劉起霞，鄒 昕

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001）

流體力學(xué)是研究流體的力學(xué)運動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，是一門理論性很強的課程，但由于內(nèi)容比較抽象、邏輯性強，學(xué)生反映這門課程很難學(xué)，更談不上在學(xué)習(xí)中開發(fā)創(chuàng)新型思維。而高等教育的目的就是在傳授給學(xué)生大量知識的基礎(chǔ)上挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生分析問題處理問題的能力、培養(yǎng)自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。本文探討了流體力學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)措施，從教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容等方面進行了有益的探索，以期對今后的教學(xué)有借鑒意義。

一、流體力學(xué)的地位和教學(xué)特點

流體力學(xué)是力學(xué)的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規(guī)律，在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價值。對于土木類、力學(xué)類、環(huán)境類等專業(yè)來說，流體力學(xué)是重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，是為后續(xù)課程和進一步的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

由于流體力學(xué)中有部分概念（如流線、滯止參數(shù)等）非常抽象，加上運動方程為多元偏微分方程，所以學(xué)習(xí)起來有一定難度，被學(xué)生戲稱流體力學(xué)教材為“三大天書”之一。但流體力學(xué)的知識運用非常廣，不僅和日常生活息息相關(guān)，而且也是國家很多重大工程的理論基礎(chǔ)。重大工程給流體力學(xué)提出了新問題，流體力學(xué)為重大工程提供了理論基礎(chǔ)。

二、目前流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題

我們在培養(yǎng)學(xué)生時常常遇到學(xué)生把所學(xué)的知識束之高閣，不能與工程實際聯(lián)系起來，遇到實際問題更是無從下手，建模能力差，具體表現(xiàn)如下：

（一）內(nèi)容枯燥與敘述晦澀

課堂教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)起來費勁。很多學(xué)生上課專心記筆記，但和老師的互動很少，有問題也不可能打斷老師的講解和老師共同探討，甚至提出異議。學(xué)生沒有創(chuàng)新性思考、發(fā)散性思考，等期末的時候為了應(yīng)付考試而死背書，即便是考試過關(guān)，也不知課本所云，談不上對課程的全面認識和創(chuàng)新性思考。

（二）多元偏微分方程求解困難

對于大多數(shù)工科的學(xué)生來說，流體力學(xué)采用的教材和授課方式也應(yīng)與理科不同，如果片面追求理論體系的完整和抽象的理論推導(dǎo)，流體力學(xué)課程完全就是數(shù)學(xué)課，嚴(yán)密的公式推導(dǎo)里有大量的多元偏微分方程，甚至連流體運動的描述方法和無粘性流體運動的方程組都是數(shù)學(xué)家L.歐拉提出的。在經(jīng)典流體力學(xué)中，常用的流體輸運公式推導(dǎo)方法就是微分極限定義法，該方法雖然數(shù)學(xué)分析嚴(yán)密，但過于復(fù)雜冗長，不易掌握。

（三）與后續(xù)專業(yè)課的銜接性差

對于建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)來說，流體力學(xué)就是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，后續(xù)還有流體輸配管網(wǎng)等課程，兩者之間聯(lián)系密切，很多同學(xué)這個學(xué)期學(xué)完流體力學(xué)，下學(xué)期學(xué)習(xí)流體輸配管網(wǎng)，就把前面所學(xué)知識忘了，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)流體輸配管網(wǎng)課程時，要花大量學(xué)時復(fù)習(xí)前面學(xué)過的知識。

（四）多媒體課件的局限性

不是所有的課程都適合用幻燈的形式上課，流體力學(xué)中的理論部分如果都用幻燈的形式整屏的打在幕布上，導(dǎo)致學(xué)生記筆記困難，速度太快來不及思考，公式推導(dǎo)部分缺乏因果關(guān)系的闡述，分不清講課內(nèi)容中的重點和難點等等，多媒體課件應(yīng)該是多種媒體，而不是單純的幻燈。

三、教學(xué)方法和手段的改革

（一）課堂教學(xué)方法的靈活性

啟發(fā)式和討論式教學(xué)不是空談，這需要任課老師在備課的時候充分考慮到學(xué)生的原有知識水平、興趣點和思維速度方式等，只要學(xué)生對所學(xué)的流體力學(xué)知識產(chǎn)生了研究創(chuàng)新的濃厚興趣，他們就會產(chǎn)生強烈的求知欲，就會如饑似渴地去學(xué)習(xí)和鉆研。

作為教師的首要問題是不斷改進和優(yōu)化教學(xué)方法。要把過去以“教師單方面講授”為主的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢l(fā)學(xué)生對知識的主動追求”上來。激發(fā)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新的意識，培養(yǎng)他們在自主的基礎(chǔ)上增強創(chuàng)新能力，切實提高教學(xué)質(zhì)量。

例如：同一定理或公式有多種推導(dǎo)方法，本構(gòu)方程即可以在應(yīng)變率與粘性應(yīng)力成線性關(guān)系的前提下，引用4階各向同性張量來推導(dǎo)，也可以通過流體微元的力平衡關(guān)系來建立，前者幾乎是純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而后者則采用了學(xué)生熟悉的針對單元體和隔離體受力分析的方法。學(xué)生對于后者的推導(dǎo)方法比較容易接受，學(xué)習(xí)效果比較好，同事也鞏固了理論力學(xué)中所學(xué)的知識。

（二）實驗教學(xué)與動手能力的培養(yǎng)

常規(guī)流體力學(xué)課程會設(shè)置4～8學(xué)時的試驗，安排2～6個試驗，學(xué)生到實驗室由實驗老師指導(dǎo)完成實驗，并提交實驗報告，由實驗員老師給定實驗成績，實驗室實行全天候開放。由于課程學(xué)時數(shù)有限，不能涵蓋流體力學(xué)常見的試驗，那么很多實驗都是由老師在課堂上講述，學(xué)生接受起來效果很差，但是，如果把實驗搬進教室，老師演示試驗代替枯燥的講述更具有說服力。

將實驗室徹底開放，而不是針對幾個開放性試驗開放。學(xué)生可根據(jù)所學(xué)的知識自行設(shè)計試驗內(nèi)容，首先編寫提交實驗申請，經(jīng)實驗員老師審核后，可根據(jù)學(xué)生自己的課程計劃，安排實驗時間，實驗室者延長工作時間，學(xué)生可利用課余時間和第二課堂時間做大量的實驗，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對流體力學(xué)課程的興趣，有興趣之后可以在老師的指導(dǎo)下經(jīng)行相對有深度和難度的、緊扣工程實踐的試驗內(nèi)容，讓學(xué)生寫出實驗原理和實驗步驟，根據(jù)實驗結(jié)果撰寫研究論文。長此以往，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力將都可得到大幅度的提高。

（三）考核形式多樣化

考試是手段不是目的，但學(xué)生的成績對學(xué)生的獎學(xué)金的評定、找工作都有很大的影響，因此學(xué)生考前死記硬背，考后不知所云。部分學(xué)生厭倦考試、害怕考試，形成惡性循環(huán)，學(xué)習(xí)的積極性越來越小，甚至有厭學(xué)情緒、逃課。

如果將傳統(tǒng)的閉卷考試改革成形式多樣的考核，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果會有所提高。比如：口試和開卷考試。老師可根據(jù)一個實際問題，給學(xué)生一個分析問題的背景資料，給學(xué)生一定的思考時間，然后讓學(xué)生以口述或筆試的方式分析問題，求解答案。甚至可以安排一些沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)答案的探討性問題。采取大作業(yè)、小測驗等方式注重平時成績，而不是完全按照期末考試卷面成績定課程的總成績。這對于學(xué)生來說是一種開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力的導(dǎo)向。

四、教學(xué)內(nèi)容緊扣工程實踐

（一）整合教學(xué)內(nèi)容，解決學(xué)時壓縮問題

構(gòu)建“理論性教學(xué)、實踐性教學(xué)和研究性學(xué)習(xí)”相協(xié)調(diào)的課程教學(xué)新體系。有效實行“理論性教學(xué)＋實踐性教學(xué)+研究性學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，將課堂理論學(xué)習(xí)、課外實踐和學(xué)術(shù)活動有機結(jié)合，營造創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的融洽環(huán)境。樹立具有時代特征的教育質(zhì)量觀，注重學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力、自學(xué)能力和社會適應(yīng)能力，培養(yǎng)學(xué)生終身就業(yè)和創(chuàng)業(yè)能力。例如，圍繞土木工程專業(yè)教學(xué)體系的三個環(huán)節(jié)，結(jié)合實踐性教學(xué)平臺和研究平臺，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型專業(yè)人才，服務(wù)工程建設(shè)。例如：流體動力學(xué)和流體運動學(xué)中有很多概念有相似的地方，可以合并內(nèi)容，減少學(xué)時數(shù)，起到較好的學(xué)習(xí)效果。

針對不同的專業(yè)，我們在整合教學(xué)內(nèi)容的時候應(yīng)考慮不同專業(yè)的不同要求，如考慮到建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)以空氣調(diào)節(jié)、設(shè)備安裝為專業(yè)目標(biāo)，學(xué)生偏重氣體的傳輸和運用，將可壓縮流體部分作為重點內(nèi)容，而取消明渠流動內(nèi)容；土木工程專業(yè)針對水廠和城鎮(zhèn)給水排水管網(wǎng)建設(shè)的要求，除重點講解有壓管道和管網(wǎng)外，將明渠均勻流作為重點，而非均勻流則主要介紹常用堰和三角堰等。環(huán)境工程專業(yè)則考慮到環(huán)境保護方面的需要，著重論述流體力學(xué)基本知識，刪減了明渠非均勻流而增加可壓縮流體流動，使學(xué)生對水、氣體的流動特點有深刻的理解。

（二）工程實踐案例補充課堂教學(xué)

社會的發(fā)展需求是推動科學(xué)發(fā)展的第一動力。社會需求和科技創(chuàng)新是推動人類社會生產(chǎn)力發(fā)展的兩大動力。所以高速發(fā)展的社會也給流體力學(xué)發(fā)展提出了很多新問題，隨著重大工程中各種流體力學(xué)問題的研究、工程的實施，也給我們流體力學(xué)教學(xué)提供了很好的素材，在課堂中，把這個問題提出來讓學(xué)生思考，無疑增添了學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的動力。

1.南水北調(diào)工程中的流體力學(xué)問題

南水北調(diào)是緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程。我國南澇北旱，南水北調(diào)工程通過跨流域的水資源合理配置，大大緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題，促進南北方經(jīng)濟、社會與人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，分東線、中線、西線三條調(diào)水線。中線工程總干渠全長1241.2km，渠道斷面采用梯形斷面，設(shè)計水深隨設(shè)計流量由南向北遞減，由渠首9.5m到北京3.5m，底寬由5.6m～7m，穿黃工程采用倒虹吸管設(shè)計，在設(shè)計中根據(jù)長管水力計算計算渠道流量，根據(jù)最佳水力斷面設(shè)計渠道橫斷面，根據(jù)倒虹吸負壓將水順利送過黃河，根據(jù)明渠理論計算渠道坡度和流速等參數(shù)，這內(nèi)容均在流體力學(xué)本科教材中有詳細的介紹。

2.超高層建筑中的流體力學(xué)問題

眾所周知。超高層建筑中的風(fēng)荷載是非常重要的荷載之一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮風(fēng)荷載。當(dāng)建筑外形比較復(fù)雜的時候，可根據(jù)湍流模式理論進行風(fēng)載數(shù)值模擬，同時還要與結(jié)構(gòu)振動相關(guān)的定常與非定常繞流的渦旋脫落規(guī)律。在風(fēng)洞試驗室內(nèi)還可進行不同外形超高層建筑風(fēng)荷載的研究，一般計算時采用的均布荷載處理是不合適的，在迎風(fēng)面中上部風(fēng)壓系數(shù)較大，可取1.0，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)大多為負值，特別是靠近角落處由于渦旋脫落，其值可達到-2，要想使試驗內(nèi)容與真實建筑外表風(fēng)荷載相似，就必須在實驗前設(shè)計好相似準(zhǔn)則和模型率，這就是流體力學(xué)典型的研究方法。

3.蛟龍?zhí)柕牧黧w力學(xué)問題

為推動中國深海運載技術(shù)發(fā)展，我國研制的“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器于2012年6月27日在馬里亞納海溝下潛深度達7062.68m，理論上工作范圍可覆蓋全球99.8%海洋區(qū)域，為中國大洋國際海底資源調(diào)查和科學(xué)研究提供重要高技術(shù)裝備?！膀札?zhí)枴本邆渖詈Ｌ降V、海底高精度地形測量、可疑物探測與捕獲、深海生物考察等功能，空重不超過22t，最大荷載是240kg；最大速度為每小時25海里，巡航每小時1海里。在研制過程中，科研人員先后運用流體力學(xué)的基本理論解決了超大靜水壓力的問題、深海流場的運動問題，巡航速度設(shè)計、外形設(shè)計等流體力學(xué)問題，為“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器的研制奠定了理論基礎(chǔ)。

4.新型戰(zhàn)斗機研制中的流體力學(xué)問題

目前，我國已構(gòu)建了具有中國特色的主戰(zhàn)裝備、保障裝備和電子信息裝備協(xié)調(diào)配套的現(xiàn)代化武器裝備體系和獨立完整的國防科技工業(yè)體系，在武器研制方面第五代戰(zhàn)機“龍幻”就是典型的實例，嚴(yán)格講它類似于航空飛機，是美國目前最先進的戰(zhàn)斗飛機飛行高度的2.5倍左右，同時“龍幻”在遇到導(dǎo)彈攻擊時，一旦發(fā)現(xiàn)被鎖定，可以迅速以發(fā)射導(dǎo)彈一樣的速度逃逸，使敵導(dǎo)彈始終無法追上其飛行速度。機體全部采用高科技航空材料制成，采用了多種成熟的納米技術(shù)，大大減輕了飛機重量，流線型外形設(shè)計可謂奇特，航程約6.6萬公里左右，可攜帶2枚核導(dǎo)彈，2枚空對地導(dǎo)彈，2枚空對空導(dǎo)彈，輔助配有激光空戰(zhàn)系統(tǒng)。在研制過程中對于飛行動力等關(guān)鍵參數(shù)、飛行速度的設(shè)計、外形的設(shè)計等就是運用流體力學(xué)的動力學(xué)和運動學(xué)原理計算的。

5.高鐵時代高速列車中的流體力學(xué)空氣動力學(xué)問題

隨著京津城際、武廣高鐵、鄭西高鐵、滬寧城際高鐵等相繼開通運營，中國高鐵正在引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展。目前，我國已建成“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)，這個世界最大的高速鐵路將把經(jīng)濟最發(fā)達的長三角、珠三角、環(huán)渤海灣地區(qū)以及其他城市比較密集的區(qū)域結(jié)合起來。針對高速列車運營時速接近380km/h，科研工作者運用流體力學(xué)中的空氣動力學(xué)知識解決了空氣阻力的問題、流線型車頭外形設(shè)計問題等問題，保證了列車運行有足夠的加速力，隨著高速運轉(zhuǎn)時粘著系數(shù)的下降，為此需要采取提高軸重（動力集中）或增加軸數(shù)（動力分散）等措施提供必要的保證。

五、流體力學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)措施

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力的一種重要途徑，是鞏固理論知識、開發(fā)創(chuàng)造力以及檢驗學(xué)生是否具備綜合運用理論知識能力的重要環(huán)節(jié)。面對越來越多的挑戰(zhàn)，我們在流體力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。主要從以下幾方面入手：

開設(shè)基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型等不同層次實驗類別，實驗方法向多元化發(fā)展，內(nèi)容向工程和研究延伸。包括應(yīng)用實習(xí)、多媒體演示實驗、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗、計算機仿真、基礎(chǔ)實驗、綜合性設(shè)計實驗、開放實驗、工程模型制作等多形式、立體化的教學(xué)模式。以設(shè)計型為主體的“多層次、模塊化”的實驗新體系，既適應(yīng)不同專業(yè)層次，又適應(yīng)學(xué)生個性發(fā)展與特長培養(yǎng)。

強化系統(tǒng)性實踐訓(xùn)練，意在培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)的實驗方法。鼓勵學(xué)生參加教師的科研項目，使教學(xué)和科研有機地結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的意識，培養(yǎng)學(xué)生的基本科研能力。建立了開放的實驗硬件平臺和網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實現(xiàn)了虛擬、仿真、模擬，課內(nèi)外實驗，科技制作與競賽的多元化教學(xué)模式。

積極組織和參加多種流體力學(xué)的第二課堂活動。圍繞“流體力學(xué)”通過組織學(xué)術(shù)講座、組織參加全國大學(xué)生力學(xué)競賽、有序組織學(xué)生參與科研活動、撰寫科研小論文等活動，提高學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程的興趣和論文寫作能力。

始終貫徹理論聯(lián)系實際，將學(xué)生創(chuàng)新思維和獨立分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)貫穿于實踐教學(xué)中，一直在探索和實施課程相關(guān)的實踐活動，為學(xué)生提供培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力的平臺，將實踐教學(xué)貫穿于整個教學(xué)過程，建立多層次全方位的實踐教學(xué)新體系，培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

樹立“知識-能力-素質(zhì)”三位一體的人才培養(yǎng)質(zhì)量觀，堅持“強基礎(chǔ)、重實踐、有創(chuàng)新”的教學(xué)理念，切實有效的實行“理論性教學(xué)＋實踐性教學(xué)+研究性學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，將理論、實踐和學(xué)術(shù)活動有機結(jié)合。為此，我們積極探索課程教學(xué)改革和教學(xué)研究，把力學(xué)課程教學(xué)建設(shè)和體系改革視為一項有機的系統(tǒng)工程，建立理論性教學(xué)、實踐性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)三者內(nèi)在的有機聯(lián)系和相互銜接，營造學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的融洽環(huán)境。

在教學(xué)手段方面實現(xiàn)從傳統(tǒng)方式向“信息技術(shù)（計算機、多媒體、網(wǎng)絡(luò)）”的轉(zhuǎn)變?？茖W(xué)合理地使用多媒體課件進行教學(xué)，大大提高了流體力學(xué)課堂的信息量和教學(xué)質(zhì)量。充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)資源，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生信息獲取能力。搭建了學(xué)生與教師溝通的新平臺，建立了課程公共電子信箱、課程BBS論壇、力學(xué)課程教學(xué)資源庫等互動教學(xué)平臺，成為課堂教學(xué)的有力補充。

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識為目標(biāo)，開展大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動。突出基礎(chǔ)實驗技能培訓(xùn)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，集約化建設(shè)系列實驗技術(shù)大平臺，整合優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，強化對學(xué)生的實踐動手能力訓(xùn)練，鼓勵學(xué)生實施設(shè)計性力學(xué)實驗，提高學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程的興趣和技能，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的一體化。

六、結(jié)語

流體力學(xué)教學(xué)中對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是教學(xué)改革的重要舉措，我們針對目前流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題，對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化整合，改進了教學(xué)手段和教學(xué)方法，并緊扣工程實踐，將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)溶于每節(jié)課的教學(xué)過程中，并對考核方式方法經(jīng)行改革，取得了顯著的成果。

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