流体力学课程教学中创新能力的培养

刘起霞，邹 昕

（河南工业大学，河南 郑州 450001）

流体力学是研究流体的力学运动规律及其应用的学科，是一门理论性很强的课程，但由于内容比较抽象、逻辑性强，学生反映这门课程很难学，更谈不上在学习中开发创新型思维。而高等教育的目的就是在传授给学生大量知识的基础上挖掘学生的学习能力，提高学生分析问题处理问题的能力、培养自学能力和创新能力。本文探讨了流体力学教学中创新能力的培养措施，从教学方法、教学手段、教学内容等方面进行了有益的探索，以期对今后的教学有借鉴意义。

一、流体力学的地位和教学特点

流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律，在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。对于土木类、力学类、环境类等专业来说，流体力学是重要专业技术基础课程，是为后续课程和进一步的学习奠定理论基础。

由于流体力学中有部分概念（如流线、滞止参数等）非常抽象，加上运动方程为多元偏微分方程，所以学习起来有一定难度，被学生戏称流体力学教材为“三大天书”之一。但流体力学的知识运用非常广，不仅和日常生活息息相关，而且也是国家很多重大工程的理论基础。重大工程给流体力学提出了新问题，流体力学为重大工程提供了理论基础。

二、目前流体力学教学中存在的问题

我们在培养学生时常常遇到学生把所学的知识束之高阁，不能与工程实际联系起来，遇到实际问题更是无从下手，建模能力差，具体表现如下：

（一）内容枯燥与叙述晦涩

课堂教学内容枯燥，学生学起来费劲。很多学生上课专心记笔记，但和老师的互动很少，有问题也不可能打断老师的讲解和老师共同探讨，甚至提出异议。学生没有创新性思考、发散性思考，等期末的时候为了应付考试而死背书，即便是考试过关，也不知课本所云，谈不上对课程的全面认识和创新性思考。

（二）多元偏微分方程求解困难

对于大多数工科的学生来说，流体力学采用的教材和授课方式也应与理科不同，如果片面追求理论体系的完整和抽象的理论推导，流体力学课程完全就是数学课，严密的公式推导里有大量的多元偏微分方程，甚至连流体运动的描述方法和无粘性流体运动的方程组都是数学家L.欧拉提出的。在经典流体力学中，常用的流体输运公式推导方法就是微分极限定义法，该方法虽然数学分析严密，但过于复杂冗长，不易掌握。

（三）与后续专业课的衔接性差

对于建筑环境与设备工程专业来说，流体力学就是一门专业基础课，后续还有流体输配管网等课程，两者之间联系密切，很多同学这个学期学完流体力学，下学期学习流体输配管网，就把前面所学知识忘了，导致在学习流体输配管网课程时，要花大量学时复习前面学过的知识。

（四）多媒体课件的局限性

不是所有的课程都适合用幻灯的形式上课，流体力学中的理论部分如果都用幻灯的形式整屏的打在幕布上，导致学生记笔记困难，速度太快来不及思考，公式推导部分缺乏因果关系的阐述，分不清讲课内容中的重点和难点等等，多媒体课件应该是多种媒体，而不是单纯的幻灯。

三、教学方法和手段的改革

（一）课堂教学方法的灵活性

启发式和讨论式教学不是空谈，这需要任课老师在备课的时候充分考虑到学生的原有知识水平、兴趣点和思维速度方式等，只要学生对所学的流体力学知识产生了研究创新的浓厚兴趣，他们就会产生强烈的求知欲，就会如饥似渴地去学习和钻研。

作为教师的首要问题是不断改进和优化教学方法。要把过去以“教师单方面讲授”为主的教学方式转变为“启发学生对知识的主动追求”上来。激发学生独立思考和创新的意识，培养他们在自主的基础上增强创新能力，切实提高教学质量。

例如：同一定理或公式有多种推导方法，本构方程即可以在应变率与粘性应力成线性关系的前提下，引用4阶各向同性张量来推导，也可以通过流体微元的力平衡关系来建立，前者几乎是纯粹的数学推导，而后者则采用了学生熟悉的针对单元体和隔离体受力分析的方法。学生对于后者的推导方法比较容易接受，学习效果比较好，同事也巩固了理论力学中所学的知识。

（二）实验教学与动手能力的培养

常规流体力学课程会设置4～8学时的试验，安排2～6个试验，学生到实验室由实验老师指导完成实验，并提交实验报告，由实验员老师给定实验成绩，实验室实行全天候开放。由于课程学时数有限，不能涵盖流体力学常见的试验，那么很多实验都是由老师在课堂上讲述，学生接受起来效果很差，但是，如果把实验搬进教室，老师演示试验代替枯燥的讲述更具有说服力。

将实验室彻底开放，而不是针对几个开放性试验开放。学生可根据所学的知识自行设计试验内容，首先编写提交实验申请，经实验员老师审核后，可根据学生自己的课程计划，安排实验时间，实验室者延长工作时间，学生可利用课余时间和第二课堂时间做大量的实验，以培养创新能力，激发学生对流体力学课程的兴趣，有兴趣之后可以在老师的指导下经行相对有深度和难度的、紧扣工程实践的试验内容，让学生写出实验原理和实验步骤，根据实验结果撰写研究论文。长此以往，学生的实践能力和创新能力将都可得到大幅度的提高。

（三）考核形式多样化

考试是手段不是目的，但学生的成绩对学生的奖学金的评定、找工作都有很大的影响，因此学生考前死记硬背，考后不知所云。部分学生厌倦考试、害怕考试，形成恶性循环，学习的积极性越来越小，甚至有厌学情绪、逃课。

如果将传统的闭卷考试改革成形式多样的考核，学生的学习效果会有所提高。比如：口试和开卷考试。老师可根据一个实际问题，给学生一个分析问题的背景资料，给学生一定的思考时间，然后让学生以口述或笔试的方式分析问题，求解答案。甚至可以安排一些没有统一标准答案的探讨性问题。采取大作业、小测验等方式注重平时成绩，而不是完全按照期末考试卷面成绩定课程的总成绩。这对于学生来说是一种开发学生创新能力的导向。

四、教学内容紧扣工程实践

（一）整合教学内容，解决学时压缩问题

构建“理论性教学、实践性教学和研究性学习”相协调的课程教学新体系。有效实行“理论性教学＋实践性教学+研究性学习”的教学模式，将课堂理论学习、课外实践和学术活动有机结合，营造创新实践能力培养的融洽环境。树立具有时代特征的教育质量观，注重学生知识、能力、素质的协调发展，培养学生创新精神、实践能力、自学能力和社会适应能力，培养学生终身就业和创业能力。例如，围绕土木工程专业教学体系的三个环节，结合实践性教学平台和研究平台，培养高素质应用型专业人才，服务工程建设。例如：流体动力学和流体运动学中有很多概念有相似的地方，可以合并内容，减少学时数，起到较好的学习效果。

针对不同的专业，我们在整合教学内容的时候应考虑不同专业的不同要求，如考虑到建筑环境与设备工程专业以空气调节、设备安装为专业目标，学生偏重气体的传输和运用，将可压缩流体部分作为重点内容，而取消明渠流动内容；土木工程专业针对水厂和城镇给水排水管网建设的要求，除重点讲解有压管道和管网外，将明渠均匀流作为重点，而非均匀流则主要介绍常用堰和三角堰等。环境工程专业则考虑到环境保护方面的需要，着重论述流体力学基本知识，删减了明渠非均匀流而增加可压缩流体流动，使学生对水、气体的流动特点有深刻的理解。

（二）工程实践案例补充课堂教学

社会的发展需求是推动科学发展的第一动力。社会需求和科技创新是推动人类社会生产力发展的两大动力。所以高速发展的社会也给流体力学发展提出了很多新问题，随着重大工程中各种流体力学问题的研究、工程的实施，也给我们流体力学教学提供了很好的素材，在课堂中，把这个问题提出来让学生思考，无疑增添了学生学习流体力学的动力。

1.南水北调工程中的流体力学问题

南水北调是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程。我国南涝北旱，南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置，大大缓解我国北方水资源严重短缺问题，促进南北方经济、社会与人口、资源、环境的协调发展，分东线、中线、西线三条调水线。中线工程总干渠全长1241.2km，渠道断面采用梯形断面，设计水深随设计流量由南向北递减，由渠首9.5m到北京3.5m，底宽由5.6m～7m，穿黄工程采用倒虹吸管设计，在设计中根据长管水力计算计算渠道流量，根据最佳水力断面设计渠道横断面，根据倒虹吸负压将水顺利送过黄河，根据明渠理论计算渠道坡度和流速等参数，这内容均在流体力学本科教材中有详细的介绍。

2.超高层建筑中的流体力学问题

众所周知。超高层建筑中的风荷载是非常重要的荷载之一，在结构设计中必须考虑风荷载。当建筑外形比较复杂的时候，可根据湍流模式理论进行风载数值模拟，同时还要与结构振动相关的定常与非定常绕流的涡旋脱落规律。在风洞试验室内还可进行不同外形超高层建筑风荷载的研究，一般计算时采用的均布荷载处理是不合适的，在迎风面中上部风压系数较大，可取1.0，侧风面和背风面风压系数大多为负值，特别是靠近角落处由于涡旋脱落，其值可达到-2，要想使试验内容与真实建筑外表风荷载相似，就必须在实验前设计好相似准则和模型率，这就是流体力学典型的研究方法。

3.蛟龙号的流体力学问题

为推动中国深海运载技术发展，我国研制的“蛟龙号”载人深潜器于2012年6月27日在马里亚纳海沟下潜深度达7062.68m，理论上工作范围可覆盖全球99.8%海洋区域，为中国大洋国际海底资源调查和科学研究提供重要高技术装备。“蛟龙号”具备深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能，空重不超过22t，最大荷载是240kg；最大速度为每小时25海里，巡航每小时1海里。在研制过程中，科研人员先后运用流体力学的基本理论解决了超大静水压力的问题、深海流场的运动问题，巡航速度设计、外形设计等流体力学问题，为“蛟龙号”载人深潜器的研制奠定了理论基础。

4.新型战斗机研制中的流体力学问题

目前，我国已构建了具有中国特色的主战装备、保障装备和电子信息装备协调配套的现代化武器装备体系和独立完整的国防科技工业体系，在武器研制方面第五代战机“龙幻”就是典型的实例，严格讲它类似于航空飞机，是美国目前最先进的战斗飞机飞行高度的2.5倍左右，同时“龙幻”在遇到导弹攻击时，一旦发现被锁定，可以迅速以发射导弹一样的速度逃逸，使敌导弹始终无法追上其飞行速度。机体全部采用高科技航空材料制成，采用了多种成熟的纳米技术，大大减轻了飞机重量，流线型外形设计可谓奇特，航程约6.6万公里左右，可携带2枚核导弹，2枚空对地导弹，2枚空对空导弹，辅助配有激光空战系统。在研制过程中对于飞行动力等关键参数、飞行速度的设计、外形的设计等就是运用流体力学的动力学和运动学原理计算的。

5.高铁时代高速列车中的流体力学空气动力学问题

随着京津城际、武广高铁、郑西高铁、沪宁城际高铁等相继开通运营，中国高铁正在引领世界高铁发展。目前，我国已建成“四纵四横”的铁路网，这个世界最大的高速铁路将把经济最发达的长三角、珠三角、环渤海湾地区以及其他城市比较密集的区域结合起来。针对高速列车运营时速接近380km/h，科研工作者运用流体力学中的空气动力学知识解决了空气阻力的问题、流线型车头外形设计问题等问题，保证了列车运行有足够的加速力，随着高速运转时粘着系数的下降，为此需要采取提高轴重（动力集中）或增加轴数（动力分散）等措施提供必要的保证。

五、流体力学教学中创新能力的培养措施

实践教学是培养学生分析问题和解决问题能力的一种重要途径，是巩固理论知识、开发创造力以及检验学生是否具备综合运用理论知识能力的重要环节。面对越来越多的挑战，我们在流体力学教学过程中应加强创新能力的培养。主要从以下几方面入手：

开设基础型、综合型、设计型、创新型等不同层次实验类别，实验方法向多元化发展，内容向工程和研究延伸。包括应用实习、多媒体演示实验、网络虚拟实验、计算机仿真、基础实验、综合性设计实验、开放实验、工程模型制作等多形式、立体化的教学模式。以设计型为主体的“多层次、模块化”的实验新体系，既适应不同专业层次，又适应学生个性发展与特长培养。

强化系统性实践训练，意在培养学生掌握科学的实验方法。鼓励学生参加教师的科研项目，使教学和科研有机地结合起来，激发学生科学研究的意识，培养学生的基本科研能力。建立了开放的实验硬件平台和网络信息平台，实现了虚拟、仿真、模拟，课内外实验，科技制作与竞赛的多元化教学模式。

积极组织和参加多种流体力学的第二课堂活动。围绕“流体力学”通过组织学术讲座、组织参加全国大学生力学竞赛、有序组织学生参与科研活动、撰写科研小论文等活动，提高学生学习流体力学课程的兴趣和论文写作能力。

始终贯彻理论联系实际，将学生创新思维和独立分析问题、解决问题能力的培养贯穿于实践教学中，一直在探索和实施课程相关的实践活动，为学生提供培养创新意识和实践能力的平台，将实践教学贯穿于整个教学过程，建立多层次全方位的实践教学新体系，培养工科学生的创新实践能力。

树立“知识-能力-素质”三位一体的人才培养质量观，坚持“强基础、重实践、有创新”的教学理念，切实有效的实行“理论性教学＋实践性教学+研究性学习”的教学模式，将理论、实践和学术活动有机结合。为此，我们积极探索课程教学改革和教学研究，把力学课程教学建设和体系改革视为一项有机的系统工程，建立理论性教学、实践性教学与研究性学习三者内在的有机联系和相互衔接，营造学生创新实践能力培养的融洽环境。

在教学手段方面实现从传统方式向“信息技术（计算机、多媒体、网络）”的转变。科学合理地使用多媒体课件进行教学，大大提高了流体力学课堂的信息量和教学质量。充分利用现代网络资源，提高教学效率，培养学生信息获取能力。搭建了学生与教师沟通的新平台，建立了课程公共电子信箱、课程BBS论坛、力学课程教学资源库等互动教学平台，成为课堂教学的有力补充。

以培养学生创新意识为目标，开展大学生创新实践活动。突出基础实验技能培训和创新能力培养，集约化建设系列实验技术大平台，整合优化实验教学内容，强化对学生的实践动手能力训练，鼓励学生实施设计性力学实验，提高学生学习力学课程的兴趣和技能，实现知识、能力、素质培养的一体化。

六、结语

流体力学教学中对学生创新能力的培养是教学改革的重要举措，我们针对目前流体力学教学中存在的问题，对教学内容进行优化整合，改进了教学手段和教学方法，并紧扣工程实践，将创新能力的培养溶于每节课的教学过程中，并对考核方式方法经行改革，取得了显著的成果。

[1]胡亚非，张文军，王启立，刘欣.工程流体力学的大视角——矿加与过控专业工程流体力学教学体验 [J].中国现代教育装备，2011，117（5）：81-82.

[2]刘湘云，刘良德.流体力学泵与风机综合性实验教学实践[J].广东工业大学学报（社会科学版）.2010，10（Z1）:152-154.

[3]李欣，郭仁东，马新宇.流体力学课程教学改革探讨[J].沈阳教育学院学报，2011，13（2）：54-55

[4]张培红，王晓华.流体力学课程分层次教学模式研究[J].沈阳建筑大学学报:社会科学版， 2007，9（2）:238-240.

[5]唐兰.提高流体力学课程教学质量探讨[J].高等建筑教育，2007，16（1）:42-44.

[6]高慧.浅谈流体力学教学的哲学意味[J].科教文汇，2007，（4X）:106-106，110.

[7]李欣，郭仁东，马新宇.在《流体力学》教学中如何合理使用多媒体[J].沈阳教育学院学报，2010，（4）:87-88.

[8]徐正坦，陈鲲，马立艳.创新《流体力学》课程教学探索[J].福建工程学院学报，2008，6（5）：485-487.