工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)方法探討

李靜 王聰 徐世民

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對(duì)工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究，分析教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)中的問(wèn)題，提出理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容組織方法，并提出以雨課堂、線上教學(xué)模式作為輔助傳統(tǒng)授課方式的多樣化教學(xué)模式，以此提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 流體力學(xué);教學(xué)模式;實(shí)驗(yàn)研究;數(shù)值模擬

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）22-0066-02

流體力學(xué)是研究流體平衡和宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，其研究?jī)?nèi)容與工程實(shí)踐有著緊密聯(lián)系，相關(guān)的理論和研究方法被廣泛應(yīng)用在航空航天、水利采礦、交通土建、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等工程技術(shù)中[1]。流體力學(xué)作為力學(xué)是力學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是工科工程類學(xué)生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]。設(shè)置該課程的目的是要求學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握流體運(yùn)動(dòng)遵循的基本規(guī)律，特別是對(duì)理論求解方法有較全面的了解和掌握，要求學(xué)生初步學(xué)會(huì)應(yīng)用流體力學(xué)的理論和方法解決一些簡(jiǎn)單的工程實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、邏輯思維能力、流動(dòng)現(xiàn)象的解讀能力[3]。

流體力學(xué)涉及高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)課程，在當(dāng)前大部分高校的講授過(guò)程中都涉及較廣的知識(shí)面，其較強(qiáng)的理論性、繁多的公式推導(dǎo)、較高的抽象性等，令課程講授難度大，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)感到乏味，對(duì)如何利用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題仍存在疑惑[4-6]。本文依據(jù)鄭州大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，對(duì)流體力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行探討。

一、工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）教學(xué)內(nèi)容

由于工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生未來(lái)繼續(xù)深造、就業(yè)范圍較廣，流體力學(xué)在講授過(guò)程中一直兼顧材料、機(jī)械、土木等工程行業(yè)的應(yīng)用，目前我校工程力學(xué)專業(yè)安排流體力學(xué)課時(shí)為48學(xué)時(shí)，按照教學(xué)大綱要求，需要講授的內(nèi)容如下表。

從上表可以看出，工程力學(xué)專業(yè)48學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容范圍很廣，而且教學(xué)內(nèi)容一直停留在理論分析的講解上，課程的重點(diǎn)在于教授學(xué)生流體力學(xué)的基本概念和基本理論上，這些內(nèi)容主要是經(jīng)典流體力學(xué)理論，其適用范圍非常有限，或者僅僅是理論，很多學(xué)生很難將這些理論與實(shí)際的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律聯(lián)系起來(lái)。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)

流體力學(xué)課程本身具有較強(qiáng)的理論性和系統(tǒng)性，其研究方法和研究體系與學(xué)生之前研修的理論力學(xué)與材料力學(xué)有著顯著的不同，這直接導(dǎo)致一部分學(xué)生在接受新的研究方法時(shí)存在困難，因此，以往課堂的講授教師多注重公式推導(dǎo)。例如，積分形式、微分形式的納維斯托克斯方程，在推導(dǎo)控制方程的過(guò)程中除了要求學(xué)生建立新的研究方法外，還要求學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的微積分知識(shí)牢固掌握，這無(wú)疑又增加了學(xué)生接受的困難。授課過(guò)程中累積的晦澀難懂的知識(shí)體系容易使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生厭倦，學(xué)習(xí)熱情降低，對(duì)課堂互動(dòng)反應(yīng)平淡，在這種被動(dòng)接受式的教學(xué)過(guò)程中失去了探究知識(shí)實(shí)際應(yīng)用的興趣。

二、新的教學(xué)方法和改革策略

（一）改革教學(xué)內(nèi)容

流體力學(xué)的研究方法包含理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種手段，三種研究手段是相輔相成的。因此，在本科教學(xué)中適當(dāng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的教學(xué)，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的理解。

強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，不僅僅是傳統(tǒng)的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，需要增加具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)型課外實(shí)驗(yàn)，這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，如引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證連續(xù)性方程，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考實(shí)驗(yàn)方案，增加學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的思考，使學(xué)生對(duì)流體力學(xué)中的規(guī)律在實(shí)際中的應(yīng)用有更直觀的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

目前商業(yè)化的CFD軟件都相對(duì)容易上手，因此在教學(xué)內(nèi)容中引入數(shù)值模擬的算例，可加深學(xué)生對(duì)理論分析的理解，同時(shí)也將工程實(shí)例與理論相結(jié)合。例如，講解定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)時(shí)，可數(shù)值模擬二維翼型的定常流動(dòng)以及俯仰運(yùn)動(dòng)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果可進(jìn)行深入的探討，進(jìn)一步透徹理解流線跡線的概念。再比如，在講解圓柱體繞流時(shí)，可數(shù)值模擬圓柱體繞流的算例，加深學(xué)生對(duì)升阻力產(chǎn)生的原因、前后駐點(diǎn)、壓強(qiáng)速度分布等概念的理解。數(shù)值模擬手段的引入，加深學(xué)生對(duì)抽象概念和理論分析的理解，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)在工程中的應(yīng)用有所了解，并可以根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)現(xiàn)象，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算這三種方法各有利弊，相輔相成。以理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，以數(shù)值計(jì)算彌補(bǔ)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的不足，可以對(duì)復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行高效的計(jì)算分析?；谌N研究方法的教學(xué)內(nèi)容改革，不僅可以讓學(xué)生從枯燥無(wú)味的公式推導(dǎo)中脫離出來(lái)，還能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，探究所學(xué)知識(shí)在工程中是如何應(yīng)用的，為學(xué)生后續(xù)從事的相關(guān)科研和工作打下良好的基礎(chǔ)。

（二）開發(fā)多樣化的教學(xué)模式

探索合理的多樣化教學(xué)模式，對(duì)提高授課效率、增加學(xué)生課堂參與度、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有較大的促進(jìn)作用。傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式依然可以作為教學(xué)的主導(dǎo)模式，但需要引入其他新穎的輔助教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的探索熱情，保持對(duì)課堂的興趣。

比如，在傳統(tǒng)授課過(guò)程中使用雨課堂，提前將講授內(nèi)容的難點(diǎn)通過(guò)MOOC視頻和工程實(shí)例視頻推送到學(xué)生手機(jī)實(shí)現(xiàn)提前預(yù)習(xí)，減少課堂講授時(shí)間;課堂上增加實(shí)時(shí)討論、彈幕互動(dòng)時(shí)間，滿足師生及時(shí)溝通反饋。這樣可以實(shí)現(xiàn)課前—課上—課后每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)科學(xué)地覆蓋，讓教、學(xué)與溝通及時(shí)對(duì)接，提高效率。

再比如，春季學(xué)期的課程已開展了線上教學(xué)，線上教學(xué)的引入為傳統(tǒng)課堂轉(zhuǎn)化為多樣化教學(xué)注入了新能量。絕大部分學(xué)生對(duì)這種新穎的網(wǎng)絡(luò)授課方式給予了較多的認(rèn)可度，在未來(lái)的授課中也可以作為互動(dòng)溝通的一種教學(xué)模式，可以以線上教學(xué)作為傳統(tǒng)教學(xué)的輔助。在傳統(tǒng)課堂外，利用線上教學(xué)，開展對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題中流體力學(xué)實(shí)例的討論。在此過(guò)程中并不強(qiáng)調(diào)課本知識(shí)的重要性，以學(xué)生的興趣點(diǎn)和知識(shí)體系為出發(fā)點(diǎn)，利用學(xué)生活躍的思維和能力去引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。這樣不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生自己思考身邊實(shí)時(shí)存在的應(yīng)用實(shí)例，也可以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題和科研創(chuàng)新的能力。

三、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)內(nèi)容的改革以及多樣化教學(xué)的引入，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的固定模式，對(duì)教師的自身素質(zhì)不斷提升提出了新的考驗(yàn)，需要教師更加關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，幫助學(xué)生解決創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程中遇見的問(wèn)題，對(duì)教學(xué)效果的提升也將起到促進(jìn)作用，提高學(xué)生對(duì)課程的參與度、積極性，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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編輯 馮永霞