流體力學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

王剛 蘭向軍 馮志華 倪俊芳

摘 要：針對(duì)“流體力學(xué)”課程中數(shù)學(xué)和力學(xué)理論知識(shí)要求高，較其他課程相對(duì)抽象等特點(diǎn)，且學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)理解難度大、學(xué)習(xí)效率低、理論與實(shí)踐不能夠充分結(jié)合的問(wèn)題，經(jīng)由多年的教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文從教材選擇、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與軟件仿真應(yīng)用等方面，對(duì)教學(xué)中教與學(xué)和教學(xué)模式等進(jìn)行了探討和改革，目的是加強(qiáng)課程建設(shè)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生具有扎實(shí)的流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)并能夠?qū)W以致用。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；探索與實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9132（2019）10-0009-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.10.005

一、課程的意義

“流體力學(xué)”課程是各院校機(jī)械專(zhuān)業(yè)、航空航海專(zhuān)業(yè)、能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，它綜合了高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系較為緊密，具備理論性強(qiáng)、實(shí)用性高的特點(diǎn)。該課程要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)的流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，并能夠采用理論知識(shí)，結(jié)合具體工程情況，計(jì)算并分析實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)注重學(xué)生的整體能力培養(yǎng)，使其具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，成為兼顧掌握理論知識(shí)與解決實(shí)際工程問(wèn)題的新時(shí)代復(fù)合人才。由于課程教學(xué)中理論性強(qiáng)、對(duì)數(shù)學(xué)和力學(xué)要求較高，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生枯燥、乏味、缺乏興趣并難以掌握相應(yīng)理論。因此，為增強(qiáng)課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶動(dòng)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的求知欲，筆者結(jié)合數(shù)年的流體力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題加以分析，包括課程教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、理論介紹、軟件仿真應(yīng)用方面展開(kāi)改革探討。

二、教學(xué)實(shí)踐與改革

隨著新時(shí)代科學(xué)計(jì)算的迅速發(fā)展，社會(huì)對(duì)大學(xué)生的要求越來(lái)越高，使得高校應(yīng)結(jié)合社會(huì)發(fā)展形勢(shì)，開(kāi)展適用于新時(shí)代的高校教育方案，以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展步伐，保證學(xué)生掌握相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域科技發(fā)展前沿。在掌握基礎(chǔ)理論的前提下，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。因此在教學(xué)方案應(yīng)隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)改革，以適應(yīng)時(shí)代要求，這就要求高校教師在課堂教學(xué)中保證課堂內(nèi)容的先進(jìn)性和新穎性，逐漸加入實(shí)踐環(huán)節(jié)，并結(jié)合工程問(wèn)題中常采用的軟件仿真，使學(xué)生具備利用結(jié)合理論知識(shí)—先進(jìn)工具來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)力。

（一）教材的選擇

“流體力學(xué)”課程主要講述流體相關(guān)的力學(xué)知識(shí)和流體現(xiàn)象，闡述相關(guān)的流體方程及部分解析和數(shù)值解法。通過(guò)綜合比較教材并結(jié)合本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，決定選用由高等教育出版社出版，張鳴遠(yuǎn)編著的《流體力學(xué)》這本教材，該教材適用于高等學(xué)校工科專(zhuān)業(yè)本科生的基礎(chǔ)流體力學(xué)課程，教材在章節(jié)編排和選材上符合教學(xué)規(guī)律、適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和教學(xué)改革的需求。全書(shū)內(nèi)容包括：流體及其主要物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)概述、理想流體運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)、粘性流體運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)、流體動(dòng)力學(xué)的積分方程分析、量綱分析與動(dòng)力相似、勢(shì)流、管道內(nèi)的流動(dòng)、繞物體的粘性不可壓縮流動(dòng)和可壓縮流動(dòng)基礎(chǔ)，知識(shí)層面由淺入深，書(shū)中略去了一些繁冗的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和過(guò)于抽象的內(nèi)容，盡可能從基本的物理定律和概念出發(fā)推導(dǎo)相關(guān)定理和基本方程；體現(xiàn)工科專(zhuān)業(yè)教材特點(diǎn)，注意理論與工程實(shí)際相聯(lián)系，同時(shí)對(duì)一些容易混淆的概念作了深入辨析；行文深入淺出，增加了例題和練習(xí)題的數(shù)量，具備較強(qiáng)的教材選用性。

（二）課堂教學(xué)

結(jié)合本班學(xué)生學(xué)習(xí)層次，教師在開(kāi)課之初針對(duì)性地選擇講授內(nèi)容和習(xí)題，充分做到因材施教。在教學(xué)方式上，結(jié)合當(dāng)前教學(xué)設(shè)備，及充分利用演示文稿PPT，并加以具有動(dòng)畫(huà)效果的案例和習(xí)題，加強(qiáng)課堂教學(xué)的生動(dòng)性。在提高學(xué)生對(duì)流體力學(xué)重要性認(rèn)知上，選擇汽車(chē)外形的進(jìn)化方案為案例，展實(shí)了基于降低汽車(chē)流阻的流線(xiàn)型外殼進(jìn)化模型；結(jié)合高爾夫球的外觀特性，講述高爾夫球外側(cè)凹坑的存在將使得高爾夫球飛行更遠(yuǎn)這一令學(xué)生費(fèi)解的難題，為后續(xù)闡述邊界層分離埋下伏筆；通過(guò)播放塔科馬海峽大橋被風(fēng)“刮斷”的視頻，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的學(xué)習(xí)積極性和求知欲。通過(guò)一個(gè)個(gè)生動(dòng)的生活中的案例，讓學(xué)生對(duì)流體力學(xué)學(xué)習(xí)的意義有了充分的了解，為后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的闡述提供前期基礎(chǔ)。

在講授知識(shí)的過(guò)程中，充分結(jié)合“以學(xué)生為中心”這一教育理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度，構(gòu)建具有娛樂(lè)氣息的學(xué)習(xí)環(huán)境，提倡學(xué)生自主學(xué)習(xí)。學(xué)生結(jié)合生活中的案例，以3-4人為一小組，課程期間，每個(gè)小組均有一次上臺(tái)講授知識(shí)的機(jī)會(huì)。所講授知識(shí)包括生活中的流體小現(xiàn)象，加以理論知識(shí)或理論公式的解釋。學(xué)生將以PPT的形式完成課程講述，這不僅能提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力，還能鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過(guò)組織學(xué)生進(jìn)行小型教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)該模式對(duì)于提高學(xué)生的積極性有重要作用，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，鍛煉了學(xué)生的綜合能力。

（三）軟件仿真學(xué)習(xí)

由于流體力學(xué)課堂中所學(xué)的流體模型局限于簡(jiǎn)單的管道、平板間流動(dòng)等簡(jiǎn)易模型，此類(lèi)模型對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握具有重要的基礎(chǔ)鋪墊作用，但是生活中或工程應(yīng)用中的實(shí)際模型往往較為復(fù)雜。在處理此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，多采用軟件仿真來(lái)分析，因此我們有必要向?qū)W生介紹并講解軟件的基本應(yīng)用和操作。

結(jié)合本課程特點(diǎn)，在教學(xué)中采用Ansys Workbench作為仿真軟件向?qū)W生展示軟件分析方法。增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的趣味性，并最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量，不僅彌補(bǔ)了理論知識(shí)枯燥的不足，還更好地培養(yǎng)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣和理論與工程實(shí)際相結(jié)合的能力。Workbench在處理復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，圖形結(jié)合界面具有較好的親和力，結(jié)合學(xué)生所具備的3D軟件建模能力，利用學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的理論理解，學(xué)生采用該軟件實(shí)現(xiàn)了流線(xiàn)、流體-固體耦合力等相應(yīng)模型的計(jì)算。軟件的使用提高了課堂教學(xué)的生動(dòng)性，各種色彩豐富的圖片、動(dòng)畫(huà)和視頻使得枯燥呆板的專(zhuān)業(yè)課變得具體生動(dòng)，從而大幅度地提高了課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

（四）實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)

利用學(xué)校流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可獨(dú)立操作雷諾實(shí)驗(yàn)、動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)、流阻實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)有了更加深入的理解。并利用所學(xué)的Workbench軟件，分別從仿真和實(shí)驗(yàn)角度來(lái)驗(yàn)證所學(xué)理論，提高了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的驗(yàn)證能力。

結(jié)合生活中的實(shí)例，本課程以實(shí)踐作業(yè)的形式結(jié)束，每個(gè)學(xué)生均需根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析生活中的一個(gè)實(shí)例，并用理論知識(shí)加以解釋或利用Workbench輔助驗(yàn)證，最終撰寫(xiě)實(shí)踐報(bào)告，對(duì)本課程理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容加以總結(jié)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“流體力學(xué)”課程在教學(xué)工作中存在的諸多問(wèn)題，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)中的教學(xué)模式和方法進(jìn)行了深入的探討并給出了行之有效的改革方案，并取得顯著成小?，F(xiàn)代化的教學(xué)方法和手段充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，學(xué)生逐漸了解并掌握了本專(zhuān)業(yè)或本課程的國(guó)內(nèi)外發(fā)展前沿，通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)和軟件仿真講授環(huán)節(jié)，使學(xué)生做到學(xué)以致用，充分實(shí)現(xiàn)了本課程的教授目標(biāo)目的。

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[責(zé)任編輯 杜建立]