關(guān)于提高流體力學課程教學效果的若干思考★

褚 福 永

(麗水學院土木工程學系，浙江 麗水 323000)

1 概述

流體力學是土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但由于其理論性較強，課程中存在大量的數(shù)學同時推導(dǎo)，且概念較為抽象，因此，對于土木工程專業(yè)的學生來說，流體力學也是較為難學的一門課程，但其對后續(xù)土力學、基坑工程、基礎(chǔ)工程等專業(yè)課的學習有著至關(guān)重要的作用，甚至于在以后的工作中，流體力學的理論公式也在一些領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。因此，流體力學課程教學效果直接影響到學生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，進而影響畢業(yè)后工作的發(fā)展。

另一方面，土木工程專業(yè)的流體力學課程課時較少，僅32個課時。然而需要講授的內(nèi)容又較多，主要包括以下內(nèi)容：流體靜力學；流體動力學基礎(chǔ)；流動阻力和水頭損失；孔口、管嘴出流和有壓管路；明渠流動；堰流；因次分析和模型試驗；滲流等。這些內(nèi)容概念性強，又比較抽象。因此，學生在學習的過程中，普遍感覺較難、學起來枯燥，也直接導(dǎo)致了學習的積極性不高。針對如何來提高流體力學課程的課堂教學效果，很多老師進行了積極的探索，并給出了很多有益的建議和結(jié)論[1-8]。

本人結(jié)合自身的教學實踐，從教學內(nèi)容、教學方式和實驗教學3個方面的改革探索如何提高流體力學課堂教學效果。同時，利用筆者授課的麗水學院土木工程專業(yè)16級的教學效果，驗證了教學改革的可行性。

2 教學內(nèi)容改革

2.1 突出專業(yè)特色的教學內(nèi)容

對于土木工程專業(yè)而言，在實際工程最常碰到的流體力學問題主要有以下兩個方面：

1)土建工程中的基坑排水、路基排水、地基坑滲穩(wěn)定處理、海洋平臺在水中的浮性和抵抗外界擾動的穩(wěn)定性等；

2)市政工程中的橋涵孔徑設(shè)計、給水排水、管網(wǎng)計算、隧洞通風等。

另一方面，土木工程專業(yè)實際工程問題中的流體力學問題涉及的知識點主要包括：靜水壓力、平面及曲面靜水總壓力的計算等流體靜力學的知識，如在水中的結(jié)構(gòu)物(如閘門、橋墩)受到水的作用力計算；水頭、水頭差、水力坡降、伯努利方程等流體動力學知識，如工程降水往往涉及水頭損失及能量守恒等問題；層流、紊流等流動損失知識；達西定律等滲流及滲透變形知識，如基坑排水等設(shè)計與滲流有關(guān)；水管水力計算等知識，如市政工程中往往涉及到排水管路的布置；明渠水力特征及計算等知識。

需要強調(diào)的是，教材中對于各知識點均按“基本概念和現(xiàn)象→公式推導(dǎo)→知識擴展”的順序進行研究，而且前后知識點聯(lián)系比較緊密。因此，對這些各章節(jié)講授時，應(yīng)注意進行歸類對比。為解決課程課時少、需教授內(nèi)容多的問題，選擇質(zhì)量高、內(nèi)容精煉的教材是至關(guān)重要的，本課程選擇的教材為同濟大學出版社出版、朱立明主編的《流體力學》教材。

2.2 有限元在流體力學中的應(yīng)用

自20世紀60年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中，最具代表性的流體力學仿真軟件為Flunt軟件。增加Flunt等仿真技術(shù)的相關(guān)知識，是從知識的深度和廣度兩個方面對學生的知識架構(gòu)進行有益的補充，為學生工作以后能利用所學解決實際問題夯實了基礎(chǔ)。

同時，在講授流體力學內(nèi)容時，配合仿真軟件的模擬，有利于加深學生對知識的理解。例如，在講解構(gòu)件的管內(nèi)層流運動、孔口出流流動及變截面局部阻力計算時，可利用有限元軟件Flunt軟件對其進行模擬，將模擬得到流動規(guī)律的動畫或圖片展示給學生，幫助學生建立清晰的物理概念，縮短認識過程。加深學生對基本概念的認識，取得了良好的效果。

3 基于激發(fā)學習積極性的教學方式

3.1 板書與多媒體資料相結(jié)合

流體力學的公式、定理很多，知識比較抽象。在教學中單純運用板書教學方式，會讓學生感覺非?？菰?、味同嚼蠟，很難達到良好的教學效果。利用PPT，并結(jié)合一些圖片和視頻展示給學生。往往可以有效地增加課堂的生動性，也有助于學生對抽象內(nèi)容的理解，從而提高教學效果和效率。

例如，在講解“靜止流體作用在平面上的力”時，利用多媒體給學生展示我國300 m級土石壩(雙江口心墻堆石壩和兩河口心墻堆石壩)的圖片和錄用，闡述其工程背景，不僅刺激了學生對知識點的求知欲，也讓學生腦海中有具體的工程運用實例。再如，在講解層流和紊流時，可播放層流及紊流的動畫，通過多媒體的播放，教學變得生動，課堂氣氛輕松愉快，也加深了學生對流態(tài)的感性認識。因此，很有必要將PPT、視頻、動畫等多媒體教學方式應(yīng)用于流體力學的課堂教學中。

而對于重要公式的推導(dǎo)及例題的講解應(yīng)采用傳統(tǒng)的板書形式，這樣不僅利于學生理解推導(dǎo)過程和解題思路，也給學生充足的時間理解和消化。

3.2 靈活有效地引導(dǎo)學生主動學習

學生能力的體現(xiàn)在自主學習的能力，這也是高校中學生最應(yīng)該培養(yǎng)的能力。我國數(shù)學家華羅庚有個著名的學習公式，即：薄—厚—薄。即預(yù)習、發(fā)散思維和知識的總結(jié)。

引導(dǎo)學生去通過預(yù)習可以大致了解教材中的知框架和基本的知識點；可通過工程實例及補充的知識點鍛煉學生的發(fā)散思維；知識點的總結(jié)可通過引導(dǎo)學生建立知識點的樹狀框架圖來完成。目前，麗水學院土木系流體力學對一些章節(jié)還采用了翻轉(zhuǎn)課堂的模式，即給出這些章節(jié)需要解決的問題，然后對班級學生進行分組，每個組選擇一個問題解決，并做PPT，在下次課上每個組，1名～2名學生上講臺針對知識點和問題進行講解。

另一方面，在對一些抽象的概念，盡可能通俗易懂，采用學生比較能接受的方式講授，比如層流和紊流，可以形象地把層流比喻成遵守次序排隊，隊伍整齊；紊流比喻成沒有遵守次序排隊，隊伍混亂。

3.3 加強課后練習和習題講解

有必要通過一定量的習題使得學生加深對概念的理解，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，通過習題訓(xùn)練，教師也能檢查學生對知識的掌握程度。

通過兩種方式加強學生的習題訓(xùn)練，即：

1)對每章的典型例題進行精講，使學生掌握解題思路、解題方法和技巧，達到舉一反三的效果；

2)建立流體力學習題庫，并附有答案，題庫中習題有不同層次，即基礎(chǔ)練習和提高練習，可供學生循序漸進地訓(xùn)練。

4 注重流體力學的實驗教學

理論也是建立在大量實驗的基礎(chǔ)之上的，流體力學的實驗教學是至關(guān)重要的?？梢哉J為，實驗教學不僅可以培養(yǎng)學生的動手能力，也是將所學理論運用于實踐的重要過程。但目前流體力學實驗課時偏少，麗水學院的土木工程專業(yè)材料力學課程安排了6個實驗，分別是水靜壓實驗、能量方程試驗、雷諾試驗、沿程阻力損失試驗、局部阻力損失實驗和文丘里實驗。而且，目前的試驗教學方式采用理論和實驗分堂教學，其結(jié)果是理論課的時候內(nèi)容過于抽象，結(jié)果理論知識脫節(jié)，導(dǎo)致實驗不流暢。另一方面，流體力學實驗教學仍以演示為主，學生不積極主動進行試驗，扮演著“看客”的角色。

針對以上兩個不合理的地方，筆者認為可以采取以下措施應(yīng)對，即：

1)理論和實驗同堂教學。實驗相關(guān)的理論知識放在實驗室進行，先講授相關(guān)理論，接下來馬上進入實驗教學。可對教學班分成若干實驗小組，讓學生當天把實驗務(wù)必完成；

2)指定時間開放實驗室，并有專任實驗老師值班，學生可根據(jù)開放時間自主到實驗室完成實驗。此外，在實驗教學的過程中，教師一定要鼓勵學生勤動手、多動腦，通過實際操作，加強對理論知識的理解。

5 結(jié)語

本文針對流體力學的課程特點及結(jié)合土木工程專業(yè)特色，根據(jù)自身的教學經(jīng)驗，從教學內(nèi)容、教學模式和流體力學實驗教學三個方面進行探討，提出了基于土木工程專業(yè)的教學內(nèi)容改革、基于引導(dǎo)學生學習主動性的教學改革和與理論教學相輔相成的實驗教學改革。

為驗證本文流體力學課程教學改革的合理性，筆者對土木工程專業(yè)16級的流體力學課程進行了相應(yīng)的改革，結(jié)果表明，土木工程專業(yè)16級的同學在流體力學課程理論知識掌握均明顯強于往屆。值得一提的是，期末考試卷面成績最高分97分，平均分69分。由此可以證明本文提出的流體力學課程教學改革措施是合理可行的。

然而，課程教學改革一直以來都是一項長期的、復(fù)雜的課題，只有不斷摸索創(chuàng)新，持續(xù)深化改革，才能不斷提高教學質(zhì)量，取得更好的教學效果。