关于提高流体力学课程教学效果的若干思考★

2018-03-23褚福永

山西建筑 2018年35期

褚福永

(丽水学院土木工程学系，浙江丽水 323000)

1 概述

流体力学是土木工程专业的一门重要的专业基础课，但由于其理论性较强，课程中存在大量的数学同时推导，且概念较为抽象，因此，对于土木工程专业的学生来说，流体力学也是较为难学的一门课程，但其对后续土力学、基坑工程、基础工程等专业课的学习有着至关重要的作用，甚至于在以后的工作中，流体力学的理论公式也在一些领域被广泛应用。因此，流体力学课程教学效果直接影响到学生专业素质的培养，进而影响毕业后工作的发展。

另一方面，土木工程专业的流体力学课程课时较少，仅32个课时。然而需要讲授的内容又较多，主要包括以下内容：流体静力学；流体动力学基础；流动阻力和水头损失；孔口、管嘴出流和有压管路；明渠流动；堰流；因次分析和模型试验；渗流等。这些内容概念性强，又比较抽象。因此，学生在学习的过程中，普遍感觉较难、学起来枯燥，也直接导致了学习的积极性不高。针对如何来提高流体力学课程的课堂教学效果，很多老师进行了积极的探索，并给出了很多有益的建议和结论[1-8]。

本人结合自身的教学实践，从教学内容、教学方式和实验教学3个方面的改革探索如何提高流体力学课堂教学效果。同时，利用笔者授课的丽水学院土木工程专业16级的教学效果，验证了教学改革的可行性。

2 教学内容改革

2.1 突出专业特色的教学内容

对于土木工程专业而言，在实际工程最常碰到的流体力学问题主要有以下两个方面：

1)土建工程中的基坑排水、路基排水、地基坑渗稳定处理、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；

2)市政工程中的桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、隧洞通风等。

另一方面，土木工程专业实际工程问题中的流体力学问题涉及的知识点主要包括：静水压力、平面及曲面静水总压力的计算等流体静力学的知识，如在水中的结构物(如闸门、桥墩)受到水的作用力计算；水头、水头差、水力坡降、伯努利方程等流体动力学知识，如工程降水往往涉及水头损失及能量守恒等问题；层流、紊流等流动损失知识；达西定律等渗流及渗透变形知识，如基坑排水等设计与渗流有关；水管水力计算等知识，如市政工程中往往涉及到排水管路的布置；明渠水力特征及计算等知识。

需要强调的是，教材中对于各知识点均按“基本概念和现象→公式推导→知识扩展”的顺序进行研究，而且前后知识点联系比较紧密。因此，对这些各章节讲授时，应注意进行归类对比。为解决课程课时少、需教授内容多的问题，选择质量高、内容精炼的教材是至关重要的，本课程选择的教材为同济大学出版社出版、朱立明主编的《流体力学》教材。

2.2 有限元在流体力学中的应用

自20世纪60年代以来，随着计算机技术的发展，仿真技术在土木工程领域得到了广泛的应用，其中，最具代表性的流体力学仿真软件为Flunt软件。增加Flunt等仿真技术的相关知识，是从知识的深度和广度两个方面对学生的知识架构进行有益的补充，为学生工作以后能利用所学解决实际问题夯实了基础。

同时，在讲授流体力学内容时，配合仿真软件的模拟，有利于加深学生对知识的理解。例如，在讲解构件的管内层流运动、孔口出流流动及变截面局部阻力计算时，可利用有限元软件Flunt软件对其进行模拟，将模拟得到流动规律的动画或图片展示给学生，帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认识过程。加深学生对基本概念的认识，取得了良好的效果。

3 基于激发学习积极性的教学方式

3.1 板书与多媒体资料相结合

流体力学的公式、定理很多，知识比较抽象。在教学中单纯运用板书教学方式，会让学生感觉非常枯燥、味同嚼蜡，很难达到良好的教学效果。利用PPT，并结合一些图片和视频展示给学生。往往可以有效地增加课堂的生动性，也有助于学生对抽象内容的理解，从而提高教学效果和效率。

例如，在讲解“静止流体作用在平面上的力”时，利用多媒体给学生展示我国300 m级土石坝(双江口心墙堆石坝和两河口心墙堆石坝)的图片和录用，阐述其工程背景，不仅刺激了学生对知识点的求知欲，也让学生脑海中有具体的工程运用实例。再如，在讲解层流和紊流时，可播放层流及紊流的动画，通过多媒体的播放，教学变得生动，课堂气氛轻松愉快，也加深了学生对流态的感性认识。因此，很有必要将PPT、视频、动画等多媒体教学方式应用于流体力学的课堂教学中。

而对于重要公式的推导及例题的讲解应采用传统的板书形式，这样不仅利于学生理解推导过程和解题思路，也给学生充足的时间理解和消化。

3.2 灵活有效地引导学生主动学习

学生能力的体现在自主学习的能力，这也是高校中学生最应该培养的能力。我国数学家华罗庚有个著名的学习公式，即：薄—厚—薄。即预习、发散思维和知识的总结。

引导学生去通过预习可以大致了解教材中的知框架和基本的知识点；可通过工程实例及补充的知识点锻炼学生的发散思维；知识点的总结可通过引导学生建立知识点的树状框架图来完成。目前，丽水学院土木系流体力学对一些章节还采用了翻转课堂的模式，即给出这些章节需要解决的问题，然后对班级学生进行分组，每个组选择一个问题解决，并做PPT，在下次课上每个组，1名～2名学生上讲台针对知识点和问题进行讲解。

另一方面，在对一些抽象的概念，尽可能通俗易懂，采用学生比较能接受的方式讲授，比如层流和紊流，可以形象地把层流比喻成遵守次序排队，队伍整齐；紊流比喻成没有遵守次序排队，队伍混乱。

3.3 加强课后练习和习题讲解

有必要通过一定量的习题使得学生加深对概念的理解，培养学生分析和解决问题的能力，通过习题训练，教师也能检查学生对知识的掌握程度。

通过两种方式加强学生的习题训练，即：

1)对每章的典型例题进行精讲，使学生掌握解题思路、解题方法和技巧，达到举一反三的效果；

2)建立流体力学习题库，并附有答案，题库中习题有不同层次，即基础练习和提高练习，可供学生循序渐进地训练。

4 注重流体力学的实验教学

理论也是建立在大量实验的基础之上的，流体力学的实验教学是至关重要的。可以认为，实验教学不仅可以培养学生的动手能力，也是将所学理论运用于实践的重要过程。但目前流体力学实验课时偏少，丽水学院的土木工程专业材料力学课程安排了6个实验，分别是水静压实验、能量方程试验、雷诺试验、沿程阻力损失试验、局部阻力损失实验和文丘里实验。而且，目前的试验教学方式采用理论和实验分堂教学，其结果是理论课的时候内容过于抽象，结果理论知识脱节，导致实验不流畅。另一方面，流体力学实验教学仍以演示为主，学生不积极主动进行试验，扮演着“看客”的角色。

针对以上两个不合理的地方，笔者认为可以采取以下措施应对，即：

1)理论和实验同堂教学。实验相关的理论知识放在实验室进行，先讲授相关理论，接下来马上进入实验教学。可对教学班分成若干实验小组，让学生当天把实验务必完成；

2)指定时间开放实验室，并有专任实验老师值班，学生可根据开放时间自主到实验室完成实验。此外，在实验教学的过程中，教师一定要鼓励学生勤动手、多动脑，通过实际操作，加强对理论知识的理解。