面向环境工程专业的《流体力学》教学探讨

王军 麻巍巍 刁永发

摘要：文章概述了流体力学的特点，在此基础上结合从教经验，探讨了提高流体力学教学质量的方法和技巧。

关键词：流体力学；教学改革；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）10-0158-02

环境工程是一门与土木建筑、化学工程、生物学、气象学、管理学和社会学等多门学科相关的交叉学科，通过评价人类生产和社会活动对环境的影响，用具体的工程、规划和管理措施，控制环境污染，保护环境与资源，使社会、经济和环境协调发展。环境工程专业的目标是培养具有可持续发展理念，具备水、气、固及物理性等污染防治，环境监测与评价、环境规划与管理、资源保护等方面的知识，具有进行污染控制工程的设计及运营能力，制定环境规划和进行环境管理能力，以及环境工程新工艺和新设备的研究和开发能力，能在政府部门、规划部门、经济管理部门、设计单位、工矿企业、科研单位、学校等从事规划、设计、管理、教育和研究开发方面工作的环境工程学科的高级工程技术人才。环境工程专业培养的学生应具有扎实的环境工程理论知识、专业技术和工程设计能力，特别是在有机废水的生物化学处理、可持续发展的垃圾填埋处置、绿色交通体系构建及环境污染修复的生态工程等方面的理论和技术具有特色。其主干课程包括：土木工程制图、工程力学、物理化学、工程流体力学、环境工程微生物学、环境监测、环境工程原理、水污染控制工程、固体废物处理与处置、大气污染控制工程、环境规划与管理从环境工程专业的培养目标、专业特点及主干课程中可以看出流体力学这门课与环境工程专业人才的培养有着千丝万缕的联系。那么流体力学是一门什么样的学科呢？流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。远古时代，人类就会根据流体的流动性，采用疏浚的办法治理洪水，如古埃及人对尼罗河泛滥的治理及中国大禹治水的传说；不仅如此，古时候的人们还利用河水的流动特性，修建引水灌溉工程，如李冰父子修建的都江堰河道及古罗马人修建的供水管道系统，至今还在发挥着作用。古希腊的阿基米德建立的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础，对流体力学学科的形成做出了重要贡献。随着经典力学中速度、加速度，力、流场等概念的建立以及质量、动量、能量三个守恒定律出现，流体力学逐步成为一门严密的学科。20世纪初，随着飞机出现，流体力学领域出现新的分支学科——空气动力学和气体动力学。空气动力学和气体动力学的飞速发展导致飞机和其他各种飞行器得到迅速发展，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系，从而使航空航天事业得到蓬勃发展，也使空气动力学和气体动力学成为流体力学中最活跃、最富有成果的领域。随着工业和军事领域的发展，流体力学分化出了更多的新领域及交叉领域，如石油和天然气的开采，地下水的开发利用导致了渗流力学的出现，渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。燃烧过程的研究导致了物理-化学流体动力学的出现；对原子弹爆炸产生的冲击波的研究，形成了爆炸力学，对沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题研究导致了多相流体力学出现；对等离子体在磁场作用下运动规律的研究催生了等离子体动力学和电磁流体力学，它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用；环境问题的出现及对流体力学在环境问题的研究中的应用，导致了环境流体力学的发生与发展；流体力学在血液在血管中的流动及心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送的研究中的应用，导致了生物流变学的出现。综上所述，流体力学的出现、发展来源于人类的生产实践、人类同对自然界的认识、探索及人类同自然灾害的斗争，同时对人类的生产活动和探索活动期指导作用。因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学，主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

流体力学中研究得最多的流体是水和空气。除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等，气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，汽车制造，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。因此流体力学是化工、环保、土木建筑、给排水、能源等许多专业的专业基础课。因此该门课是培养专业人才的基石，具有举足轻重的地位。流体力学的内容包括流体静力学、流体运动学及流体动力学。流体动力学的理论基础包括纳维-斯托克斯方程、边界层理论及位势流理论等。流体力学的学习涉及到力学知识和、高等数学的微积分知识及场论，学生普遍对这些内容感到头疼，因此教好流体力学，对老师是一个不小的挑战，而学好流体力学，对学生来说，更是一个挑战。首先在教学方面，很多专业在流体力学的教学上，缩减学时数，而流体力学理论和应用两方面的内容都很多，要在短时间内把理论和应用都讲透彻，几乎是不可能的。其次从学生的角度来讲，觉得流体力学理论部分太抽象，主要是流体力学涉及到受力分析及数学里面的微积分、张量等，而这些知识都让人感到高深莫测；而涉及到理论部分在工程上的应用，就更让人一筹莫展了。因此很多时候一提到流体力学，就会令老师摆脑袋、学生皱眉头。笔者在近几年的流体力学教学中，积累了一点教学心得和体会，在这里想和各位同行分享。在流体力学的理论部分的教学方面，以激发学生的学习兴趣为首要任务。兴趣是最好的老师，因此这是任何专业的流体力学需要做的事，而且也是很不容易做到的事。那么如何才能激发学生学习流体力学的兴趣呢？首先要让学生感到流体力学这门课非常有用，只有让学生感到流体力学这门课有用，学生才会有兴趣来学习。在讲新的原理之前，先提出一些与该原理有关的日常生活中的现象，并让他们来解释，因为没有学过这个原理，他们肯定解释不出来，这个时候老师再揭示谜底，说这些现象与我们即将要讲的某某原理有关，该原理具体是什么样的呢？怎么用这个原理来解释老师提到的这些现象呢？学生们就会带着这些问题来听老师讲解了，这样给学生们上课就会收到事半功倍的效果了。比如讲到动量定理的时候，先让同学们思考：机动船在水中前进的动力来自于何处？飞机为什么能在空气中前进？待把动量定理讲完后，再让同学们用刚学过的原理来分析这两个问题。再比如柏努力方程是关于能量守恒的问题，在讲完柏努力方程的时候，可以让同学们用该原理来分析电风扇周围的流场分布，也就是风扇周围哪个地方的流体压强大，哪个地方的流体压强小，并用柏努力方程来解释；还有火车开动时，人或物离火车太近，容易被卷入轨道，是什么原因等等，都可以用柏努力方程来解释。通过对这些习以为常的现象的分析，一方面不仅可以加深同学对柏努力方程的理解，更重要的是可以激发同学的学习热情。其次是收集一些流体力学原理在生产、交通、军事等领域中重大事件中的应用，激发学生的时代责任感，让他们感到为了国家和民族的发展、为了国家的繁荣昌盛而努力学习是一件光荣的事，增加同学努力学习的动力。比如给同学们讲讲空气动力学专家钱学森、冯.卡门及普朗特的故事，或者讲讲空气动力学在军备中的重要作用、钱学森老前辈在我国的航空航天领域的发展中的突出贡献及水力学在三峡大坝建设中的作用等等。同学就会觉得原来学好流体力学这门课，不光是学位、文凭的事，更重要的是可以为国家做贡献，从而树立远大的理想，学习上就会有动力了。再次要让枯燥的理论公式变得生动有趣。在理论公式的学习中，注重介绍理论公式产生的背景及其应用，淡化公式的推导过程，强调推导过程中用到的数学知识的名字，布置任务，让学生们课后自己查阅数学书籍，自己动手推导公式，课堂上再检查，调动同学的学习主动性，培养学生的自学能力。在公式的应用方面，老师在课堂上要多讲例题，多让学生练习，让学生做到举一反三，触类旁通，在理论公式的应用过程中，让学生体会到学习到知识的喜悦，体会到成就感，从而激发学生的学习热情。再次，流体力学理论内容繁多，在教学内容的选材方面必须根据专业特点进行取舍，体现专业特色。与专业关系密切的部分，重点讲述，与专业关系不大的，作概述，做到师傅引进门，修行在个人，给学生留有思考的余地。比如环境工程专业、建筑环境与设备及能源与环境等专业都有各自的特点，而流体力学都是它们的专业必修课，因此在讲流体力学课的时候就需要紧扣专业的培养目标。环境工程中，污水处理设施中的氧化沟与流体力学中的明渠流相同、污水沉淀池的溢流堰与流体力学的堰流有关……这些与环境工程专业特点联系较紧密的章节，应该选作重点，而其他与环境工程专业联系不大的章节，可以作为自学部分，老师在课堂上点评。在流体力学的工程应用教学方面，紧密结合本专业的特点，理论联系实际。带领学生实地考察，从生产中发现问题，并用相应的流体力学知识来解决；或从现场采集数据，用相应的流体力学知识进行验算，并与实际的数据进行比对，讨论理论计算值与实际数据产生差异的原因，从而增强学生的工程观念。

如何搞好流体力学的教学是一个不断探索的过程，需要同行之间交流与切磋，共同提高，为培养高素质的人才，而共同努力。