建筑环境与设备工程专业基础核心课程《流体力学》的教学改革与实践*

张学静，恽志东

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西桂林541004)

建筑环境与设备工程专业基础核心课程《流体力学》的教学改革与实践*

张学静，恽志东

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西桂林541004)

针对建筑环境与设备工程专业流体力学课程特点，从调整教材体系和内容，改革教学方法和教学手段以及创新实验三个方面进行了探索与实践。

建筑环境与设备专业;流体力学;教学改革

建筑环境与设备工程专业是根据1998年教育部颁布的全国普通高等学校本科专业目录，将原“供热通风与空调工程”和“燃气工程”两专业进行调整、拓宽组建而成的新专业。该专业已经成为跨越土木工程、建筑学、环境学与工程、动力工程及工程热物理四个一级学科的一个交叉性二级学科，并涉及机械、经济与管理等相关学科。此次专业调整改革的目标是培养“厚基础、宽口径、有创新意识”适应21世纪中国社会主义现代化建设需要的复合型人才。该培养目标体现了“注重基础、淡化专业”的指导思想。

流体力学主要是研究流体平衡和运动规律及实际应用的一门科学，是一门应用面比较广的专业基础课，在能源、动力、机械、航空、航天、化工等领域都有着重要应用。对于建环专业，流体力学的应用更为广泛，热的供应，空气的调节，燃气的输配，排毒排湿，除尘降温等，都是以流体作为工作介质，通过流体的各种物理作用，对流体的流动有效地加以组织来实现的。因此本课程是我们专业最重要和最基础的专业基础课程之一，是培养建筑环境与设备工程专业高级技术人才必修的专业核心基础理论课。

本课程的主要特点是:数学份量重，抽象概念多，理论性强，实践性强。在初学这门课时，弄清概念，掌握理论，学会运用基本理论分析解决工程中的实际问题，常常是最重要的也是学生最困难的。

根据建环专业的培养目标，针对流体力学的课程特点，笔者从从调整教材体系和内容，改革教学方法和教学手段以及创新实验三个方面进行了探索。

一、课程体系和课程内容改革

目前我国流体力学教材理论体系大致是这样的:先讲静力学后讲动力学，先讲一元流动后讲三元流动的循序渐进的理论体系，这种体系的特点是由简到繁、由易到难，学生易于接受，但存在着学时要求过多的缺点。原因是流体静力学、一元流体动力学实际上是三元不可压缩粘性流体动力学的几种特殊情况，很多理论和公式都是交叉重复的。

目前，建筑环境与设备工程专业所使用的教材是《流体力学泵与风机》(第四版)(蔡增基、龙天渝主编，中国建筑工业出版社)，这本教材内容全面，难易适中。从教材体系上来说，基本符合上述体系。第三章“一元流体动力学基础”、第七章“不可压缩流体动力学基础”这两章内容都是先讲连续性方程，之后描述能量方程，最后介绍动量方程。一元是三元的特殊情况，所以从内容上有很多重复交叉的地方。据此，在实际教学中，笔者对这两章的教学内容和顺序进行了调整和整合。真接从三元入手，一元和二元作为特殊情况来处理。这种调整以后的体系具有从一般到特殊，教材篇幅相对较少，所需学时减少，使教学过程相对简化的特点。在实际授课时收到了良好的教学效果。

另外，笔者针对该专业流体力学课程的学时限制，对部分起点低、简单重复的内容作了删减。比如，浮力问题、毛细现象，在中学物理课程就已涉及到了，所以这一部分作了删除处理。第九章“一元气体动力学”中和热力学、传热学课程简单重复的地方也作了删减。

二、教学方法和教学手段改革

(一)提高学生的学习兴趣从绪论课开始

学生对一门课的认识和兴趣是从绪论的讲解中得到的。上好绪论课可以激发学生的学习兴趣，形成一个良好的开端。因此，在绪论课上可以先给学生介绍流体力学的发展简史、研究内容、研究方法等，使学生对该门课程有个全面的了解。在介绍流体力学的发展历史的时候，可以以图片的形式介绍“铜壶滴漏”、“水力纺车”、“三大水利工程”，流体力学在航空航天发展方面的成就等内容激发学生的自豪感和学习兴趣。对于我们建筑环境的学生，还可以介绍一下流体力学在我们专业领域内的应用，比如均匀送管道，避风天窗的例子等等。实践证明，这样的绪论课激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛。

(二)注重培养分析问题和解决问题的能力

在教学过程中可以将课堂教学与自学结合起来。使学生由被动的接受知识到主动参与学习。在课堂上可以采用提出问题、分析问题和解决问题的讲课方法，我们以管嘴出流这一节为例，管嘴出流流量计算公式的推导是基于前面所学的能量方程，这部分内容学生可以自学完成。我们可以设置这样的问题:(1)管嘴出流和孔口出流的区别是什么?(2)管嘴正常工作应该满足哪两个条件。学生通过看书自学，是可以解决这两个问题的。解决完这两个问题，教师讲解的重点可以放在流速系数和流量系数的物理意义、流量公式应用的注意事项和一般解题思路上。

每堂课后还可以留下一些思考题让学生独立思考，使学生在解决问题的过程中进一步理解理论知识，通过这种方式，培养学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力。

(三)现代教学方法与传统教学方法相结合

随着现代教育技术的发展，可以将流体力学中那些很难用语言来描述的物理图像用多媒体展示出来，并且通过多媒体可以在规定的课时内将大量信息传授给学生，由于其图文并茂，且可以加入动画和声音，可以多方面地刺激学生的感官系统，使学生能最大限度地接受到海量信息，比如欧拉和拉格朗日描述流动的图形显示，水头线的表示，莫迪图的五个区间段的划分和一些典型例题等等都可以用多媒体来展示出来。因此，运用多媒体可以大大提高教学效率和效果。另一方面，由于课程的特点，有许多公式的推导和计算内容，这部分内容采用多媒体很难取得好的教学效果，还需要采用板书等传统的教学方法进行讲授。因为黑板推导理论公式教师可以根据学生的具体情况调整教学进度，设置教学问题，还可以给学生留有一定的记笔记和思考的时间。所以该门课授课的时候采用的是多媒体和板书相结合的讲授方式，并且取得了良好的教学效果。

(四)网络教学和课堂教学相结合

流体力学涉及高等数学、复变函数、大学物理等基础知识，所以很多学生觉得该门课程非常难学。我们将流体力学相关的教学、科研以及新技术等相关内容挂在了网上，并且做成了导学式的链接，涉及到相关的基础知识，可以通过导学式链接查找到这部分内容的讲解，以方便同学们的查阅和预习。老师在课堂上可以充分利用网络资源，提前留下预习题目，让学生通过网络平台，提前预习相关内容。课后也可以通过该网络平台消化吸收课堂上没有完全听懂的内容。

我们还将建立网络答疑平台，使学生能够随时找老师解决问题。该门课程也是我们专业考研的必考课程之一，很多同学反映考研时，有疑难问题，很难找到老师。通过这个网络答疑平台，也可以方便考研的学生能随时与老师沟通，解决疑难问题。

(五)扩展学生的视野

传统的研究流体力学的方法有两种:一种是利用现有的方程组和纯计算的方法去解决流体力学问题，第二种是采用纯实验或实验与计算相结合的方法。当前，随着计算机技术的发展和数值计算技术的提高，计算流体力学(CFD)得到了较大的发展。CFD可以在计算机上模拟流体的速度场、压力场和温度场。如下图所示，是利用CFD技术模拟房间内空气的温度分布和速度分布图。

图1 房间内的温度分布图

图2 房间内的速度分布图

三种方法在研究流体力学问题时是具有相辅相成的作用的。为了增加学生的视野，扩展学生的思维方式，也为学生进一步的学习和今后的发展奠定基础，在课堂上可以把计算流体力学技术这部分内容补充进来。

此外，利用CFD还可以模拟简单的流动规律和流动现象，比如用CFD模拟圆管中的层流流动，得到断面的速度分布规律。

在讲授泵与风机这部分内容的时候还可以用CFD模拟叶轮内部速度场和压力场，增加学生的的感性认识。如下图所示的叶轮的速度场和压力场。

此还，还可以引入紊流理论等反映当代最新研究水平的内容，使学生在掌握基础理论的同时，了解该课程的最新研究成果和动向，扩展学生的视野，激发大家的学习兴趣。

图3 叶轮从进口到出口的压力分布

图4 叶轮速度分布图

三、实验创新

实验环节对本科生培养是极其重要的，它对学生理解流动现象的物理本质起着无可替代的作用。在许多重点和难点的地方，基本上都有配套的实验，学生从实验中学习，既能培养发现问题并进行深入分析的思维方式，同时也是加深理解、解决重点难点的手段之一。

除了基本实验外，组织学生做一些开放性设计性实验，加强对学生创新能力的培养。可以开出2－3个设计性、综合性的实验，教师给出必要的条件，提出需要完成的任务，实验的具体过程由同学自己设计。比如，在能量方程这个实验里，验证能量方程是基本实验，做完这个实验，可以让学生通过这个实验平台，测定局部阻力，计算局部阻力系数。让学生自行设计实验过程实现这个任务。开设流体力学设计性实验的目的，是为一部分学有余力的学生提供一个发挥自身创造力的平台，让学生利用所学知识、充分发挥个人以及团队的想象力和智慧，自己动手，从设计实验过程开始，到自己制作简单的实验模型，最终组织实施并完成实验。在失败－改进－成功的循环中达到实验预定目标。另一个目的也是加深学生对所学知识的理解，激发学习兴趣，引导他们活学活用知识，创造性地解决实际问题，锻炼实际动手能力。

除了上述基本实验和综合性、设计性实验以外，还可以进行计算机虚拟流体力学实验，进一步加深对所学知识的理解，提升学生的计算机数值模拟能力。

通过上述实验环节的创新进一步提高本科生教学水平，为培养高素质人才创造条件。

［1］吕留根，孙克春.《建筑环境学》教学改革实践与思考［J］.中国建设教育，2010，3(5):47 －49.

［2］张腾飞，耿阳，等.建筑环境与设备工程专业宽口径大类培养探索［J］.高等建筑教育，2011，20(1):22 －26.

［3］蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机(第四版)［M］.北京 中国建筑工业出版社，1999.

［4］陈丽萍，龚延风.流体力学教学改革设想［J］.南京建筑工程学院学报(社会科学版)，2001，(1):87 －89.

［5］辛军哲.在流体力学课程中实践启发式教学的几点体会［J］.高等建筑教育，2004，13(2):51 －53.

2012－01－13

新世纪广西高等教育教学改革工程项目(2011JGB041)

张学静(1978－)，女，副教授，硕士研究生。