機(jī)械類流體力學(xué)課程教學(xué)改革思考與實(shí)踐

沙 毅，李其朋

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

“問渠哪得清如許？為有源頭活水來”。為了使流體力學(xué)這門古老學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)依然生機(jī)勃勃，以利于培養(yǎng)21世紀(jì)具有創(chuàng)新意識(shí)的復(fù)合型人才，則教學(xué)改革與創(chuàng)新勢(shì)在必行。流體力學(xué)是研究液體和氣體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)，流體力學(xué)課程是機(jī)械、能源、化工、動(dòng)力、建筑、生物和航天等專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課，是德國等發(fā)達(dá)國家機(jī)械類工科專業(yè)的必修課。流體力學(xué)應(yīng)當(dāng)是現(xiàn)代工科大學(xué)生必備的基礎(chǔ)知識(shí)，其最大特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，抽象概念及數(shù)學(xué)公式演繹推導(dǎo)多。大機(jī)械類機(jī)械制造、車輛、儀器儀表、材料成型、動(dòng)力機(jī)械和輪機(jī)工程等專業(yè)學(xué)科具有既要重視理論又要密切聯(lián)系工程實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，筆者主要針對(duì)這類學(xué)科展開流體力學(xué)課程改革的教學(xué)研究。以基于產(chǎn)出目標(biāo)導(dǎo)向的強(qiáng)化教學(xué)成效為綱，合理安排、組織及優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)應(yīng)用型流體力學(xué)創(chuàng)新發(fā)展內(nèi)涵及解決發(fā)展關(guān)鍵問題的目的，制訂實(shí)施方案及措施，處理好經(jīng)典與現(xiàn)代、傳承與擴(kuò)張的關(guān)系問題；探索和嘗試新的教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)積極性，完善課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。

流體力學(xué)既是廣義的通用名稱，也是具體的學(xué)科名目，水力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等都屬于其范疇。結(jié)合自身專業(yè)的特點(diǎn)，流體力學(xué)課程名稱較多，常用的課程名稱是流體力學(xué)或工程流體力學(xué)，還有諸如應(yīng)用流體力學(xué)、物理流體力學(xué)、過程流體力學(xué)和粘性流體力學(xué)等。不論課程名稱如何，本科階段的流體力學(xué)教學(xué)主體內(nèi)容基本上是大同小異。為了區(qū)別起見，研究生階段常用高等流體力學(xué)名稱。大機(jī)械類流體力學(xué)的性質(zhì)、基本內(nèi)容和特點(diǎn)等都具有工程背景。

目前流體力學(xué)課程教學(xué)改革的前沿主要集中在面向工程教育及側(cè)重應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)與提高上[1-6]，相關(guān)研究的文獻(xiàn)不多，改革大多還處于廣義及泛泛而談的層面上，有理論升華水平的成果很少，故流體力學(xué)課程教學(xué)改革的空間和內(nèi)容均大有可為。浙江科技學(xué)院是一所借鑒德國教育模式建立起來的應(yīng)用型本科院校，學(xué)生就業(yè)率曾躋身全國前50名。機(jī)械制造及其自動(dòng)化2010年入圍中國首批卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃試點(diǎn)專業(yè)。學(xué)校先后在機(jī)械類機(jī)械制造、車輛工程、汽車服務(wù)工程、材料成型等專業(yè)開設(shè)48學(xué)時(shí)流體力學(xué)課程。機(jī)械制造專業(yè)從2014級(jí)開始教學(xué)時(shí)數(shù)改為32學(xué)時(shí)，課程更名為工程流體力學(xué)。

1 存在的問題

要改革創(chuàng)新，首先要意識(shí)到存在的問題。目前流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及教材基本上是傳統(tǒng)模式的延續(xù)和繼承，這主要表現(xiàn)在如下三方面。一是重視理論演繹，輕視實(shí)際應(yīng)用。在“文化大革命”前主要在一些名牌大學(xué)設(shè)置流體力學(xué)專業(yè)，引導(dǎo)了國內(nèi)流體力學(xué)教學(xué)的走勢(shì)，而這些學(xué)校的流體力學(xué)專業(yè)大多安排在數(shù)學(xué)系，這就導(dǎo)致這一時(shí)期及后續(xù)一段時(shí)期流體力學(xué)教學(xué)偏重理想流體力學(xué)等抽象內(nèi)容的講解，重視理論的演繹和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使得流體力學(xué)課程難學(xué)、難教亦難懂，被冠以“留級(jí)力學(xué)”之稱。改革開放后進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，大量相關(guān)專業(yè)博士生執(zhí)教流體力學(xué)課程，這些教師偏重計(jì)算流體力學(xué)，不重視流體力學(xué)基本概念及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，缺乏工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用背景，理論聯(lián)系實(shí)際能力弱。二是教學(xué)方式單調(diào)，課堂氣氛沉悶。雖然現(xiàn)處在信息化時(shí)代，但有些教師科研活動(dòng)量少，教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度把握不好。由于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)及設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)條件發(fā)展跟不上人數(shù)的增長(zhǎng)，許多院校只在部分專業(yè)開設(shè)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，或大綱中設(shè)置了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)際上開不出或開不全，甚至有些學(xué)校根本就不設(shè)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。三是流體力學(xué)教材層出不窮，數(shù)量大幅提高，質(zhì)量參差不齊，基本內(nèi)容大同小異。部分教材拼湊而成，許多教材分工協(xié)作而成，難免出現(xiàn)大部分教材在思想性、完整性、統(tǒng)一性、連續(xù)性和邏輯性等方面不夠完善，在理論聯(lián)系實(shí)際和指導(dǎo)科學(xué)研究及工程應(yīng)用方面不盡如人意。土木工程類的流體力學(xué)教材較多，機(jī)械類偏少[7]。而國外的流體力學(xué)名牌教材主要以案例為紐帶，突出工程應(yīng)用[8]，理論性內(nèi)容偏少，難以適應(yīng)中國的高等教育。

2 改革措施

2.1 教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變是基于對(duì)學(xué)習(xí)、教育和人才培養(yǎng)之間辯證關(guān)系的再認(rèn)識(shí)。學(xué)校是學(xué)習(xí)和受教育的地方，學(xué)習(xí)要先學(xué)，主要是先跟教師學(xué)，而后習(xí)而得之。教師的作用就是引導(dǎo)啟發(fā)，傳授知識(shí)，推學(xué)立論，樹德立人，教育學(xué)生學(xué)會(huì)做人，學(xué)會(huì)做事，學(xué)會(huì)思考。人才生長(zhǎng)不僅僅依靠教育，但教育和學(xué)習(xí)有利于人才的成長(zhǎng)。教育可以促進(jìn)學(xué)習(xí)，但學(xué)習(xí)并不完全依賴教育，在目前知識(shí)爆炸的信息化時(shí)代尤其倡導(dǎo)終身學(xué)習(xí)，比如愛迪生所受教育不多，但終身的鉆研和學(xué)習(xí)造就他成為一名偉大的科學(xué)家。學(xué)習(xí)一般分為知識(shí)積累、建立科學(xué)思維模式、確立終極目標(biāo)三步驟。這就凸顯了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、思考能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)尤為重要。人無完人，人也沒有全才和專業(yè)人才之分。教師隨著年齡增長(zhǎng)心態(tài)會(huì)發(fā)生變化，但學(xué)生永遠(yuǎn)是年輕的，追求美好，向往詩情畫意是青年人的特色。因此，師生之間、學(xué)生之間應(yīng)互為師者。學(xué)生之間的接觸時(shí)間和親密度遠(yuǎn)大于師生間，誘導(dǎo)他們互相討論與學(xué)習(xí)也是教育與人才培養(yǎng)的一條重要渠道。教育和學(xué)習(xí)的出口不一定是人才，但人才的背后一定凝結(jié)著大量的學(xué)習(xí)。人才的凸顯周期一般是20年，20年后需要什么知識(shí)無法預(yù)測(cè)，教育只能以不變應(yīng)萬變，授人以魚不如授人以漁。一般而言，理科主要發(fā)現(xiàn)新知，工科主要?jiǎng)?chuàng)造實(shí)物，所以流體力學(xué)教育不能理科化，也不能工科化，應(yīng)當(dāng)是兩者的有機(jī)結(jié)合，并且要融入多學(xué)科的知識(shí)?？傊瑱C(jī)械類流體力學(xué)創(chuàng)新教學(xué)理念的形成需要理工結(jié)合，多學(xué)科結(jié)合，將學(xué)習(xí)、教育和人才三要素統(tǒng)籌，順其自然，順理成章。

2.2 自編應(yīng)用型教材

教材是學(xué)習(xí)的依據(jù)，在教學(xué)中具有龍頭的作用。國外的高等教育可以沒有教材，而在中國教材是必須有的。筆者認(rèn)為，作為機(jī)械類流體力學(xué)教材要體現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，突出應(yīng)用性。筆者在總結(jié)多年知識(shí)積累和教學(xué)、科研成果的基礎(chǔ)上，博覽流體力學(xué)群書[9-11]，撰寫完成機(jī)械類教材《流體力學(xué)》[12]，該教材具備以下特點(diǎn)：一是整體上具備較高的統(tǒng)一性、連續(xù)性和邏輯性，內(nèi)容編排循序漸進(jìn)，層次自然有機(jī)銜接，邏輯和思路清晰，體現(xiàn)典型化、通用化和系統(tǒng)化，具有思想性和啟發(fā)性；二是基本內(nèi)容齊全，涵蓋機(jī)械類知識(shí)點(diǎn)的流體力學(xué)現(xiàn)象，代表性案例豐富，切合實(shí)際；三是精簡(jiǎn)方程式數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容和過程，盡量將抽象慨念形象化、簡(jiǎn)單化和透徹化，使之通俗易懂，深入淺出，以適合大眾化教育，便于自學(xué)；四是理論聯(lián)系實(shí)際，集科研與教學(xué)成果于一體，具有較高的客觀性、有效性和科學(xué)性，有利于理論的應(yīng)用和解決實(shí)際問題，能指導(dǎo)工程實(shí)踐和生產(chǎn)活動(dòng)；五是有一定的篇幅介紹測(cè)試技術(shù)及測(cè)量?jī)x器設(shè)備等，讓學(xué)生了解實(shí)際測(cè)量知識(shí)并獲得一定的技能；六是配備豐富例題和大量習(xí)題，除計(jì)算題外還設(shè)有簡(jiǎn)答題、選擇題等多種題型，并給出參考答案。

2.3 教學(xué)改革實(shí)踐

流體力學(xué)在機(jī)械類專業(yè)中屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承前啟后的作用，為后續(xù)的液壓傳動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)原理及鑄造原理等奠定理論基礎(chǔ)。通過分析研究筆者從下列三方面進(jìn)行了改進(jìn)。

2.3.1 結(jié)合案例教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性

要讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)是為了使用，為了有作為，即學(xué)以致用。為此，筆者將流體力學(xué)應(yīng)用的科研成果案例等穿插于教學(xué)中，以具體案例讓學(xué)生知道流體力學(xué)在機(jī)械工程中的作用、功效及經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)拮取一例“QX130-7.5-4軸流式潛水電泵開發(fā)”作具體介紹。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前城市等低洼地段需要一種大流量低揚(yáng)程淺層便捷排水潛水電泵。于是筆者申請(qǐng)并獲得了浙江溫嶺科技計(jì)劃資助，獲15萬經(jīng)費(fèi)，其中5萬元撥給企業(yè)制作樣機(jī)。課題入口是筆者設(shè)計(jì)了葉輪和導(dǎo)葉水力模型，如圖1所示；一本科生完成泵結(jié)構(gòu)、零件及樣機(jī)計(jì)算機(jī)模擬組裝畢業(yè)設(shè)計(jì)，如圖2所示；一研究生完成流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及性能預(yù)測(cè)工作。具體體現(xiàn)了流體力學(xué)伯努利、流線及流函數(shù)方程等知識(shí)在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；中間過程是企業(yè)按圖紙制造樣機(jī)，過去葉輪和導(dǎo)葉需先制造木模再轉(zhuǎn)化成金屬模具，周期需3個(gè)月，現(xiàn)用三維造型在數(shù)控機(jī)床上3 h制成高精度金屬模；課題出口是樣機(jī)性能試驗(yàn)檢測(cè)合格及通過驗(yàn)收，形成產(chǎn)品批量生產(chǎn)投放市場(chǎng)。從該項(xiàng)目中學(xué)生知道了流體力學(xué)能做什么，怎么做和做出的結(jié)果，因此提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2.3.2 抽象概念形象化解說，復(fù)雜公式推導(dǎo)簡(jiǎn)單化演繹

流體力學(xué)抽象概念較多，例如流線概念，實(shí)際水流中并不存在流線，引入流線概念是為了便于分析流體的流動(dòng)，確定流體的流動(dòng)趨勢(shì)。西湖中劃船的水波紋可以形象地反映出流線的特征，人在岸邊觀察到的流線是隨時(shí)間而改變的不定常運(yùn)動(dòng)，人坐在船上觀察到的流線就是不隨時(shí)間改變的定常運(yùn)動(dòng)。這可以啟發(fā)人們通過換位思考進(jìn)行科學(xué)研究，即經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可將不定常運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為定常運(yùn)動(dòng)，兩者之相對(duì)速度及作用力是完全相同的。流體力學(xué)與數(shù)學(xué)在理論上高度統(tǒng)一，例如納維-斯托克斯方程是流體力學(xué)最全面的一個(gè)方程，可以運(yùn)用泰勒公式等單純從數(shù)學(xué)的角度推導(dǎo)而出，但演繹過程抽象繁瑣，學(xué)生聽起來大多會(huì)疲憊甚至厭煩。而從數(shù)學(xué)物理方程逐項(xiàng)分塊、肢解的方法推導(dǎo)演繹，以及用形象的物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋，就會(huì)起到加深概念理解，易于消化疑難問題，且又省時(shí)省力的效果。

圖1 軸流泵葉輪設(shè)計(jì)制造過程Fig.1 Design and manufacturing process of axial pump impeller

圖2 軸流泵樣機(jī)總成過程Fig.2 Assembling process of an axial pump prototype

2.3.3 流體力學(xué)現(xiàn)象多媒體演示

傳統(tǒng)板書教學(xué)方式與多媒體相結(jié)合。為了彌補(bǔ)未做實(shí)驗(yàn)的缺陷，可把流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象制作成形象、生動(dòng)、真實(shí)、具體的影視錄像和動(dòng)畫片等放映觀看，以達(dá)到事半功倍的效果。例如壓力體的確定，演繹過程直觀且形象；圓管流動(dòng)上、下雷諾數(shù)的測(cè)定及伯努利方程總壓線和能頭線的變化規(guī)律均一目了然且逼真，易于理解又加深印象。筆者配合教材制作了9章的課件，內(nèi)含86個(gè)多媒體演示單元，豐富了課堂教學(xué)的內(nèi)容。

2.4 考核方式改革

考核評(píng)價(jià)方式向來是教學(xué)活動(dòng)的指揮棒?？荚嚳嫉娜侵R(shí)，考不出智慧來。如何客觀、公正、全面地評(píng)價(jià)學(xué)生知識(shí)掌握和應(yīng)用的水平，是教育界長(zhǎng)期探討的話題。筆者認(rèn)為，工程類流體力學(xué)考核方式除保留必要的考試外，還應(yīng)增添三方面的內(nèi)容：一是激勵(lì)學(xué)生公平競(jìng)爭(zhēng)比賽；二是形成學(xué)生之間互相討論、協(xié)作的學(xué)習(xí)氛圍；三是考核能體現(xiàn)學(xué)生動(dòng)手、分析解決問題和從事科研實(shí)際工作的能力。筆者改革課程評(píng)價(jià)與考核體系，增設(shè)論文寫作和流體力學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)大作業(yè)環(huán)節(jié)，公開答辯，學(xué)生推舉代表參加評(píng)分，取得了非常好的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生利用物理、車輛等實(shí)驗(yàn)室，借助日常流體用品做試驗(yàn)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)完成管流沿程、局部阻力計(jì)算，單擺周期計(jì)算，電動(dòng)自行車慣性擬合計(jì)算公式等豐富的科研論文；利用三坐標(biāo)、掃描儀等采用逆向工程法設(shè)計(jì)出手搖電風(fēng)扇、便攜式抽水馬桶、流線型概念汽車、旋轉(zhuǎn)式打氣筒和千斤頂?shù)缺姸嗔黧w機(jī)械機(jī)構(gòu)。圖3～6分別展示了學(xué)生設(shè)計(jì)的4個(gè)案例[13-14]。通過上述實(shí)踐活動(dòng)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。同時(shí)，在教學(xué)大綱中規(guī)定2次專項(xiàng)大作業(yè)占平時(shí)成績(jī)的40%，平時(shí)考核又占總評(píng)成績(jī)構(gòu)成的40%，以此體現(xiàn)將學(xué)生分析及解決問題能力納入考核范疇。

圖3 手搖風(fēng)扇Fig.3 Hand fan

圖4 計(jì)算機(jī)CPU風(fēng)扇Fig.4 CPU fan

圖5 自動(dòng)澆花器Fig.5 Automatic flower watering device

圖6 汽車膨脹水箱蓋Fig.6 Expansion tank cover for automobile

3 結(jié) 語

筆者在浙江科技學(xué)院機(jī)械制造135、136教學(xué)班全方位實(shí)施了教學(xué)改革，讓學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接受變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)探索，實(shí)踐證明課堂教學(xué)氛圍及學(xué)生思想明顯活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及熱情大為提高。兩教學(xué)班58人中不及格率為13.79%。其中，2名學(xué)生分別完成了與流體力學(xué)相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)“FS50-3.5-0.75浮水軸流電泵設(shè)計(jì)”和“1.8 L汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，并獲得較好的成績(jī)。

“長(zhǎng)風(fēng)波浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄?！?。 流體力學(xué)的學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域無限寬廣，在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著日益重要的作用。改革永無止盡，筆者在此拋磚引玉。

[1] 朱仁慶，楊松林，王志東，等.關(guān)于船舶與海洋工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)改革的思考：基于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的視角[J].高等教育研究，2013，30(2):52.

[2] 劉宏升，朱泓，張博.卓越計(jì)劃背景下的流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(1):194.

[3] 吳光林.《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革的思考[J].科技信息，2008(14):172.

[4] 宮偉力，彭巖巖.流體力學(xué)教學(xué)改革與應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014(5):30.

[5] 王燁，李亞寧.流體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013，35(3):89.

[6] 吳根樹，劉妍，于薇.流體力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21(1):42.

[7] 張也影. 流體力學(xué)[M]. 2版.北京:高等教育出版社，1999.

[8] FINNEMORE E J，F(xiàn)RANZINI J B.流體力學(xué)及其工程應(yīng)用[M].翻譯版·原書第10版.錢翼稷，周玉文，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[9] 孔瓏.流體力學(xué)(Ⅰ)(Ⅱ)[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[10] 羅惕乾. 流體力學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[11] 機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[12] 沙毅.流體力學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2016.

[13] 沙毅，聞建龍. 泵與風(fēng)機(jī)[M]. 合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005.

[14] 沙毅，王春林，劉濤，等.圓管流動(dòng)水擊壓力波測(cè)量及水力計(jì)算[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2007，22(5):527.