热能与动力专业流体力学课程教学方法探讨

郝彩侠　张海平　牛建会

摘 要：流体力学课程概念多、理论抽象、计算公式繁多、流体运动复杂且与实际工程应用联系紧密。根据该课程的特点，采用全面的教学方法，培养学生对该课程的学习兴趣，调动学生的积极性，给学生提供理论知识应用的平台，在传授该课程理论知识点的同时，培养学生解决实际工程的能力。

关键词：流体力学；应用；实际工程

流体力学是热能与动力工程专业的一门重要主干基础课程，其任务是通过各种教学环节，使学生掌握流体力学的基本概念、基本理论、基本计算方法，从而具有一定的分析问题、解决问题能力，为专业课的学习打下良好的基础。理论推导公式并且应用于工程中是该课程的基本特点。如果不注重讲授方法，很容易产生消极、沉闷的课堂气氛，直接制约和影响教学过程和教学效果。因此在有限的学时内，让学生掌握基本理论知识和应用技能，需要教师有良好的教学方法。良好的教学方法既能调动学生学习的积极性，又能培养学生对课程乃至该专业的学习兴趣。本文通过多年的教学实践来探讨实际教学中采用的各种教学方法。

一、以生活实例引出流体力学的相关理论

我们生活在流体（空气）所包围的环境中，流体力学知识渗透到生活中的方方面面，许多流体问题与生活息息相关。学生对流体世界仅有感性认识而缺乏理性认识。如果教师能建立一个流体力学的体验平台，引导学生从生活认知上升到流体认知，那么他们就容易接受并应用流体力学的基本理论知识。为此，教师可以以生活实例结合相关的流体理论知识进行教学活动。用现实、熟悉的生活常识引导学生思考和学习。学生将会深刻理解并掌握该理论知识点。因为熟悉的情境是学生课堂学习的出发点，现实的情境是学生思维的支撑点。比如讲解流体的粘性时，大多数学生会有疑问，“什么是流体的粘性”、“为什么感觉不到水或空气的粘性”，不能理解流体粘性的含义。这时候教师可以用日常生活中的实例来说明，用筷子搅动饭盆中部的水，整个盆中的水都被带动作旋转运动，而停止搅动后，水旋转逐渐缓慢直至静止，筷子并没有接触到盆中所有的水，但是盆中的水随之运动。所以得到流体的粘性即为能带动或阻碍邻近流体运动的特性结论。通过举例，学生容易掌握流体的基本物理性质及其在后续课程中的应用。尽管有比较复杂的公式和严密的理论，但流体力学同时也是一门贴近生活的学科，可以列举很多相关的生活实例，借此引起学生的好奇心，激发学生的学习兴趣，使学生通过实例能真正掌握相关理论，这是流体力学课程的一个重要的特点。

二、实验教学与理论教学有机结合

流体力学是建立在实验基础上的一门学科，流体力学中的基本概念、基本理论都是在实践或实验中建立并发展起来的。实验教学是流体力学课程的一个重要环节，但目前大多数院校的流体力学实验教学与理论教学存在着相脱节的现象，教师在课堂讲完理论后，学生去实验室按实验指导书的步骤去验证理论结果。实验教学的效果不明显，学生的积极能动性和创造性得不到有效的开发。实验与理论有机结合能激发学生学习的积极性，使学生认识到流体力学并非大量复杂公式堆积的理论学科。例如在讲静力学等压面时，教师可以先在课堂上演示实验，装置示意图如图1所示，打开阀门A，同时关闭阀门B，水箱的水通过连通的管路流动到测压管1和2中，让学生讨论两管中水位的高度是否相同及其原因。待水静止后，可以看到两个测压管中水柱的高度相同；放掉主管路中的水，关闭阀门A和阀门B，从两个测压管上部注入密度不同的两种液体，再次观察，可看到两个测压管中液面的高度不同；打开阀门A和B，让管路中的水流动起来，观察测压管中水位高度。教师可根据三次实验现象提出问题：为什么管中是同种流体时，两支测压管水位高度相同？管中注入非同种流体和流体运动时，测压管水位高度为什么不同？学生就此现象可开展讨論，大大激发了学生探索流体力学基本规律的兴趣。最后教师可讲解静压强等压面的基本理论知识并用其解释三次测压管高度差别的原因。同时可以让学生自己总结水平面为等压面的条件。

实验是基础，理论是总结。理论源于实验，并高于实验，具有高度的概况性和总结性。实验和理论相结合的课堂教学，可以用形象化的实验现象加深学生对理论知识的理解。学生根据实验现象，自己总结流体静止的基本规律，教师及时进行补充和拓展。这种教学方法不仅激发了学生学习的积极性和主动性，使学生真正融入到课堂教学中，而且使理论教学更加清晰明了。大大提高了学生的探索欲和求知欲，使得学生接受和理解能力得到了进一步提高。

三、多媒体教学与传统教学相结合

本科学生在接触专业课之前很少有机会接触到工程实际，缺乏对工程的感性认识，因此难于理解一些抽象的理论。教师可以采用多媒体来辅助教学，在课堂上演示一些流体流动现象，采用特写手段处理流动现象，既真实又艺术的再现了流体的流动，从而将枯燥的理论描述变成新颖形象的实践演示。在形象化的教学环境下，学生对流动现象有了一定的感性认识，再经教师的强化，易于理解和接受抽象的理论，从而实现了感性认识到理性认识的飞跃。例如在讲解水击现象时，教师用语言描述的水击现象，学生很难理解和掌握。如果利用水击录像，学生通过画面便可清楚的观察到水击现象的全过程，教师可以再配以图片讲解热能动力专业实际中的设备及管道产生水击的原因，以及如何避免水击造成工程上的破坏等。学生通过真实案例认识到该课程在工程上的重要性。培养了学生的工程意识，同时，学生也真正明白了现在学习的理论知识在将来工作中的重要性。

而对该课程中理论公式的推导，必须使用传统教学中的板书，教师将理论、教学方法融为一体，通过启发式教学，推导理论公式。例如，在讲解压差阻力时教师可以借助形象的图片讲解汽车的一次次外形改进的历史，从早期箱形车、甲壳虫型车、鱼型车到现在的流线型汽车，汽车的阻力系数从0.8降低到0.137，仅为原来的1/6。目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。[ 1 ]通过讲汽车外形发展历史吸引学生的注意力，创造良好课堂的气氛，然后引出流体边界层分离产生压差阻力等基本理论知识，这时学生会恍然大悟，由此明白了汽车外形的演变过程，掌握了边界层分离的理论知识。合理使用多媒体，并使其与传统教学巧妙结合，这样才能达到最佳的教学质量和效果。

四、培养学生对比分析问题的能力

流体力学课程的各章节内容联系紧密，前面章节的理论是后续章节学习的基础。部分知识点及理论贯穿于流体力学课程教学的始终。教师在教学过程中注意培养学生对比分析问题的能力。寻找相同知识点之间的内在联系并总结分析其异同之处，从而使学生能真正具备应用理论知识的能力。例如在推导能量方程时，涉及到缓变流过流断面上压强的分布规律，得到和静力学中压强分布规律相同的结论，即z+=C。但二者应用条件有所不同，在缓变流同一过流断面上任意点的位置势能和压强势能之和相同，而不同过流断面这两种势能之和并不相同。而静力学中在同种流体内，任意点的这两种势能之和均相同。讲解时注重让学生自己来对比总结其相同及不同之处。又如讲解相同质量流量下，速度和过流断面的关系时，教师可以提出問题“流体在圆形管道中流动时，管径小则流速大，管径大则流速小”，学生一般会根据水在管道中流动的特点认为这种说法正确。这时，教师可以结合流体的压缩性，将气体的超声速和亚声速两种流动情况进行对比分析，气体作亚声速流动时，速度和断面面积成反比；而气体作超声速流动时，速度随着断面面积增大而增大。一般情况下，不考虑水的压缩性，认为水的密度不变，从而得出速度与断面成反比的结论。而气体运动时，考虑到密度变化，可得到两种不同的结论。通过对比分析，可培养学生全面分析问题的能力。

五、加强作业和习题的讲解与讨论

流体力学应用能力的培养对后续专业课程的学习非常重要，教师要重视培养学生思考问题和解决问题的能力。比如并联管路的水力计算在专业课程中占有很重要的地位，尤其是工程实践中的水力平衡问题。因此教师应该尝布置一部分与之相关的作业题，仅仅要求学生写出该问题的解决方法，不必写出详细复杂的计算过程，这样既能有效减轻学生的计算量，又培养了学生用流体力学的基本理论解决专业实际问题的能力。

流体力学这门课程的基本概念、基本原理、基本计算方法多，如果教师只注重基本知识的讲授，那么学生可能在应用这些基本原理的时候可能会有困难，所以一定要加强习题的练习与讲解，选择一些具有代表性的题目在习题课上讲解，选择一些实际的例子课堂上探讨。比如，在静压强习题课举例时，可与学生共同探讨著名的“儒可夫斯基佯谬”；[ 2 ]在课堂上提出“水坝纵断面要做成上面窄下面宽的梯形形状”；[ 3 ]讲能量方程时，列举“人们等候火车的时候不能站到离轨道很近的站台边缘处” 等这些日常生活中常见的现象，让学生思考为什么，能使他们更加深刻理解并运用课堂学到的基本理论，达到事半功倍的效果。

流体力学作为热能与动力工程专业基础课，既有较强的理论性，又和工程实践紧密结合。教师在课堂教学过程中，必须采用多种教学方法和手段，激发学生学习流体力学的积极性和主动性，培养学生运用理论知识解决工程实际问题的能力，从而达到流体力学的教学目的，为后续专业课程学习打下良好的理论基础。

参考文献：

[1] 丁祖荣.流体力学上册[M].高等教育出版社，2005.12：2-3.

[2] 闻德荪.工程流体力学上册[M].高等教育出版社，2004.01：61.

[3] 周光垌.流体力学上册[M].高等教育出版社，2003.04：80.

作者简介：郝彩侠（1978-），女，河北省藁城市人，汉族，讲师，研究方向为流体力学应用。