流体力学课程教学技巧探究*

袁雪芹，杨 雷，钟 煜

(皖西学院材料与化工学院，安徽 六安 237012)

对于大三的学生，部分同学面临着找工作、考研或者迷茫不知所措的期间。对于自认为已经有一定资历的大三学生，应付老师的各种任务和监督措施已经得心应手。上课代签到、作业抄袭、平时上课座位稀疏，课堂最后一节课永远是人满为患、背诵老师划的重难点可以轻而易举的完成考试等[1]。

流体力学作为工科专业的一门专业基础课程，流体力学中概念多、公式繁杂，难以理解和掌握，使得流体力学“学着难教更难”，而对于处在特殊时期的大三学生学习态度更是散漫，如何通过有效的教学方法引导学生爱上流体力学，我将从以下几个方面讲述个人教学过程中总结的流体力学教学技巧[2-3]。

1 枯燥概念生活化

流体力学中流体运动学基础部分有一个重要的概念，系统和控制体，系统和控制体的书本定义见表1。单调的文字交叉，概念抽象，无法快速理解和记忆。

表1 系统和控制体定义区别

如果将系统比喻成装有水的封口气球，而控制体比作空心镂空铁球。再将各个定义依次进行对照理解，则可以很快掌握并理解概念。

图1 系统和控制体的概念

装水封口气球(类比系统)：

概念1“某一确定流体质点集合的总体”理解：作为封闭的气球，内部的水分即为流体质点，因是封闭的，气球加上内部的水则是一个整体；

概念2“始终由同一些流体质点组成”：作为气球内的封闭体系，所以流体质点(内部的水)是确定的不变的(不考虑环境中的相变过程)；

概念3“空间位置、大小和形状可随时间改变”：如果将装有水的气球，扔到一个流动(流速可控)的水池内部，水流速度能够推动气球运动，则气球的位置和气球的形状随着时间都会发生一定的变化。

概念4“无质量交换”：作为封闭体系，气球内部的水分与水池外部水分无任何交换。

空心镂空铁球(类比控制体)：

概念1“流场中某一确定的空间区域”理解：将空心镂空铁球扔到一个流动(流速可控)的水池内部，因密度较大，铁球沉底，且铁球质量较大，水流速度不足以冲动铁球。因此空间位置固定。

概念2“流体质点随时间变化”：空心镂空铁球，置于流动的水池内部，因是空心镂空设计，球内部的水不断的在更新变化，因此，球内部的流体质点在随时间不停的发生变化。

概念3“空间位置、大小和形状不随时间改变”：因铁球密度较大，沉于水池底部，且水流速度控制不冲动铁球，因此铁球位置、大小和形状均不随时间发生变化。

概念4“有质量交换”：因铁球是镂空设计，铁球内部的水分与水池内部流动的水分不停的发生交换。因此有质量交换。

通过文字讲授，学生是无法快速识记和理解系统和控制体的区别。如果将这些枯燥抽象的概念通过生活中熟悉的实物(气球、铁球)进行类比讲解，枯燥概念生活化，学生则可以快速理解并识记。

2 智慧课堂教学，增加课堂互动

课堂上，通过雨课堂调动同学们参与教学的积极性，单个知识点讲解完整后，通过习题推送的形式考查学生掌握情况，并通过班级答题正确率分布，针对正确率较小的题目给予再次强调讲解。随堂弹幕互动环节，同学们可以匿名发言，阐述自己的看法和老师进行交流，以及上课结束后班级同学课堂答题成绩排名(包括答题速度)，并警告有可能没有参与课堂互动的学生或分数较低的学生，教师也可通过答题成绩分布，进而获知学生对知识点的掌握程度，及时调整教学方式，见图2。

图2 智慧课堂互动

3 趣味流体力学实验加强学生对流体力学学习的兴趣

流体远非我们生活中所见到的水流，流体分为牛顿流体、非牛顿流体(塑性流体、膨胀流体以及假塑性流体)。流体性质各异，膨胀流体，随着剪切速率增加，粘性增加，遇强则强；假塑性流体随着剪切速率增加，粘性下降，遇强则弱。为了让学生们亲身感受流体的神奇之处，设计了“有脾气的气球”实验。实验原料包括：玉米淀粉、一次性饭盒、气球、塑料漏斗；

实验过程包括：

(1)以淀粉:水=3:1的比例先加水后加淀粉混合两种物质，搅拌的淀粉糊(非牛顿流体)；

(2)手背或拳头用力捶打淀粉糊，然后用指尖轻轻摁入淀粉糊；

(3)用手用力捏淀粉糊，然后松手；

(4)通过塑料漏斗将玉米糊倒入气球中，用力捶打气球，用手指轻轻按捏气球。

实验结果分享：如果淀粉和水比例适中，做好的淀粉糊装入气球中，拳头用力捶打气球，气球很硬，轻轻摁压气球，气球却很软。用手用力揉搓淀粉糊，淀粉糊变硬，松手后，淀粉很快变软从手心流下，同学们亲身制作的作品见图3。

图3 有脾气的气球实验图

学生们很享受做实验带来的乐趣和感受，从学生上传的图片能够很清晰的看到，学生很珍视和喜爱自己的作品，通过动手实验提高了学生对于流体力学学习的兴趣。

4 思维导图总结归纳

鼓励学生以思维导图的形式对课程知识点进行整理归纳，可通过手写绘制网络图以及X-mind软件进行制作。学生在整理思维导图的过程中，需要对书本中所有的知识点进行整理再归纳，对书本精华进一步消化吸收。学生反映通过自制思维导图，思路变得清晰很多。

5 自编顺口溜巩固加深知识点识记

通过撰写顺口溜，让同学们快速识记流体力学重难点。也可通过学生编写的顺口溜或者以作诗的形式对知识点进行内化再升华[4-5]，个人自编顺口溜如下：

对于流体力学，小朋友，你是否有很多问号？

流体秉性是什么，黏性比容可压缩；

理论如何来开展，连续介质和质点；

质点如何来理解，宏观小来微观大；

若想清晰来描述，拉格朗日欧拉法；

敢问对象是什么，系统协同控制体；

几何模型弄明白，迹线流线和流速；

流体微元无穷多，流速要看平均值；

人多难免有摩擦，表面力来分轻重；

自身也要找原因，质量力来别忘记；

静止时刻无摩擦，受力平衡来分析；

静止连通同流体，同一水平等压面；

单位标识要记牢，标压汞柱帕斯卡；

表示方式是什么，绝压表压真空度；

一旦流体动起来，仍有规矩来约束；

质量守恒一出手，连续方程便拥有；

动量守恒一出手，NS方程便拥有；

功能原理一出手，伯努利方程便拥有；

火车跃进请让开，小心气压推你走；

能量衡算哪里用，工程实践看一看；

工程问题模型化，选定范围取截面；

选定标准基准面，表面过程衡能量；

内能位能动能静压能，一同归属界面能；

过程热源来供给，机械泵功来推送；

能量守恒虽存在，克服阻力仍损失；

阻力如何来划分，摩擦形体来定义；

形体阻力由何来，压强分布不均衡；

简化理论边界层，层内层外分两区；

直管阻力如何定，雷诺数和粗糙度；

弯管阀门如何定，当量长度来简化；

管路突变如何定，摩擦系数来度量。

流体力学看似难，细嚼便觉其中甜。

6 过程性考核指标

对于“平时成绩30%+期末考试成绩70%”的考核指标，属于结果性考核，过于看中结果，导致学生不重视课堂学习过程，期末考试临阵磨枪，也能过关。

本课程则加大了过程考核比例，变更为“出勤(5%)+课堂表现(20%)+课堂答题成绩(雨课堂成绩30%)+课后作业(15%)+考试成绩(30%)”，让学生明白平时成绩的重要性，更加注重过程学习。

7 结 语

在流体力学教学方法的探讨过程中，努力尝试通过将枯燥概念生活化、融入智慧课堂教学，增加课堂互动、趣味流体力学实验加强学生对流体力学学习的兴趣、思维导图总结归纳、自编顺口溜识记重难点以及过程性考核等教学技巧。改善学生们对于流体力学“难”的认知，通过概念生活化、课堂动起来、动手做起来、思维导图以及自编顺口溜等趣味教学方式代入课堂和教学，让同学们爱上“流体力学”。