基于土木工程专业人才培养的流体力学课程教学改革探索

摘 要：流体力学是土木工程专业一门重要的工程技术基础课程，该课程具有知识点维度广难度大、概念抽象、与工程实际联系较多等特点，然而目前该课程的教学过程中存在着重视度不够、与土木工程专业知识结合较少以及授课教师未能因地制宜制定教学方法等问题，且相关教学研究对上述特点及存在问题的讨论较为有限。由此，本文从教材选用、教学内容选择及教学过程设计等方面，详细阐述了该课程教学改革的具体措施。基于该教学改革措施，以计算流体动力学为基本工具，即可因地制宜地制定教学方法，引入相关专业知识体系，加深学生对流体力学以及土木工程专业知识的理解，该教学改革措施可取得较好的效果。

关键词：流体力学；土木工程；计算流体动力学；教学改革

随着科技的发展，如今高层或超高层建筑结构越来越多，而大跨度桥梁的建设也屡见不鲜，对土木工程专业的学生而言，掌握流体力学知识显得愈发重要。流体力学是土木工程专业一门重要的工程技术基础课程，该课程的设立目标旨在使学生掌握流体力学的基本概念和基本规律，能够运用流体力学的基本原理求解工程实际问题。对于土木工程专业而言，涉及流体力学的工程结构主要为风作用下的高层建筑结构、风或水作用下的桥梁结构以及水作用下的水工结构等。

1 课程特点分析

土木工程专业本科生所学的力学课程主要包括理论力学、材料力学、结构力学、流体力学、土力学及弹性力学等。流体力学与其他力学课程相比，具有一定的特殊性。从力学研究对象角度而言，除流体力学以外的上述力学课程均属于固体力学范畴，而流体力学可被认为是与固体力学平行的另一力学分支，这表明流体力学与其他上述单个力学课程相比，其知识广度以及难度原则上更大，由此引申出该课程的以下特点：

（1）课程知识点分支较多，分布零散，维度较大。流体本身包含了气体和液体两类，而二者的力学特性实质上有较大差别，因此这两类流体又分别能细分出各自对应的常见力学课程，即空气动力学和水力学；按照经典力学的分类方法，流体力学又可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学三部分，各自又有自己的分支；从流体是否具有黏性的角度又可将流体分为无黏性流体和黏性流体，二者的计算求解差别也较大。除上述主要分类以外，在细节方面还有较多的分类或分支，知识点分支较多，分布较为零散，枝繁叶茂，在本科生初次接触时，往往很难把握该课程的主体脉络，不能理清前后知识点之间的关系，从而导致学习不够系统，效率不高。

（2）课程知识点难度较大，概念抽象，计算复杂。和固体力学所包含的力学课程相比，流体力学的概念理解更为抽象，这点对于空气而言更甚，因此在教学中，流体力学更难以进行实物的举例和演示，造成力学概念较难理解。除此之外，知识点的难度也较大，大量的公式均基于方程的推导，对数学基础要求较高；计算过程较为复杂，尤其是以NS方程为代表的动力学方程，必须基于数值计算进行求解，从而又引出了计算流体动力学（CFD）这一数值计算工具，使得学生对概念的理解更易产生混淆。

（3）课程与工程实际联系较多，不可或缺，但又有一定的独立性。从力学课程体系上来说，基于刚体运动的理论力学和基于杆件力学特性的材料力学为流体力学课程的先修课程，主要提供了该课程所需的基础知识，如弯矩、剪力等概念。而流体力学课程主要是解决工程结构荷载输入的问题，即确定作用在结构上的流体荷载。基于该输入荷载，即可进一步结合结构力学等力学知识，计算工程结构构件的内力和变形，進而依据结构形式特点，基于结构设计知识，确定结构构件尺寸和配筋信息。由此可见，流体力学扮演着确定流体荷载输入这一关键先决角色，在土木工程专业课程体系中不可或缺，与各课程联系紧密，不仅如此，该课程又与土木工程专业热门科研方向如工程结构抗风分析等联系极为紧密，为该科研方向打下基础。然而与部分核心专业课程相比，其在土木工程专业培养体系中又显得较为独立，知识体系较为零散，造成部分土木工程专业任课教师对该课程较为忽视。

目前，部分高校对此课程重视度不够，为了便于全校资源的统一调配，往往采用全校公共课或专业选修课的形式进行授课，教授土木工程专业该课程的教师可能来自其他专业，授课时不能很好地与本专业知识有效结合，且部分教师授课时，不能因地制宜地依照教学对象的实际情况制订教学方案，教学过程死板，教学方法生搬硬套。由此可见，如何结合本专业知识，针对学生因材施教、因地制宜地授课，是目前该专业流体力学课程的教学改革重点和方向，本文进行深入探讨。

2 教学研究现状

目前已有部分教学研究者针对流体力学课程的教学模式进行了不同程度的改革探索，研究的热点主要为课程思政的融入、课程教学工具的使用以及课堂教学的改革等。如兰雅梅等［1］结合德育实施情况提炼了该课程所含的思政教育内容；孙优善等［2］对思政教育的融入方法进行了详述，并探索了具体融入路径；王维等［3］就目前该课程教学内容和形式等方面存在的问题，从教师自我提升、教材改革以及教学环节等方面提出了教学改革的思路和措施；张引弟等［4］探讨了课堂考核方式，详细阐述了半开卷考试的特点和效果，并证明半开卷期末考试耦合多元化的过程性考核有助于培养学生理论联系实践的能力；王冲等［5］简要介绍了问题链教学模式，分析了该教学模式的内涵和关键要素；许栋等［6］以总流能量方程及水头损失计算教学为例，设计了“自来水水龙头堵住一部分出口后水流喷射的距离和流量如何变化”这一简单生活实践问题，基于生活实践探索了课程的启发性教学；陈庆光等［7］总结了流体质点与流体微团、连续介质假设、牛顿内摩擦定律、不可压缩流体等基本概念的教学方法；包图雅［8］阐述了计算流体动力学软件FLUENT在课程教学改革研究中的应用。然而，关于该课程的教学研究依旧较为匮乏，对本文上节阐述的教学现状基本问题鲜有提及，且针对土木工程专业的教学讨论较少，尤其是结合流体力学对土木工程结构理论联系实际的阐述严重不足。

3 教学模式改革详述

3.1 教材选用

在选择教材时，应当首先对比市面上各类流体力学教材，综合分析教材的优缺点，最好能选择一些作者出身自土木工程专业并且能够结合工程实例的教材［9］。相对而言，部分教材对于理论推导过程讲解较为详细，应当主要针对研究型高校的本科生，而部分教材则对实际应用阐述更为详细，应当主要针对应用型本科高校的本科生，而对于中外合作办学类的土木工程专业，可优先选择一些优质的英文教材［10］。

3.2 教学内容选择

传统的流体力学教学内容主要包括流体静力学、流体运动学以及流体动力学这三大力学部分以及随后的量纲分析相似原理、流动阻力和水头损失等与工程联系相对更为紧密的各部分。对于教学内容的选择和课时的分配，应当结合授课学生的具体情况决定。以下进行阐述：

（1）三大力学部分为本课程的理论基础，这部分如对研究型高校的学生进行授课，应重点讲授公式的推导过程以及公式的理解，而对于应用型高校的学生来说，公式的实际应用可能更受关注，应重点阐述。

（2）量纲分析和相似原理部分主要阐述了量纲分析法以及相似原理，前者为寻求各物理量的关系、推导理论公式提供了方法，对所有基于物理类知识的专业学习均有较大的裨益，而后者则为试验研究提供了基础，指导了流体力学缩尺模型试验的进行。因此对于研究型高校而言，这部分内容可相对更多地阐述，且量纲分析法部分可考虑作为独立内容融入其他课程的学习中。

（3）剩下的部分与实际工程联系相对更为紧密，教学内容应当根据授课对象的实际情况进行取舍，如流动阻力和水头损失这一部分为基本内容，对于土木工程专业所有方向的学生都应当有效讲授；有压管流这部分内容由于主要阐述了有压管道流动中的流体力学现象，因此应当对市政工程方向或建筑环境设备方向的学生重点讲授；明渠流动这部分主要阐述无压明渠中的流动规律，因此应当对土木工程专业交通土建方向的学生重点讲授；堰流这部分内容应当对水利工程方向的学生重点讲授；渗流这部分内容讨论了水在土孔隙中的流动现象，可考虑针对土木工程专业岩土方向的学生重点讲授。如培养方案课程学时较为紧张，以上内容也可作为独立内容融入相应方向的专业课中，如明渠流动这部分内容可考虑融入“桥梁工程”课程中；渗流这部分内容可考虑融入“土力学与基础工程”课程中，从而提高课程的教学效率。

3.3 教学过程设计

这部分内容是重中之重，由于本文探讨的是如何针对土木工程专业进行流体力学课程的授课，因此在教学过程和授课方法上应注意结合实际工程结构，在授课过程中可通过工程问题作为引入，设计教学环节，以下为若干实例：

3.3.1 相似原理部分

该部分由于包含模型试验的内容，因此对于某些具备风洞试验室或水工模型试验室的高校，可在授课时结合建筑结构风洞试验或桥梁结构水工试验的设计进行授课，如授课教师本人从事过相关试验的设计或研究，可直接以其科研成果为例进行阐述，提高学生理论联系实际的能力。以下为某授课内容设计实例：

（1）以某缩尺模型风洞试验为引子，给定某实际工程结构的尺寸、结构10m高处的平均风速，以及风速观测时间，由此进行模型的设计，引出长度比、时间比以及速度比等概念，并引出相似原理的含义及作用，阐述几何相似的概念。

（2）关于相似准则的应用，针对该风洞试验模型，介紹雷诺准则、弗劳德准则以及欧拉准则的概念，并且结合试验实际情况，阐述选定准则的注意事项。

（3）针对已知的几何相似比，确定如风压比、风压系数比等关键指标，阐述运动相似和动力相似的概念。

（4）进一步选择性拓展，对需要加深学习的情况，选择性地讲解风洞试验的过程以及试验的可能结果。

以上教学设计可加深学生对相似原理和模型试验的概念理解，并为学生之后学习结构抗风等相关知识打下基础。

3.3.2 计算流体动力学数值分析的应用

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是目前采用数值分析方法进行流体力学分析的重要工具和手段，在土木工程专业流体力学的授课中，可结合CFD进行知识点的讲解，加深学生对概念的理解。涉及的部分如下：

（1）黏性流体运动微分方程部分。黏性流体运动微分方程（NS）方程是实际流体求解的基本方程，而CFD的求解过程实际上就是求解NS方程，因此可在阐述这部分内容的时候，结合CFD的背景进行介绍。

（2）相似原理模型试验部分。该部分已在上节详述，即可以通过设计风洞试验进行授课，在最终得到风洞试验结果时，可采用CFD进行对比分析，得到对应风洞试验的数值解，如结构表面风压系数等，将结果以云图的形式展示给学生，并与试验结果进行对比分析，加深学生对模型试验这部分内容的理解。

（3）边界层和绕流阻力部分。该内容为流动阻力和水头损失部分的重点之一，可采用CFD模拟某圆柱绕流问题，展示水流绕流的过程以及圆柱背后的尾流旋涡，模拟出圆柱体受到的绕流阻力，从而给学生直观映像，并结合数值模拟内容阐述“失阻”“边界层”“黏性底层”等概念。

3.3.3 绕流阻力中涡激共振部分

涡激共振指的是在卡门涡街中当旋涡发生频率与物体自振频率耦合时引起的物体共振现象，该部分的授课可采用以下教学设计：

（1）以具体工程实例为引子，引人入胜地引入教学主题。在授课前可播放工程结构的振动视频，给学生留下直观映像。

（2）基于CFD数值模拟或实际工程风洞试验，展示卡门涡街的旋涡以及由此产生的交变侧向力，并进一步阐述涡激共振的原理、绕流阻力的概念以及计算方法，并与CFD数值模拟结果进行大致比对。

（3）通过以上交变侧向力的阐述，引入土木工程专业其他课程的相关知识，如交变侧向力产生的钢构件疲劳和断裂问题、能够减小侧向力产生效果的结构振动控制相关知识等。

在实际运用中，可考虑采用一周实训的形式，有效利用该课题进行项目化教学授课，甚至可以结合本科生的毕业设计部分，以该知识点为基础，研究某工程实际结构的涡激共振情况以及设计抑制涡激共振的手段。

结语

通过以上分析和教学设计，可以发现，在土木工程专业的流体力学授课时，可采用流体力学和工程实际相联系的方法，以CFD为基本工具，因地制宜地制定教学方法，引入土木工程相关专业知识体系，加深学生对流体力学及土木工程专业知识的理解，该教学改革对学生大有裨益，可取得较好的效果。

参考文献：

［1］兰雅梅，王世明，宋秋红，等.高校《工程流体力学》课程思政初探［J］.教育教学论坛，2019，433（39）：4647.

［2］孙优善，张长平，黄超，等.思政教育融入流体力学课程教学的路径探索［J］.创新创业理论研究与实践，2020，3（05）：152153.

［3］王维，贾月梅，王根伟.“双一流”建设背景下《流体力学》教学改革思考与探讨［J］.教育现代化，2018，5（40）：6163.

［4］张引弟，廖锐全，李元凤，等.《工程流体力学》课程考核方式的教学改革与实践［J］.西南师范大学学报（自然科学版），2015，40（04）：139143.

［5］王冲，顾建农，鄢红春.问题链教学模式在流体力学教学中的应用［J］.力学与实践，2012，34（03）：8183.

［6］许栋，及春宁，白玉川.基于生活实践的工程流体力学启发性教学初探［J］.力学与实践，2016，38（02）：195198.

［7］陈庆光，张明辉，朱绪力，等.流体力学课程教学中几个基本概念的教学方法［J］.力学与实践，2015，37（01）：138141.

［8］包图雅.FLUENT在流体力学教学中的应用研究［J］.新课程研究（中旬刊），2015，375（08）：7172.

［9］刘鹤年，刘京.流体力学.第3版［M］.中国建筑工业出版社，2016.

［10］YNakayama，RF Boucher.Introduction to Fluid Mechanics［M］.BathsworthHeideman，2000.

作者簡介：方钊（1989— ），男，汉族，江苏南京人，博士，副教授，研究方向：土木工程防灾减灾。