應(yīng)用型本科院校流體力學(xué)課程教學(xué)方法研究

孫俊偉 陳善群

（安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

流體力學(xué)課程對于大部分工科專業(yè)來講均為專業(yè)必修課，它的任務(wù)是為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程和從事專業(yè)工作奠定基本的流體力學(xué)基礎(chǔ)，與很多專業(yè)都密不可分[1]。 專業(yè)課程教學(xué)包含理論與實踐兩個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的課程教學(xué)往往是以老師為中心而開展的，“教”和“學(xué)”分離與新時代人才培養(yǎng)需求有著諸多的不適應(yīng)[2]。因此，教學(xué)方法改革已成為應(yīng)用型本科高等院校育人綜合改革的重要組成部分，也是更好地培養(yǎng)學(xué)生能力、知識、素質(zhì)的有效舉措。為迎合全面構(gòu)建新型復(fù)合型應(yīng)用人才培養(yǎng)體系要求，流體力學(xué)的教學(xué)方法也在不斷地探索和完善。

1 流體力學(xué)課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

對于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課的低年級學(xué)生而言，熟悉的力學(xué)知識大多以固體為研究對象。對于較為陌生的流體而言必然出現(xiàn)一些全新的概念，如連續(xù)介質(zhì)模型、流線、水頭損失、水（擊）錘等。 另外還出現(xiàn)了大量的公式和理論推導(dǎo)， 且理論分析過程中還會涉及高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和理論力學(xué)知識點(diǎn)，因此需要相應(yīng)課程的基本知識[3]。所以對于高數(shù)等課程基礎(chǔ)比較差的學(xué)生，怎樣使他們在枯燥又抽象的教學(xué)內(nèi)容中激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)的難處。 同時，在注重復(fù)合應(yīng)用型人才教育大背景下，教學(xué)中應(yīng)合理刪減理論推導(dǎo)，適當(dāng)增加專業(yè)應(yīng)用內(nèi)容。

學(xué)生掌握流體力學(xué)相關(guān)知識點(diǎn)后最終還要與專業(yè)實際相結(jié)合以解決工程中遇到的現(xiàn)實問題。這就要求學(xué)生熟悉專業(yè)動態(tài)，密切聯(lián)系實際，將理論更好地應(yīng)用于實踐。 因此，流體力學(xué)課程教學(xué)要符合應(yīng)用型本科教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)， 構(gòu)建適合其專業(yè)的教學(xué)體系，提高教學(xué)效率并取得較好的教學(xué)效果。

2 構(gòu)建科學(xué)的教學(xué)體系

當(dāng)前流體力學(xué)講授內(nèi)容偏于理論分析和實驗驗證，造成教學(xué)形式單一，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，教學(xué)過程枯燥，甚至部分學(xué)生產(chǎn)生“流體力學(xué)無用論”和畏難情緒。學(xué)生學(xué)習(xí)主動性變差，陷入機(jī)械學(xué)習(xí)，對老師產(chǎn)生“等靠要”依賴性心理，而課程教學(xué)發(fā)展的核心理論是以學(xué)生自我學(xué)習(xí)為核心，老師做適當(dāng)引導(dǎo)進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效果。也就是說學(xué)生獲取知識的過程不只是知識從外到內(nèi)的簡單傳遞過程，也不是原封不動的占有和接受過程，而是把知識轉(zhuǎn)化為自己所有的過程，這是經(jīng)過新內(nèi)容和已有內(nèi)容、經(jīng)驗之間循環(huán)相互糅合而形成的[4]。 因此，以課程教學(xué)發(fā)展核心理論作向?qū)В?gòu)科學(xué)的教學(xué)系統(tǒng)很有必要。

2.1 改革教學(xué)內(nèi)容

從內(nèi)容上來說流體力學(xué)主要涉及流體靜力學(xué)計算和流體動力學(xué)三大方程的應(yīng)用，但學(xué)科之間、專業(yè)之間分工越來越細(xì)[5]，相同的流體力學(xué)知識結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)解決的問題側(cè)重點(diǎn)也有所不同，所以教學(xué)內(nèi)容要圍繞各專業(yè)指導(dǎo)性培養(yǎng)方案， 緊扣教學(xué)大綱進(jìn)行改革。 知識點(diǎn)應(yīng)依據(jù)各專業(yè)教學(xué)大綱進(jìn)行選取，但教學(xué)內(nèi)容在此基礎(chǔ)上可以做合理的刪減和調(diào)整。與專業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容要多花時間深入講，與專業(yè)聯(lián)系較弱的內(nèi)容簡單講或者是作為自學(xué)內(nèi)容。例如，機(jī)械類專業(yè)，在學(xué)習(xí)牛頓內(nèi)摩擦定律后，為了加深理解和應(yīng)用可對機(jī)械工程中常見的縫隙流動， 展開分析和專題講解，而對其專業(yè)應(yīng)用較少的長管流動、滲流等可少講或作為自學(xué)內(nèi)容。

2.2 改革教學(xué)方法

2.2.1 針對課程內(nèi)容設(shè)計問題，提升學(xué)習(xí)者課堂參加度

針對學(xué)生要掌握的知識點(diǎn)， 如某些公式或信息，授課教師不能以口述方式強(qiáng)調(diào)其重要性并要求學(xué)生記住。這樣學(xué)生為了課程考核會機(jī)械性地記憶上課所講知識，或在不理解基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上去識別正確答案。 這種機(jī)械性記憶難以長期維持，對培養(yǎng)學(xué)生解決實際復(fù)雜問題的能力而言是徒勞的。 在課堂上，教師應(yīng)在介紹基本內(nèi)容后及時引入問題，引導(dǎo)學(xué)生建立自己的理解認(rèn)識，由自己的總結(jié)、判斷去解決實際問題。教和學(xué)只有結(jié)合問題互動才能得到預(yù)想的教學(xué)結(jié)果。學(xué)生通過把知識點(diǎn)和自身經(jīng)驗相融合，才愈加能引發(fā)他們學(xué)習(xí)主動性。如為了讓學(xué)生更好地理解總流的能量方程，可以讓學(xué)生現(xiàn)場拿出兩張薄紙，平行提在手中，順著紙間縫隙吹氣時，觀察薄紙的狀態(tài)變化是不動、靠攏還是張開。 學(xué)生嘗試之后可以讓學(xué)生利用總流的能量方程來解釋這種現(xiàn)象。

2.2.2 CFD 技術(shù)融入教學(xué)，體現(xiàn)課程發(fā)展趨勢

流體本質(zhì)是無形的，認(rèn)識并理解流體就是用有形去描述無形，但又不能拘于有形[6]。 嘗試將CFD 應(yīng)用在該門課的教學(xué)過程中。通過利用軟件對基本流動現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬和分析， 將課堂所講授的抽象概念、理論轉(zhuǎn)化為形象的可視化圖像及動畫演示，更有助于學(xué)生對講解知識點(diǎn)的接受。例如流體力學(xué)中涉及流場的描述，憑學(xué)生個人想象很難理解。 借助FLUENT 軟件可以計算出不同雷諾數(shù)（Re）下流體流動情況。 圖1從左往右分別為 10、102、103和 106四種雷諾數(shù)下二維圓柱繞流形態(tài)，從圖中可以向?qū)W生形象地展示從恒定流到非恒定流、從層流到紊流圓柱繞流情況，同時雷諾數(shù)為103時圓柱后面流體出現(xiàn)卡門渦街周期性脫落過程，此現(xiàn)象也可制作后期動畫向?qū)W生直觀形象地展示。 這樣教學(xué)過程中體現(xiàn)了課程發(fā)展趨勢，同時也培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新科研能力。

2.2.3 開展第二課堂，強(qiáng)化協(xié)作學(xué)習(xí)

近年來，高校為提高學(xué)生綜合素質(zhì)而進(jìn)行相關(guān)改革，鼓勵把時間交給學(xué)生，教學(xué)學(xué)時存在不同程度的壓縮。對流體力學(xué)課程而言僅靠上課時間掌握所有知識點(diǎn)是不現(xiàn)實的。 因此，可以根據(jù)實際情況柔性開展第二課堂，時間、地點(diǎn)和人數(shù)不限，以學(xué)生為中心、老師答疑和引導(dǎo)的形式開展。 學(xué)習(xí)的最終目的就是應(yīng)用，教師積極引導(dǎo)學(xué)生思考，在尚未學(xué)習(xí)專業(yè)課之前就探討學(xué)生感興趣的相關(guān)專業(yè)問題，鼓勵學(xué)生有自己想法，并組成學(xué)習(xí)小組，把教學(xué)過程中學(xué)生對老師產(chǎn)生的“等靠要”依賴性心理轉(zhuǎn)化為同學(xué)之間的“拉幫帶”過程。

經(jīng)驗背景和知識點(diǎn)掌握程度的差異，使得學(xué)生對問題的看法和理解也產(chǎn)生差異，這會使學(xué)生之間形成不同意見的質(zhì)疑和交鋒。 只有通過持續(xù)性的思索、交流和探討，才會使學(xué)生對知識有更正確、全面的認(rèn)識。另外，面對面互動式批改作業(yè)也是一種促進(jìn)學(xué)習(xí)的手段，同樣值得提倡。

2.2.4 豐富實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

流體力學(xué)課程實踐環(huán)節(jié)應(yīng)以實驗教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新意識為出發(fā)點(diǎn)。 目前，很多院校流體力學(xué)實驗主要以國內(nèi)幾個實驗裝置生產(chǎn)廠家提供的綜合試驗臺開展的。 受實驗裝置臺套數(shù)和裝置本身結(jié)構(gòu)所限，實現(xiàn)項目開展率不高，部分能開設(shè)的實驗其實驗現(xiàn)象不能很好地表現(xiàn)出來。 長管沿程阻力和阻力系數(shù)的測定，由于裝置管道長度不可能設(shè)置得太長，測壓管高度差不明顯，實驗效果不是很理想。

實踐環(huán)節(jié)的開展，應(yīng)根據(jù)課程設(shè)置的要求和側(cè)重點(diǎn)，制定合理的實驗教學(xué)計劃，把基礎(chǔ)性、設(shè)計性和綜合性實驗有機(jī)結(jié)合起來。 可以利用已有實驗臺結(jié)合LabVIEW 平臺開發(fā)仿真實驗進(jìn)行實驗教學(xué)，二者形成互補(bǔ)可以大大提高實驗開設(shè)率和實現(xiàn)很好的實驗結(jié)果。 為進(jìn)一步提高實踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果，實驗平臺應(yīng)激勵學(xué)生提出創(chuàng)意，自行設(shè)計開發(fā)新的實驗研究內(nèi)容。

3 結(jié)束語

流體力學(xué)課程教學(xué)要結(jié)合新時代大學(xué)生的特點(diǎn)，緊緊圍繞學(xué)生在課堂中的主體地位，積極開展教學(xué)方法的良性轉(zhuǎn)變。如何使學(xué)生在主觀意愿上提高學(xué)習(xí)興趣，獲得較強(qiáng)的解決問題能力，教師的引導(dǎo)作用不可或缺。 在提高教師自身素養(yǎng)的前提下，努力構(gòu)建科學(xué)的教學(xué)體系， 將流體力學(xué)課程建設(shè)改革循序漸進(jìn)，引向深入，最終實現(xiàn)“因材施教”。

圖1 二維圓柱繞流流線（局部放大）