基于土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的流體力學(xué)課程教學(xué)改革探索

摘?要：流體力學(xué)是土木工程專業(yè)一門重要的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，該課程具有知識(shí)點(diǎn)維度廣難度大、概念抽象、與工程實(shí)際聯(lián)系較多等特點(diǎn)，然而目前該課程的教學(xué)過程中存在著重視度不夠、與土木工程專業(yè)知識(shí)結(jié)合較少以及授課教師未能因地制宜制定教學(xué)方法等問題，且相關(guān)教學(xué)研究對上述特點(diǎn)及存在問題的討論較為有限。由此，本文從教材選用、教學(xué)內(nèi)容選擇及教學(xué)過程設(shè)計(jì)等方面，詳細(xì)闡述了該課程教學(xué)改革的具體措施。基于該教學(xué)改革措施，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基本工具，即可因地制宜地制定教學(xué)方法，引入相關(guān)專業(yè)知識(shí)體系，加深學(xué)生對流體力學(xué)以及土木工程專業(yè)知識(shí)的理解，該教學(xué)改革措施可取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；土木工程；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；教學(xué)改革

隨著科技的發(fā)展，如今高層或超高層建筑結(jié)構(gòu)越來越多，而大跨度橋梁的建設(shè)也屢見不鮮，對土木工程專業(yè)的學(xué)生而言，掌握流體力學(xué)知識(shí)顯得愈發(fā)重要。流體力學(xué)是土木工程專業(yè)一門重要的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，該課程的設(shè)立目標(biāo)旨在使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本概念和基本規(guī)律，能夠運(yùn)用流體力學(xué)的基本原理求解工程實(shí)際問題。對于土木工程專業(yè)而言，涉及流體力學(xué)的工程結(jié)構(gòu)主要為風(fēng)作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)、風(fēng)或水作用下的橋梁結(jié)構(gòu)以及水作用下的水工結(jié)構(gòu)等。

1?課程特點(diǎn)分析

土木工程專業(yè)本科生所學(xué)的力學(xué)課程主要包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)及彈性力學(xué)等。流體力學(xué)與其他力學(xué)課程相比，具有一定的特殊性。從力學(xué)研究對象角度而言，除流體力學(xué)以外的上述力學(xué)課程均屬于固體力學(xué)范疇，而流體力學(xué)可被認(rèn)為是與固體力學(xué)平行的另一力學(xué)分支，這表明流體力學(xué)與其他上述單個(gè)力學(xué)課程相比，其知識(shí)廣度以及難度原則上更大，由此引申出該課程的以下特點(diǎn)：

（1）課程知識(shí)點(diǎn)分支較多，分布零散，維度較大。流體本身包含了氣體和液體兩類，而二者的力學(xué)特性實(shí)質(zhì)上有較大差別，因此這兩類流體又分別能細(xì)分出各自對應(yīng)的常見力學(xué)課程，即空氣動(dòng)力學(xué)和水力學(xué)；按照經(jīng)典力學(xué)的分類方法，流體力學(xué)又可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)三部分，各自又有自己的分支；從流體是否具有黏性的角度又可將流體分為無黏性流體和黏性流體，二者的計(jì)算求解差別也較大。除上述主要分類以外，在細(xì)節(jié)方面還有較多的分類或分支，知識(shí)點(diǎn)分支較多，分布較為零散，枝繁葉茂，在本科生初次接觸時(shí)，往往很難把握該課程的主體脈絡(luò)，不能理清前后知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)不夠系統(tǒng)，效率不高。

（2）課程知識(shí)點(diǎn)難度較大，概念抽象，計(jì)算復(fù)雜。和固體力學(xué)所包含的力學(xué)課程相比，流體力學(xué)的概念理解更為抽象，這點(diǎn)對于空氣而言更甚，因此在教學(xué)中，流體力學(xué)更難以進(jìn)行實(shí)物的舉例和演示，造成力學(xué)概念較難理解。除此之外，知識(shí)點(diǎn)的難度也較大，大量的公式均基于方程的推導(dǎo)，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高；計(jì)算過程較為復(fù)雜，尤其是以NS方程為代表的動(dòng)力學(xué)方程，必須基于數(shù)值計(jì)算進(jìn)行求解，從而又引出了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）這一數(shù)值計(jì)算工具，使得學(xué)生對概念的理解更易產(chǎn)生混淆。

（3）課程與工程實(shí)際聯(lián)系較多，不可或缺，但又有一定的獨(dú)立性。從力學(xué)課程體系上來說，基于剛體運(yùn)動(dòng)的理論力學(xué)和基于桿件力學(xué)特性的材料力學(xué)為流體力學(xué)課程的先修課程，主要提供了該課程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，如彎矩、剪力等概念。而流體力學(xué)課程主要是解決工程結(jié)構(gòu)荷載輸入的問題，即確定作用在結(jié)構(gòu)上的流體荷載?；谠撦斎牒奢d，即可進(jìn)一步結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)知識(shí)，計(jì)算工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形，進(jìn)而依據(jù)結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和配筋信息。由此可見，流體力學(xué)扮演著確定流體荷載輸入這一關(guān)鍵先決角色，在土木工程專業(yè)課程體系中不可或缺，與各課程聯(lián)系緊密，不僅如此，該課程又與土木工程專業(yè)熱門科研方向如工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析等聯(lián)系極為緊密，為該科研方向打下基礎(chǔ)。然而與部分核心專業(yè)課程相比，其在土木工程專業(yè)培養(yǎng)體系中又顯得較為獨(dú)立，知識(shí)體系較為零散，造成部分土木工程專業(yè)任課教師對該課程較為忽視。

目前，部分高校對此課程重視度不夠，為了便于全校資源的統(tǒng)一調(diào)配，往往采用全校公共課或?qū)I(yè)選修課的形式進(jìn)行授課，教授土木工程專業(yè)該課程的教師可能來自其他專業(yè)，授課時(shí)不能很好地與本專業(yè)知識(shí)有效結(jié)合，且部分教師授課時(shí)，不能因地制宜地依照教學(xué)對象的實(shí)際情況制訂教學(xué)方案，教學(xué)過程死板，教學(xué)方法生搬硬套。由此可見，如何結(jié)合本專業(yè)知識(shí)，針對學(xué)生因材施教、因地制宜地授課，是目前該專業(yè)流體力學(xué)課程的教學(xué)改革重點(diǎn)和方向，本文進(jìn)行深入探討。

2?教學(xué)研究現(xiàn)狀

目前已有部分教學(xué)研究者針對流體力學(xué)課程的教學(xué)模式進(jìn)行了不同程度的改革探索，研究的熱點(diǎn)主要為課程思政的融入、課程教學(xué)工具的使用以及課堂教學(xué)的改革等。如蘭雅梅等［1］結(jié)合德育實(shí)施情況提煉了該課程所含的思政教育內(nèi)容；孫優(yōu)善等［2］對思政教育的融入方法進(jìn)行了詳述，并探索了具體融入路徑；王維等［3］就目前該課程教學(xué)內(nèi)容和形式等方面存在的問題，從教師自我提升、教材改革以及教學(xué)環(huán)節(jié)等方面提出了教學(xué)改革的思路和措施；張引弟等［4］探討了課堂考核方式，詳細(xì)闡述了半開卷考試的特點(diǎn)和效果，并證明半開卷期末考試耦合多元化的過程性考核有助于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力；王沖等［5］簡要介紹了問題鏈教學(xué)模式，分析了該教學(xué)模式的內(nèi)涵和關(guān)鍵要素；許棟等［6］以總流能量方程及水頭損失計(jì)算教學(xué)為例，設(shè)計(jì)了“自來水水龍頭堵住一部分出口后水流噴射的距離和流量如何變化”這一簡單生活實(shí)踐問題，基于生活實(shí)踐探索了課程的啟發(fā)性教學(xué)；陳慶光等［7］總結(jié)了流體質(zhì)點(diǎn)與流體微團(tuán)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、牛頓內(nèi)摩擦定律、不可壓縮流體等基本概念的教學(xué)方法；包圖雅［8］闡述了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT在課程教學(xué)改革研究中的應(yīng)用。然而，關(guān)于該課程的教學(xué)研究依舊較為匱乏，對本文上節(jié)闡述的教學(xué)現(xiàn)狀基本問題鮮有提及，且針對土木工程專業(yè)的教學(xué)討論較少，尤其是結(jié)合流體力學(xué)對土木工程結(jié)構(gòu)理論聯(lián)系實(shí)際的闡述嚴(yán)重不足。

3?教學(xué)模式改革詳述

3.1?教材選用

在選擇教材時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先對比市面上各類流體力學(xué)教材，綜合分析教材的優(yōu)缺點(diǎn)，最好能選擇一些作者出身自土木工程專業(yè)并且能夠結(jié)合工程實(shí)例的教材［9］。相對而言，部分教材對于理論推導(dǎo)過程講解較為詳細(xì)，應(yīng)當(dāng)主要針對研究型高校的本科生，而部分教材則對實(shí)際應(yīng)用闡述更為詳細(xì)，應(yīng)當(dāng)主要針對應(yīng)用型本科高校的本科生，而對于中外合作辦學(xué)類的土木工程專業(yè)，可優(yōu)先選擇一些優(yōu)質(zhì)的英文教材［10］。

3.2?教學(xué)內(nèi)容選擇

傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包括流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)以及流體動(dòng)力學(xué)這三大力學(xué)部分以及隨后的量綱分析相似原理、流動(dòng)阻力和水頭損失等與工程聯(lián)系相對更為緊密的各部分。對于教學(xué)內(nèi)容的選擇和課時(shí)的分配，應(yīng)當(dāng)結(jié)合授課學(xué)生的具體情況決定。以下進(jìn)行闡述：

（1）三大力學(xué)部分為本課程的理論基礎(chǔ)，這部分如對研究型高校的學(xué)生進(jìn)行授課，應(yīng)重點(diǎn)講授公式的推導(dǎo)過程以及公式的理解，而對于應(yīng)用型高校的學(xué)生來說，公式的實(shí)際應(yīng)用可能更受關(guān)注，應(yīng)重點(diǎn)闡述。

（2）量綱分析和相似原理部分主要闡述了量綱分析法以及相似原理，前者為尋求各物理量的關(guān)系、推導(dǎo)理論公式提供了方法，對所有基于物理類知識(shí)的專業(yè)學(xué)習(xí)均有較大的裨益，而后者則為試驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)，指導(dǎo)了流體力學(xué)縮尺模型試驗(yàn)的進(jìn)行。因此對于研究型高校而言，這部分內(nèi)容可相對更多地闡述，且量綱分析法部分可考慮作為獨(dú)立內(nèi)容融入其他課程的學(xué)習(xí)中。

（3）剩下的部分與實(shí)際工程聯(lián)系相對更為緊密，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)根據(jù)授課對象的實(shí)際情況進(jìn)行取舍，如流動(dòng)阻力和水頭損失這一部分為基本內(nèi)容，對于土木工程專業(yè)所有方向的學(xué)生都應(yīng)當(dāng)有效講授；有壓管流這部分內(nèi)容由于主要闡述了有壓管道流動(dòng)中的流體力學(xué)現(xiàn)象，因此應(yīng)當(dāng)對市政工程方向或建筑環(huán)境設(shè)備方向的學(xué)生重點(diǎn)講授；明渠流動(dòng)這部分主要闡述無壓明渠中的流動(dòng)規(guī)律，因此應(yīng)當(dāng)對土木工程專業(yè)交通土建方向的學(xué)生重點(diǎn)講授；堰流這部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)對水利工程方向的學(xué)生重點(diǎn)講授；滲流這部分內(nèi)容討論了水在土孔隙中的流動(dòng)現(xiàn)象，可考慮針對土木工程專業(yè)巖土方向的學(xué)生重點(diǎn)講授。如培養(yǎng)方案課程學(xué)時(shí)較為緊張，以上內(nèi)容也可作為獨(dú)立內(nèi)容融入相應(yīng)方向的專業(yè)課中，如明渠流動(dòng)這部分內(nèi)容可考慮融入“橋梁工程”課程中；滲流這部分內(nèi)容可考慮融入“土力學(xué)與基礎(chǔ)工程”課程中，從而提高課程的教學(xué)效率。

3.3?教學(xué)過程設(shè)計(jì)

這部分內(nèi)容是重中之重，由于本文探討的是如何針對土木工程專業(yè)進(jìn)行流體力學(xué)課程的授課，因此在教學(xué)過程和授課方法上應(yīng)注意結(jié)合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，在授課過程中可通過工程問題作為引入，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，以下為若干實(shí)例：

3.3.1?相似原理部分

該部分由于包含模型試驗(yàn)的內(nèi)容，因此對于某些具備風(fēng)洞試驗(yàn)室或水工模型試驗(yàn)室的高校，可在授課時(shí)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)或橋梁結(jié)構(gòu)水工試驗(yàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行授課，如授課教師本人從事過相關(guān)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)或研究，可直接以其科研成果為例進(jìn)行闡述，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。以下為某授課內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)例：

（1）以某縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)為引子，給定某實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的尺寸、結(jié)構(gòu)10m高處的平均風(fēng)速，以及風(fēng)速觀測時(shí)間，由此進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，引出長度比、時(shí)間比以及速度比等概念，并引出相似原理的含義及作用，闡述幾何相似的概念。

（2）關(guān)于相似準(zhǔn)則的應(yīng)用，針對該風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，介紹雷諾準(zhǔn)則、弗勞德準(zhǔn)則以及歐拉準(zhǔn)則的概念，并且結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，闡述選定準(zhǔn)則的注意事項(xiàng)。

（3）針對已知的幾何相似比，確定如風(fēng)壓比、風(fēng)壓系數(shù)比等關(guān)鍵指標(biāo)，闡述運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的概念。

（4）進(jìn)一步選擇性拓展，對需要加深學(xué)習(xí)的情況，選擇性地講解風(fēng)洞試驗(yàn)的過程以及試驗(yàn)的可能結(jié)果。

以上教學(xué)設(shè)計(jì)可加深學(xué)生對相似原理和模型試驗(yàn)的概念理解，并為學(xué)生之后學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)等相關(guān)知識(shí)打下基礎(chǔ)。

3.3.2?計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析的應(yīng)用

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational?Fluid?Dynamics，簡稱CFD）是目前采用數(shù)值分析方法進(jìn)行流體力學(xué)分析的重要工具和手段，在土木工程專業(yè)流體力學(xué)的授課中，可結(jié)合CFD進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解，加深學(xué)生對概念的理解。涉及的部分如下：

（1）黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程部分。黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程（NS）方程是實(shí)際流體求解的基本方程，而CFD的求解過程實(shí)際上就是求解NS方程，因此可在闡述這部分內(nèi)容的時(shí)候，結(jié)合CFD的背景進(jìn)行介紹。

（2）相似原理模型試驗(yàn)部分。該部分已在上節(jié)詳述，即可以通過設(shè)計(jì)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行授課，在最終得到風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可采用CFD進(jìn)行對比分析，得到對應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)值解，如結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)等，將結(jié)果以云圖的形式展示給學(xué)生，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，加深學(xué)生對模型試驗(yàn)這部分內(nèi)容的理解。

（3）邊界層和繞流阻力部分。該內(nèi)容為流動(dòng)阻力和水頭損失部分的重點(diǎn)之一，可采用CFD模擬某圓柱繞流問題，展示水流繞流的過程以及圓柱背后的尾流旋渦，模擬出圓柱體受到的繞流阻力，從而給學(xué)生直觀映像，并結(jié)合數(shù)值模擬內(nèi)容闡述“失阻”“邊界層”“黏性底層”等概念。

3.3.3?繞流阻力中渦激共振部分

渦激共振指的是在卡門渦街中當(dāng)旋渦發(fā)生頻率與物體自振頻率耦合時(shí)引起的物體共振現(xiàn)象，該部分的授課可采用以下教學(xué)設(shè)計(jì)：

（1）以具體工程實(shí)例為引子，引人入勝地引入教學(xué)主題。在授課前可播放工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)視頻，給學(xué)生留下直觀映像。

（2）基于CFD數(shù)值模擬或?qū)嶋H工程風(fēng)洞試驗(yàn)，展示卡門渦街的旋渦以及由此產(chǎn)生的交變側(cè)向力，并進(jìn)一步闡述渦激共振的原理、繞流阻力的概念以及計(jì)算方法，并與CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行大致比對。

（3）通過以上交變側(cè)向力的闡述，引入土木工程專業(yè)其他課程的相關(guān)知識(shí)，如交變側(cè)向力產(chǎn)生的鋼構(gòu)件疲勞和斷裂問題、能夠減小側(cè)向力產(chǎn)生效果的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制相關(guān)知識(shí)等。

在實(shí)際運(yùn)用中，可考慮采用一周實(shí)訓(xùn)的形式，有效利用該課題進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)授課，甚至可以結(jié)合本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)部分，以該知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，研究某工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的渦激共振情況以及設(shè)計(jì)抑制渦激共振的手段。

結(jié)語

通過以上分析和教學(xué)設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，在土木工程專業(yè)的流體力學(xué)授課時(shí)，可采用流體力學(xué)和工程實(shí)際相聯(lián)系的方法，以CFD為基本工具，因地制宜地制定教學(xué)方法，引入土木工程相關(guān)專業(yè)知識(shí)體系，加深學(xué)生對流體力學(xué)及土木工程專業(yè)知識(shí)的理解，該教學(xué)改革對學(xué)生大有裨益，可取得較好的效果。

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作者簡介：方釗（1989—?），男，漢族，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向：土木工程防災(zāi)減災(zāi)。