本規(guī)律，教師及時進行補充和拓展。這種教學(xué)方法不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，使學(xué)生真正融入到課堂教學(xué)中，而且使理論教學(xué)更加清晰明了。大大提高了學(xué)生的探索欲和求知欲，使得學(xué)生接受和理解能力得到了進一步提高。

三、多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

本科學(xué)生在接觸專業(yè)課之前很少有機會接觸到工程實際，缺乏對工程的感性認(rèn)識，因此難于理解一些抽象的理論。教師可以采用多媒體來輔助教學(xué)，在課堂上演示一些流體流動現(xiàn)象，采用特寫手段處理流動現(xiàn)象，既真實又藝術(shù)的再現(xiàn)了流體的流動，從而將枯燥的理論描述變成新穎形象的實踐演示。在形象化的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生對流動現(xiàn)象有了一定的感性認(rèn)識，再經(jīng)教師的強化，易于理解和接受抽象的理論，從而實現(xiàn)了感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍。例如在講解水擊現(xiàn)象時，教師用語言描述的水擊現(xiàn)象，學(xué)生很難理解和掌握。如果利用水擊錄像，學(xué)生通過畫面便可清楚的觀察到水擊現(xiàn)象的全過程，教師可以再配以圖片講解熱能動力專業(yè)實際中的設(shè)備及管道產(chǎn)生水擊的原因，以及如何避免水擊造成工程上的破壞等。學(xué)生通過真實案例認(rèn)識到該課程在工程上的重要性。培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，同時，學(xué)生也真正明白了現(xiàn)在學(xué)習(xí)的理論知識在將來工作中的重要性。

而對該課程中理論公式的推導(dǎo)，必須使用傳統(tǒng)教學(xué)中的板書，教師將理論、教學(xué)方法融為一體，通過啟發(fā)式教學(xué)，推導(dǎo)理論公式。例如，在講解壓差阻力時教師可以借助形象的圖片講解汽車的一次次外形改進的歷史，從早期箱形車、甲殼蟲型車、魚型車到現(xiàn)在的流線型汽車，汽車的阻力系數(shù)從0.8降低到0.137，僅為原來的1/6。目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。[ 1 ]通過講汽車外形發(fā)展歷史吸引學(xué)生的注意力，創(chuàng)造良好課堂的氣氛，然后引出流體邊界層分離產(chǎn)生壓差阻力等基本理論知識，這時學(xué)生會恍然大悟，由此明白了汽車外形的演變過程，掌握了邊界層分離的理論知識。合理使用多媒體，并使其與傳統(tǒng)教學(xué)巧妙結(jié)合，這樣才能達到最佳的教學(xué)質(zhì)量和效果。

四、培養(yǎng)學(xué)生對比分析問題的能力

流體力學(xué)課程的各章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系緊密，前面章節(jié)的理論是后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。部分知識點及理論貫穿于流體力學(xué)課程教學(xué)的始終。教師在教學(xué)過程中注意培養(yǎng)學(xué)生對比分析問題的能力。尋找相同知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系并總結(jié)分析其異同之處，從而使學(xué)生能真正具備應(yīng)用理論知識的能力。例如在推導(dǎo)能量方程時，涉及到緩變流過流斷面上壓強的分布規(guī)律，得到和靜力學(xué)中壓強分布規(guī)律相同的結(jié)論，即z+=C。但二者應(yīng)用條件有所不同，在緩變流同一過流斷面上任意點的位置勢能和壓強勢能之和相同，而不同過流斷面這兩種勢能之和并不相同。而靜力學(xué)中在同種流體內(nèi)，任意點的這兩種勢能之和均相同。講解時注重讓學(xué)生自己來對比總結(jié)其相同及不同之處。又如講解相同質(zhì)量流量下，速度和過流斷面的關(guān)系時，教師可以提出問題“流體在圓形管道中流動時，管徑小則流速大，管徑大則流速小”，學(xué)生一般會根據(jù)水在管道中流動的特點認(rèn)為這種說法正確。這時，教師可以結(jié)合流體的壓縮性，將氣體的超聲速和亞聲速兩種流動情況進行對比分析，氣體作亞聲速流動時，速度和斷面面積成反比；而氣體作超聲速流動時，速度隨著斷面面積增大而增大。一般情況下，不考慮水的壓縮性，認(rèn)為水的密度不變，從而得出速度與斷面成反比的結(jié)論。而氣體運動時，考慮到密度變化，可得到兩種不同的結(jié)論。通過對比分析，可培養(yǎng)學(xué)生全面分析問題的能力。

五、加強作業(yè)和習(xí)題的講解與討論

流體力學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)非常重要，教師要重視培養(yǎng)學(xué)生思考問題和解決問題的能力。比如并聯(lián)管路的水力計算在專業(yè)課程中占有很重要的地位，尤其是工程實踐中的水力平衡問題。因此教師應(yīng)該嘗布置一部分與之相關(guān)的作業(yè)題，僅僅要求學(xué)生寫出該問題的解決方法，不必寫出詳細(xì)復(fù)雜的計算過程，這樣既能有效減輕學(xué)生的計算量，又培養(yǎng)了學(xué)生用流體力學(xué)的基本理論解決專業(yè)實際問題的能力。

流體力學(xué)這門課程的基本概念、基本原理、基本計算方法多，如果教師只注重基本知識的講授，那么學(xué)生可能在應(yīng)用這些基本原理的時候可能會有困難，所以一定要加強習(xí)題的練習(xí)與講解，選擇一些具有代表性的題目在習(xí)題課上講解，選擇一些實際的例子課堂上探討。比如，在靜壓強習(xí)題課舉例時，可與學(xué)生共同探討著名的“儒可夫斯基佯謬”；[ 2 ]在課堂上提出“水壩縱斷面要做成上面窄下面寬的梯形形狀”；[ 3 ]講能量方程時，列舉“人們等候火車的時候不能站到離軌道很近的站臺邊緣處” 等這些日常生活中常見的現(xiàn)象，讓學(xué)生思考為什么，能使他們更加深刻理解并運用課堂學(xué)到的基本理論，達到事半功倍的效果。

流體力學(xué)作為熱能與動力工程專業(yè)基礎(chǔ)課，既有較強的理論性，又和工程實踐緊密結(jié)合。教師在課堂教學(xué)過程中，必須采用多種教學(xué)方法和手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決工程實際問題的能力，從而達到流體力學(xué)的教學(xué)目的，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[2] 聞德蓀.工程流體力學(xué)上冊[M].高等教育出版社，2004.01：61.

[3] 周光垌.流體力學(xué)上冊[M].高等教育出版社，2003.04：80.

作者簡介：郝彩俠（1978-），女，河北省藁城市人，漢族，講師，研究方向為流體力學(xué)應(yīng)用。