工程力学专业流体力学教学方法探讨

李静 王聪 徐世民

[摘           要]  对工程力学专业流体力学教学中的难点问题进行研究，分析教学内容和教学环节中的问题，提出理论分析、实验研究和数值模拟相结合的教学内容组织方法，并提出以雨课堂、线上教学模式作为辅助传统授课方式的多样化教学模式，以此提高教学效果，培养学生的实验创新能力和解决实际工程问题的能力。

[关    键   词]  流体力学;教学模式;实验研究;数值模拟

[中图分类号]  G642            [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）22-0066-02

流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学，其研究内容与工程实践有着紧密联系，相关的理论和研究方法被广泛应用在航空航天、水利采矿、交通土建、石油化工、生物医学等工程技术中[1]。流体力学作为力学是力学专业的基础课程，也是工科工程类学生的一门重要的专业基础课[2]。设置该课程的目的是要求学生认识和掌握流体运动遵循的基本规律，特别是对理论求解方法有较全面的了解和掌握，要求学生初步学会应用流体力学的理论和方法解决一些简单的工程实际问题，培养学生的自学能力、逻辑思维能力、流动现象的解读能力[3]。

流体力学涉及高等数学、理论力学、材料力学等基础课程，在当前大部分高校的讲授过程中都涉及较广的知识面，其较强的理论性、繁多的公式推导、较高的抽象性等，令课程讲授难度大，在实际教学过程中，学生对大量的数学公式推导感到乏味，对如何利用所学理论知识解决实际问题仍存在疑惑[4-6]。本文依據郑州大学工程力学专业流体力学教学中存在的问题和难点，对流体力学的教学内容和教学模式进行探讨。

一、工程力学专业流体力学教学中存在的问题

（一）教学内容

由于工程力学专业学生未来继续深造、就业范围较广，流体力学在讲授过程中一直兼顾材料、机械、土木等工程行业的应用，目前我校工程力学专业安排流体力学课时为48学时，按照教学大纲要求，需要讲授的内容如下表。

从上表可以看出，工程力学专业48学时的教学内容范围很广，而且教学内容一直停留在理论分析的讲解上，课程的重点在于教授学生流体力学的基本概念和基本理论上，这些内容主要是经典流体力学理论，其适用范围非常有限，或者仅仅是理论，很多学生很难将这些理论与实际的流体运动规律联系起来。

（二）教学环节

流体力学课程本身具有较强的理论性和系统性，其研究方法和研究体系与学生之前研修的理论力学与材料力学有着显著的不同，这直接导致一部分学生在接受新的研究方法时存在困难，因此，以往课堂的讲授教师多注重公式推导。例如，积分形式、微分形式的纳维斯托克斯方程，在推导控制方程的过程中除了要求学生建立新的研究方法外，还要求学生对学过的微积分知识牢固掌握，这无疑又增加了学生接受的困难。授课过程中累积的晦涩难懂的知识体系容易使学生对课程产生厌倦，学习热情降低，对课堂互动反应平淡，在这种被动接受式的教学过程中失去了探究知识实际应用的兴趣。

二、新的教学方法和改革策略

（一）改革教学内容

流体力学的研究方法包含理论分析、实验研究和数值模拟三种手段，三种研究手段是相辅相成的。因此，在本科教学中适当加强实验研究和数值模拟的教学，可以加强学生对流体力学理论知识在实际应用中的理解。

强调实验教学的重要性，不仅仅是传统的教学演示实验，需要增加具有创新性的设计型课外实验，这样不仅可以培养学生的动手能力，如引导学生设计简单的实验验证连续性方程，调动学生主动思考实验方案，增加学生对所学理论知识的思考，使学生对流体力学中的规律在实际中的应用有更直观的认识，提高学生的实践和创新能力。

目前商业化的CFD软件都相对容易上手，因此在教学内容中引入数值模拟的算例，可加深学生对理论分析的理解，同时也将工程实例与理论相结合。例如，讲解定常流动和非定常流动时，可数值模拟二维翼型的定常流动以及俯仰运动，对数值模拟结果可进行深入的探讨，进一步透彻理解流线迹线的概念。再比如，在讲解圆柱体绕流时，可数值模拟圆柱体绕流的算例，加深学生对升阻力产生的原因、前后驻点、压强速度分布等概念的理解。数值模拟手段的引入，加深学生对抽象概念和理论分析的理解，让学生对所学的理论知识在工程中的应用有所了解，并可以根据数值模拟结果分析一些简单的流动现象，从而提高学生的学习兴趣，提升教学效果。

理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，相辅相成。以理论指导实验和数值模拟，以实验验证理论和数值模拟结果的正确性，以数值计算弥补理论分析和实验研究的不足，可以对复杂流动问题进行高效的计算分析。基于三种研究方法的教学内容改革，不仅可以让学生从枯燥无味的公式推导中脱离出来，还能增加学生的学习兴趣，探究所学知识在工程中是如何应用的，为学生后续从事的相关科研和工作打下良好的基础。

（二）开发多样化的教学模式

探索合理的多样化教学模式，对提高授课效率、增加学生课堂参与度、激发学生学习兴趣有较大的促进作用。传统课堂教学模式依然可以作为教学的主导模式，但需要引入其他新颖的辅助教学模式，可以激发学生的探索热情，保持对课堂的兴趣。

比如，在传统授课过程中使用雨课堂，提前将讲授内容的难点通过MOOC视频和工程实例视频推送到学生手机实现提前预习，减少课堂讲授时间;课堂上增加实时讨论、弹幕互动时间，满足师生及时沟通反馈。这样可以实现课前—课上—课后每一个教学环节科学地覆盖，让教、学与沟通及时对接，提高效率。

再比如，春季学期的课程已开展了线上教学，线上教学的引入为传统课堂转化为多样化教学注入了新能量。绝大部分学生对这种新颖的网络授课方式给予了较多的认可度，在未来的授课中也可以作为互动沟通的一种教学模式，可以以线上教学作为传统教学的辅助。在传统课堂外，利用线上教学，开展对实际工程问题中流体力学实例的讨论。在此过程中并不强调课本知识的重要性，以学生的兴趣点和知识体系为出发点，利用学生活跃的思维和能力去引导学生解决实际问题。这样不仅可以调动学生自己思考身边实时存在的应用实例，也可以培养学生解决问题和科研创新的能力。

三、结语

教学内容的改革以及多样化教学的引入，打破了传统教学的固定模式，对教师的自身素质不断提升提出了新的考验，需要教师更加关注学生的学习动态，帮助学生解决创新实践过程中遇见的问题，对教学效果的提升也将起到促进作用，提高学生对课程的参与度、积极性，提高学生解决实际工程问题的能力。

参考文献：

[1]唐婉.CFD模拟技术在流体力学实验教学改革中的若干探索[J].教育教学论坛，2020（9）：119-120.

[2]杨辉，刘筱，朱必武，等.“流体力学”课程教学创新探索与实践[J].教育现代化，2019，6（7）：149-151.

[3]何霖，陆小革.航空航天专业研究生实验流体力学教学改革探索[J].教育教学论坛，2019（52）：83-85.

[4]金光远，宋春芳，袁方洋，等.流体力学类课程多元化教学方法探索[J].中国教育技术装备，2019（13）：104-105.

[5]李伟锋，刘海峰.“探究型”流体力学课程改革探索[J].化工高等教育，2018（5）：42-44.

[6]王维，贾月梅，王根伟.“双一流”建设背景下《流体力学》教学改革思考与探讨[J].教育现代化，2018，5（40）：61-63.

编辑 冯永霞