应用型本科院校流体力学课程教学方法研究

孙俊伟 陈善群

（安徽工程大学建筑工程学院，安徽 芜湖 241000）

0 引言

流体力学课程对于大部分工科专业来讲均为专业必修课，它的任务是为学生学习后续专业课程和从事专业工作奠定基本的流体力学基础，与很多专业都密不可分[1]。 专业课程教学包含理论与实践两个重要教学环节，传统的课程教学往往是以老师为中心而开展的，“教”和“学”分离与新时代人才培养需求有着诸多的不适应[2]。因此，教学方法改革已成为应用型本科高等院校育人综合改革的重要组成部分，也是更好地培养学生能力、知识、素质的有效举措。为迎合全面构建新型复合型应用人才培养体系要求，流体力学的教学方法也在不断地探索和完善。

1 流体力学课程特点及教学目标

对于学习基础课的低年级学生而言，熟悉的力学知识大多以固体为研究对象。对于较为陌生的流体而言必然出现一些全新的概念，如连续介质模型、流线、水头损失、水（击）锤等。 另外还出现了大量的公式和理论推导， 且理论分析过程中还会涉及高等数学、大学物理和理论力学知识点，因此需要相应课程的基本知识[3]。所以对于高数等课程基础比较差的学生，怎样使他们在枯燥又抽象的教学内容中激发出学习兴趣是教学的难处。 同时，在注重复合应用型人才教育大背景下，教学中应合理删减理论推导，适当增加专业应用内容。

学生掌握流体力学相关知识点后最终还要与专业实际相结合以解决工程中遇到的现实问题。这就要求学生熟悉专业动态，密切联系实际，将理论更好地应用于实践。 因此，流体力学课程教学要符合应用型本科教学培养目标， 构建适合其专业的教学体系，提高教学效率并取得较好的教学效果。

2 构建科学的教学体系

当前流体力学讲授内容偏于理论分析和实验验证，造成教学形式单一，教学内容复杂，教学过程枯燥，甚至部分学生产生“流体力学无用论”和畏难情绪。学生学习主动性变差，陷入机械学习，对老师产生“等靠要”依赖性心理，而课程教学发展的核心理论是以学生自我学习为核心，老师做适当引导进而提高学习效果。也就是说学生获取知识的过程不只是知识从外到内的简单传递过程，也不是原封不动的占有和接受过程，而是把知识转化为自己所有的过程，这是经过新内容和已有内容、经验之间循环相互糅合而形成的[4]。 因此，以课程教学发展核心理论作向导，建构科学的教学系统很有必要。

2.1 改革教学内容

从内容上来说流体力学主要涉及流体静力学计算和流体动力学三大方程的应用，但学科之间、专业之间分工越来越细[5]，相同的流体力学知识结合专业特点解决的问题侧重点也有所不同，所以教学内容要围绕各专业指导性培养方案， 紧扣教学大纲进行改革。 知识点应依据各专业教学大纲进行选取，但教学内容在此基础上可以做合理的删减和调整。与专业密切相关的内容要多花时间深入讲，与专业联系较弱的内容简单讲或者是作为自学内容。例如，机械类专业，在学习牛顿内摩擦定律后，为了加深理解和应用可对机械工程中常见的缝隙流动， 展开分析和专题讲解，而对其专业应用较少的长管流动、渗流等可少讲或作为自学内容。

2.2 改革教学方法

2.2.1 针对课程内容设计问题，提升学习者课堂参加度

针对学生要掌握的知识点， 如某些公式或信息，授课教师不能以口述方式强调其重要性并要求学生记住。这样学生为了课程考核会机械性地记忆上课所讲知识，或在不理解基本内容的基础上去识别正确答案。 这种机械性记忆难以长期维持，对培养学生解决实际复杂问题的能力而言是徒劳的。 在课堂上，教师应在介绍基本内容后及时引入问题，引导学生建立自己的理解认识，由自己的总结、判断去解决实际问题。教和学只有结合问题互动才能得到预想的教学结果。学生通过把知识点和自身经验相融合，才愈加能引发他们学习主动性。如为了让学生更好地理解总流的能量方程，可以让学生现场拿出两张薄纸，平行提在手中，顺着纸间缝隙吹气时，观察薄纸的状态变化是不动、靠拢还是张开。 学生尝试之后可以让学生利用总流的能量方程来解释这种现象。

2.2.2 CFD 技术融入教学，体现课程发展趋势

流体本质是无形的，认识并理解流体就是用有形去描述无形，但又不能拘于有形[6]。 尝试将CFD 应用在该门课的教学过程中。通过利用软件对基本流动现象进行数值模拟和分析， 将课堂所讲授的抽象概念、理论转化为形象的可视化图像及动画演示，更有助于学生对讲解知识点的接受。例如流体力学中涉及流场的描述，凭学生个人想象很难理解。 借助FLUENT 软件可以计算出不同雷诺数（Re）下流体流动情况。 图1从左往右分别为 10、102、103和 106四种雷诺数下二维圆柱绕流形态，从图中可以向学生形象地展示从恒定流到非恒定流、从层流到紊流圆柱绕流情况，同时雷诺数为103时圆柱后面流体出现卡门涡街周期性脱落过程，此现象也可制作后期动画向学生直观形象地展示。 这样教学过程中体现了课程发展趋势，同时也培养了学生创新科研能力。

2.2.3 开展第二课堂，强化协作学习

近年来，高校为提高学生综合素质而进行相关改革，鼓励把时间交给学生，教学学时存在不同程度的压缩。对流体力学课程而言仅靠上课时间掌握所有知识点是不现实的。 因此，可以根据实际情况柔性开展第二课堂，时间、地点和人数不限，以学生为中心、老师答疑和引导的形式开展。 学习的最终目的就是应用，教师积极引导学生思考，在尚未学习专业课之前就探讨学生感兴趣的相关专业问题，鼓励学生有自己想法，并组成学习小组，把教学过程中学生对老师产生的“等靠要”依赖性心理转化为同学之间的“拉帮带”过程。

经验背景和知识点掌握程度的差异，使得学生对问题的看法和理解也产生差异，这会使学生之间形成不同意见的质疑和交锋。 只有通过持续性的思索、交流和探讨，才会使学生对知识有更正确、全面的认识。另外，面对面互动式批改作业也是一种促进学习的手段，同样值得提倡。

2.2.4 丰富实践环节，培养创新能力

流体力学课程实践环节应以实验教学和学生创新意识为出发点。 目前，很多院校流体力学实验主要以国内几个实验装置生产厂家提供的综合试验台开展的。 受实验装置台套数和装置本身结构所限，实现项目开展率不高，部分能开设的实验其实验现象不能很好地表现出来。 长管沿程阻力和阻力系数的测定，由于装置管道长度不可能设置得太长，测压管高度差不明显，实验效果不是很理想。

实践环节的开展，应根据课程设置的要求和侧重点，制定合理的实验教学计划，把基础性、设计性和综合性实验有机结合起来。 可以利用已有实验台结合LabVIEW 平台开发仿真实验进行实验教学，二者形成互补可以大大提高实验开设率和实现很好的实验结果。 为进一步提高实践环节教学效果，实验平台应激励学生提出创意，自行设计开发新的实验研究内容。

3 结束语

流体力学课程教学要结合新时代大学生的特点，紧紧围绕学生在课堂中的主体地位，积极开展教学方法的良性转变。如何使学生在主观意愿上提高学习兴趣，获得较强的解决问题能力，教师的引导作用不可或缺。 在提高教师自身素养的前提下，努力构建科学的教学体系， 将流体力学课程建设改革循序渐进，引向深入，最终实现“因材施教”。

图1 二维圆柱绕流流线（局部放大）