流體力學(xué)課程教學(xué)技巧探究*

袁雪芹，楊 雷，鐘 煜

(皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院，安徽 六安 237012)

對于大三的學(xué)生，部分同學(xué)面臨著找工作、考研或者迷茫不知所措的期間。對于自認(rèn)為已經(jīng)有一定資歷的大三學(xué)生，應(yīng)付老師的各種任務(wù)和監(jiān)督措施已經(jīng)得心應(yīng)手。上課代簽到、作業(yè)抄襲、平時(shí)上課座位稀疏，課堂最后一節(jié)課永遠(yuǎn)是人滿為患、背誦老師劃的重難點(diǎn)可以輕而易舉的完成考試等[1]。

流體力學(xué)作為工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，流體力學(xué)中概念多、公式繁雜，難以理解和掌握，使得流體力學(xué)“學(xué)著難教更難”，而對于處在特殊時(shí)期的大三學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度更是散漫，如何通過有效的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生愛上流體力學(xué)，我將從以下幾個(gè)方面講述個(gè)人教學(xué)過程中總結(jié)的流體力學(xué)教學(xué)技巧[2-3]。

1 枯燥概念生活化

流體力學(xué)中流體運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)部分有一個(gè)重要的概念，系統(tǒng)和控制體，系統(tǒng)和控制體的書本定義見表1。單調(diào)的文字交叉，概念抽象，無法快速理解和記憶。

表1 系統(tǒng)和控制體定義區(qū)別

如果將系統(tǒng)比喻成裝有水的封口氣球，而控制體比作空心鏤空鐵球。再將各個(gè)定義依次進(jìn)行對照理解，則可以很快掌握并理解概念。

圖1 系統(tǒng)和控制體的概念

裝水封口氣球(類比系統(tǒng))：

概念1“某一確定流體質(zhì)點(diǎn)集合的總體”理解：作為封閉的氣球，內(nèi)部的水分即為流體質(zhì)點(diǎn)，因是封閉的，氣球加上內(nèi)部的水則是一個(gè)整體；

概念2“始終由同一些流體質(zhì)點(diǎn)組成”：作為氣球內(nèi)的封閉體系，所以流體質(zhì)點(diǎn)(內(nèi)部的水)是確定的不變的(不考慮環(huán)境中的相變過程)；

概念3“空間位置、大小和形狀可隨時(shí)間改變”：如果將裝有水的氣球，扔到一個(gè)流動(流速可控)的水池內(nèi)部，水流速度能夠推動氣球運(yùn)動，則氣球的位置和氣球的形狀隨著時(shí)間都會發(fā)生一定的變化。

概念4“無質(zhì)量交換”：作為封閉體系，氣球內(nèi)部的水分與水池外部水分無任何交換。

空心鏤空鐵球(類比控制體)：

概念1“流場中某一確定的空間區(qū)域”理解：將空心鏤空鐵球扔到一個(gè)流動(流速可控)的水池內(nèi)部，因密度較大，鐵球沉底，且鐵球質(zhì)量較大，水流速度不足以沖動鐵球。因此空間位置固定。

概念2“流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化”：空心鏤空鐵球，置于流動的水池內(nèi)部，因是空心鏤空設(shè)計(jì)，球內(nèi)部的水不斷的在更新變化，因此，球內(nèi)部的流體質(zhì)點(diǎn)在隨時(shí)間不停的發(fā)生變化。

概念3“空間位置、大小和形狀不隨時(shí)間改變”：因鐵球密度較大，沉于水池底部，且水流速度控制不沖動鐵球，因此鐵球位置、大小和形狀均不隨時(shí)間發(fā)生變化。

概念4“有質(zhì)量交換”：因鐵球是鏤空設(shè)計(jì)，鐵球內(nèi)部的水分與水池內(nèi)部流動的水分不停的發(fā)生交換。因此有質(zhì)量交換。

通過文字講授，學(xué)生是無法快速識記和理解系統(tǒng)和控制體的區(qū)別。如果將這些枯燥抽象的概念通過生活中熟悉的實(shí)物(氣球、鐵球)進(jìn)行類比講解，枯燥概念生活化，學(xué)生則可以快速理解并識記。

2 智慧課堂教學(xué)，增加課堂互動

課堂上，通過雨課堂調(diào)動同學(xué)們參與教學(xué)的積極性，單個(gè)知識點(diǎn)講解完整后，通過習(xí)題推送的形式考查學(xué)生掌握情況，并通過班級答題正確率分布，針對正確率較小的題目給予再次強(qiáng)調(diào)講解。隨堂彈幕互動環(huán)節(jié)，同學(xué)們可以匿名發(fā)言，闡述自己的看法和老師進(jìn)行交流，以及上課結(jié)束后班級同學(xué)課堂答題成績排名(包括答題速度)，并警告有可能沒有參與課堂互動的學(xué)生或分?jǐn)?shù)較低的學(xué)生，教師也可通過答題成績分布，進(jìn)而獲知學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式，見圖2。

圖2 智慧課堂互動

3 趣味流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣

流體遠(yuǎn)非我們生活中所見到的水流，流體分為牛頓流體、非牛頓流體(塑性流體、膨脹流體以及假塑性流體)。流體性質(zhì)各異，膨脹流體，隨著剪切速率增加，粘性增加，遇強(qiáng)則強(qiáng)；假塑性流體隨著剪切速率增加，粘性下降，遇強(qiáng)則弱。為了讓學(xué)生們親身感受流體的神奇之處，設(shè)計(jì)了“有脾氣的氣球”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原料包括：玉米淀粉、一次性飯盒、氣球、塑料漏斗；

實(shí)驗(yàn)過程包括：

(1)以淀粉:水=3:1的比例先加水后加淀粉混合兩種物質(zhì)，攪拌的淀粉糊(非牛頓流體)；

(2)手背或拳頭用力捶打淀粉糊，然后用指尖輕輕摁入淀粉糊；

(3)用手用力捏淀粉糊，然后松手；

(4)通過塑料漏斗將玉米糊倒入氣球中，用力捶打氣球，用手指輕輕按捏氣球。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分享：如果淀粉和水比例適中，做好的淀粉糊裝入氣球中，拳頭用力捶打氣球，氣球很硬，輕輕摁壓氣球，氣球卻很軟。用手用力揉搓淀粉糊，淀粉糊變硬，松手后，淀粉很快變軟從手心流下，同學(xué)們親身制作的作品見圖3。

圖3 有脾氣的氣球?qū)嶒?yàn)圖

學(xué)生們很享受做實(shí)驗(yàn)帶來的樂趣和感受，從學(xué)生上傳的圖片能夠很清晰的看到，學(xué)生很珍視和喜愛自己的作品，通過動手實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生對于流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

4 思維導(dǎo)圖總結(jié)歸納

鼓勵(lì)學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式對課程知識點(diǎn)進(jìn)行整理歸納，可通過手寫繪制網(wǎng)絡(luò)圖以及X-mind軟件進(jìn)行制作。學(xué)生在整理思維導(dǎo)圖的過程中，需要對書本中所有的知識點(diǎn)進(jìn)行整理再歸納，對書本精華進(jìn)一步消化吸收。學(xué)生反映通過自制思維導(dǎo)圖，思路變得清晰很多。

5 自編順口溜鞏固加深知識點(diǎn)識記

通過撰寫順口溜，讓同學(xué)們快速識記流體力學(xué)重難點(diǎn)。也可通過學(xué)生編寫的順口溜或者以作詩的形式對知識點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)化再升華[4-5]，個(gè)人自編順口溜如下：

對于流體力學(xué)，小朋友，你是否有很多問號？

流體秉性是什么，黏性比容可壓縮；

理論如何來開展，連續(xù)介質(zhì)和質(zhì)點(diǎn)；

質(zhì)點(diǎn)如何來理解，宏觀小來微觀大；

若想清晰來描述，拉格朗日歐拉法；

敢問對象是什么，系統(tǒng)協(xié)同控制體；

幾何模型弄明白，跡線流線和流速；

流體微元無窮多，流速要看平均值；

人多難免有摩擦，表面力來分輕重；

自身也要找原因，質(zhì)量力來別忘記；

靜止時(shí)刻無摩擦，受力平衡來分析；

靜止連通同流體，同一水平等壓面；

單位標(biāo)識要記牢，標(biāo)壓汞柱帕斯卡；

表示方式是什么，絕壓表壓真空度；

一旦流體動起來，仍有規(guī)矩來約束；

質(zhì)量守恒一出手，連續(xù)方程便擁有；

動量守恒一出手，NS方程便擁有；

功能原理一出手，伯努利方程便擁有；

火車躍進(jìn)請讓開，小心氣壓推你走；

能量衡算哪里用，工程實(shí)踐看一看；

工程問題模型化，選定范圍取截面；

選定標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面，表面過程衡能量；

內(nèi)能位能動能靜壓能，一同歸屬界面能；

過程熱源來供給，機(jī)械泵功來推送；

能量守恒雖存在，克服阻力仍損失；

阻力如何來劃分，摩擦形體來定義；

形體阻力由何來，壓強(qiáng)分布不均衡；

簡化理論邊界層，層內(nèi)層外分兩區(qū)；

直管阻力如何定，雷諾數(shù)和粗糙度；

彎管閥門如何定，當(dāng)量長度來簡化；

管路突變?nèi)绾味?，摩擦系?shù)來度量。

流體力學(xué)看似難，細(xì)嚼便覺其中甜。

6 過程性考核指標(biāo)

對于“平時(shí)成績30%+期末考試成績70%”的考核指標(biāo)，屬于結(jié)果性考核，過于看中結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生不重視課堂學(xué)習(xí)過程，期末考試臨陣磨槍，也能過關(guān)。

本課程則加大了過程考核比例，變更為“出勤(5%)+課堂表現(xiàn)(20%)+課堂答題成績(雨課堂成績30%)+課后作業(yè)(15%)+考試成績(30%)”，讓學(xué)生明白平時(shí)成績的重要性，更加注重過程學(xué)習(xí)。

7 結(jié) 語

在流體力學(xué)教學(xué)方法的探討過程中，努力嘗試通過將枯燥概念生活化、融入智慧課堂教學(xué)，增加課堂互動、趣味流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣、思維導(dǎo)圖總結(jié)歸納、自編順口溜識記重難點(diǎn)以及過程性考核等教學(xué)技巧。改善學(xué)生們對于流體力學(xué)“難”的認(rèn)知，通過概念生活化、課堂動起來、動手做起來、思維導(dǎo)圖以及自編順口溜等趣味教學(xué)方式代入課堂和教學(xué)，讓同學(xué)們愛上“流體力學(xué)”。