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對(duì)土木專業(yè)《流體力學(xué)》教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)*

前言

《流體力學(xué)》是研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，是土木工程專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。土木工程專業(yè)的流體力學(xué)課程將為水文學(xué)、土力學(xué)、工程地質(zhì)、土木工程施工、建筑設(shè)備等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程闡釋所涉及的流體力學(xué)原理，幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系。對(duì)于土木工程專業(yè)學(xué)生來說，《流體力學(xué)》與專業(yè)主干課的聯(lián)系不夠緊密，但是《流體力學(xué)》廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域，例如風(fēng)對(duì)高聳建筑物的荷載作用、水工建筑物地基的抗?jié)B穩(wěn)定處理等都依賴于水力分析和計(jì)算。因此，《流體力學(xué)》課程對(duì)于培養(yǎng)土木工程專業(yè)的學(xué)生的綜合能力和良好素質(zhì)至關(guān)重要。作者在給土木專業(yè)講授《流體力學(xué)》課程的過程中，積累了一些體會(huì)，主要是以下幾個(gè)方面。

一、充實(shí)緒論內(nèi)容袁提高學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力

由于土木專業(yè)學(xué)生在大學(xué)一、二年級(jí)接觸的多是固體力學(xué)，到了大三一旦遇到流體力學(xué)，可能接受起來會(huì)遇到很多困難。而流體力學(xué)又是一門理論性和工程實(shí)際意義都較強(qiáng)的課程，具有理論不易掌握、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多、對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)要求較高、與學(xué)生已具備知識(shí)體系聯(lián)結(jié)不夠緊密、土木專業(yè)學(xué)生對(duì)于課程的重視程度不夠等特點(diǎn)[1，3]，給課程的教學(xué)帶來一定的難度。因此，首先需要解決學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣問題，作者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面入手。

（一）列舉工程應(yīng)用實(shí)例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣對(duì)于學(xué)習(xí)效果具有顯著的影響，在講相應(yīng)章節(jié)時(shí)應(yīng)該舉出一些工程實(shí)例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生來說更重要的是如何應(yīng)用到實(shí)際工程中[2，4]。如在《緒論》的講述中應(yīng)該舉出一些與土木工程專業(yè)有關(guān)的流體力學(xué)問題，例如南水北調(diào)工程中水流采用有壓管道輸送時(shí)，在管道轉(zhuǎn)彎處會(huì)產(chǎn)生很大的推力，因此需要設(shè)混凝土支墩，如何計(jì)算支墩的大小關(guān)系到水流能產(chǎn)生多大的推力，推力計(jì)算與流體動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量定理密切相關(guān)；在講解表面張力時(shí)，可以給學(xué)生兩塊玻璃，中間用水粘在一起，如果想把兩塊玻璃分開需要用力，其實(shí)就是要克服水與玻璃表面的表面張力作用。

（二）列舉流體造成的災(zāi)害，使學(xué)生增強(qiáng)控制流體造成災(zāi)害的使命感

由于人類排放大量污染物于天然水體中，排放的污染物量超過了水體的自凈能力，導(dǎo)致近年來水污染事件多次爆發(fā)，如2005年11月哈爾濱水污染事件，2007年太湖藍(lán)藻污染事件，2012年12月山西長治市苯胺泄污染事件等等，給當(dāng)?shù)厝藗兩顜砗艽髥栴}，甚至威脅生命。如何計(jì)算污染物隨流體運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散遷移的路徑就是典型的流體力學(xué)問題，在哈爾濱水污染事件中，由于流體力學(xué)研究者的精確計(jì)算導(dǎo)致人們對(duì)于停水時(shí)間有了判斷的初步依據(jù)，哈爾濱市民的恐慌情緒大幅緩解。

（三）列舉人類歷史上利用流體資源，變害為利的工程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

人類歷史上利用流體資源，變害為利的例子數(shù)不勝數(shù)。比較著名的有：1.約公元前256年，李冰父子組織修建了大型水利工程都江堰，由分水魚嘴、飛沙堰、寶瓶口等部分組成，兩千多年來一直發(fā)揮著防洪灌溉的作用，使成都平原成為水旱從人、沃野千里的“天府之國”；2.貫通海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系的京杭大運(yùn)河對(duì)中國南北地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展與交流，特別是對(duì)沿線地區(qū)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起了巨大作用。

二、教學(xué)內(nèi)容上的重點(diǎn)、難點(diǎn)突出

在土木專業(yè)《流體力學(xué)》的教學(xué)過程中，以下幾部分是其中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，需要在教學(xué)過程中加以重點(diǎn)闡述。

（一）靜力學(xué)部分

靜力學(xué)部分的內(nèi)容高中階段已經(jīng)簡單介紹過，在本科教學(xué)階段靜力學(xué)部分主要介紹平面和曲面上受到的水壓力及作用點(diǎn)。難點(diǎn)在于：學(xué)生需要與從解析公式過渡到利用高等數(shù)學(xué)中的微積分理論得到相應(yīng)結(jié)論，而學(xué)生對(duì)于微元體的分析方法不夠熟練，導(dǎo)致推導(dǎo)過程有困難，進(jìn)而影響后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，曲面上受到的水壓力采用壓力體進(jìn)行求解，而壓力體的概念是學(xué)生不太容易掌握的，在講解過程中，多舉些例題反復(fù)強(qiáng)調(diào)，并帶著學(xué)生多做練習(xí)鞏固，在做練習(xí)的過程中深入對(duì)于壓力體概念的理解。

（二）流線、跡線

流線、跡線的概念是比較難于理解的，應(yīng)該重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，流線的落腳點(diǎn)在空間位置，跡線的落腳點(diǎn)在質(zhì)點(diǎn)，如果能夠借助于動(dòng)畫制作更能幫助學(xué)生理解概念，在講解過程中應(yīng)該多舉例子說明。例如可以把閱兵時(shí)表演的空軍飛機(jī)比喻成質(zhì)點(diǎn)，飛機(jī)拉出的彩色運(yùn)行軌跡就是跡線，如果拍一張照片，照片上的飛機(jī)表演隊(duì)組成的圖案就可以看成是流線。如果每架飛機(jī)運(yùn)行軌跡不隨時(shí)間變化，飛機(jī)順序通過空間固定位置，則單架飛機(jī)的流線就是整個(gè)空間的跡線，故恒定流的流線與跡線重合。這樣的例子可以幫助學(xué)生加深對(duì)流線、跡線的理解。

（三）孔口、管嘴及堰流

在講解孔口、管嘴、堰流這部分流體力學(xué)應(yīng)用的章節(jié)時(shí)，由于公式推導(dǎo)過程較簡單，不需在課堂上全部講解，可以讓學(xué)生們自學(xué)得到相關(guān)公式，應(yīng)該把重點(diǎn)放在講解孔口的不同形式、流速系數(shù)和流量系數(shù)對(duì)于孔口與管嘴、短管的區(qū)別、對(duì)于自由出流與淹沒出流的區(qū)別、對(duì)于不同形式堰的區(qū)別等等，并舉例說明。

三、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

（一）作業(yè)

作業(yè)是學(xué)生學(xué)習(xí)《流體力學(xué)》必不可少的環(huán)節(jié)，學(xué)生通過做作業(yè)才能深刻理解課本內(nèi)容，掌握流體力學(xué)的思維方法。布置的作業(yè)應(yīng)該包括一些基本題和附加題，其中基本題是學(xué)生必須要掌握的，運(yùn)用書中的公式可以得到正確的結(jié)果，附加題是培養(yǎng)學(xué)生開拓思維的、比較困難的題目，不一定要求學(xué)生每題都做，有些題目可以直接寫出思路即可，真正使學(xué)生通過做題目幫助其掌握《流體力學(xué)》這門課的思維方法。

（二）實(shí)驗(yàn)

由于《流體力學(xué)》是一門理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程，學(xué)生自己動(dòng)手做一些實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思維和創(chuàng)造性具有積極作用，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備還需進(jìn)一步完善，應(yīng)該充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生自己開發(fā)出一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備。結(jié)合流體力學(xué)課程申請SRTP項(xiàng)目，如結(jié)合節(jié)能減排設(shè)計(jì)綜合節(jié)能環(huán)保小屋，雨水綜合利用等等項(xiàng)目，使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中無論是專業(yè)技能和創(chuàng)新能力都得到鍛煉。

四、教學(xué)方法采用問題探索的形式

土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)《流體力學(xué)》更多地應(yīng)該關(guān)注于課程的應(yīng)用，即學(xué)習(xí)了這門課程，對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生將來從事工程設(shè)計(jì)、施工中能夠發(fā)揮怎樣的作用。因此，在講授相關(guān)章節(jié)時(shí)，盡量提出問題讓同學(xué)們思考，引導(dǎo)同學(xué)得到書中的公式，思考問題的解決方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容后能夠回答出來，這樣得來的知識(shí)更加深刻，也進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感。

例如在講授“流體靜力學(xué)”的章節(jié)時(shí)，提出“人在水下能潛多深”的問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這章的內(nèi)容后得出自己的結(jié)論。并能提出相關(guān)的問題，例如為什么深潛動(dòng)物能夠潛到水下七八百米的深度等等。在講授“流體動(dòng)力學(xué)”章節(jié)時(shí)，提出“野外輸水大管道遇到地形改變必須轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果不加支座會(huì)怎樣？如果加支座需要如何設(shè)計(jì)支座的荷載？”；在講授“邊界層理論基礎(chǔ)”章節(jié)時(shí)，提出“高爾夫球的表面應(yīng)該是光滑還是粗糙，汽車的阻力來自前部還是后部”[5]等問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)相應(yīng)章節(jié)時(shí)就會(huì)一直帶著問題思考，而不會(huì)被復(fù)雜繁瑣的公式所困擾。

五、教學(xué)手段現(xiàn)代化

（一）鉆研課程內(nèi)容，制作動(dòng)畫

傳統(tǒng)教學(xué)通常是一支粉筆、一個(gè)板擦，在知識(shí)爆炸的21世紀(jì)，這種教學(xué)方法顯然有些落后了，顯得枯燥、呆板。在課堂上增加一些視聽感受能夠明顯提高教學(xué)效果，并能通過動(dòng)畫設(shè)計(jì)使學(xué)生的思路跟著老師走，動(dòng)畫制作既可以采用powerpoint，也可以采用flash制作，還可以研制CAI（Computer Aid Instruction）軟件，動(dòng)畫可以涵蓋基本概念、習(xí)題解答、模擬實(shí)驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)榱黧w力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，采用動(dòng)畫效果更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使枯燥繁瑣的學(xué)習(xí)變成生動(dòng)活潑的活動(dòng)。

（二）采用“互聯(lián)網(wǎng)+流體力學(xué)”方式，全方位建立流體力學(xué)課程的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

目前是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在網(wǎng)上可以通過建立QQ群或網(wǎng)頁公布課程的教學(xué)日歷、教學(xué)大綱、教學(xué)課件、習(xí)題答案等等幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，還可以在線答疑，及時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)上的困惑。隨著智能手機(jī)的普及，可以建立微信群與學(xué)生交流互動(dòng)。

六、向?qū)W生介紹一些流體力學(xué)上的經(jīng)典袁提升學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決問題的動(dòng)力

（一）達(dá)朗貝爾佯謬

圓柱體在靜止流體中作等速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻力為零，這個(gè)結(jié)論與實(shí)際流體繞圓柱體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不一致的。在普朗特創(chuàng)立了邊界層理論以來，這個(gè)問題才得以解釋。主要是由于實(shí)際流體粘性作用，圓柱前、后表面上的壓強(qiáng)分布不對(duì)稱，由于邊界層分離，在圓柱尾部的壓強(qiáng)較前部低，造成壓差阻力，這樣的解釋符合實(shí)際觀察到的情況。

（二）判別流態(tài)的無量綱數(shù)——雷諾數(shù)

雷諾實(shí)驗(yàn)在圓管中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了流體的兩種流態(tài)—層流和紊流。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析整理，創(chuàng)建了無量綱數(shù)—雷諾數(shù)作為判別層流和紊流的依據(jù)，這個(gè)結(jié)論被尼古拉茲等眾多科學(xué)家加以證實(shí)，兩種不同的流態(tài)其能量損失規(guī)律具有顯著差異。

這些流體力學(xué)問題現(xiàn)在看來容易理解，但是在流體力學(xué)的發(fā)展過程中，長期困擾著科學(xué)家們，介紹這些內(nèi)容有助于幫助學(xué)生樹立信心，開拓思維，提升創(chuàng)新能力。

七、結(jié)束語

綜上所述，本文針對(duì)目前土木工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)中存在的一些主要問題，在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上提出一些舉措，流體力學(xué)在土木工程專業(yè)教學(xué)過程中首先必須提升學(xué)生的興趣，豐富教學(xué)內(nèi)容，其次注重重點(diǎn)、難點(diǎn)、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，再次優(yōu)化教學(xué)手段，提升教學(xué)高度。在實(shí)際教學(xué)過程中尋覓適合土木工程專業(yè)的流體力學(xué)教學(xué)模式，培養(yǎng)出能把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)

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王玉敏余冉
（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，江蘇南京210096）

摘要：土木專業(yè)的《流體力學(xué)》課程是一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，為了提升教學(xué)效果和質(zhì)量，作者在土木專業(yè)《流體力學(xué)》的教學(xué)實(shí)踐過程中，積累得到以下體會(huì)：首先要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因?yàn)榕d趣是學(xué)好任何一門學(xué)科的根本動(dòng)力；其次在教學(xué)方法和教學(xué)手段上應(yīng)該主次分明，分層次教學(xué)，重點(diǎn)介紹難以理解的基本概念及基本理論，對(duì)于容易理解的內(nèi)容盡量鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)。教學(xué)手段應(yīng)該先進(jìn)、自動(dòng)化程度較高；最后應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手解決問題的能力，即加強(qiáng)課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)興趣；教學(xué)方法；教學(xué)手段；解決問題

*本文為東南大學(xué)英文淵雙語冤課程、系列研討課程和校企共建課程建設(shè)項(xiàng)目

Abstract:The course "fluid mechanics" is an important professional and technical basic course for students of civil engineering specialty. In order to improve the teaching effect and teaching quality, the author has gained some experience which is as follows: firstly, we should raise students' learning interest which is the foundation for studying any subjects; Secondly, teaching methods and teaching measures should be classified. The basic concepts and basic theories which is difficult to be understood should be focused on. Students should be encouraged to self-study con-tents that are easy to be understood. The teaching measures should be advanced and highly-automated; finally we should train the students to develop the ability of solving problems by themselves which means that after-class as-signments and experiments have to be introduced.

Keywords:studying interest; teaching method; teaching measure; problem-solving

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）02-0069-02