工科流體力學(xué)教學(xué)方法與改革

楊　揚(yáng)　張勤星　王利霞　李倩

[摘 要]流體力學(xué)理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象，是學(xué)生認(rèn)為比較難學(xué)的課程。本文從教學(xué)理念、教學(xué)思路、教學(xué)手段和方法等方面對(duì)流體力學(xué)課程教學(xué)與改革進(jìn)行探討。在理論教學(xué)中，將精力集中在公式建立的基本原理及其適用條件上，側(cè)重于公式的推導(dǎo)思路，淡化公式推導(dǎo)過程；在教學(xué)手段上，將多媒體和數(shù)值實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)中，便于學(xué)生對(duì)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象和抽象理論的理解；在授課過程中，采用多媒體技術(shù)具體形象地展示流體的抽象理論和復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，達(dá)到了很好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]流體力學(xué) 教學(xué)改革 教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G424.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）05-0129-02

一、引言

流體力學(xué)是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)，是航空航天、土木、機(jī)械、水利、化工、材料成型等多個(gè)學(xué)科的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。流體力學(xué)具有理論性強(qiáng)、概念和方程較多、對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)知識(shí)及綜合分析和處理問題能力要求較高[1]、工程實(shí)際應(yīng)用廣等特點(diǎn)。學(xué)好流體力學(xué)課程對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)甚至對(duì)將來工作中遇到的理論和實(shí)際工程技術(shù)問題的解決具有重要的意義。

在流體力學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要掌握大量的概念、定理、公式、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和理論模型，而流體力學(xué)的理論較為抽象和深?yuàn)W，且計(jì)算求解過程復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)覺得比較難學(xué)。[2]近年來隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)手段和流體力學(xué)的應(yīng)用都取得了長足的進(jìn)步，如果仍然按照傳統(tǒng)教學(xué)模式來講授流體力學(xué)課程，那么學(xué)生就會(huì)覺得內(nèi)容枯燥難懂，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和效果。筆者根據(jù)多年流體力學(xué)的應(yīng)用和教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，并參照兄弟院校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)理念、教學(xué)手段和教學(xué)方法等方面對(duì)流體力學(xué)教學(xué)改革進(jìn)行論述。

二、教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

流體力學(xué)課程教學(xué)的主要目的，不僅僅是讓學(xué)生掌握課程理論知識(shí)，更是讓學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解決工程實(shí)際問題。因此，教師要在課程的第一次課，借助多媒體視頻手段介紹流體力學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際運(yùn)用，尤其是在本學(xué)科工程實(shí)際中的應(yīng)用，使抽象的理論知識(shí)具體化，讓學(xué)生深刻體會(huì)學(xué)習(xí)流體力學(xué)的重要性，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在基礎(chǔ)篇的課程講解中，注重思路和方法的講解，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程和解決問題的能力。專題部分，每個(gè)專題要結(jié)合工程實(shí)際中的問題和學(xué)科前沿的發(fā)展講解，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)更好地和工程實(shí)際結(jié)合起來，便于學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)，并掌握在工程實(shí)際中的應(yīng)用思路和方法。在整個(gè)教學(xué)過程中，把流體力學(xué)的教學(xué)從單純的專業(yè)理論知識(shí)教育轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)、專業(yè)素質(zhì)和能力并進(jìn)的培養(yǎng)教育。 [3]

（一）課堂教學(xué)手段和方法的改革

1. 理論教學(xué)

理論內(nèi)容是流體力學(xué)教學(xué)的主要部分，是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。流體力學(xué)教材中有較多的計(jì)算公式及推導(dǎo)，在講授這些理論內(nèi)容時(shí)，如果像數(shù)學(xué)的教學(xué)那樣，將重點(diǎn)放在公式推導(dǎo)上，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且還可能使學(xué)生感到流體力學(xué)理論高深莫測(cè)，學(xué)習(xí)起來易產(chǎn)生畏難心理。所以，在教學(xué)過程中，應(yīng)將精力集中在公式建立的基本原理及其適用條件上，側(cè)重于公式的推導(dǎo)思路。[1]學(xué)生理解了公式建立的原理和推導(dǎo)思路，公式推導(dǎo)自然就不是什么難事了。例如，在流體力學(xué)基本方程的講解中，以連續(xù)性方程為例，可將重點(diǎn)放在質(zhì)量守恒定律的物理意義、流體微元各個(gè)表面上流入流出的流體的描述、微元內(nèi)流體質(zhì)量的變化及其各個(gè)量的數(shù)學(xué)描述上，根據(jù)質(zhì)量守恒定律很自然地就可以寫出質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)描述，剩下的工作，就是采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)手段將公式簡(jiǎn)化整理。

在講解公式的適用條件時(shí)，要讓學(xué)生明白，特定適用條件（可舉本學(xué)科工程實(shí)際或者生活中常見的現(xiàn)象）對(duì)應(yīng)怎樣的數(shù)學(xué)描述，在適用條件的數(shù)學(xué)描述基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)方程會(huì)有怎樣的簡(jiǎn)化等。這樣學(xué)生就會(huì)對(duì)方程有充分的理解，比單純記公式效果要好得多。

相信大部分剛看到一堆公式就有點(diǎn)發(fā)怵的學(xué)生，經(jīng)過這樣的講解都會(huì)有豁然開朗的感覺，理解連續(xù)性方程的推導(dǎo)過程自然也就不是問題了，同樣方法可用于動(dòng)量方程和能量方程的推導(dǎo)。講完連續(xù)性方程的推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生討論動(dòng)量方程和能量方程應(yīng)考慮哪些物理量，并引導(dǎo)學(xué)生如何在單元體上應(yīng)用動(dòng)量守恒和能量守恒，這樣到了具體推導(dǎo)的過程大部分學(xué)生自己就能完成了。以這樣的方式講授流體力學(xué)課程，不但可以簡(jiǎn)化繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，還可以使學(xué)生建立學(xué)科的思維方式，使流體力學(xué)的學(xué)習(xí)變得簡(jiǎn)單易行。

學(xué)生通過這樣的方式學(xué)習(xí)流體力學(xué)，不僅學(xué)到知識(shí)，還形成學(xué)科思維方式，學(xué)到該類課程的學(xué)習(xí)方法并提高了利用流體力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

2.教學(xué)手段的改革

流體力學(xué)的很多理論較為抽象和深?yuàn)W，許多復(fù)雜的流動(dòng)物理圖像難于用語言清晰地描述出來，因此在課程的講解中，學(xué)生理解起來比較困難。

近年來，多媒體技術(shù)成為國內(nèi)外改革教學(xué)方式的重要手段，利用多媒體可以形成新的教學(xué)模式，達(dá)到很好的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。[4]在教學(xué)的過程中，利用多媒體播放視頻動(dòng)畫或者實(shí)驗(yàn)錄像，將構(gòu)造的生動(dòng)實(shí)物形象搬上屏幕，引入課堂。這種方式形象生動(dòng)，能夠幫助學(xué)生建立清晰的物理概念，縮短認(rèn)識(shí)過程，加深學(xué)生對(duì)某些重要知識(shí)點(diǎn)的理解。

在實(shí)際教學(xué)中，有些流體力學(xué)現(xiàn)象無法用實(shí)驗(yàn)來演示，有些實(shí)驗(yàn)受各種條件的限制。在這樣的情況之下，電子演示技術(shù)便顯示其優(yōu)越性。許多高校的流體力學(xué)國家精品課程，都有豐富的電子演示資源，尤其是上海交大丁祖榮教授的流體力學(xué)課程，將每部分的抽象概念和流體現(xiàn)象都做成了動(dòng)畫，相信通過這些電子演示資源的演示，授課效果會(huì)得到大大提高。[6]

除了動(dòng)畫外，電子演示資源還包括實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的錄像和圖片、數(shù)值計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)演示和圖片、實(shí)驗(yàn)演示錄像等多種形式，具體形象地展示流體的流動(dòng)現(xiàn)象和抽象的概念，使一門抽象和深?yuàn)W的理論課程的講授過程變得生動(dòng)活潑，大大提高教學(xué)效果及教學(xué)效率。

（二）教學(xué)過程與本學(xué)科的工程實(shí)際結(jié)合

大學(xué)的工科課程教學(xué)的最終目的是讓學(xué)生學(xué)以致用，而目前高等教育普遍存在著理論知識(shí)與工程實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)象。將課程教學(xué)過程與本學(xué)科工程實(shí)際結(jié)合可改善目前的狀況。

在課程的專題部分，結(jié)合工程實(shí)際問題進(jìn)行講授，也可邀請(qǐng)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的教師加入一些與專題相關(guān)的專題講座，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用有一個(gè)更明晰的認(rèn)識(shí)。另一方面，目前的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)深入各個(gè)領(lǐng)域，在工程實(shí)際中都有相關(guān)的模擬軟件的應(yīng)用。在教學(xué)過程中可引入流體力學(xué)模擬軟件[7]（如fluent軟件、CFD軟件以及與流體力學(xué)相關(guān)的本學(xué)科專業(yè)模擬軟件等）的介紹和一些具體應(yīng)用的例子，并可作為大作業(yè)讓學(xué)生利用模擬軟件解決典型的問題和進(jìn)行一些專題的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，還可以鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生參加相關(guān)課題組教師的一些科研工作，以獲得直接的科研鍛煉，這樣不但可以使課堂內(nèi)容豐富多樣，還可以使學(xué)生了解學(xué)科前沿的內(nèi)容，接觸工程實(shí)際的具體問題。學(xué)生通過這些活動(dòng)，綜合素質(zhì)、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力都有所提高，為日后參加工作打下良好的基礎(chǔ)。

三、結(jié)束語

作為多個(gè)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，流體力學(xué)的教學(xué)目的不僅要讓學(xué)生學(xué)習(xí)到相關(guān)的理論知識(shí)，還要使學(xué)生掌握應(yīng)用流體力學(xué)解決實(shí)際問題的能力。流體力學(xué)教學(xué)改革是目前各個(gè)高校流體力學(xué)課程共同關(guān)注的問題。從教學(xué)理念、教學(xué)手段和方法上對(duì)流體力學(xué)進(jìn)行教改，并將流體力學(xué)的教學(xué)與本學(xué)科的工程實(shí)際緊密結(jié)合，取得了很好的教學(xué)效果。

[ 注 釋 ]

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

[2] 毛欣煒，毛根海.數(shù)字流體力學(xué)教學(xué)系統(tǒng)——力學(xué)課程的教學(xué)改革[J].力學(xué)與實(shí)踐，2004（6）：80-81.

[3] 黃芬霞.《工程流體力學(xué)》教學(xué)改革的探索[J].吉林教育，2009（5）：46.

[4] 嚴(yán)宗毅，蘇衛(wèi)東.運(yùn)用多媒體進(jìn)行流體力學(xué)教學(xué)的體會(huì)[J].力學(xué)與實(shí)踐，2000（2）：56-58.

[5] 李巖，孫石.《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科教文匯，2008（11）：88-89.

[6] 丁祖榮，流體力學(xué)（上、中、下）[M].北京：高等教育出版，2003.

[7] 鄭捷慶，鄒鋒，張軍，羅惕乾.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育裝備，2007（10）：119-121.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]