建筑環境與設備工程專業基礎核心課程《流體力學》的教學改革與實踐*

張學靜，惲志東

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西桂林541004)

建筑環境與設備工程專業基礎核心課程《流體力學》的教學改革與實踐*

張學靜，惲志東

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西桂林541004)

針對建筑環境與設備工程專業流體力學課程特點，從調整教材體系和內容，改革教學方法和教學手段以及創新實驗三個方面進行了探索與實踐。

建筑環境與設備專業;流體力學;教學改革

建筑環境與設備工程專業是根據1998年教育部頒布的全國普通高等學校本科專業目錄，將原“供熱通風與空調工程”和“燃氣工程”兩專業進行調整、拓寬組建而成的新專業。該專業已經成為跨越土木工程、建筑學、環境學與工程、動力工程及工程熱物理四個一級學科的一個交叉性二級學科，并涉及機械、經濟與管理等相關學科。此次專業調整改革的目標是培養“厚基礎、寬口徑、有創新意識”適應21世紀中國社會主義現代化建設需要的復合型人才。該培養目標體現了“注重基礎、淡化專業”的指導思想。

流體力學主要是研究流體平衡和運動規律及實際應用的一門科學，是一門應用面比較廣的專業基礎課，在能源、動力、機械、航空、航天、化工等領域都有著重要應用。對于建環專業，流體力學的應用更為廣泛，熱的供應，空氣的調節，燃氣的輸配，排毒排濕，除塵降溫等，都是以流體作為工作介質，通過流體的各種物理作用，對流體的流動有效地加以組織來實現的。因此本課程是我們專業最重要和最基礎的專業基礎課程之一，是培養建筑環境與設備工程專業高級技術人才必修的專業核心基礎理論課。

本課程的主要特點是:數學份量重，抽象概念多，理論性強，實踐性強。在初學這門課時，弄清概念，掌握理論，學會運用基本理論分析解決工程中的實際問題，常常是最重要的也是學生最困難的。

根據建環專業的培養目標，針對流體力學的課程特點，筆者從從調整教材體系和內容，改革教學方法和教學手段以及創新實驗三個方面進行了探索。

一、課程體系和課程內容改革

目前我國流體力學教材理論體系大致是這樣的:先講靜力學后講動力學，先講一元流動后講三元流動的循序漸進的理論體系，這種體系的特點是由簡到繁、由易到難，學生易于接受，但存在著學時要求過多的缺點。原因是流體靜力學、一元流體動力學實際上是三元不可壓縮粘性流體動力學的幾種特殊情況，很多理論和公式都是交叉重復的。

目前，建筑環境與設備工程專業所使用的教材是《流體力學泵與風機》(第四版)(蔡增基、龍天渝主編，中國建筑工業出版社)，這本教材內容全面，難易適中。從教材體系上來說，基本符合上述體系。第三章“一元流體動力學基礎”、第七章“不可壓縮流體動力學基礎”這兩章內容都是先講連續性方程，之后描述能量方程，最后介紹動量方程。一元是三元的特殊情況，所以從內容上有很多重復交叉的地方。據此，在實際教學中，筆者對這兩章的教學內容和順序進行了調整和整合。真接從三元入手，一元和二元作為特殊情況來處理。這種調整以后的體系具有從一般到特殊，教材篇幅相對較少，所需學時減少，使教學過程相對簡化的特點。在實際授課時收到了良好的教學效果。

另外，筆者針對該專業流體力學課程的學時限制，對部分起點低、簡單重復的內容作了刪減。比如，浮力問題、毛細現象，在中學物理課程就已涉及到了，所以這一部分作了刪除處理。第九章“一元氣體動力學”中和熱力學、傳熱學課程簡單重復的地方也作了刪減。

二、教學方法和教學手段改革

(一)提高學生的學習興趣從緒論課開始

學生對一門課的認識和興趣是從緒論的講解中得到的。上好緒論課可以激發學生的學習興趣，形成一個良好的開端。因此，在緒論課上可以先給學生介紹流體力學的發展簡史、研究內容、研究方法等，使學生對該門課程有個全面的了解。在介紹流體力學的發展歷史的時候，可以以圖片的形式介紹“銅壺滴漏”、“水力紡車”、“三大水利工程”，流體力學在航空航天發展方面的成就等內容激發學生的自豪感和學習興趣。對于我們建筑環境的學生，還可以介紹一下流體力學在我們專業領域內的應用，比如均勻送管道，避風天窗的例子等等。實踐證明，這樣的緒論課激發了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛。

(二)注重培養分析問題和解決問題的能力

在教學過程中可以將課堂教學與自學結合起來。使學生由被動的接受知識到主動參與學習。在課堂上可以采用提出問題、分析問題和解決問題的講課方法，我們以管嘴出流這一節為例，管嘴出流流量計算公式的推導是基于前面所學的能量方程，這部分內容學生可以自學完成。我們可以設置這樣的問題:(1)管嘴出流和孔口出流的區別是什么?(2)管嘴正常工作應該滿足哪兩個條件。學生通過看書自學，是可以解決這兩個問題的。解決完這兩個問題，教師講解的重點可以放在流速系數和流量系數的物理意義、流量公式應用的注意事項和一般解題思路上。

每堂課后還可以留下一些思考題讓學生獨立思考，使學生在解決問題的過程中進一步理解理論知識，通過這種方式，培養學生應用所學知識分析問題和解決問題的能力。

(三)現代教學方法與傳統教學方法相結合

隨著現代教育技術的發展，可以將流體力學中那些很難用語言來描述的物理圖像用多媒體展示出來，并且通過多媒體可以在規定的課時內將大量信息傳授給學生，由于其圖文并茂，且可以加入動畫和聲音，可以多方面地刺激學生的感官系統，使學生能最大限度地接受到海量信息，比如歐拉和拉格朗日描述流動的圖形顯示，水頭線的表示，莫迪圖的五個區間段的劃分和一些典型例題等等都可以用多媒體來展示出來。因此，運用多媒體可以大大提高教學效率和效果。另一方面，由于課程的特點，有許多公式的推導和計算內容，這部分內容采用多媒體很難取得好的教學效果，還需要采用板書等傳統的教學方法進行講授。因為黑板推導理論公式教師可以根據學生的具體情況調整教學進度，設置教學問題，還可以給學生留有一定的記筆記和思考的時間。所以該門課授課的時候采用的是多媒體和板書相結合的講授方式，并且取得了良好的教學效果。

(四)網絡教學和課堂教學相結合

流體力學涉及高等數學、復變函數、大學物理等基礎知識，所以很多學生覺得該門課程非常難學。我們將流體力學相關的教學、科研以及新技術等相關內容掛在了網上，并且做成了導學式的鏈接，涉及到相關的基礎知識，可以通過導學式鏈接查找到這部分內容的講解，以方便同學們的查閱和預習。老師在課堂上可以充分利用網絡資源，提前留下預習題目，讓學生通過網絡平臺，提前預習相關內容。課后也可以通過該網絡平臺消化吸收課堂上沒有完全聽懂的內容。

我們還將建立網絡答疑平臺，使學生能夠隨時找老師解決問題。該門課程也是我們專業考研的必考課程之一，很多同學反映考研時，有疑難問題，很難找到老師。通過這個網絡答疑平臺，也可以方便考研的學生能隨時與老師溝通，解決疑難問題。

(五)擴展學生的視野

傳統的研究流體力學的方法有兩種:一種是利用現有的方程組和純計算的方法去解決流體力學問題，第二種是采用純實驗或實驗與計算相結合的方法。當前，隨著計算機技術的發展和數值計算技術的提高，計算流體力學(CFD)得到了較大的發展。CFD可以在計算機上模擬流體的速度場、壓力場和溫度場。如下圖所示，是利用CFD技術模擬房間內空氣的溫度分布和速度分布圖。

圖1 房間內的溫度分布圖

圖2 房間內的速度分布圖

三種方法在研究流體力學問題時是具有相輔相成的作用的。為了增加學生的視野，擴展學生的思維方式，也為學生進一步的學習和今后的發展奠定基礎，在課堂上可以把計算流體力學技術這部分內容補充進來。

此外，利用CFD還可以模擬簡單的流動規律和流動現象，比如用CFD模擬圓管中的層流流動，得到斷面的速度分布規律。

在講授泵與風機這部分內容的時候還可以用CFD模擬葉輪內部速度場和壓力場，增加學生的的感性認識。如下圖所示的葉輪的速度場和壓力場。

此還，還可以引入紊流理論等反映當代最新研究水平的內容，使學生在掌握基礎理論的同時，了解該課程的最新研究成果和動向，擴展學生的視野，激發大家的學習興趣。

圖3 葉輪從進口到出口的壓力分布

圖4 葉輪速度分布圖

三、實驗創新

實驗環節對本科生培養是極其重要的，它對學生理解流動現象的物理本質起著無可替代的作用。在許多重點和難點的地方，基本上都有配套的實驗，學生從實驗中學習，既能培養發現問題并進行深入分析的思維方式，同時也是加深理解、解決重點難點的手段之一。

除了基本實驗外，組織學生做一些開放性設計性實驗，加強對學生創新能力的培養。可以開出2－3個設計性、綜合性的實驗，教師給出必要的條件，提出需要完成的任務，實驗的具體過程由同學自己設計。比如，在能量方程這個實驗里，驗證能量方程是基本實驗，做完這個實驗，可以讓學生通過這個實驗平臺，測定局部阻力，計算局部阻力系數。讓學生自行設計實驗過程實現這個任務。開設流體力學設計性實驗的目的，是為一部分學有余力的學生提供一個發揮自身創造力的平臺，讓學生利用所學知識、充分發揮個人以及團隊的想象力和智慧，自己動手，從設計實驗過程開始，到自己制作簡單的實驗模型，最終組織實施并完成實驗。在失敗－改進－成功的循環中達到實驗預定目標。另一個目的也是加深學生對所學知識的理解，激發學習興趣，引導他們活學活用知識，創造性地解決實際問題，鍛煉實際動手能力。

除了上述基本實驗和綜合性、設計性實驗以外，還可以進行計算機虛擬流體力學實驗，進一步加深對所學知識的理解，提升學生的計算機數值模擬能力。

通過上述實驗環節的創新進一步提高本科生教學水平，為培養高素質人才創造條件。

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［3］蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機(第四版)［M］.北京 中國建筑工業出版社，1999.

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［5］辛軍哲.在流體力學課程中實踐啟發式教學的幾點體會［J］.高等建筑教育，2004，13(2):51 －53.

2012－01－13

新世紀廣西高等教育教學改革工程項目(2011JGB041)

張學靜(1978－)，女，副教授，碩士研究生。