对土木专业《流体力学》教学的几点体会*



对土木专业《流体力学》教学的几点体会*

前言

《流体力学》是研究流体机械运动规律及其应用的学科，是土木工程专业一门必修的专业基础课程。土木工程专业的流体力学课程将为水文学、土力学、工程地质、土木工程施工、建筑设备等多门专业基础课程和专业课程阐释所涉及的流体力学原理，帮助学生进一步认识土木工程与大气和水环境的关系。对于土木工程专业学生来说，《流体力学》与专业主干课的联系不够紧密，但是《流体力学》广泛应用于土木工程的各个领域，例如风对高耸建筑物的荷载作用、水工建筑物地基的抗渗稳定处理等都依赖于水力分析和计算。因此，《流体力学》课程对于培养土木工程专业的学生的综合能力和良好素质至关重要。作者在给土木专业讲授《流体力学》课程的过程中，积累了一些体会，主要是以下几个方面。

一、充实绪论内容袁提高学生学习的内在动力

由于土木专业学生在大学一、二年级接触的多是固体力学，到了大三一旦遇到流体力学，可能接受起来会遇到很多困难。而流体力学又是一门理论性和工程实际意义都较强的课程，具有理论不易掌握、数学推导较多、对学生高等数学要求较高、与学生已具备知识体系联结不够紧密、土木专业学生对于课程的重视程度不够等特点[1，3]，给课程的教学带来一定的难度。因此，首先需要解决学生的学习兴趣问题，作者认为可以从以下几个方面入手。

（一）列举工程应用实例，提高学生学习兴趣

学生的学习兴趣对于学习效果具有显著的影响，在讲相应章节时应该举出一些工程实例来激发学生的学习兴趣，对于土木工程专业的学生来说更重要的是如何应用到实际工程中[2，4]。如在《绪论》的讲述中应该举出一些与土木工程专业有关的流体力学问题，例如南水北调工程中水流采用有压管道输送时，在管道转弯处会产生很大的推力，因此需要设混凝土支墩，如何计算支墩的大小关系到水流能产生多大的推力，推力计算与流体动力学的动量定理密切相关；在讲解表面张力时，可以给学生两块玻璃，中间用水粘在一起，如果想把两块玻璃分开需要用力，其实就是要克服水与玻璃表面的表面张力作用。

（二）列举流体造成的灾害，使学生增强控制流体造成灾害的使命感

由于人类排放大量污染物于天然水体中，排放的污染物量超过了水体的自净能力，导致近年来水污染事件多次爆发，如2005年11月哈尔滨水污染事件，2007年太湖蓝藻污染事件，2012年12月山西长治市苯胺泄污染事件等等，给当地人们生活带来很大问题，甚至威胁生命。如何计算污染物随流体运动扩散迁移的路径就是典型的流体力学问题，在哈尔滨水污染事件中，由于流体力学研究者的精确计算导致人们对于停水时间有了判断的初步依据，哈尔滨市民的恐慌情绪大幅缓解。

（三）列举人类历史上利用流体资源，变害为利的工程，激发学生学习热情

人类历史上利用流体资源，变害为利的例子数不胜数。比较著名的有：1.约公元前256年，李冰父子组织修建了大型水利工程都江堰，由分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口等部分组成，两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用，使成都平原成为水旱从人、沃野千里的“天府之国”；2.贯通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系的京杭大运河对中国南北地区之间的经济、文化发展与交流，特别是对沿线地区工农业经济的发展起了巨大作用。

二、教学内容上的重点、难点突出

在土木专业《流体力学》的教学过程中，以下几部分是其中的重点、难点，需要在教学过程中加以重点阐述。

（一）静力学部分

静力学部分的内容高中阶段已经简单介绍过，在本科教学阶段静力学部分主要介绍平面和曲面上受到的水压力及作用点。难点在于：学生需要与从解析公式过渡到利用高等数学中的微积分理论得到相应结论，而学生对于微元体的分析方法不够熟练，导致推导过程有困难，进而影响后续内容的学习，曲面上受到的水压力采用压力体进行求解，而压力体的概念是学生不太容易掌握的，在讲解过程中，多举些例题反复强调，并带着学生多做练习巩固，在做练习的过程中深入对于压力体概念的理解。

（二）流线、迹线

流线、迹线的概念是比较难于理解的，应该重点强调，流线的落脚点在空间位置，迹线的落脚点在质点，如果能够借助于动画制作更能帮助学生理解概念，在讲解过程中应该多举例子说明。例如可以把阅兵时表演的空军飞机比喻成质点，飞机拉出的彩色运行轨迹就是迹线，如果拍一张照片，照片上的飞机表演队组成的图案就可以看成是流线。如果每架飞机运行轨迹不随时间变化，飞机顺序通过空间固定位置，则单架飞机的流线就是整个空间的迹线，故恒定流的流线与迹线重合。这样的例子可以帮助学生加深对流线、迹线的理解。

（三）孔口、管嘴及堰流

在讲解孔口、管嘴、堰流这部分流体力学应用的章节时，由于公式推导过程较简单，不需在课堂上全部讲解，可以让学生们自学得到相关公式，应该把重点放在讲解孔口的不同形式、流速系数和流量系数对于孔口与管嘴、短管的区别、对于自由出流与淹没出流的区别、对于不同形式堰的区别等等，并举例说明。

三、作业和实验环节

（一）作业

作业是学生学习《流体力学》必不可少的环节，学生通过做作业才能深刻理解课本内容，掌握流体力学的思维方法。布置的作业应该包括一些基本题和附加题，其中基本题是学生必须要掌握的，运用书中的公式可以得到正确的结果，附加题是培养学生开拓思维的、比较困难的题目，不一定要求学生每题都做，有些题目可以直接写出思路即可，真正使学生通过做题目帮助其掌握《流体力学》这门课的思维方法。

（二）实验

由于《流体力学》是一门理论和实验相结合的课程，学生自己动手做一些实验对于培养学生的主动思维和创造性具有积极作用，现在实验室的设备还需进一步完善，应该充分发挥学生的能动性，鼓励学生自己开发出一些实验设备。结合流体力学课程申请SRTP项目，如结合节能减排设计综合节能环保小屋，雨水综合利用等等项目，使学生在项目实施过程中无论是专业技能和创新能力都得到锻炼。

四、教学方法采用问题探索的形式

土木工程专业学生学习《流体力学》更多地应该关注于课程的应用，即学习了这门课程，对于土木工程专业的学生将来从事工程设计、施工中能够发挥怎样的作用。因此，在讲授相关章节时，尽量提出问题让同学们思考，引导同学得到书中的公式，思考问题的解决方法，使学生在学习这部分内容后能够回答出来，这样得来的知识更加深刻，也进一步提升学生学习的成就感。

例如在讲授“流体静力学”的章节时，提出“人在水下能潜多深”的问题，让学生在学习这章的内容后得出自己的结论。并能提出相关的问题，例如为什么深潜动物能够潜到水下七八百米的深度等等。在讲授“流体动力学”章节时，提出“野外输水大管道遇到地形改变必须转弯时，如果不加支座会怎样？如果加支座需要如何设计支座的荷载？”；在讲授“边界层理论基础”章节时，提出“高尔夫球的表面应该是光滑还是粗糙，汽车的阻力来自前部还是后部”[5]等问题。学生在学习相应章节时就会一直带着问题思考，而不会被复杂繁琐的公式所困扰。

五、教学手段现代化

（一）钻研课程内容，制作动画

传统教学通常是一支粉笔、一个板擦，在知识爆炸的21世纪，这种教学方法显然有些落后了，显得枯燥、呆板。在课堂上增加一些视听感受能够明显提高教学效果，并能通过动画设计使学生的思路跟着老师走，动画制作既可以采用powerpoint，也可以采用flash制作，还可以研制CAI（Computer Aid Instruction）软件，动画可以涵盖基本概念、习题解答、模拟实验等各个环节，因为流体力学是研究流体运动的科学，采用动画效果更能提高学生的学习兴趣，使枯燥繁琐的学习变成生动活泼的活动。

（二）采用“互联网+流体力学”方式，全方位建立流体力学课程的网络应用

目前是互联网时代，在网上可以通过建立QQ群或网页公布课程的教学日历、教学大纲、教学课件、习题答案等等帮助学生学习，还可以在线答疑，及时解决学生学习上的困惑。随着智能手机的普及，可以建立微信群与学生交流互动。

六、向学生介绍一些流体力学上的经典袁提升学生利用所学知识解决问题的动力

（一）达朗贝尔佯谬

圆柱体在静止流体中作等速直线运动时，阻力为零，这个结论与实际流体绕圆柱体流动的实验结果是不一致的。在普朗特创立了边界层理论以来，这个问题才得以解释。主要是由于实际流体粘性作用，圆柱前、后表面上的压强分布不对称，由于边界层分离，在圆柱尾部的压强较前部低，造成压差阻力，这样的解释符合实际观察到的情况。

（二）判别流态的无量纲数——雷诺数

雷诺实验在圆管中进行了大量的实验，发现了流体的两种流态—层流和紊流。经过对实验数据的分析整理，创建了无量纲数—雷诺数作为判别层流和紊流的依据，这个结论被尼古拉兹等众多科学家加以证实，两种不同的流态其能量损失规律具有显著差异。

这些流体力学问题现在看来容易理解，但是在流体力学的发展过程中，长期困扰着科学家们，介绍这些内容有助于帮助学生树立信心，开拓思维，提升创新能力。

七、结束语

综上所述，本文针对目前土木工程专业流体力学课程教学中存在的一些主要问题，在教学方法、教学内容和教学模式上提出一些举措，流体力学在土木工程专业教学过程中首先必须提升学生的兴趣，丰富教学内容，其次注重重点、难点、作业及实验环节，再次优化教学手段，提升教学高度。在实际教学过程中寻觅适合土木工程专业的流体力学教学模式，培养出能把所学知识应用到实践的复合型人才。

参考文献

[1]王伟.土木专业工程流体力学课程教学研究[J].山西建筑，2008，34（21）：182-183.

[2]肖淑杰.土木专业流体力学课程改革探讨[J].教研，2012，11（上旬刊）：34-35.

[3]喻萍，袁苏跃，董羽蕙.土木专业《流体力学》教学模式探讨[J].昆明大学学报（综合版），2003（2）：82-83.

[4]张秀芳.关于土木力学本科专业《流体力学》课程设置的新思考[J].科技信息，2010（26）.

[5]朱俊锋，梅群，李一帆.浅谈土木工程专业工程流体力学课程教学改革[J].山西建筑，2010，36（23）：224-225.

王玉敏余冉
（东南大学能源与环境学院环境科学与工程系，江苏南京210096）

摘要：土木专业的《流体力学》课程是一门重要的专业技术基础课程，为了提升教学效果和质量，作者在土木专业《流体力学》的教学实践过程中，积累得到以下体会：首先要提高学生的学习兴趣，因为兴趣是学好任何一门学科的根本动力；其次在教学方法和教学手段上应该主次分明，分层次教学，重点介绍难以理解的基本概念及基本理论，对于容易理解的内容尽量鼓励学生自学。教学手段应该先进、自动化程度较高；最后应该培养学生自己动手解决问题的能力，即加强课后作业和实验的环节。

关键词：学习兴趣；教学方法；教学手段；解决问题

*本文为东南大学英文渊双语冤课程、系列研讨课程和校企共建课程建设项目

Abstract:The course "fluid mechanics" is an important professional and technical basic course for students of civil engineering specialty. In order to improve the teaching effect and teaching quality, the author has gained some experience which is as follows: firstly, we should raise students' learning interest which is the foundation for studying any subjects; Secondly, teaching methods and teaching measures should be classified. The basic concepts and basic theories which is difficult to be understood should be focused on. Students should be encouraged to self-study con-tents that are easy to be understood. The teaching measures should be advanced and highly-automated; finally we should train the students to develop the ability of solving problems by themselves which means that after-class as-signments and experiments have to be introduced.

Keywords:studying interest; teaching method; teaching measure; problem-solving

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）02-0069-02