過程流體力學(xué)課程多媒體教學(xué)素材庫建設(shè)

閆小康　王利軍　孫鳳杰　陳英華　李國盛　張海軍.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院　江蘇徐州　6 .中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院 江蘇徐州　6

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過程流體力學(xué)課程多媒體教學(xué)素材庫建設(shè)

閆小康1王利軍2孫鳳杰1陳英華1李國盛1張海軍1
1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院江蘇徐州221116 2.中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院 江蘇徐州221116

摘要：過程流體力學(xué)課程由于數(shù)學(xué)性、理論性較強(qiáng)，相比其他課程，在多媒體教學(xué)過程中可使用的有效素材不夠完善。為此討論了建設(shè)全面、系統(tǒng)素材庫的必要性，提出了素材庫建設(shè)的具體內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)手段，以期為授課教師和學(xué)生提供一個輔助平臺，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合提高教學(xué)效率和學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：過程流體力學(xué)；教學(xué)；多媒體；素材

流體力學(xué)是研究流體受力及運(yùn)動規(guī)律的一門學(xué)科，既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì)、又有鮮明的應(yīng)用學(xué)科特點(diǎn)，工程流體力學(xué)課程在講授流體力學(xué)的基本概念、基本原理、基本理論與方法的基礎(chǔ)上，側(cè)重其在工程實(shí)際問題中的應(yīng)用。過程流體力學(xué)課程中貫穿的工程應(yīng)用則更側(cè)重于過程工業(yè)，是過程裝備與控制工程專業(yè)的主干課程和核心課程，為學(xué)生分析研究過程裝備中的流體流動規(guī)律、設(shè)計開發(fā)新型高效的過程裝備奠定必備的基礎(chǔ)[1]。

然而，由于教材中有較多的計算公式及推導(dǎo)，常使學(xué)生感到流體力學(xué)理論高深莫測，大部分學(xué)生對學(xué)習(xí)該門課程都有某種程度的畏懼感，導(dǎo)致課程的教學(xué)效果不是很理想。究其原因，一方面由于課程本身理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)不易表達(dá)另一方面由于學(xué)生對課程提不起興趣，聽課變成被動地為了應(yīng)付考試而進(jìn)行的一種固化行為。

作為授課教師，有責(zé)任將過程流體力學(xué)這門事實(shí)上博大精深而奇妙橫生的學(xué)科，想盡各種教學(xué)手段和方法，扭轉(zhuǎn)其在學(xué)生心目中的印象，變被動為主動，使學(xué)生在輕松、愉快的氛圍下領(lǐng)會貫通課程知識要點(diǎn)。

1　多媒體教學(xué)素材庫建設(shè)的必要性

傳統(tǒng)授課方式以“講授”為主，通過口頭解釋、文字表達(dá)或板書幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)，“講”課非常重要，也是每一個教師必須掌握的最重要的基本技能。但是我們不能忽視當(dāng)今大學(xué)生在接受新知識上的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)和信息科技的飛速發(fā)展，使他們更愿意接受形象生動、感性直觀的東西，單純說教式的教學(xué)方式已不能“抓”住學(xué)生，多媒體教學(xué)手段的運(yùn)用為問題的解決提供了契機(jī)，可以為學(xué)生提供“看”到知識的平臺，有效調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。但是限于該學(xué)科理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)抽象的特點(diǎn)，給多媒體教學(xué)的發(fā)展也帶來了難度，相對于其他學(xué)科尤其體現(xiàn)在可用多媒體素材的匱乏上。就目前該課程多媒體教學(xué)素材來講，存在著以下幾方面的問題。

1.1 數(shù)量較少、質(zhì)量不高

教學(xué)素材以圖片為主，缺乏形象生動、感染力強(qiáng)的感性認(rèn)識材料，使學(xué)生看到事物在運(yùn)動、發(fā)展、變化的動態(tài)影像素材匱乏，僅有的少量視頻資料也存在著年代長久、分辨率低、制作粗糙的缺點(diǎn)。

1.2缺少系統(tǒng)性和完整性

過程流體力學(xué)課程表面上看起來幾乎全都是公式、方程，其實(shí)每一個知識點(diǎn)都在現(xiàn)實(shí)的物理現(xiàn)象當(dāng)中有所映射。但是目前的可用素材多集中在幫助概念理解上，在守恒原理、邊界層理論等章節(jié)，相關(guān)素材尤其是動態(tài)素材就顯得捉襟見肘。

1.3 知識面拓展素材缺乏

為提高學(xué)生興趣，幫助學(xué)生了解學(xué)科前沿，教師在傳授教材知識的同時，有必要將相關(guān)的工程應(yīng)用、科學(xué)研究以及生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象等拓展知識介紹給學(xué)生，比如在講解相似理論時，可以給學(xué)生播放飛機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻資料。然而，這方面的案例雖然多，但是制作成可用多媒體素材的少之又少。又比如在科研中，經(jīng)常會把工業(yè)設(shè)備縮小到實(shí)驗(yàn)室規(guī)模進(jìn)行預(yù)研究，這也是講解相似理論的很好的素材，但是由于空間和時間的限制，不太可能讓每名學(xué)生都到教師的科研實(shí)驗(yàn)室實(shí)地觀摩，只通過口頭講解或者照片的方式，教學(xué)效果不理想。

1.4 缺乏專業(yè)特色

作為過程裝備專業(yè)的核心課程，學(xué)生經(jīng)常困惑這門課程對于他們的專業(yè)學(xué)習(xí)有什么用。因此，我們有必要在講解的過程中，穿插和專業(yè)相關(guān)的流體力學(xué)應(yīng)用案例。例如在講解靜力學(xué)的時候，和儲槽設(shè)計結(jié)合起來；講解繞物平面流動時，和塔設(shè)備的風(fēng)載校核聯(lián)系起來。同樣這些案例由于低年級學(xué)生還不具備專業(yè)知識，對一些過程裝備沒有基本認(rèn)識，單憑口頭講解無法達(dá)到授課目的，因此非常有必要補(bǔ)充相關(guān)的影像素材。

1.5 實(shí)驗(yàn)演示素材亟待補(bǔ)充

在學(xué)校條件受限的情況下，若課程所配備的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時不足時，如果將部分實(shí)驗(yàn)采用計算機(jī)技術(shù)制作成交互式動畫，在課堂上演示給學(xué)生，將是一種非常有效的彌補(bǔ)手段。

1.6 無開放、共享措施

現(xiàn)有的視頻、圖像資料，學(xué)生只能在有限的傳播范圍內(nèi)觀看，沒有規(guī)范化的平臺或媒介供學(xué)生下載，日常學(xué)習(xí)。

鑒于此，需對過程流體力學(xué)課程的多媒體教學(xué)素材進(jìn)行全面、系統(tǒng)地建設(shè)，包括教學(xué)素材的梳理、搜集、制作和整合，素材主題涵蓋基礎(chǔ)理論理解、知識面拓展、工程應(yīng)用案例、實(shí)驗(yàn)演示等方面。通過該素材庫的建設(shè)，為授課教師和學(xué)生提供一個輔助平臺，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，使“教”和“學(xué)”都不再成為壓力，激發(fā)和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新意識，這對于提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義，更是研究型大學(xué)培養(yǎng)有創(chuàng)造力學(xué)生的基本要求。

2　多媒體教學(xué)素材庫的主要內(nèi)容

過程流體力學(xué)多媒體教學(xué)素材庫建設(shè)應(yīng)包含以下方面。

2.1 基本概念教學(xué)素材

主要圍繞課程的《流體的力學(xué)性質(zhì)》《流體流動的基本概念》章節(jié)進(jìn)行素材的建設(shè)。素材主題涵蓋課程涉及的主要概念。例如，流體的黏度、壓縮性、表面張力特性的直觀表現(xiàn)；歐拉法、拉格朗日法、跡線、流線的動畫表征；有旋和無旋流動、層流和紊流的動態(tài)觀察、邊界層流動現(xiàn)象和邊界條件對流場的影響等。

2.2 靜力學(xué)、動力學(xué)教學(xué)素材

主要圍繞課程的《流體靜力學(xué)》《流體流動的守恒原理》章節(jié)，包括慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的靜力學(xué)問題以及守恒方程的驗(yàn)證及綜合應(yīng)用。例如連續(xù)性方程、動量守恒方程的驗(yàn)證和伯努利方程的應(yīng)用等，這方面素材制作可以以教材例題或者課后習(xí)題為藍(lán)本。

2.3 知識面拓展素材

對課程相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行拓展，包括工程應(yīng)用案例、科研案例、生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象以及大自然中流體力學(xué)現(xiàn)象等素材。例如沉水走廊設(shè)計中的靜力學(xué)問題、大型浮選裝備的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模預(yù)研究案例、飛機(jī)機(jī)翼、汽車外形設(shè)計中的流體力學(xué)問題等。

2.4 專業(yè)特色素材

包括流體力學(xué)在過程裝備原理、設(shè)計和優(yōu)化中的應(yīng)用。例如攪拌設(shè)備中的流型圖、換熱器中的管道流動阻力、塔設(shè)備內(nèi)部的多相流問題、流體機(jī)械內(nèi)流問題等方面的素材建設(shè)。

2.5 實(shí)驗(yàn)演示素材

可制作部分演示實(shí)驗(yàn)和操作實(shí)驗(yàn)的動畫及錄制視頻，例如現(xiàn)代測量技術(shù)中PIV，LDV原理的動畫素材以及測量過程的視頻錄制，勢流疊加演示、管道阻力系數(shù)測定、動量方程驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)的多媒體演示素材建設(shè)。

3　多媒體教學(xué)素材庫建設(shè)的實(shí)現(xiàn)手段

教學(xué)素材主要以高質(zhì)量圖片、動畫、視頻形式展現(xiàn)，并配有文字說明或語音講解，通過搜集、制作、錄像、CFD模擬等方式獲取，最后通過合理整合形成課程的多媒體素材庫，借助網(wǎng)絡(luò)媒介進(jìn)行發(fā)布和共享。主要實(shí)現(xiàn)手段如下。

3.1 搜集

一些非常著名的流動現(xiàn)象，如邊界層分離、卡門渦街和空化、汽蝕等，已有諸多學(xué)者在研究過程中使用流動顯示技術(shù)拍攝下來并共享；一些自然景觀的圖片稍微加工就可以為我們所用，如江河湖泊的洶涌流動是給學(xué)生講授湍流特征的很好的實(shí)例；高層樓廈、大型塔設(shè)備等建筑物后方受風(fēng)作用而引起的振動所產(chǎn)生的毀滅性破壞的錄像，使學(xué)生認(rèn)識到進(jìn)行此類設(shè)備設(shè)計時都要進(jìn)行風(fēng)載計算或風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)，以保證不會因黏性氣流的高速繞物流動造成建筑物的破壞[2]。

3.2 動畫制作

利用計算機(jī)技術(shù)，制作高質(zhì)量、高分辨率動畫，用于解釋概念和原理，模擬演示流動現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過程。條件允許的話可以由本科生完成該項(xiàng)內(nèi)容，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃的形式進(jìn)行，或者作為一次課后大作業(yè)，將學(xué)生分為若干個興趣小組，每個小組選擇一個流體力學(xué)原理或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動畫的制作。

3.3 視頻錄制、拍攝

教學(xué)視頻素材制作主要通過現(xiàn)場錄制的形式進(jìn)行，包括三類：實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)錄制、流動現(xiàn)象錄制、工程應(yīng)用案例錄制。一些實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，如沿程阻力實(shí)驗(yàn)、流體靜壓強(qiáng)等實(shí)驗(yàn)，可視效果比較明顯，可以將其實(shí)驗(yàn)攝像用于課堂教學(xué)；教師或者研究生的科研實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象錄制也可以作為拓寬學(xué)生知識面的很好的素材；隨著流體力學(xué)的發(fā)展，分析手段更加先進(jìn)，許多第一手的流動現(xiàn)象可以通過高速攝像機(jī)等設(shè)備錄制下來。通過這些實(shí)例讓學(xué)生認(rèn)識到理論和實(shí)踐的關(guān)系，認(rèn)識到這門學(xué)科并不是高深莫測、虛無縹緲的。

3.4 CFD數(shù)值模擬

CFD技術(shù)可以對各種設(shè)備內(nèi)流、物理問題進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對計算結(jié)果的后處理將流場信息以直觀的圖片、動畫表現(xiàn)。在科研中應(yīng)用較為廣泛，常用于解決各種工程實(shí)際問題，其對于課堂教學(xué)來講也是一個很重要的輔助工具。該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于專業(yè)特色素材庫的建設(shè)上，例如在授課之前事先將一換熱器或者機(jī)械攪拌裝置進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)的CFD數(shù)值模擬，通過后處理提取其內(nèi)部流動的動態(tài)視圖，不僅可以幫助學(xué)生理解設(shè)備原理，還可引導(dǎo)學(xué)生在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對設(shè)備主體結(jié)構(gòu)或者內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計思考。

4　結(jié)束語

本文提出建立全面、系統(tǒng)的過程流體力學(xué)多媒體教學(xué)素材庫用于輔助教學(xué)，素材以高質(zhì)量圖片、動畫、視頻方式呈現(xiàn)，通過搜集、制作、錄制、CFD模擬等手段進(jìn)行資源的整合，素材主題涵蓋基礎(chǔ)理論理解、知識面拓展、工程應(yīng)用案例、專業(yè)特色案例、實(shí)驗(yàn)演示等方面的內(nèi)容。為授課教師和學(xué)生提供一個輔助平臺，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，激發(fā)和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性。同時培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力，對于提高教學(xué)效率和學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃衛(wèi)星,肖澤儀,伍勇,魏文韞.過程裝備專業(yè)工程流體力學(xué)課程的地位與教學(xué)要求[J].化工高等教育,2010(1):21-24.

[2] 石爾,衣曉青,余濤,劉小波.可視化數(shù)字技術(shù)在《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東化工,2009,36(193):238-240.

Construction of the Material Library for Multimedia Teaching of Processing Fluid Mechanics

Yan Xiaokang, Wang Lijun, Sun Fengjie, Chen Yinghua, Li Guosheng, Zhang Haijun
1. School ofChemical Engineering &Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China 2.School ofElectric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China

Abstract:The effective material for the multimedia teaching of processing fluid mechanics is far from adequate owe to its strong theoretical and mathematical features. Begin with the necessity analysis of a complete and systematic material library construction, the detailed content and the implementation approaches of the media library construction is discussed. This media library is supposed to be a helpful platform for teachers and students in teaching and studying. The work has important implications for the improvement of teaching efficiency and the cultivation quality of students.

Key words:processing fluid mechanics; teaching; multimedia; material

基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目資助。121111

作者簡介：閆小康，博士，講師。

收稿日期：2015-06-03