《工程流體力學》在環境工程專業中的教學探討

摘要：《工程流體力學》是環境工程專業的專業基礎課程，基于多年的教學經驗和體會，本文從備課、教學風格、教學手段、與學生深入溝通以及作業批改和習題課講解等方面對改善工程流體力學教學效果進行了分析和探討，并以某些教學內容為例，給出了具體措施和建議。實踐表明，上述方法能有效地激發學生學習興趣和改善教學效果。

關鍵詞：工程流體力學；環境工程；教學方法；教學效果

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）43-0095-03

環境工程專業中關于污染物的遷移和擴散問題、流體在管路中的輸運問題均離不開流體力學的基本知識，因此，《工程流體力學》是該專業的專業基礎課程，其教學效果的好壞也直接影響了后續專業課程的學習。筆者對近十年的教學進行思考和總結，并就如何提高環境工程專業《工程流體力學》的教學效果做一些探討。

一、認真備課，形成自己的教學風格

流體力學課程的特點是系統性強、公式多，并對物理和高等數學的基礎要求高，這就要求教師對這門課的內容要熟練掌握，所以筆者在課下花了很多時間把講課的內容熟記于心，找到課程講解中的關鍵點，經過自己消化和提煉，建立起自己的教學體系和風格。通常，課堂內容被分成四個部分：（1）復習上堂課的知識點；（2）提出新的工程和應用問題；（3）在黑板上給出新問題所涉及的公式的推導過程；（4）應用和總結。工程和應用問題的引入可結合專業背景，多講實際的案例。如學生宿舍或教學樓的給水壓力應該如何計算，以此引出水頭損失的概念；高爾夫球表面的蜂窩狀設計會使其運動的阻力如何變化，由此引出曲面邊界層分離的概念。還可以在教學中適當介紹流體力學在實際生活中的應用，學生會被這些問題吸引，覺得流體力學不僅僅是速度和壓力的偏導公式，而是鮮活、有用而又有趣的，因而重視并逐漸喜歡這門課程的學習。在公式講解時要注重融會貫通，比如在講Navier-Stokes方程時，筆者會引導學生三步走：第一步，這個方程并不深奧難懂，就是牛頓力學中的F=ma；第二步，F在流體問題上的具體體現有哪些力？無非是質量力和表面力，而表面力又分壓應力和切應力，而加速度則是一個多元函數的求導問題，包括時變和位變加速度，這樣方程的形式就有了；第三步，如果流體處于靜止或相對靜止，方程變成歐拉平衡微分方程，如果流體無黏性，方程又變成歐拉運動微分方程。通過這樣一個由低到高再到低，由簡到繁再化簡的過程，學生就能深入理解前后學習的公式，消除學生的畏懼感。在課堂教學中，要不斷地對學生提問，引導學生積極思考。只要提問恰到好處，切中要害，發人深思，學生的思維就會活躍起來。在講解均勻流動斷面的壓強分布問題時，筆者會問學生，這是巧合嗎？為什么會有這樣的巧合？然后引導學生從過流斷面的受力入手分析壓強分布，學生豁然開朗。筆者也會引導學生發表自己的看法，這也無形中培養了學生的自信心，學生聽課的積極性更高，而這也有助于激發教師的教學熱情。

二、選擇合適的教學手段

隨著現代化多媒體教學手段的出現，現在課堂大多以教學課件為中心展開教學，由于節約了大量板書時間，課件中又可插入圖形、圖像、動畫和錄像等多種媒介，從而使得多媒體教學具有信息量大、教學內容形象直觀等優點，這些都有助于引發學生對課程的學習興趣。然而，筆者在教學過程中也發現，如果對流體力學中公式推導和習題講解也采用多媒體方式，其教學效果卻不如板書理想。因此，對于流體力學課程的主體教學內容應以傳統的教學手段為基礎，而在復習上堂課的知識點、提出新的工程和應用問題以及公式的應用和總結上，多媒體的教學手段更為合適。在緒論課上有關流體力學在專業中的應用、流體力學學科發展歷史，以及后續課程中壓力體畫法、雷諾試驗、曲面邊界層分離等內容則可充分發揮多媒體的優勢，通過動畫、圖片以及錄像等內容向學生進行介紹?？傊?，在流體力學的教學過程中，教師應以提高教學效果為目的，對各種教學手段揚長避短，綜合利用，根據教學內容的特點靈活選擇合適的教學方式。

三、及時與學生溝通，調整教學內容與進度

學生反饋是評價教學效果的重要一環，因此筆者經常利用課后時間與學生進行溝通，及時了解學生的學習情況，并根據學生的反饋信息，實時動態調整教學內容和教學進度。筆者在平時與學生的溝通中發現，學生認為流體力學難學，其難點主要是相關的高等數學、大學物理和理論力學的知識點較多，并且已有所遺忘造成。因此，如果在上課中直接引入，學生必然會有陌生感，也就影響了相關的流體力學知識點的學習效果。針對上述情況，筆者在靜力學的流體平衡微分方程推導前，先給學生復習泰勒級數的相關內容，在液體作用在平面上的總壓力的教學前，先復習靜面矩、慣性矩等相關內容，在流體運動學內容的教學前，先給學生復習梯度、旋度和散度的概念。通過上述措施，教學效果有明顯改善。在學習不可壓流體動力學基礎時，由于相關概念較抽象，涉及較多高等數學的知識點，因此學生感到吃力，上課的互動效果也變差，這時，教師應適當放慢教學進度，同時也可根據學生掌握的實際情況，適當降低教學要求和難度，將教學重點放在對概念的理解上。畢竟，在目前各專業及其基礎課程學時數減少的背景下，適當地對某些知識點的教學要求進行調整是有必要的。

四、注重作業批改，上好習題課

作業是流體力學教學中的重要環節，學生通過獨立完成作業，可深化對課堂所學知識的理解，提高對實際工程問題的分析能力和解決能力，并進一步檢驗課堂教學的實際效果。學生的作業布置應該做到“少而精”，并力求習題具有典型性，能涵蓋主要的教學內容，教師應緊扣基本概念和基本方法精選題目，同一類型的題目一般控制在2道以內[1]。在作業的批改過程中，教師不應只是給出對或錯的評判，而是應該根據學生的解題過程，給出求解出錯的關鍵點，并在作業本上明確標示出，筆者還會在學生的作業本上寫上批語，對于完成情況較好的學生，針對其解題思路和書寫情況等給出肯定的評價，而對于完成情況較差的學生，也會指出其應注意的地方，并提出改正的要求，最后再根據學生的完成情況給出成績等級。通過上述方法，使學生自覺意識到作業的重要性，同時也感受到教師對其學習行為的尊重，上述措施也能促使學生認真完成作業，減少抄襲現象。為了能深刻理解流體力學的理論知識并能加以靈活運用，需要求解各類典型題目來獲得經驗并不斷消化各知識點并達到觸類旁通的效果[2]，習題課正是實現上述目的的有效手段。習題講解不能只給解答過程，而是要站在學生的角度，以學生為主體和他們一起討論問題、研究問題、解決問題，體現互動式教學；對于某些問題的求解，也力求能從不同的方法入手，開闊學生思路，例如對于平面和曲面在液體中的受壓大小問題，教材分別給出了這兩個問題的求解公式，教師可引導學生：既然平面是曲面的一種特殊情況，那么能不能用曲面的壓力體概念去求解平面在鉛垂方向的受力大小呢？結果證明是可以的。習題的講解還應反映學生對課程的掌握情況，因此不僅要講正確的分析過程，還要講作業中出現的錯誤的分析過程，并通過對比分析，找到出錯的原因，進一步厘清和深化概念。教學工作是一項繁重而又細致的任務，需要教師有扎實的專業基礎，“學而不厭，誨人不倦”，因此教師也要在教學過程中不斷地學習，從掌握學科知識的深度和廣度上不斷要求自己，在教學內容、教學方法和教學手段等方面做有心人，只有這樣，才能不斷改善教學效果，為環境工程專業的人才培養打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]張羽，張仙娥.環境工程專業《流體力學》的教學探討[J].華北水利水電學院學報（社科版），2010，26（4）：156-157.

[2]楊小林，楊開明，嚴敬，趙琴.流體力學課程教學改革探析[J].高等教育研究，2006，（2）：47-48.

作者簡介：謝海英（1973-），上海理工大學環境與建筑學院環境工程系講師，博士，長期從事工程流體力學的教學工作。