关于工程流体力学教学过程中的几点思考

庞赟佶 陈俊俊 陈义胜 吴晅

摘要：工程流体力学是一门基础性课程，具有较强的理论性和实用性。本文通过对工程流体力学本科教学过程中存在的主要问题进行深入分析，结合授课经验、实际调查和课程自身的特点，从教学思想、教学方法和教学手段等方面对课程教学改革进行探讨。

关键词：工程流体力学;教学改革;教学方式;实验

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）45-0143-02

流体力学，是力学的一个分支，主要研究流体的力学运动规律和应用，涉及能源、化工、水利、海洋、航空、冶金等领域。流体力学是一门不断发展、不断完善的学科，目前的分支主要包括工程流体力学、理论流体力学、水动力学、气体动力学、粘性流体力学、多相流体力学、渗流力学、电磁流体力学、计算流体力学、实验流体力学、非牛顿流体力学等等。工程流体力学主要针对能源、环境、采矿、化工、机械等工科专业开设，课程的侧重点亦有所不同，主要偏重于实际工业过程的应用，趋向于解决工程中出现的实际问题，很多学者在工程流体力学的教学改革方面做了相应的探讨[1-4]。

一、工程流体力学课程概况

1.课程内容和特点。工程流体力学是一门基础性的课程，是力学的一个分支，课程主要着眼于工程和工业上的流动现象、流体理论和流体输送的动力学过程。课程本身预备知识较多，需要具备高等数学、理论力学等学科的预备知识，同时还要有热力学等学科方面的知识。课程研究的对象为流体，具有流动变形的特点，在研究和应用过程中需要着眼于欧拉空间，这与学生先前所学力学中的思维方式不同。

工程流体力学目前的教学内容包括流体的主要物理性质、流体静力学、一元流体动力学、能量损失、孔口管嘴管路流动、气体射流、不可压缩流体动力学基础、绕流运动、一元气体动力学基础和相似性原理和因次分析等。

2.教学过程中普遍存在的问题。流体力学有很强的理论性和实用性，学好流体力学对打好专业基础有着重要的意义。笔者对所授专业的学生和授课教师进行了调研，并结合自身的授课经验对教学过程中存在的问题作了如下总结：

对互联网过度依赖。信息技术的发展和网络设备的普及，使得在短时间内获得大量的信息或实时获得信息成为可能。近年来，学生过度依赖因特网，获得知识的途径简洁化，可以随时通过网络轻易获得答案或者解释，跳过了对课程（或问题）思考和总结的过程，将知识碎片化，难以建立系统的知识体系。手机的网络化对课堂授课有重大影响，如流体力学教学过程中引入流体概念的时候会提出“什么是流体”的问题，一些学生会回答“在剪切力作用下不断发生形变的物体”，这明显不是自己思考和总结的结果，而是拿出手机在网络上搜索的答案，因为此时学生还没有这个总结的能力。问答过程中本是提供了一个反思和想象的空间，而这样的结果反而成为问答本身的过程，这样很难培养学生独立制定计划、预测事态和独立进行解决问题的能力，而培养能力恰恰是教育的重要环节。

缺乏追求真理的态度，创新不足。应试教育的影响深远，以考试成绩自评学习效果的认识根深蒂固，这种应试心理导致了对真理追求的缺乏。流体力学是理论性和应用性较强的课程，流体力学发展至今仍有较多未解决的理论问题，如湍流的机理和描述等。在讲授和课下讨论过程中，学生往往缺少怀疑态度。目前工程流体力学的教材较多，教师往往指定授课教材，学生认为考试内容超不出教材，导致课堂上做笔记的比例低，课下学习被動，对所留作业不认真思考，遇到问题不主动查阅资料，只限于书本，甚至抄袭布置的作业。

理论性较强的知识点教学难度大。课程中不可压缩流体动力学基础、绕流运动、一元气体动力学基础和相似性原理和因次分析这个章节理论性较强，学生接受效果不好，分析原因主要是因为教学过程涉及高等数学、牛顿力学，得出的结果均是以偏微分的形式表示出来（如N-S方程），甚至有些概念是以偏微分方程定义（如有旋流动），学生理解起来相对有难度，而且得出的方程没有后续的应用和解析，致使理解抽象。

实验性教学环节达不到教学预期目标。流体力学是在实验的基础上发展起来的学科，目前学科中一些机理的研究尚未成熟，如湍流理论等。一些理论是基于实验而得出的结论或公式，属于唯象理论，缺少严密的推导和论证，如总流伯努利方程中沿程阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度k/d之间关系的经验公式。经验公式的理解和接受需要实验的背景知识和实验的结合才能达到较好的教学效果。在实验教学过程中，学生不能主动学习和思考，不能更好地理解实验的意义。

二、教学手段和方法应对

课程讲授过程中，可以通过适当的教学手段和方法激发同学的学习积极性。在信息时代的大背景下，如何更好地应用网络和有效地激发学生创新意识是教育改革的重要课题，认清新形势下学生所处的环境，采用有效的教学手段和方法，对教学过程有重要意义。

1.复合的课堂教学方式。复合的教学方式往往能够达到较好的教学目的。在教学过程中，教师可以用图形、流程和动画等形式演示，将抽象的知识形象化、零散的知识系统化，同时，要重视板书这一教学手段。多媒体教学，可以传递较大的信息量，尤其在图、表、流程、实验动画演示给学生提供直观的演示和讲解，但在理论推导方面达不到教学效果，学生普遍反映过快。讲课提纲、重要概念、严谨理论推导部分应在板书中体现。如具备条件可在上课期间抽出几分钟做一个简单的小实验或者放映一些科学短片以提出问题。如在讲解尼古拉兹实验时，推导之间的关系和实验思路以板书的形式展现，而对于实验装置、流程和结果的图表化要以动画和流程图等形式在多媒体中表现出来，突出了实验过程的层次，学生在听课过程中就不会出现“只在此山中，云深不知处”。

2.强调基本概念。流体力学有其独特的框架本学科是建立在连续介质力学假设条件下的知识体系，连续介质的概念就必须明确，流体运动的定律较多，在抽象为数学模型时需要模化，此时提出了相当的假设条件，如理想流体、恒定流、均匀流和不可压缩流体等，这些假设贯穿于各个章节，需要准确把握其概念。另外一些基本概念容易理解错误，如相对压强概念：以当地同高程大气压为零起始点的压强，如果理解成以大气压为零起点的压强，那么在理解气体伯努利方程时就会出现问题。

3.工程和研究背景的重要性。在学习流体力学之前，学生接触的大部分知识都是经典固体力学范畴。描述流体运动的方法分为拉格朗日法和欧拉法，由于流体的流动特性，在工程流体力学范畴基本上都是用欧拉法描述的，因此，明确欧拉法和拉格朗日法的特性非常重要。学生经验公式的接受出现问题，如尼古拉兹实验，这里要着重说明其历史背景，在什么样的情况下作此实验，实验的目的是什么，如何去做，得出什么结论，都要交代清楚，不然突如其来的结论和经验公式学生有些茫然不知。另外，针对不同专业的学生，所讲授内容要及时调整，所举工程实例尽量与授课对象专业相近。

4.突出研究手段，增加综合性和设计性实验。研究手段的突出，使学生对知识的创造过程有进一步了解，进而开拓视野，积极思考。流体力学是从实验发展起来的学科，因此，在教学中要突出实验在流体力学中的地位，增加实验学时，尤其是综合性实验和设计性实验平台[5]。流体力学中有较多的偏微分方程形式的数学模型和公式，这部分内容无论是在老师讲授还是在学生理解上都较为抽象，应用已学高等数学知识不能求解这些数学模型，学生理解起来非常困难，因此介绍计算流体力学（CFD）的研究方法显得非常重要。计算机的出现和发展对CFD技术的普及和发展起了巨大的作用，各种CFD商业软件的研发和集成使CFD技术的应用更加简单化，学习运用计算机工具解决工程问题已经成为一种常规手段[6]。另外应用解析方法理论分析也是流体力学研究过程中非常重要的手段。

5.及时更新教学内容，掌握学科前沿，激发学生的学习兴趣。工程流体力学是面向部分工科专业的基础课，在实际工作中有广泛的应用，仅仅限于教材的讲解或者限于学科内的讲解，使学生只见树木，不见森林。不同的专业，教学内容的侧重点不同，如采矿专业在教学中教师要更多地结合矿井通风方向去讲授，建环专业教学中要更多地结合通风、燃气输配等方向去讲授，尽可能讲解一些前沿的工程，开阔学生视野，注入新的思想。学生的關注点是与时代背景相关的，授课内容也要与时俱进。

三、结束语

总之，工程流体力学是很多学科的专业基础课，要求学生要打好扎实的基础，但从学生掌握程度来看，仍达不到教学要求，需对其进一步改革尝试。针对目前的教学模式，教师要充分利用复合的教育技术与手段，结合现代的网络资源信息，及时更新知识，掌握学科前沿。教学过程不是一成不变的，了解不同时期授课对象的思想变化，激发学生的学习兴趣，讲清楚知识的来龙去脉，揭示问题的本质，给学生创造独立思考问题、解析问题、解决问题的空间，培养学生的创新意识，从而取得更好的教学效果。

参考文献：

[1]陈晓珊，洪文鹏，张玲等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报，2006，（3）：54-56.

[2]董庆伟.《工程流体力学》课程教学改革的实践[J].中国现代教育装备，2008，（12）：78-80.

[3]郭楚文，王利军.关于工程流体力学若干问题的探讨[J].山东电力高等专科学校学报，2011，（1）：37-39.

[4]黄芬霞.《工程流体力学》教学改革的探索[J].吉林教育，2009，（13）：46.

[5]章军军，崔秀红.创新实验的设计性和自主性[J].实验技术与管理，2008，（7）：23-24.

[6]王增光，韩瑞仕.工程流体力学常用公式电脑计算程序[J].河北冶金，2001，（3）：54-56.