針對(duì)船舶與海洋工程特點(diǎn)的“流體力學(xué)”課程改革

張大朋，嚴(yán) 謹(jǐn)，侯 玲

（廣東海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

流體力學(xué)是研究流體的宏觀平衡和流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中的實(shí)際應(yīng)用的一門學(xué)科，它的研究對(duì)象是流體，這里的流體包括液體和氣體。流體的最基本特征就是流動(dòng)性，而流動(dòng)自然會(huì)帶來系統(tǒng)的紊亂與無序。為了描述這種紊亂與無序，流體力學(xué)提出了很多較為抽象的概念與常函數(shù)及相關(guān)的假定。這就導(dǎo)致了對(duì)該學(xué)科的學(xué)習(xí)與研究需要有較為深厚的高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)功底以及一定的物理理解能力。而這些對(duì)于像廣東海洋大學(xué)的一些地方性高校來說，由于生源素質(zhì)的原因，較高的數(shù)學(xué)和力學(xué)素養(yǎng)很難達(dá)標(biāo)的。導(dǎo)致在“流體力學(xué)”課程講解的過程中會(huì)遇到一些非專業(yè)因素的困難。

“流體力學(xué)”是一門理論性比較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是一門應(yīng)用面非常寬廣的適用性通用課程，在船舶與海洋工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、土木水利、建筑結(jié)構(gòu)等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-6]。例如，航空航天專業(yè)中的空氣動(dòng)力學(xué)，機(jī)械工業(yè)與設(shè)計(jì)中的潤滑、冷卻，動(dòng)力裝置中的液壓傳動(dòng)，水利工程中的泄洪、水資源調(diào)動(dòng)，船舶與海洋工程中的立管渦激振動(dòng)、風(fēng)作用下的跨海大橋抖動(dòng)等，都會(huì)涉及到流體力學(xué)。也正因?yàn)槿绱?，?dǎo)致了這門課程對(duì)于特定專業(yè)的工程應(yīng)用背景針對(duì)性不強(qiáng)。在這種情況下，就要結(jié)合船舶與海洋工程專業(yè)的特點(diǎn)和“流體力學(xué)”課程與船舶與海洋工程專業(yè)相關(guān)知識(shí)的融合點(diǎn)與交叉點(diǎn)對(duì)該課程的教學(xué)方案進(jìn)行修正與改革，以適應(yīng)船舶與海洋工程專業(yè)對(duì)該課程的需要[7-18]。有鑒于此，本文從幾個(gè)方面考慮，結(jié)合當(dāng)前“流體力學(xué)”課程教材的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀以及廣東海洋大學(xué)在船舶與海洋工程專業(yè)人才培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過綜合權(quán)衡與分析后，提出了幾點(diǎn)關(guān)于該課程的課程設(shè)計(jì)與教學(xué)改革的建議，對(duì)于相關(guān)涉海高校指導(dǎo)該課程的教學(xué)有著一定的借鑒意義和參考價(jià)值。

1 當(dāng)前“流體力學(xué)”教材的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 當(dāng)前“流體力學(xué)”教材的特點(diǎn)

對(duì)于土木建筑、橋梁涵洞、市政工程和水力學(xué)等方向來說，當(dāng)前的“流體力學(xué)”課程教材較為合適的是胡敏良、吳雪茹主編，武漢理工大學(xué)出版社出版的，面向土木工程的《流體力學(xué)》教材。該教材為中國土木工程學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)審定，是普通高等學(xué)校土木工程專業(yè)新編系列教材之一。該教材是根據(jù)普通高等學(xué)校土建類專業(yè)流體力學(xué)學(xué)時(shí)較少的特點(diǎn)，在整體上深入淺出、按照大類培養(yǎng)的教學(xué)指導(dǎo)思想編寫的通用性教材。

而對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)及液壓傳動(dòng)專業(yè)等方向來說，當(dāng)前的“流體力學(xué)”課程教材較為合適的是張也影主編，高等教材出版設(shè)出版的，面向機(jī)械類專業(yè)的《流體力學(xué)》教材。該教材符合工程流體力學(xué)課程教學(xué)少學(xué)時(shí)的要求，刪除了速度勢、流函數(shù)及簡單勢流等抽象概念，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)中涉及到的壓強(qiáng)、粘度等概念結(jié)合專業(yè)需求進(jìn)行了重新定義與解讀。

如果說到理論高度和系統(tǒng)性，由清華大學(xué)出版社出版的、張兆順主編的《流體力學(xué)》教材是不可不提的。該本教材，系統(tǒng)、完整地講述了流體力學(xué)的基本原理與方法。該教材的一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)是將嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析和物理本質(zhì)的描述相結(jié)合，并且內(nèi)容上涵蓋了近現(xiàn)代流體力學(xué)的應(yīng)用方面迫切需要的內(nèi)容。該教材的目標(biāo)是培養(yǎng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)流體力學(xué)專門知識(shí)或著手研究和解決工程及自然界流動(dòng)問題的本科生及研究型人才。該教材適用于辦學(xué)層次較高、學(xué)生生源較好、學(xué)生數(shù)學(xué)和物理功底扎實(shí)的研究型高校。

而在船舶與海洋工程領(lǐng)域，有2本“流體力學(xué)”教材應(yīng)用比較廣泛。一本是由哈爾濱工程大學(xué)張亮教授和李云波教授編寫，哈爾濱工程大學(xué)出版社出版的船舶與海洋工程系列教材——《流體力學(xué)》；另一本是由許漢珍主審，王家楣、張志宏、馬乾初編著，大連海事大學(xué)出版社出版的《流體力學(xué)》教材。該書目前有2個(gè)版本，當(dāng)前的版本是在馬乾初、王家楣主編的《流體力學(xué)》的基礎(chǔ)上修訂的，在修訂的過程中參考了教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2009年修訂的《流體力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中的相關(guān)規(guī)定。而該教材的第一版又是在原武漢交通科技大學(xué)流體力學(xué)教研室和海軍工程大學(xué)力學(xué)教研室教研課題的基礎(chǔ)上編撰的，編撰完成后該教材成為虎賁省精品課程《流體力學(xué)》的配套教材。相比于哈爾濱工程大學(xué)出版社的教材，王家楣等主編的教材降低了《流體力學(xué)》的門檻，由淺入深，沒有對(duì)于一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式展開過多的引用和推導(dǎo)；對(duì)于一些流體力學(xué)中較為抽象和難以理解的概念講解地更加的樸素和便于理解。這對(duì)于廣東海洋大學(xué)的船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生更容易入門。因此，廣東海洋大學(xué)選用了該本教材作為船舶與海洋工程專業(yè)的專業(yè)課程教材。從幾屆學(xué)生反饋回來的結(jié)果看，該本教材還是相當(dāng)不錯(cuò)的。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

作為大學(xué)本科的“四大天書”之一，“流體力學(xué)”課程的掛科率非常高。 即使選用了針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的專用教材，掛科率較高還是難以得到根本性地扭轉(zhuǎn)。要破解這個(gè)難題，一些地方性的涉海高校必須另辟蹊徑、化繁為簡，結(jié)合辦學(xué)定位和生源特點(diǎn)制定切實(shí)可行的教學(xué)方案。

2 “流體力學(xué)”課程與船舶與海洋工程專業(yè)結(jié)合點(diǎn)及課堂教學(xué)手段的豐富與改革舉措

2.1 “流體力學(xué)”課程中涉及到的船舶與海洋工程專業(yè)課程的知識(shí)概念與融合

“流體力學(xué)”課程中，其實(shí)有很多知識(shí)點(diǎn)與定理被應(yīng)用到船舶與海洋工程專業(yè)的實(shí)際工程中。例如，“流體力學(xué)”課程中的漩渦理論、勢流理論、波浪理論、相似理論和機(jī)翼理論。

其中，漩渦理論、勢流理論、波浪理論與船舶和海洋平臺(tái)在海上運(yùn)行時(shí)的六自由度響應(yīng)有著十分密切的關(guān)系，而船舶在海面上航行時(shí)又會(huì)產(chǎn)生船行興波，實(shí)際海面上存在的波浪會(huì)對(duì)船舶與海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

相似理論對(duì)于對(duì)大型海洋結(jié)構(gòu)物做水池實(shí)驗(yàn)有著非常強(qiáng)的指導(dǎo)作用，這關(guān)系到海洋結(jié)構(gòu)物模型縮放過程中動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相似以及幾何特性相似的取舍。

而機(jī)翼理論對(duì)于分析船用螺旋槳的水動(dòng)力特性起著不可替代的作用。

通過總結(jié)歸納，不斷發(fā)現(xiàn)船舶與海洋工程專業(yè)與“流體力學(xué)”課程在知識(shí)概念上的融合點(diǎn)，在課堂上適時(shí)插入，從而提高學(xué)生從專業(yè)角度理解相關(guān)定義、定理的能力，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2.2 課堂教學(xué)手段的豐富

作為傳統(tǒng)的工科課程，“流體力學(xué)”課程與數(shù)學(xué)密不可分，因此也就避免不了推公式。但推公式的目的是讓學(xué)生不僅知其然，還知其所以然。因此，應(yīng)結(jié)合多媒體手段來進(jìn)行教學(xué)，增加課程的趣味性，以豐富課堂內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生的理解難度。例如，在講解伯努利方程之前，可以先介紹瑞士的伯努利家族是世界上久負(fù)盛名的科學(xué)世家，出了好幾個(gè)科學(xué)家，影響科學(xué)界上百年；接著，可以通過多媒體影像帶領(lǐng)同學(xué)們觀看伯努利家族的發(fā)展史，講解伯努利家族幾代人不懈努力研究流體力學(xué)和數(shù)學(xué)的故事；再誘導(dǎo)同學(xué)們?nèi)ニ伎荚撊绾尾拍軐W(xué)好流體力學(xué)，最后再順勢引出“流體力學(xué)”課程中的伯努利原理。

2.3 課程教學(xué)改革的措施

在課程的總體規(guī)劃上，要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改革，具體如下。

1）統(tǒng)籌學(xué)科規(guī)劃，組織精兵強(qiáng)將，打造“流體力學(xué)”課程教學(xué)專業(yè)團(tuán)隊(duì)。以學(xué)科中理論水平高、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)、學(xué)科交叉背景深的青年學(xué)術(shù)骨干為依托，構(gòu)建針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的“流體力學(xué)”特色教研團(tuán)隊(duì)。

2）改革課堂教學(xué)方式，綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法和教學(xué)器材，使課堂氣氛活躍起來。如果課堂改革不正確、不到位、不成功，那么課程建設(shè)與實(shí)施就難以成功。因此改革課堂，應(yīng)是課程建設(shè)與實(shí)施的攻堅(jiān)戰(zhàn)。

3）突出“以生為本”的教學(xué)理念和特色化教學(xué)方向。課堂教學(xué)的本質(zhì)就應(yīng)該是“學(xué)會(huì)與會(huì)學(xué)”，即首先要讓學(xué)生“學(xué)會(huì)”，這是知識(shí)目標(biāo)；但教學(xué)的最終目標(biāo)是讓學(xué)生“會(huì)學(xué)”，達(dá)到“教是為了不教，學(xué)是為了會(huì)學(xué)”的教學(xué)目的。但是，要讓學(xué)生“會(huì)學(xué)”必須讓學(xué)生在學(xué)會(huì)知識(shí)的這個(gè)過程中才能獲得。也就是說“會(huì)學(xué)”是不能灌輸?shù)模?它必須是一種實(shí)踐，只有通過“學(xué)會(huì)”這個(gè)不斷連續(xù)的實(shí)踐過程，才能慢慢培養(yǎng)起來。需要鼓勵(lì)教師運(yùn)用最適合學(xué)生需要和最能達(dá)到“有效教學(xué)”這個(gè)目標(biāo)的方法去教學(xué)，而決不拘泥于某一種或幾種方法。基于這一點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)把時(shí)間充分讓給學(xué)生，充分體現(xiàn)“少就是多”、“少教而多學(xué)”的原則，強(qiáng)調(diào)學(xué)法指導(dǎo)。

3 結(jié)語

結(jié)合“流體力學(xué)”課程的特點(diǎn)，針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的獨(dú)特需求，合理選擇“流體力學(xué)”的課程教材，順應(yīng)大船海的發(fā)展趨勢，注重以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)“流體力學(xué)”課程的教學(xué)教案，積極探索專業(yè)方向與大類工科課程的交叉點(diǎn)和融合點(diǎn)，通過理論推演、課堂討論、案例分析、前沿科技分等方式豐富教學(xué)內(nèi)容、活躍課程氣氛，以優(yōu)良的教學(xué)水平和教學(xué)激情投入到“流體力學(xué)”課程的教學(xué)改革中。要把知識(shí)點(diǎn)的講解變成講“故事”，在無形中將知識(shí)點(diǎn)“講圓講透”，這樣就可以把知識(shí)點(diǎn)講得既深刻，又通俗易懂，同時(shí)還很生動(dòng)，把課堂變成了一個(gè)多維度育人的平臺(tái)。