關(guān)于工程流體力學(xué)本科教學(xué)的反思

【摘要】工程流體力學(xué)是能源動(dòng)力、機(jī)械、水利等專(zhuān)業(yè)本科生的必修基礎(chǔ)課程。本文針對(duì)學(xué)院在工程流體力學(xué)本科教學(xué)中存在的問(wèn)題開(kāi)展分析，結(jié)合課程特點(diǎn)、授課經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)手段、課后讀物、相關(guān)課程修習(xí)以及作業(yè)形式等方面提出了該課程教學(xué)的改進(jìn)和應(yīng)對(duì)措施。

【關(guān)鍵詞】工程流體力學(xué) 教學(xué) 改革

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）32-0223-02

流體力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的重要分支，主要研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及動(dòng)力學(xué)特性，涉及水利、能源、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，流體力學(xué)可分為工程流體力學(xué)、理論流體力學(xué)等分支，其中工程流體力學(xué)主要針對(duì)能源動(dòng)力、機(jī)械、水利等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，是相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生的必修課程。工程流體力學(xué)基于流體力學(xué)基本理論知識(shí)，注重相關(guān)理論在實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)用，例如管路設(shè)計(jì)、流動(dòng)損失計(jì)算等方面，課程本身具有一定難度。針對(duì)工程流體力學(xué)的教學(xué)，很多學(xué)者在該課程教學(xué)過(guò)程及教學(xué)手段方面進(jìn)行了研究[1-3]。

1.工程流體力學(xué)課程概況

1.1 課程內(nèi)容

工程流體力學(xué)是能源動(dòng)力等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，主要著眼于實(shí)際工程問(wèn)題中所涉及的流體流動(dòng)、流體與固體間相互作用等方面。該課程所需預(yù)備知識(shí)較多，學(xué)生需具備包括高等數(shù)學(xué)、場(chǎng)論與矢量分析、以及工程熱力學(xué)等方面的理論知識(shí)。工程流體力學(xué)的研究對(duì)象為流體，在大多數(shù)情況下，需要基于歐拉體系，采用控制體分析法對(duì)相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展研究，與學(xué)生先前所學(xué)的力學(xué)課程有明顯區(qū)別。

在筆者工作的上海理工大學(xué)，工程流體力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括：流體的特點(diǎn)、流體靜力學(xué)、流體流動(dòng)特性、流體動(dòng)力學(xué)、不可壓縮流體的內(nèi)部流動(dòng)及外部流動(dòng)，可壓縮流體的一元流動(dòng)、相似原理及量綱分析等方面，此外還包括4學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

1.2 教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

筆者在擔(dān)任工程流體力學(xué)課程助教期間，對(duì)所授專(zhuān)業(yè)的學(xué)生及授課教師進(jìn)行了調(diào)研，并結(jié)合課堂教學(xué)過(guò)程的觀察，總結(jié)了目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。

（1）理論知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)難度較大，學(xué)生接受能力有限。工程流體力學(xué)課程中含有大量抽象概念，例如拉格朗日描述與歐拉描述、Navier-Stockes方程、雷諾輸運(yùn)定理以及流體湍流脈動(dòng)理論等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，學(xué)生普遍接受效果不理想。筆者分析有以下幾點(diǎn)原因：首先，學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前，高等數(shù)學(xué)、偏微分方程等相關(guān)知識(shí)掌握不扎實(shí)。工程流體力學(xué)課程具有較強(qiáng)的理論性，例如連續(xù)性方程，伯努利方程及動(dòng)量方程的推導(dǎo)過(guò)程，學(xué)生需具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)才能較好地理解。其次，相關(guān)課程的設(shè)置有待改進(jìn)，在學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)之前，應(yīng)要求學(xué)生預(yù)先修完場(chǎng)論與矢量分析，使得學(xué)生能夠更好地理解流體力學(xué)的相關(guān)思想。

（2）上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果不理想。在筆者工作的上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，工程流體力學(xué)的課程教學(xué)內(nèi)容中還涵蓋4學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，其內(nèi)容主要包括計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的簡(jiǎn)易操作，要求學(xué)生完成后臺(tái)階流動(dòng)的二維建模及數(shù)值模擬。然而，從4學(xué)時(shí)上機(jī)環(huán)節(jié)觀察，學(xué)生對(duì)于軟件的操作方式接受效果不佳，甚至無(wú)法完成“點(diǎn)—線—面”的建模工作；而在計(jì)算環(huán)節(jié)，對(duì)于邊界條件設(shè)置，湍流模型選取等工作，學(xué)生的接受程度也有待于提升。造成這種現(xiàn)象的原因，筆者歸結(jié)為對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)思想的陌生，在之前本科階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生并未接觸到相關(guān)軟件，因此對(duì)于“網(wǎng)格”、“前處理”等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)不熟悉。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生或許可以具備操作相關(guān)軟件的能力。

（3）學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的態(tài)度有待提高。從課堂教學(xué)過(guò)程觀察，參與本課程學(xué)習(xí)的學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)方面存在不足，對(duì)于課程中較難理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)未能做到及時(shí)復(fù)習(xí)，與授課教師之間也缺乏反饋交流。這其實(shí)是一個(gè)較為普遍的現(xiàn)象，大部分學(xué)生在經(jīng)歷十二年應(yīng)試教育后通過(guò)高考進(jìn)入高校，無(wú)法適應(yīng)高校教學(xué)與初等學(xué)校教學(xué)之間的差異，無(wú)法做到主動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。事實(shí)上，高校教學(xué)要求授課教師與學(xué)生之間的相互配合，在教授講授知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，學(xué)生也需要自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于工程流體力學(xué)這類(lèi)理論性與應(yīng)用性均較強(qiáng)的課程，尤其如此。

2.教學(xué)方法改進(jìn)及應(yīng)對(duì)措施

在工程流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，可以對(duì)教學(xué)方法做出適當(dāng)調(diào)整，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在目前課堂教學(xué)高度信息化、多媒體化的大背景下，如何運(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段取得理想的教學(xué)效果，對(duì)于工程流體力學(xué)的課堂教學(xué)，具有極其重要的意義。

首先，采用多元化的教學(xué)手段，活躍課堂氣氛。如前所述，工程流體力學(xué)具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，如果采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法，雖然可以完成教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容，然而教學(xué)效果難以保證，而學(xué)生對(duì)于純理論性的解釋?zhuān)酵茖?dǎo)等內(nèi)容的接受度相對(duì)有限。如果能用多媒體技術(shù)豐富教學(xué)內(nèi)容，則可以使學(xué)生的注意力集中時(shí)間延長(zhǎng)。此外，如條件允許，可以在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)穿插一些簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，以便引出課程相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。例如，在講解層流及湍流問(wèn)題時(shí)，可以搭建簡(jiǎn)易的雷諾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，或直接讓學(xué)生操作，使其更直觀地觀察到不同條件下流體的流動(dòng)狀態(tài)。

其次，采用多形式的課外讀物。在工科專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，僅憑對(duì)課程教材的閱讀較難掌握該門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)，還需要在課外閱讀相關(guān)的書(shū)籍。對(duì)于工程流體力學(xué)而言，課本知識(shí)本身具有較強(qiáng)的理論性，對(duì)于學(xué)生而言較難理解，如果能夠提供較為通俗性的課外讀物，可以幫助學(xué)生更好地理解較抽象的知識(shí)點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]以漫畫(huà)的形式介紹了流體力學(xué)的基本概念，對(duì)于本科階段工程流體力學(xué)的教學(xué)而言，或許是較為合適的課外讀物。

第三，對(duì)流體力學(xué)相關(guān)的課程修習(xí)順序進(jìn)行一定調(diào)整。如前所述，工程流體力學(xué)具有較強(qiáng)的理論性，部分知識(shí)點(diǎn)較為抽象，例如粘性應(yīng)力張量等概念，需要結(jié)合場(chǎng)論與矢量分析課程的學(xué)習(xí)才能較好地掌握。因此，對(duì)于工程流體力學(xué)相關(guān)課程的修習(xí)計(jì)劃需進(jìn)行調(diào)整，將場(chǎng)論與矢量分析、計(jì)算流體力學(xué)等課程與工程流體力學(xué)在同一時(shí)間開(kāi)設(shè)，通過(guò)結(jié)合相關(guān)課程，使學(xué)生能夠較全面地理解工程流體力學(xué)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

第四，豐富課后作業(yè)的形式。對(duì)于相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科學(xué)生，工程流體力學(xué)是重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，僅僅掌握課后習(xí)題的解答不利于今后在相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，在課后習(xí)題之外，教師可分配一些思考類(lèi)的作業(yè)，使學(xué)生在課后能夠主動(dòng)回顧相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，而不僅局限于解題及應(yīng)試。

3.結(jié)束語(yǔ)

工程流體力學(xué)是大多數(shù)工科專(zhuān)業(yè)本科生的必修課，從目前學(xué)生對(duì)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)的掌握情況以及課堂教學(xué)過(guò)程觀察，工程流體力學(xué)的教學(xué)效果不理想。本文在總結(jié)工程流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的，從教學(xué)手段、課外讀物、課程休息計(jì)劃以及課后作業(yè)形式四個(gè)方面提出了針對(duì)性的教學(xué)方法與應(yīng)對(duì)措施，使得學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠扎實(shí)地掌握工程流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，并能熟練運(yùn)用相關(guān)理論解決實(shí)際工程應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小川，黃庠永. 工程流體力學(xué)教學(xué)改革模式的探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012，（19）：61-62+67.

[2]李小川，田萌. “工程流體力學(xué)”教學(xué)調(diào)查研究與改革探索[J]. 中國(guó)電力教育，2012，（23）：47+55.

[3]龐赟佶，陳俊俊，陳義勝等. 關(guān)于工程流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)思考[J]. 教育教學(xué)論壇，2015，（45）：143-144.

[4]武居昌宏. 漫畫(huà)流體力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：

方奕棟（1986-），男，博士，上海理工大學(xué)講師，目前擔(dān)任本科課程工程流體力學(xué)的教學(xué)工作，研究方向：新能源汽車(chē)熱管理。endprint