流体力学课程的教学改革与实践

王刚 兰向军 冯志华 倪俊芳

摘 要：针对“流体力学”课程中数学和力学理论知识要求高，较其他课程相对抽象等特点，且学生在学习该课程时理解难度大、学习效率低、理论与实践不能够充分结合的问题，经由多年的教学和科研实践经验，本文从教材选择、课堂教学、实验环节与软件仿真应用等方面，对教学中教与学和教学模式等进行了探讨和改革，目的是加强课程建设，充分调动学生学习积极性，使学生具有扎实的流体力学的理论基础并能够学以致用。

关键词：流体力学；教学改革；探索与实践

中图分类号：G64 文献标识码：A

文章编号：1673-9132（2019）10-0009-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.10.005

一、课程的意义

“流体力学”课程是各院校机械专业、航空航海专业、能源与动力工程专业的一门重要的基础课程，它综合了高等数学、理论力学等学科知识，与工程实际问题联系较为紧密，具备理论性强、实用性高的特点。该课程要求学生掌握基础的流体力学相关知识，并能够采用理论知识，结合具体工程情况，计算并分析实际问题，同时注重学生的整体能力培养，使其具备发现问题、解决问题的能力，成为兼顾掌握理论知识与解决实际工程问题的新时代复合人才。由于课程教学中理论性强、对数学和力学要求较高，使得学生在学习过程中不可避免的产生枯燥、乏味、缺乏兴趣并难以掌握相应理论。因此，為增强课程的教学效果，提高学生的学习兴趣，带动学生对流体力学的求知欲，笔者结合数年的流体力学教学经验，对教学过程中遇到的各种问题加以分析，包括课程教学模式、实验设置、理论介绍、软件仿真应用方面展开改革探讨。

二、教学实践与改革

随着新时代科学计算的迅速发展，社会对大学生的要求越来越高，使得高校应结合社会发展形势，开展适用于新时代的高校教育方案，以适应时代发展步伐，保证学生掌握相关专业领域科技发展前沿。在掌握基础理论的前提下，提高学生解决工程实际问题的能力和创新能力。因此在教学方案应随着时代的发展进行相应改革，以适应时代要求，这就要求高校教师在课堂教学中保证课堂内容的先进性和新颖性，逐渐加入实践环节，并结合工程问题中常采用的软件仿真，使学生具备利用结合理论知识—先进工具来解决实际问题的能力，提高学生的社会适应力。

（一）教材的选择

“流体力学”课程主要讲述流体相关的力学知识和流体现象，阐述相关的流体方程及部分解析和数值解法。通过综合比较教材并结合本专业学生的特点，决定选用由高等教育出版社出版，张鸣远编著的《流体力学》这本教材，该教材适用于高等学校工科专业本科生的基础流体力学课程，教材在章节编排和选材上符合教学规律、适应学科发展和教学改革的需求。全书内容包括：流体及其主要物理性质、流体静力学、流体运动概述、理想流体运动基础、粘性流体运动基础、流体动力学的积分方程分析、量纲分析与动力相似、势流、管道内的流动、绕物体的粘性不可压缩流动和可压缩流动基础，知识层面由浅入深，书中略去了一些繁冗的数学推导和过于抽象的内容，尽可能从基本的物理定律和概念出发推导相关定理和基本方程；体现工科专业教材特点，注意理论与工程实际相联系，同时对一些容易混淆的概念作了深入辨析；行文深入浅出，增加了例题和练习题的数量，具备较强的教材选用性。

（二）课堂教学

结合本班学生学习层次，教师在开课之初针对性地选择讲授内容和习题，充分做到因材施教。在教学方式上，结合当前教学设备，及充分利用演示文稿PPT，并加以具有动画效果的案例和习题，加强课堂教学的生动性。在提高学生对流体力学重要性认知上，选择汽车外形的进化方案为案例，展实了基于降低汽车流阻的流线型外壳进化模型；结合高尔夫球的外观特性，讲述高尔夫球外侧凹坑的存在将使得高尔夫球飞行更远这一令学生费解的难题，为后续阐述边界层分离埋下伏笔；通过播放塔科马海峡大桥被风“刮断”的视频，进一步调动了学生对流体力学的学习积极性和求知欲。通过一个个生动的生活中的案例，让学生对流体力学学习的意义有了充分的了解，为后续知识点的阐述提供前期基础。

在讲授知识的过程中，充分结合“以学生为中心”这一教育理念，调动学生的参与度，构建具有娱乐气息的学习环境，提倡学生自主学习。学生结合生活中的案例，以3-4人为一小组，课程期间，每个小组均有一次上台讲授知识的机会。所讲授知识包括生活中的流体小现象，加以理论知识或理论公式的解释。学生将以PPT的形式完成课程讲述，这不仅能提高学生对知识的掌握能力，还能锻炼学生的团队协作能力。通过组织学生进行小型教学环节，发现该模式对于提高学生的积极性有重要作用，加强了学生对知识的掌握，锻炼了学生的综合能力。

（三）软件仿真学习

由于流体力学课堂中所学的流体模型局限于简单的管道、平板间流动等简易模型，此类模型对于基础知识的掌握具有重要的基础铺垫作用，但是生活中或工程应用中的实际模型往往较为复杂。在处理此类问题时，多采用软件仿真来分析，因此我们有必要向学生介绍并讲解软件的基本应用和操作。

结合本课程特点，在教学中采用Ansys Workbench作为仿真软件向学生展示软件分析方法。增强了学习的趣味性，并最大限度地提高课程的教学效率和质量，不仅弥补了理论知识枯燥的不足，还更好地培养了学生的专业兴趣和理论与工程实际相结合的能力。Workbench在处理复杂工程问题时具有独特的优势，图形结合界面具有较好的亲和力，结合学生所具备的3D软件建模能力，利用学生对流体力学的理论理解，学生采用该软件实现了流线、流体-固体耦合力等相应模型的计算。软件的使用提高了课堂教学的生动性，各种色彩丰富的图片、动画和视频使得枯燥呆板的专业课变得具体生动，从而大幅度地提高了课程的教学效率和质量。

（四）实验和实践环节

利用学校流体力学实验室，学生可独立操作雷诺实验、动量定理实验、流阻实验等。通过实验，学生对课堂知识有了更加深入的理解。并利用所学的Workbench软件，分别从仿真和实验角度来验证所学理论，提高了学生对问题的验证能力。

结合生活中的实例，本课程以实践作业的形式结束，每个学生均需根据所学知识分析生活中的一个实例，并用理论知识加以解释或利用Workbench辅助验证，最终撰写实践报告，对本课程理论知识和实践内容加以总结。

三、结语

本文针对“流体力学”课程在教学工作中存在的诸多问题，结合多年的教学实践经验，对教学中的教学模式和方法进行了深入的探讨并给出了行之有效的改革方案，并取得显著成小。现代化的教学方法和手段充分调动了学生的学习积极性和自主性，学生逐渐了解并掌握了本专业或本课程的国内外发展前沿，通过实践环节和软件仿真讲授环节，使学生做到学以致用，充分实现了本课程的教授目标目的。

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[责任编辑 杜建立]