流体力学教学过程中的思考与探索

亓玉栋 宋桂梅 李慧敏

摘 要：流体力学是很多工科专业重要的技术基础课程之一。通过在建筑环境与能源应用工程专业教学中对课程教学内容的调整、教学手段与实践教学的改进、重视基础课程的学习与应用、注重理论与实际的联系、调动学生的积极性与主动性、既要讲授知识更要重视过程、开展拓展性教学训练等措施，在多年的教学过程中潜移默化形成了以上做法，收到了在校学生及毕业生的好评。

关键词：流体力学；教学改革；探讨

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

流體力学是很过工科专业的一门专业基础课程，对宇航、热能动力、水利水电、土木、化工、环境气象、船舶与海洋工程等专业是一门重要技术基础课，和其他力学课程相比，既具有数学推导多、理论性强、工程应用广等共同特点，又有其特殊之处。流体力学中有许多复杂现象、概念和公式，难以理解和掌握，使得流体力学教学难度大，同时为实现“厚基础、宽口径、强能力”的培养目标，课程学时被不断压缩[1]。如何根据专业和课程的特点来调整教学方法、教学内容和重点，切实不断提高教学效果，保证教学质量，是流体力学教学工作中必须注意的问题。

下面将结合本人十余年来的教学经历，从理论教学、实践教学及如何调动学生的积极性与主动性等方面，仅就建筑环境与能源应用工程专业流体力学教学过程中的几点尝试作进行初步探討。流体力学是建筑环境与设备工程专业的一门主干专业基础课，课程的教学目标是：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、水力计算方法和实验的基本技能，为学习专业课程、从事专业工作和进行科学研究打下坚实的流体力学基础。本课程注重训练学生对流动现象全面细致的观察能力和运算分析能力，培养学生从纷繁复杂的流体运动中抓住重点以及进而从基本原理出发提炼出流体力学模型的科学思维方法。积极引导学生重视对物理概念、流动本质的理解，密切结合本专业而理论联系实际地学习。

一、理论教学

（一）课程教学内容的调整

如前所述，流体力学是建筑环境与能源应用工程专业一门重要的专业技术基础课，是后续课程如流体输配管网、传热学、暖通空调等的基础，因此授课内容应注意与前后课程的衔接。由于旧的教学模式的“惯性效应”，各课程之间过于追求“自身”体系的完整性和独立性，同时现有教材为保持自身的系统性和完整性在专业内部存在不同课程之间内容的重复，因此需要教研室全体老师对各门课程授课内容及学时进行集体研讨，特别是针对内容重复部分进行合理分配，以充分利用有限的学时数并缓解目前存在的专业课程学时有限的压力。如在本课程的授课过程中因“总水头线和测压管水头线”“管路的串联与并联”“管网计算基础”“泵与风机”等部分章节内容与“流体输配管网”课程内容重复，经集体商议以上内容安排在“流体输配管网”课程中进行讲解。最终该课程各部分内容学时分配见表1。

（二）重视基础课程的学习与应用

流体力学课程理论性强、公式繁多复杂、概念抽象难以理解，为便于学生接受和理解，每次下课前将下次课用到的数学公式作为课外作业让学生自己查询，而在每次上课前将本节课用到的数学公式写在黑板的右上角，以便在公式推导中能便于理解。同时注重数学中的概念、公式在流体力学中的应用，如针对课程中部分概念和公式，如牛顿内摩擦定律中的速度梯度、连续性方程、流体的旋度等概念则与高等数学中的公式梯度、散度、旋度直接联系起来；欧拉法中质点运动加速度与随体导数；质量力势函数与函数的全微分、空间曲线积分与路径无关等高数相关内容的关联，使学生加深对课程的理解并重视高等数学等基础课程的学习及与相关课程的联系与应用。

（三）注重理论与实际相结合，增加讲课的趣味性

学以致用，学习的最终目的是为了应用特别是对于工科类专业，流体力学也不例外[2]。在讲到表面张力时不妨先想想为什么浮在水面的硬币不会下沉？被水打湿的衣服为什么容易粘连在一起？在讲到绕流阻力时，可让学生思考高尔夫球的表面是光滑还是粗糙？行驶的汽车其阻力主要来自汽车前部风流的阻挡作用还是后部？飞机机翼的升力是来自机翼下部还是上部？旋转运动的足球为什么按“贝氏弧线”运动？“鲨鱼皮”泳衣表面与普通泳衣相比有什么特点？为什么能够减小游泳时的阻力？在讲到流体粘性时，不妨思考高中课本中的卖油翁“油自钱孔入，而钱不湿”，除去“惟手熟尔”的因素外，如果将油换作水或酒还能那么轻松吗？如果卖油翁和一卖酒翁相比，两人均能“自钱孔入，而钱不湿”，你认为谁的技术更高超，为什么？……这些问题在课堂上未必当堂给出解释可以让学生在课下思考并探寻解释，一方面能增加课程的趣味性并能锻炼学生分析与解决问题的能力[3]。

二、教学手段和实践教学

改进教学方法和手段是课程建设的一个重要方面，而传统的教学方法也有其独特的魅力与功效。授课过程中针对理论性与逻辑性较强的公式采用传统的板书授课；对部分流动动画如紊流与层流、绕流脱体、卡门涡街、绕流升力等则采用多媒体授课为辅。在一定程度上缓解了课程学时少而内容多的压力，近6年来，该教学方式一直得到学生的好评。

实验是本课程的一个重要教学实践环节，不仅能加深对课程所学内容的理解，更能培养和锻炼学生的动手能力。实验包括演示性实验和测量实验，雷诺实验和水击实验为演示实验，其目的是细致觀察流动现象，加深对流动机理和测量设备的感性认识；测量实验主要是通过实验验证所学理论，掌握并熟悉常规的测量技能，分析实验数据和编写实验报告的能力，具体实验内容如表1所示。实验共安排9学时，为解决学生人数多（两个班，约70人）、实验仪器与设备有限并保证实验效果，采用利用学生空闲时间分组轮流进行，一般被安排在了周末及晚上，保证了实验效果，但大大增加了实验老师的工作量。

三、积极调动学生的积极性和主动性

流体力学作为一门专业技术基础课程，其与我们的工作生活息息相关，鼓励学生注意观察、思考生活中与流体有关的一切物理现象，并学会利用所学知识分析问题。鼓励学生对所感兴趣的问题成立兴趣研究小组，共同探讨研究流体力学中的一些小课题并尝试撰写小论文，对学生的一些奇思妙想甚至异想天开的想法积极进行引导，最近6年来，每年都有学生申请实用新型专利被授权或撰写论文被录用发表，这极大的促进了学生的学习兴趣，同时根据学生所取得的成果在最终成绩提交时给予5～10分的奖励。

四、要讲知识，更要讲过程

流體力学公式繁多，讲课的过程不仅要讲知识，还要讲知识产生、来源与推演过程，使学生了解相关知识提出的背景、采用的思维方法与处理手段，所谓“授人以鱼不如授人以渔”，同时可适当的将一些人文的知识和名人典故带进课堂，使学生增加对课程的理解，如在讲到湍流部分的“卡门涡街”理论时可对，可对冯·卡门进行简单介绍，同时可借此讲讲钱学森与冯·卡门之间的典故，以激发学生的爱国热情和对课程的重视程度。而不论是从早期的阿基米德、牛顿、伯努利、欧拉……到19世纪的赫姆霍兹、雷诺、普朗特……20世纪的冯·卡门、钱学森、泰勒……，可以看出他们不仅仅是在流体力学领域，在其他领域如数学、热学、物理、电磁等不同领域可能做出了历史性的贡献。因此，流体力学的发展不可能离开数学及其他学科的发展，藉此可激励学生对数学等基础学科的重视。

五、进行拓展性教学训练

随着计算机技术的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）受到普遍重视，已成为很多专业研究生教育的必修课程，因此鼓励有余力感兴趣的本科生可以在老师及研究生的指导和帮助下尽早应用CFD进行相关问题的应用模拟。如可利用其进行等温射流、贴附射流及温升射流的模拟，并与理论值进行比较，同时也可以藉此模拟冬季利用散流器顶送或侧送所存在的问题。当然更鼓励学生对自己看到或想到的问题进行模拟分析，如各类流动现象，在教学过程中先后有本科生对卡门涡街进行了数值模拟，并分析对比了不同的网格尺度对卡门涡街现象模拟结果的分析；也有同学对弯管中的二次流产生了好奇，对其产生的机理及压强与流速分布难以理解，对此进行了CFD的数值模拟，借助模拟的云图与动画加深了对这些物理现象的认识，并在班上将自己的模拟结果对大家进行了展示。这极大的刺激了大家的学习积极性和兴趣。

六、结束语

流体力学是建筑环境与能源应用工程专业一门重要的专业基础课程，授课内容应由全系老师研讨商定，以防不同课程之间的内容重复及授课学时紧张；因课程内容与公式繁多复杂，在教学过程中应注重引导学生对高等数学等相关内容和知识点的回顾与应用，注重对专业基础的培养；根据课程应用性较强的特点可以适当的与后续专业课程之间的关联进行引导，以引起学生对课程的重视程度，也可以让学生对常见的流体现象及典故进行解释说明，以培养学生发现问题及分析问题的能力；对流体力学课程的教学，要讲知识更要讲过程，适当讲解知识产生的历史及演进，以学习前人分析问题的方法，对学有余力的同学可进行拓展性教学训练。在多年流体力学的教学过程中逐渐养成了以上的教学做法，根据学生的测评及毕业后分反馈，认为该方法是行之有效的。

参考文献

[1]陈庆光，张明辉，朱绪力，等.流体力学课程教学中几个基本概念的教学方法[J].力学与实践，2015（01）：138-141.

[2]杨扬，张勤星，王利霞，等.工科流体力学教学方法与改革[J]. 大学教育，2015（05）：129-130.

[3]朱颖心，石文星.对工科专业课程教学方法的思考[J].高等建筑教育，2011，20（5）：78-82.