工科流体力学教学方法与改革
[摘 要]流体力学理论性较强，内容抽象，是学生认为比较难学的课程。本文从教学理念、教学思路、教学手段和方法等方面对流体力学课程教学与改革进行探讨。在理论教学中，将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，侧重于公式的推导思路，淡化公式推导过程；在教学手段上，将多媒体和数值实验引入教学中，便于学生对复杂流动现象和抽象理论的理解；在授课过程中，采用多媒体技术具体形象地展示流体的抽象理论和复杂流动现象，达到了很好的教学效果，提高了教学质量。
[关键词]流体力学 教学改革 教学方法
[中图分类号] G424.1 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）05-0129-02
一、引言
流体力学是研究流体平衡和运动规律及其实际应用的技术科学，是航空航天、土木、机械、水利、化工、材料成型等多个学科的重要的专业基础课。流体力学具有理论性强、概念和方程较多、对学生高等数学知识及综合分析和处理问题能力要求较高[1]、工程实际应用广等特点。学好流体力学课程对专业课学习甚至对将来工作中遇到的理论和实际工程技术问题的解决具有重要的意义。
在流体力学的学习中，学生需要掌握大量的概念、定理、公式、经验参数和理论模型，而流体力学的理论较为抽象和深奥，且计算求解过程复杂，学生在学习过程中会觉得比较难学。[2]近年来随着科学技术的突飞猛进，计算机技术、实验手段和流体力学的应用都取得了长足的进步，如果仍然按照传统教学模式来讲授流体力学课程，那么学生就会觉得内容枯燥难懂，影响学生的学习积极性和效果。笔者根据多年流体力学的应用和教学的经验，并参照兄弟院校的先进经验，从教学理念、教学手段和教学方法等方面对流体力学教学改革进行论述。
二、教学理念的转变
流体力学课程教学的主要目的，不仅仅是让学生掌握课程理论知识，更是让学生应用流体力学的基础知识解决工程实际问题。因此，教师要在课程的第一次课，借助多媒体视频手段介绍流体力学在各个领域中的实际运用，尤其是在本学科工程实际中的应用，使抽象的理论知识具体化，让学生深刻体会学习流体力学的重要性，并激发学生的学习兴趣。在基础篇的课程讲解中，注重思路和方法的讲解，培养学生学习该课程和解决问题的能力。专题部分，每个专题要结合工程实际中的问题和学科前沿的发展讲解，让学生将所学知识更好地和工程实际结合起来，便于学生理解抽象的理论知识，并掌握在工程实际中的应用思路和方法。在整个教学过程中，把流体力学的教学从单纯的专业理论知识教育转变为知识、专业素质和能力并进的培养教育。 [3]
（一）课堂教学手段和方法的改革
1. 理论教学
理论内容是流体力学教学的主要部分，是进行实验指导、工程应用的基础。流体力学教材中有较多的计算公式及推导，在讲授这些理论内容时，如果像数学的教学那样，将重点放在公式推导上，不仅浪费时间，而且还可能使学生感到流体力学理论高深莫测，学习起来易产生畏难心理。所以，在教学过程中，应将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，侧重于公式的推导思路。[1]学生理解了公式建立的原理和推导思路，公式推导自然就不是什么难事了。例如，在流体力学基本方程的讲解中，以连续性方程为例，可将重点放在质量守恒定律的物理意义、流体微元各个表面上流入流出的流体的描述、微元内流体质量的变化及其各个量的数学描述上，根据质量守恒定律很自然地就可以写出质量守恒定律的数学描述，剩下的工作，就是采用简单的数学手段将公式简化整理。
在讲解公式的适用条件时，要让学生明白，特定适用条件（可举本学科工程实际或者生活中常见的现象）对应怎样的数学描述，在适用条件的数学描述基础上对应方程会有怎样的简化等。这样学生就会对方程有充分的理解，比单纯记公式效果要好得多。
相信大部分刚看到一堆公式就有点发怵的学生，经过这样的讲解都会有豁然开朗的感觉，理解连续性方程的推导过程自然也就不是问题了，同样方法可用于动量方程和能量方程的推导。讲完连续性方程的推导，引导学生讨论动量方程和能量方程应考虑哪些物理量，并引导学生如何在单元体上应用动量守恒和能量守恒，这样到了具体推导的过程大部分学生自己就能完成了。以这样的方式讲授流体力学课程，不但可以简化繁琐的数学推导过程，还可以使学生建立学科的思维方式，使流体力学的学习变得简单易行。
学生通过这样的方式学习流体力学，不仅学到知识，还形成学科思维方式，学到该类课程的学习方法并提高了利用流体力学知识解决实际问题的能力。
2.教学手段的改革
流体力学的很多理论较为抽象和深奥，许多复杂的流动物理图像难于用语言清晰地描述出来，因此在课程的讲解中，学生理解起来比较困难。
近年来，多媒体技术成为国内外改革教学方式的重要手段，利用多媒体可以形成新的教学模式，达到很好的教学效果，提高教学质量。[4]在教学的过程中，利用多媒体播放视频动画或者实验录像，将构造的生动实物形象搬上屏幕，引入课堂。这种方式形象生动，能够帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认识过程，加深学生对某些重要知识点的理解。
在实际教学中，有些流体力学现象无法用实验来演示，有些实验受各种条件的限制。在这样的情况之下，电子演示技术便显示其优越性。许多高校的流体力学国家精品课程，都有丰富的电子演示资源，尤其是上海交大丁祖荣教授的流体力学课程，将每部分的抽象概念和流体现象都做成了动画，相信通过这些电子演示资源的演示，授课效果会得到大大提高。[6]
除了动画外，电子演示资源还包括实际实验现象的录像和图片、数值计算结果的动态演示和图片、实验演示录像等多种形式，具体形象地展示流体的流动现象和抽象的概念，使一门抽象和深奥的理论课程的讲授过程变得生动活泼，大大提高教学效果及教学效率。
（二）教学过程与本学科的工程实际结合
大学的工科课程教学的最终目的是让学生学以致用，而目前高等教育普遍存在着理论知识与工程实际脱节的现象。将课程教学过程与本学科工程实际结合可改善目前的状况。
在课程的专题部分，结合工程实际问题进行讲授，也可邀请从事相关领域研究的教师加入一些与专题相关的专题讲座，使学生对所学知识在实践中的应用有一个更明晰的认识。另一方面，目前的数值模拟技术已经深入各个领域，在工程实际中都有相关的模拟软件的应用。在教学过程中可引入流体力学模拟软件[7]（如fluent软件、CFD软件以及与流体力学相关的本学科专业模拟软件等）的介绍和一些具体应用的例子，并可作为大作业让学生利用模拟软件解决典型的问题和进行一些专题的数值实验，还可以鼓励学有余力的学生参加相关课题组教师的一些科研工作，以获得直接的科研锻炼，这样不但可以使课堂内容丰富多样，还可以使学生了解学科前沿的内容，接触工程实际的具体问题。学生通过这些活动，综合素质、创新精神与实践能力都有所提高，为日后参加工作打下良好的基础。
三、结束语
作为多个学科的专业基础课，流体力学的教学目的不仅要让学生学习到相关的理论知识，还要使学生掌握应用流体力学解决实际问题的能力。流体力学教学改革是目前各个高校流体力学课程共同关注的问题。从教学理念、教学手段和方法上对流体力学进行教改，并将流体力学的教学与本学科的工程实际紧密结合，取得了很好的教学效果。
[ 注 释 ]
[1] 杨小林，杨开明，严敬，赵琴.流体力学课程教学改革探析[J].高等教育研究，2006（2）：47-48.
[2] 毛欣炜，毛根海.数字流体力学教学系统——力学课程的教学改革[J].力学与实践，2004（6）：80-81.
[3] 黄芬霞.《工程流体力学》教学改革的探索[J].吉林教育，2009（5）：46.
[4] 严宗毅，苏卫东.运用多媒体进行流体力学教学的体会[J].力学与实践，2000（2）：56-58.
[5] 李岩，孙石.《工程流体力学》课程教学改革与实践[J].科教文汇，2008（11）：88-89.
[6] 丁祖荣，流体力学（上、中、下）[M].北京：高等教育出版，2003.
[7] 郑捷庆，邹锋，张军，罗惕乾.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国教育装备，2007（10）：119-121.
[责任编辑：覃侣冰]
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