關于工程流體力學本科教學的反思

【摘要】工程流體力學是能源動力、機械、水利等專業本科生的必修基礎課程。本文針對學院在工程流體力學本科教學中存在的問題開展分析，結合課程特點、授課經驗，從教學手段、課后讀物、相關課程修習以及作業形式等方面提出了該課程教學的改進和應對措施。

【關鍵詞】工程流體力學 教學 改革

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）32-0223-02

流體力學是力學學科的重要分支，主要研究流體的運動規律及動力學特性，涉及水利、能源、機械等多個領域。根據應用領域的不同，流體力學可分為工程流體力學、理論流體力學等分支，其中工程流體力學主要針對能源動力、機械、水利等專業開設，是相關專業本科生的必修課程。工程流體力學基于流體力學基本理論知識，注重相關理論在實際工程問題的應用，例如管路設計、流動損失計算等方面，課程本身具有一定難度。針對工程流體力學的教學，很多學者在該課程教學過程及教學手段方面進行了研究[1-3]。

1.工程流體力學課程概況

1.1 課程內容

工程流體力學是能源動力等專業的基礎課程，主要著眼于實際工程問題中所涉及的流體流動、流體與固體間相互作用等方面。該課程所需預備知識較多，學生需具備包括高等數學、場論與矢量分析、以及工程熱力學等方面的理論知識。工程流體力學的研究對象為流體，在大多數情況下，需要基于歐拉體系，采用控制體分析法對相關問題開展研究，與學生先前所學的力學課程有明顯區別。

在筆者工作的上海理工大學，工程流體力學的教學內容包括：流體的特點、流體靜力學、流體流動特性、流體動力學、不可壓縮流體的內部流動及外部流動，可壓縮流體的一元流動、相似原理及量綱分析等方面，此外還包括4學時上機實踐環節。

1.2 教學過程中存在的問題

筆者在擔任工程流體力學課程助教期間，對所授專業的學生及授課教師進行了調研，并結合課堂教學過程的觀察，總結了目前教學過程中存在的問題。

（1）理論知識點的教學難度較大，學生接受能力有限。工程流體力學課程中含有大量抽象概念，例如拉格朗日描述與歐拉描述、Navier-Stockes方程、雷諾輸運定理以及流體湍流脈動理論等內容，具有較強的理論性和抽象性，學生普遍接受效果不理想。筆者分析有以下幾點原因：首先，學生在學習本課程之前，高等數學、偏微分方程等相關知識掌握不扎實。工程流體力學課程具有較強的理論性，例如連續性方程，伯努利方程及動量方程的推導過程，學生需具備扎實的數學基礎才能較好地理解。其次，相關課程的設置有待改進，在學習工程流體力學之前，應要求學生預先修完場論與矢量分析，使得學生能夠更好地理解流體力學的相關思想。

（2）上機實踐環節教學效果不理想。在筆者工作的上海理工大學能源與動力工程學院，工程流體力學的課程教學內容中還涵蓋4學時上機實踐環節，其內容主要包括計算流體力學軟件Fluent的簡易操作，要求學生完成后臺階流動的二維建模及數值模擬。然而，從4學時上機環節觀察，學生對于軟件的操作方式接受效果不佳，甚至無法完成“點—線—面”的建模工作；而在計算環節，對于邊界條件設置，湍流模型選取等工作，學生的接受程度也有待于提升。造成這種現象的原因，筆者歸結為對于計算流體力學思想的陌生，在之前本科階段的學習中，學生并未接觸到相關軟件，因此對于“網格”、“前處理”等專業術語不熟悉。通過計算流體力學課程的學習，學生或許可以具備操作相關軟件的能力。

（3）學生主動學習的態度有待提高。從課堂教學過程觀察，參與本課程學習的學生在主動學習方面存在不足，對于課程中較難理解和掌握的知識點未能做到及時復習，與授課教師之間也缺乏反饋交流。這其實是一個較為普遍的現象，大部分學生在經歷十二年應試教育后通過高考進入高校，無法適應高校教學與初等學校教學之間的差異，無法做到主動學習相關專業知識。事實上，高校教學要求授課教師與學生之間的相互配合，在教授講授知識點的同時，學生也需要自主學習相關知識點，對于工程流體力學這類理論性與應用性均較強的課程，尤其如此。

2.教學方法改進及應對措施

在工程流體力學教學過程中，可以對教學方法做出適當調整，以激發學生學習的積極性。在目前課堂教學高度信息化、多媒體化的大背景下，如何運用現代化的教學手段取得理想的教學效果，對于工程流體力學的課堂教學，具有極其重要的意義。

首先，采用多元化的教學手段，活躍課堂氣氛。如前所述，工程流體力學具有較強的理論性和抽象性，如果采用傳統的課堂教學方法，雖然可以完成教學大綱規定的內容，然而教學效果難以保證，而學生對于純理論性的解釋，公式推導等內容的接受度相對有限。如果能用多媒體技術豐富教學內容，則可以使學生的注意力集中時間延長。此外，如條件允許，可以在課堂教學環節穿插一些簡易實驗，以便引出課程相應的知識點。例如，在講解層流及湍流問題時，可以搭建簡易的雷諾實驗系統，或直接讓學生操作，使其更直觀地觀察到不同條件下流體的流動狀態。

其次，采用多形式的課外讀物。在工科專業課程的學習中，僅憑對課程教材的閱讀較難掌握該門課程的知識點，還需要在課外閱讀相關的書籍。對于工程流體力學而言，課本知識本身具有較強的理論性，對于學生而言較難理解，如果能夠提供較為通俗性的課外讀物，可以幫助學生更好地理解較抽象的知識點。文獻[4]以漫畫的形式介紹了流體力學的基本概念，對于本科階段工程流體力學的教學而言，或許是較為合適的課外讀物。

第三，對流體力學相關的課程修習順序進行一定調整。如前所述，工程流體力學具有較強的理論性，部分知識點較為抽象，例如粘性應力張量等概念，需要結合場論與矢量分析課程的學習才能較好地掌握。因此，對于工程流體力學相關課程的修習計劃需進行調整，將場論與矢量分析、計算流體力學等課程與工程流體力學在同一時間開設，通過結合相關課程，使學生能夠較全面地理解工程流體力學課程的相關知識點。

第四，豐富課后作業的形式。對于相關專業的本科學生，工程流體力學是重要的專業基礎課，僅僅掌握課后習題的解答不利于今后在相關專業領域的發展。因此，在課后習題之外，教師可分配一些思考類的作業，使學生在課后能夠主動回顧相關知識點，而不僅局限于解題及應試。

3.結束語

工程流體力學是大多數工科專業本科生的必修課，從目前學生對流體力學相關知識的掌握情況以及課堂教學過程觀察，工程流體力學的教學效果不理想。本文在總結工程流體力學教學過程中存在的，從教學手段、課外讀物、課程休息計劃以及課后作業形式四個方面提出了針對性的教學方法與應對措施，使得學生通過該課程的學習，能夠扎實地掌握工程流體力學的相關知識，并能熟練運用相關理論解決實際工程應用中的相關問題。

參考文獻：

[1]李小川，黃庠永. 工程流體力學教學改革模式的探索與實踐[J]. 中國現代教育裝備，2012，（19）：61-62+67.

[2]李小川，田萌. “工程流體力學”教學調查研究與改革探索[J]. 中國電力教育，2012，（23）：47+55.

[3]龐赟佶，陳俊俊，陳義勝等. 關于工程流體力學教學過程中的幾點思考[J]. 教育教學論壇，2015，（45）：143-144.

[4]武居昌宏. 漫畫流體力學[M]. 北京：科學出版社，2010.

作者簡介：

方奕棟（1986-），男，博士，上海理工大學講師，目前擔任本科課程工程流體力學的教學工作，研究方向：新能源汽車熱管理。endprint