流體力學教學過程中的思考與探索

亓玉棟 宋桂梅 李慧敏

摘 要：流體力學是很多工科專業重要的技術基礎課程之一。通過在建筑環境與能源應用工程專業教學中對課程教學內容的調整、教學手段與實踐教學的改進、重視基礎課程的學習與應用、注重理論與實際的聯系、調動學生的積極性與主動性、既要講授知識更要重視過程、開展拓展性教學訓練等措施，在多年的教學過程中潛移默化形成了以上做法，收到了在校學生及畢業生的好評。

關鍵詞：流體力學；教學改革；探討

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）05-0047-03

Abstract： Fluid mechanics is one of fundamental technical courses for some engineering majors. Under the subtle influence of many years' teaching process， through adjusting teaching contents， improving educational methods and practice teaching， paying attention to the study and application of basic course， emphasizing the relation between theory and practice， stimulating students' activity and initiative， placing equal emphasis to knowledge and teaching process， and developing expanding teaching training in the major of built environment and energy application engineering， this course has gained good reputation from many students at school and graduates.

Keywords： fluid mechanics； teaching reform； discussion

流體力學是很過工科專業的一門專業基礎課程，對宇航、熱能動力、水利水電、土木、化工、環境氣象、船舶與海洋工程等專業是一門重要技術基礎課，和其他力學課程相比，既具有數學推導多、理論性強、工程應用廣等共同特點，又有其特殊之處。流體力學中有許多復雜現象、概念和公式，難以理解和掌握，使得流體力學教學難度大，同時為實現“厚基礎、寬口徑、強能力”的培養目標，課程學時被不斷壓縮[1]。如何根據專業和課程的特點來調整教學方法、教學內容和重點，切實不斷提高教學效果，保證教學質量，是流體力學教學工作中必須注意的問題。

下面將結合本人十余年來的教學經歷，從理論教學、實踐教學及如何調動學生的積極性與主動性等方面，僅就建筑環境與能源應用工程專業流體力學教學過程中的幾點嘗試作進行初步探討。流體力學是建筑環境與設備工程專業的一門主干專業基礎課，課程的教學目標是：通過各種教學環節，使學生掌握流體力學的基本概念、基本理論、水力計算方法和實驗的基本技能，為學習專業課程、從事專業工作和進行科學研究打下堅實的流體力學基礎。本課程注重訓練學生對流動現象全面細致的觀察能力和運算分析能力，培養學生從紛繁復雜的流體運動中抓住重點以及進而從基本原理出發提煉出流體力學模型的科學思維方法。積極引導學生重視對物理概念、流動本質的理解，密切結合本專業而理論聯系實際地學習。

一、理論教學

（一）課程教學內容的調整

如前所述，流體力學是建筑環境與能源應用工程專業一門重要的專業技術基礎課，是后續課程如流體輸配管網、傳熱學、暖通空調等的基礎，因此授課內容應注意與前后課程的銜接。由于舊的教學模式的“慣性效應”，各課程之間過于追求“自身”體系的完整性和獨立性，同時現有教材為保持自身的系統性和完整性在專業內部存在不同課程之間內容的重復，因此需要教研室全體老師對各門課程授課內容及學時進行集體研討，特別是針對內容重復部分進行合理分配，以充分利用有限的學時數并緩解目前存在的專業課程學時有限的壓力。如在本課程的授課過程中因“總水頭線和測壓管水頭線”“管路的串聯與并聯”“管網計算基礎”“泵與風機”等部分章節內容與“流體輸配管網”課程內容重復，經集體商議以上內容安排在“流體輸配管網”課程中進行講解。最終該課程各部分內容學時分配見表1。

（二）重視基礎課程的學習與應用

流體力學課程理論性強、公式繁多復雜、概念抽象難以理解，為便于學生接受和理解，每次下課前將下次課用到的數學公式作為課外作業讓學生自己查詢，而在每次上課前將本節課用到的數學公式寫在黑板的右上角，以便在公式推導中能便于理解。同時注重數學中的概念、公式在流體力學中的應用，如針對課程中部分概念和公式，如牛頓內摩擦定律中的速度梯度、連續性方程、流體的旋度等概念則與高等數學中的公式梯度、散度、旋度直接聯系起來；歐拉法中質點運動加速度與隨體導數；質量力勢函數與函數的全微分、空間曲線積分與路徑無關等高數相關內容的關聯，使學生加深對課程的理解并重視高等數學等基礎課程的學習及與相關課程的聯系與應用。

（三）注重理論與實際相結合，增加講課的趣味性

學以致用，學習的最終目的是為了應用特別是對于工科類專業，流體力學也不例外[2]。在講到表面張力時不妨先想想為什么浮在水面的硬幣不會下沉？被水打濕的衣服為什么容易粘連在一起？在講到繞流阻力時，可讓學生思考高爾夫球的表面是光滑還是粗糙？行駛的汽車其阻力主要來自汽車前部風流的阻擋作用還是后部？飛機機翼的升力是來自機翼下部還是上部？旋轉運動的足球為什么按“貝氏弧線”運動？“鯊魚皮”泳衣表面與普通泳衣相比有什么特點？為什么能夠減小游泳時的阻力？在講到流體粘性時，不妨思考高中課本中的賣油翁“油自錢孔入，而錢不濕”，除去“惟手熟爾”的因素外，如果將油換作水或酒還能那么輕松嗎？如果賣油翁和一賣酒翁相比，兩人均能“自錢孔入，而錢不濕”，你認為誰的技術更高超，為什么？……這些問題在課堂上未必當堂給出解釋可以讓學生在課下思考并探尋解釋，一方面能增加課程的趣味性并能鍛煉學生分析與解決問題的能力[3]。

二、教學手段和實踐教學

改進教學方法和手段是課程建設的一個重要方面，而傳統的教學方法也有其獨特的魅力與功效。授課過程中針對理論性與邏輯性較強的公式采用傳統的板書授課；對部分流動動畫如紊流與層流、繞流脫體、卡門渦街、繞流升力等則采用多媒體授課為輔。在一定程度上緩解了課程學時少而內容多的壓力，近6年來，該教學方式一直得到學生的好評。

實驗是本課程的一個重要教學實踐環節，不僅能加深對課程所學內容的理解，更能培養和鍛煉學生的動手能力。實驗包括演示性實驗和測量實驗，雷諾實驗和水擊實驗為演示實驗，其目的是細致觀察流動現象，加深對流動機理和測量設備的感性認識；測量實驗主要是通過實驗驗證所學理論，掌握并熟悉常規的測量技能，分析實驗數據和編寫實驗報告的能力，具體實驗內容如表1所示。實驗共安排9學時，為解決學生人數多（兩個班，約70人）、實驗儀器與設備有限并保證實驗效果，采用利用學生空閑時間分組輪流進行，一般被安排在了周末及晚上，保證了實驗效果，但大大增加了實驗老師的工作量。

三、積極調動學生的積極性和主動性

流體力學作為一門專業技術基礎課程，其與我們的工作生活息息相關，鼓勵學生注意觀察、思考生活中與流體有關的一切物理現象，并學會利用所學知識分析問題。鼓勵學生對所感興趣的問題成立興趣研究小組，共同探討研究流體力學中的一些小課題并嘗試撰寫小論文，對學生的一些奇思妙想甚至異想天開的想法積極進行引導，最近6年來，每年都有學生申請實用新型專利被授權或撰寫論文被錄用發表，這極大的促進了學生的學習興趣，同時根據學生所取得的成果在最終成績提交時給予5～10分的獎勵。

四、要講知識，更要講過程

流體力學公式繁多，講課的過程不僅要講知識，還要講知識產生、來源與推演過程，使學生了解相關知識提出的背景、采用的思維方法與處理手段，所謂“授人以魚不如授人以漁”，同時可適當的將一些人文的知識和名人典故帶進課堂，使學生增加對課程的理解，如在講到湍流部分的“卡門渦街”理論時可對，可對馮·卡門進行簡單介紹，同時可借此講講錢學森與馮·卡門之間的典故，以激發學生的愛國熱情和對課程的重視程度。而不論是從早期的阿基米德、牛頓、伯努利、歐拉……到19世紀的赫姆霍茲、雷諾、普朗特……20世紀的馮·卡門、錢學森、泰勒……，可以看出他們不僅僅是在流體力學領域，在其他領域如數學、熱學、物理、電磁等不同領域可能做出了歷史性的貢獻。因此，流體力學的發展不可能離開數學及其他學科的發展，藉此可激勵學生對數學等基礎學科的重視。

五、進行拓展性教學訓練

隨著計算機技術的發展，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）受到普遍重視，已成為很多專業研究生教育的必修課程，因此鼓勵有余力感興趣的本科生可以在老師及研究生的指導和幫助下盡早應用CFD進行相關問題的應用模擬。如可利用其進行等溫射流、貼附射流及溫升射流的模擬，并與理論值進行比較，同時也可以藉此模擬冬季利用散流器頂送或側送所存在的問題。當然更鼓勵學生對自己看到或想到的問題進行模擬分析，如各類流動現象，在教學過程中先后有本科生對卡門渦街進行了數值模擬，并分析對比了不同的網格尺度對卡門渦街現象模擬結果的分析；也有同學對彎管中的二次流產生了好奇，對其產生的機理及壓強與流速分布難以理解，對此進行了CFD的數值模擬，借助模擬的云圖與動畫加深了對這些物理現象的認識，并在班上將自己的模擬結果對大家進行了展示。這極大的刺激了大家的學習積極性和興趣。

六、結束語

流體力學是建筑環境與能源應用工程專業一門重要的專業基礎課程，授課內容應由全系老師研討商定，以防不同課程之間的內容重復及授課學時緊張；因課程內容與公式繁多復雜，在教學過程中應注重引導學生對高等數學等相關內容和知識點的回顧與應用，注重對專業基礎的培養；根據課程應用性較強的特點可以適當的與后續專業課程之間的關聯進行引導，以引起學生對課程的重視程度，也可以讓學生對常見的流體現象及典故進行解釋說明，以培養學生發現問題及分析問題的能力；對流體力學課程的教學，要講知識更要講過程，適當講解知識產生的歷史及演進，以學習前人分析問題的方法，對學有余力的同學可進行拓展性教學訓練。在多年流體力學的教學過程中逐漸養成了以上的教學做法，根據學生的測評及畢業后分反饋，認為該方法是行之有效的。

參考文獻

[1]陳慶光，張明輝，朱緒力，等.流體力學課程教學中幾個基本概念的教學方法[J].力學與實踐，2015（01）：138-141.

[2]楊揚，張勤星，王利霞，等.工科流體力學教學方法與改革[J]. 大學教育，2015（05）：129-130.

[3]朱穎心，石文星.對工科專業課程教學方法的思考[J].高等建筑教育，2011，20（5）：78-82.