面向?qū)崙?zhàn)化需求的流體力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐1)

孟慶昌 張志宏 鄧 輝 易文彬 顧建農(nóng) 王 沖 夏維學(xué)

(海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部, 武漢 430033)

流體力學(xué)是在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課之后開(kāi)設(shè)的專業(yè)背景課程之一，旨在為艦艇動(dòng)力機(jī)電、海軍武器裝備等專業(yè)學(xué)員提供專業(yè)背景知識(shí)[1]。課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，微分積分的數(shù)學(xué)公式多，內(nèi)容抽象、枯燥難懂。學(xué)員對(duì)此望而生畏，甚至將流體力學(xué)稱之為“留級(jí)力學(xué)”。

為了激發(fā)學(xué)員的求知欲和好奇心，培養(yǎng)其科學(xué)精神和創(chuàng)新能力，筆者結(jié)合問(wèn)題導(dǎo)入式教學(xué)法和情境教學(xué)法，團(tuán)隊(duì)提出“四個(gè)引入”教學(xué)理念[2-4]，即引入流動(dòng)現(xiàn)象、軍事應(yīng)用、科研成果和思想方法，并提出了具體實(shí)施的“六個(gè)環(huán)節(jié)”，即設(shè)疑、分析、釋疑、拓展、應(yīng)用、創(chuàng)新。通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，搭建起了課堂與戰(zhàn)場(chǎng)之間的橋梁，取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)理念與教學(xué)設(shè)計(jì)

流體力學(xué)課程有很強(qiáng)的實(shí)踐性，生活中處處存在著流動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、利用便攜和易用的教學(xué)演示道具，將身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象引入課堂，可以調(diào)動(dòng)起學(xué)員的好奇心和求知欲，達(dá)到激發(fā)興趣的目的。軍隊(duì)院校教育條例規(guī)定，要堅(jiān)持為戰(zhàn)育人，培養(yǎng)軍事人才，發(fā)展軍事科學(xué)，服務(wù)備戰(zhàn)打仗。因此，將流體力學(xué)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用引入到課堂之中，可以讓學(xué)員有的放矢，學(xué)以致用，從而搭建起課堂與戰(zhàn)場(chǎng)之間的橋梁。將最新的國(guó)防科研成果引入課堂，可以激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神。將科學(xué)思維方法、科學(xué)家生平事跡、愛(ài)海軍愛(ài)海洋的家國(guó)情懷，融入教學(xué)內(nèi)容和組織過(guò)程，將知識(shí)傳授與課程思政有機(jī)結(jié)合，讓課堂更有溫度，達(dá)到潛移默化、潤(rùn)物無(wú)聲和升華學(xué)員思想的效果。

根據(jù)以上教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了6個(gè)環(huán)節(jié)。（1）設(shè)疑：引入身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象，或引入實(shí)驗(yàn)道具展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問(wèn)題。（2）分析：以問(wèn)題為導(dǎo)向，經(jīng)過(guò)演繹推導(dǎo)得到公式、方程等。（3）釋疑：根據(jù)得到的理論知識(shí)回答前面的設(shè)疑，學(xué)以致用。（4）拓展：對(duì)學(xué)員掌握的知識(shí)進(jìn)行鞏固強(qiáng)化，培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐應(yīng)用能力。（5）應(yīng)用：引入軍事裝備中流體力學(xué)的應(yīng)用案例，搭建課堂知識(shí)與戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的橋梁。（6）創(chuàng)新：引入最新的科研成果，提升學(xué)員科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力。前3個(gè)環(huán)節(jié)是知識(shí)層面的閉環(huán)；后3個(gè)環(huán)節(jié)則具有高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度，不僅能使學(xué)員勝任第一崗位任職需要，還要讓他們通過(guò)科學(xué)的世界觀和方法論去認(rèn)知、改造世界，并從流體力學(xué)這門課程中受到啟迪，受益終生。

2 實(shí)施步驟

2.1 設(shè)疑

利用生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象設(shè)計(jì)課堂實(shí)驗(yàn)、提出問(wèn)題、進(jìn)行討論，以激發(fā)起學(xué)員的好奇心和求知欲望。合適的設(shè)疑影響到后面的分析和釋疑的效果，因此設(shè)疑需要掌握兩個(gè)原則：一是設(shè)疑時(shí)提到生活中的現(xiàn)象要習(xí)以為常、司空見(jiàn)慣，但學(xué)員卻不得其解，經(jīng)過(guò)教員解釋后方能茅塞頓開(kāi)；二是課堂的小實(shí)驗(yàn)要設(shè)計(jì)巧妙，能夠再現(xiàn)，且具備發(fā)散思維和逆向思維，最理想的是能夠?qū)W(xué)員的固有思維產(chǎn)生巨大的沖擊力。比如講解流體黏性的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，密度相同、大小不同的兩個(gè)鐵球在空氣中同時(shí)下落，幾乎同時(shí)落地。如果相同的兩個(gè)鐵球在黏性較大的蓖麻油里同時(shí)下落，結(jié)果會(huì)是哪個(gè)鐵球先落地呢？為什么是這樣的結(jié)果？這樣的問(wèn)題容易激發(fā)起學(xué)員的興趣和求知欲，這種求知欲會(huì)一直伴隨著黏性知識(shí)的整個(gè)講解過(guò)程，直到學(xué)員最后茅塞頓開(kāi)。

圖1 小球下落實(shí)驗(yàn)

又如，將一個(gè)乒乓球放在手心上，并吹口氣，球會(huì)在氣流的作用下飛出去。把乒乓球放在開(kāi)口向下的漏斗里面。如果松開(kāi)手，乒乓球會(huì)在重力作用下自由下落，此時(shí)提出問(wèn)題，用什么方法可以不用手接觸，使乒乓球停留在喇叭口里？吸氣是一種方法。采用逆向思維，如果從漏斗里面向外吹氣，是否可行？有的學(xué)員認(rèn)為，這樣肯定會(huì)把乒乓球吹走！然而，用電吹風(fēng)提供持續(xù)的氣流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，乒乓球非但沒(méi)有被吹走，反而是停留在喇叭口內(nèi)，并不斷的振蕩，如圖2所示。為什么出現(xiàn)這樣的結(jié)果？同樣是氣流吹乒乓球，為什么加個(gè)漏斗，效果就不同了呢？第1個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)疑完畢，通過(guò)簡(jiǎn)易的道具，進(jìn)行小實(shí)驗(yàn)，設(shè)制一系列疑問(wèn)，引起學(xué)員的興趣，調(diào)動(dòng)起學(xué)員的好奇心和求知欲。

圖2 吹不走的乒乓球

2.2 分析

針對(duì)提出的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)員運(yùn)用數(shù)理知識(shí)，從物理現(xiàn)象中抽象出數(shù)學(xué)模型，并建立流體速度和壓強(qiáng)關(guān)系的基本方程。這個(gè)環(huán)節(jié)使學(xué)員掌握分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)學(xué)員透過(guò)現(xiàn)象抓住本質(zhì)，在復(fù)雜的問(wèn)題中抓住主要矛盾的能力。此環(huán)節(jié)的時(shí)間要控制好，內(nèi)容要精煉，力求推導(dǎo)過(guò)程邏輯清晰，簡(jiǎn)明扼要。趁學(xué)員的好奇心還未消失之前，得出結(jié)論。

乒乓球能懸浮在喇叭口里，說(shuō)明受到向上的吸力，平衡了重力。如果關(guān)掉電吹風(fēng)，球隨之掉落，靜止的空氣中吸力消失，說(shuō)明該力與氣流速度有關(guān)。這個(gè)力是如何產(chǎn)生的？因?yàn)榕c球接觸的只有空氣，說(shuō)明是球表面空氣的壓強(qiáng)發(fā)生了變化。那么壓強(qiáng)與速度有什么樣的關(guān)系呢？

在流場(chǎng)中，任意取一根流線，在其上取一段流體微元，分析它的受力。合外力等于質(zhì)量與加速度的乘積，進(jìn)行積分，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，忽略次要因素，抓住主要矛盾，得到流場(chǎng)中壓強(qiáng)與速度的關(guān)系式，即伯努利方程的一種形式：p+ρv2/2=C。式中p為氣流的壓強(qiáng)，v是速度，ρ為密度，C沿流線為常數(shù)，因此得到速度與壓強(qiáng)的關(guān)系，即速度越高時(shí)，壓強(qiáng)越小。

2.3 釋疑

運(yùn)用理論分析的結(jié)果，解釋提出的疑問(wèn)，使學(xué)員理解和掌握所學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際的有機(jī)結(jié)合。該環(huán)節(jié)要解釋準(zhǔn)確，抽絲剝繭，闡述清楚，使學(xué)員恍然大悟，茅塞頓開(kāi)。

對(duì)乒乓球所受的流體動(dòng)力進(jìn)行定性分析，如圖3所示，球表面分3個(gè)部分，紅色區(qū)域AOB包含駐點(diǎn)，氣流速度幾乎為0，壓強(qiáng)p0（紅色箭頭）最大，產(chǎn)生的作用力與重力W的合力使乒乓球下落。藍(lán)色區(qū)域AC和BD與漏斗形成的流動(dòng)通道變窄，根據(jù)質(zhì)量守恒和伯努利方程，速度增加時(shí)，壓強(qiáng)p1減小，這部分壓強(qiáng)用藍(lán)色箭頭表示。紫色區(qū)域CED受氣流影響較小，近似為大氣壓p2（紫色箭頭），p1和p2兩個(gè)區(qū)域的壓強(qiáng)差產(chǎn)生的合力，由于在豎直方向的分力向上，抵抗了向下的重力，保持乒乓球懸浮。那么為什么乒乓球會(huì)往復(fù)振蕩呢？向上的力使乒乓球靠近、堵塞噴口。氣流消失，壓強(qiáng)差所形成向上的力消失，乒乓球下落后，又出現(xiàn)“狹縫效應(yīng)”，再次產(chǎn)生向上的力，如此反復(fù)博弈，導(dǎo)致乒乓球在喇叭口里上下往復(fù)振蕩，同理可知亦會(huì)產(chǎn)生左右往復(fù)振蕩。通過(guò)以上分析可以得到，由于喇叭口和乒乓球之間形成狹縫，產(chǎn)生的低壓區(qū)是維持乒乓球不至于被吹跑的原因，其本質(zhì)是質(zhì)量守恒與伯努利方程。

圖3 乒乓球的壓強(qiáng)分布和受力分析

2.4 拓展

經(jīng)過(guò)設(shè)疑、理論分析、釋疑，完成了第1層次知識(shí)傳授的循環(huán)過(guò)程，需要繼續(xù)拓展學(xué)員的能力和提高科學(xué)素質(zhì)。趁熱打鐵，提出同類型的其他問(wèn)題，組織學(xué)員討論探究。通過(guò)這一環(huán)節(jié)，學(xué)員可以交流奇思妙想，碰撞出智慧的火花，進(jìn)一步理解和鞏固所學(xué)知識(shí)。

仍以乒乓球?yàn)槔?，?dāng)球向前方飛行時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，相當(dāng)于球靜止，氣流流向乒乓球。忽略重力時(shí)，無(wú)旋的球兩側(cè)的流速相同，壓強(qiáng)對(duì)稱，乒乓球直行，如圖4所示。如果用球拍順時(shí)針摩擦乒乓球，拉出一個(gè)上旋球，如圖5所示，由于球的旋轉(zhuǎn)，表面摩擦使下方的氣流加速，上方的氣流減速。根據(jù)伯努利原理，速度越大，壓強(qiáng)越小，反之亦然。在兩側(cè)壓強(qiáng)差的作用下，形成垂直于運(yùn)動(dòng)方向向下的馬格努斯力，乒乓球有明顯的下墜，改變了原有的軌跡。如果是下旋球，恰好相反，馬格努斯力向上，球更飄，落點(diǎn)更深。類似的還有側(cè)旋球或者足球中的香蕉球，有異曲同工之妙。

圖4 無(wú)旋的乒乓球

圖5 上旋的乒乓球

針對(duì)流體力學(xué)涉及到的知識(shí)點(diǎn)，匯總了討論拓展的問(wèn)題[5]，如為什么“船到橋頭自然直”，“野渡無(wú)人舟自橫”？美國(guó)塔科瑪大橋?yàn)槭裁磿?huì)被風(fēng)吹垮？網(wǎng)球中的ACE球是怎樣形成的？如何撈面條撈得快？怎樣倒啤酒不起沫等等，倍增學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。

2.5 應(yīng)用

僅有知識(shí)的討論拓展還不能滿足實(shí)戰(zhàn)化的需求，學(xué)員將來(lái)面向的是戰(zhàn)場(chǎng)，面對(duì)的是具體的武器裝備，需要引入軍事裝備應(yīng)用案例，使學(xué)員提前介入專業(yè)，了解裝備需求，有的放矢，學(xué)以致用，搭建起課堂知識(shí)與戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用之間的橋梁。

圖6是遼寧號(hào)航空母艦上殲15艦載機(jī)起飛的瞬間。在飛機(jī)的前端、機(jī)翼的前部或者駕駛艙的兩側(cè)有一些向前伸出的管子，這是空速管，用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的速度，學(xué)名也叫畢托管。為了能夠讓學(xué)員更加直觀了解畢托管測(cè)速原理，制作了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)裝置，并配有結(jié)構(gòu)原理圖，如圖7所示[6]。

圖6 殲15艦載機(jī)

圖7 自制畢托管測(cè)速儀及結(jié)構(gòu)原理圖

畢托管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，目前仍然是可靠的航空測(cè)速儀器。結(jié)合實(shí)際軍事裝備應(yīng)用去講解理論知識(shí)，使學(xué)員更加有認(rèn)同感、獲得感。

噴射泵是艦艇常用的排水設(shè)備，如圖8所示。根據(jù)伯努利原理，高速水流使管道喉部產(chǎn)生低壓真空區(qū)，可將艙底中的積水抽出。特別是當(dāng)艦艇受到敵方攻擊，艙室斷電，艙內(nèi)潛水泵和移動(dòng)消防泵無(wú)法工作時(shí)，只要船上有高壓消防水，就可以利用噴射泵迅速將積水抽除，保持艦艇的浮性和穩(wěn)性，因此噴射泵是保持艦艇生命力的重要裝備。噴射泵另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其內(nèi)部沒(méi)有葉輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即使艙底積水含有雜質(zhì)，仍然能夠持續(xù)可靠的工作。軍事裝備案例的講解會(huì)使學(xué)員對(duì)知識(shí)的印象深刻，即使畢業(yè)多年對(duì)伯努利方程的應(yīng)用仍然會(huì)記憶猶新。

圖8 噴射泵及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

筆者還歸納總結(jié)了其他一些軍事裝備應(yīng)用案例，如艦艇艙室如果進(jìn)水，需要在鄰艙對(duì)水密隔墻進(jìn)行支撐加固，加固位置應(yīng)遵循距自由液面2/3處的法則，以上結(jié)論是根據(jù)“靜止液體作用在平面上的總壓力”計(jì)算得來(lái)。22型導(dǎo)彈艇噴水推進(jìn)器推力計(jì)算，利用的是“動(dòng)量方程”。潛艇陷入泥底有什么危害？如何處理？則可以根據(jù)“靜止液體作用在曲面上的總壓力”來(lái)解釋計(jì)算。

2.6 創(chuàng)新

教育的目的不僅僅是傳授知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力，而且需要提升學(xué)員的創(chuàng)新精神，第6個(gè)環(huán)節(jié)是引入科研成果。這個(gè)環(huán)節(jié)能使學(xué)員開(kāi)拓視野，了解學(xué)科前沿，初步掌握研究方法，提升探索和創(chuàng)新精神。

螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于外緣的線速度很高，根據(jù)伯努利方程，周圍水的壓強(qiáng)降低，如果低于水的飽和蒸汽壓，會(huì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，形成空泡，即空化現(xiàn)象，如圖9所示。當(dāng)空泡潰滅時(shí)，將對(duì)螺旋槳表面造成持續(xù)不斷的沖擊，產(chǎn)生穴蝕，不僅破壞螺旋槳結(jié)構(gòu)，降低推進(jìn)效率，還會(huì)出現(xiàn)空泡噪聲，暴露艦艇行蹤。因此要避免空泡的產(chǎn)生，需要研制防空化、抑噪聲的螺旋槳。

圖9 螺旋槳空化現(xiàn)象及產(chǎn)生的穴蝕

常規(guī)魚雷如果超過(guò)50節(jié)，在頭部周圍也會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，影響魚雷的制導(dǎo)，因此其速度存在上限。任何事物都有兩面性，如果使空化充分發(fā)展，形成超空泡，除頭部以外，魚雷的表面完全被空泡包裹，將極大地減小魚雷的摩擦阻力。超空泡魚雷就是基于這個(gè)原理，目前俄羅斯海軍已裝備200節(jié)的超空泡魚雷，正研制速度可以達(dá)到400節(jié)的魚雷。利用相同的原理實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的超空泡射彈可以擊毀水雷、攔截魚雷等，兩者的航行效果如圖10所示。

圖10 超空泡水中兵器

艦船在水中航行時(shí)，會(huì)使周圍流場(chǎng)的速度和壓強(qiáng)發(fā)生變化，這種由于艦船運(yùn)動(dòng)引起的流場(chǎng)的壓強(qiáng)變化稱為艦船水壓場(chǎng)，如圖11所示，其中Cp為壓強(qiáng)系數(shù)，L為艦船長(zhǎng)度。艦船水壓場(chǎng)隨艦船一起運(yùn)動(dòng)，該信息可以被水雷水壓引信感知和利用。艦船水壓場(chǎng)分布特征可以利用伯努利方程給予解釋。

圖11 艦船水壓場(chǎng)

通過(guò)引入和介紹這些軍事科研項(xiàng)目，可以使學(xué)員了解流體力學(xué)的巨大作用，從而架起課堂知識(shí)與戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的橋梁，為學(xué)員埋下科學(xué)創(chuàng)新的種子，激發(fā)其科技強(qiáng)軍的熱情。

3 結(jié)論

在教學(xué)過(guò)程中引入身邊的流體力學(xué)現(xiàn)象，為枯燥的內(nèi)容注入活力，解決了學(xué)員興趣不高，動(dòng)力不足的問(wèn)題。引入實(shí)驗(yàn)道具，達(dá)到激發(fā)興趣、傳授知識(shí)、啟迪思維的目的，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。引入軍事應(yīng)用、科研成果，架起課堂與戰(zhàn)場(chǎng)的橋梁，達(dá)到培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、為戰(zhàn)育人的教學(xué)目標(biāo)。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課堂教學(xué)中所涉及到的知識(shí)往往只是一個(gè)點(diǎn)，為了拓寬學(xué)員的視野，在授課過(guò)程中注意以“點(diǎn)”為基礎(chǔ)，向外擴(kuò)展為“線”和“面”。讓學(xué)員將知識(shí)的“點(diǎn)、線、面”結(jié)合起來(lái)形成立體的思維空間，知識(shí)體系更加完善豐滿。