李靜 王聰 徐世民

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中的難點問題進行研究，分析教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)中的問題，提出理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容組織方法，并提出以雨課堂、線上教學(xué)模式作為輔助傳統(tǒng)授課方式的多樣化教學(xué)模式，以此提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力和解決實際工程問題的能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 流體力學(xué);教學(xué)模式;實驗研究;數(shù)值模擬

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）22-0066-02

流體力學(xué)是研究流體平衡和宏觀運動規(guī)律的科學(xué)，其研究內(nèi)容與工程實踐有著緊密聯(lián)系，相關(guān)的理論和研究方法被廣泛應(yīng)用在航空航天、水利采礦、交通土建、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等工程技術(shù)中[1]。流體力學(xué)作為力學(xué)是力學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是工科工程類學(xué)生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]。設(shè)置該課程的目的是要求學(xué)生認(rèn)識和掌握流體運動遵循的基本規(guī)律，特別是對理論求解方法有較全面的了解和掌握，要求學(xué)生初步學(xué)會應(yīng)用流體力學(xué)的理論和方法解決一些簡單的工程實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、邏輯思維能力、流動現(xiàn)象的解讀能力[3]。

流體力學(xué)涉及高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)課程，在當(dāng)前大部分高校的講授過程中都涉及較廣的知識面，其較強的理論性、繁多的公式推導(dǎo)、較高的抽象性等，令課程講授難度大，在實際教學(xué)過程中，學(xué)生對大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)感到乏味，對如何利用所學(xué)理論知識解決實際問題仍存在疑惑[4-6]。本文依據(jù)鄭州大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題和難點，對流體力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進行探討。

一、工程力學(xué)專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)中存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容

由于工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生未來繼續(xù)深造、就業(yè)范圍較廣，流體力學(xué)在講授過程中一直兼顧材料、機械、土木等工程行業(yè)的應(yīng)用，目前我校工程力學(xué)專業(yè)安排流體力學(xué)課時為48學(xué)時，按照教學(xué)大綱要求，需要講授的內(nèi)容如下表。

從上表可以看出，工程力學(xué)專業(yè)48學(xué)時的教學(xué)內(nèi)容范圍很廣，而且教學(xué)內(nèi)容一直停留在理論分析的講解上，課程的重點在于教授學(xué)生流體力學(xué)的基本概念和基本理論上，這些內(nèi)容主要是經(jīng)典流體力學(xué)理論，其適用范圍非常有限，或者僅僅是理論，很多學(xué)生很難將這些理論與實際的流體運動規(guī)律聯(lián)系起來。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)

流體力學(xué)課程本身具有較強的理論性和系統(tǒng)性，其研究方法和研究體系與學(xué)生之前研修的理論力學(xué)與材料力學(xué)有著顯著的不同，這直接導(dǎo)致一部分學(xué)生在接受新的研究方法時存在困難，因此，以往課堂的講授教師多注重公式推導(dǎo)。例如，積分形式、微分形式的納維斯托克斯方程，在推導(dǎo)控制方程的過程中除了要求學(xué)生建立新的研究方法外，還要求學(xué)生對學(xué)過的微積分知識牢固掌握，這無疑又增加了學(xué)生接受的困難。授課過程中累積的晦澀難懂的知識體系容易使學(xué)生對課程產(chǎn)生厭倦，學(xué)習(xí)熱情降低，對課堂互動反應(yīng)平淡，在這種被動接受式的教學(xué)過程中失去了探究知識實際應(yīng)用的興趣。

二、新的教學(xué)方法和改革策略

（一）改革教學(xué)內(nèi)容

流體力學(xué)的研究方法包含理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三種手段，三種研究手段是相輔相成的。因此，在本科教學(xué)中適當(dāng)加強實驗研究和數(shù)值模擬的教學(xué)，可以加強學(xué)生對流體力學(xué)理論知識在實際應(yīng)用中的理解。

強調(diào)實驗教學(xué)的重要性，不僅僅是傳統(tǒng)的教學(xué)演示實驗，需要增加具有創(chuàng)新性的設(shè)計型課外實驗，這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，如引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計簡單的實驗驗證連續(xù)性方程，調(diào)動學(xué)生主動思考實驗方案，增加學(xué)生對所學(xué)理論知識的思考，使學(xué)生對流體力學(xué)中的規(guī)律在實際中的應(yīng)用有更直觀的認(rèn)識，提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

目前商業(yè)化的CFD軟件都相對容易上手，因此在教學(xué)內(nèi)容中引入數(shù)值模擬的算例，可加深學(xué)生對理論分析的理解，同時也將工程實例與理論相結(jié)合。例如，講解定常流動和非定常流動時，可數(shù)值模擬二維翼型的定常流動以及俯仰運動，對數(shù)值模擬結(jié)果可進行深入的探討，進一步透徹理解流線跡線的概念。再比如，在講解圓柱體繞流時，可數(shù)值模擬圓柱體繞流的算例，加深學(xué)生對升阻力產(chǎn)生的原因、前后駐點、壓強速度分布等概念的理解。數(shù)值模擬手段的引入，加深學(xué)生對抽象概念和理論分析的理解，讓學(xué)生對所學(xué)的理論知識在工程中的應(yīng)用有所了解，并可以根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析一些簡單的流動現(xiàn)象，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

理論分析、實驗研究和數(shù)值計算這三種方法各有利弊，相輔相成。以理論指導(dǎo)實驗和數(shù)值模擬，以實驗驗證理論和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，以數(shù)值計算彌補理論分析和實驗研究的不足，可以對復(fù)雜流動問題進行高效的計算分析?；谌N研究方法的教學(xué)內(nèi)容改革，不僅可以讓學(xué)生從枯燥無味的公式推導(dǎo)中脫離出來，還能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，探究所學(xué)知識在工程中是如何應(yīng)用的，為學(xué)生后續(xù)從事的相關(guān)科研和工作打下良好的基礎(chǔ)。

（二）開發(fā)多樣化的教學(xué)模式

探索合理的多樣化教學(xué)模式，對提高授課效率、增加學(xué)生課堂參與度、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有較大的促進作用。傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式依然可以作為教學(xué)的主導(dǎo)模式，但需要引入其他新穎的輔助教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的探索熱情，保持對課堂的興趣。

比如，在傳統(tǒng)授課過程中使用雨課堂，提前將講授內(nèi)容的難點通過MOOC視頻和工程實例視頻推送到學(xué)生手機實現(xiàn)提前預(yù)習(xí)，減少課堂講授時間;課堂上增加實時討論、彈幕互動時間，滿足師生及時溝通反饋。這樣可以實現(xiàn)課前—課上—課后每一個教學(xué)環(huán)節(jié)科學(xué)地覆蓋，讓教、學(xué)與溝通及時對接，提高效率。

再比如，春季學(xué)期的課程已開展了線上教學(xué)，線上教學(xué)的引入為傳統(tǒng)課堂轉(zhuǎn)化為多樣化教學(xué)注入了新能量。絕大部分學(xué)生對這種新穎的網(wǎng)絡(luò)授課方式給予了較多的認(rèn)可度，在未來的授課中也可以作為互動溝通的一種教學(xué)模式，可以以線上教學(xué)作為傳統(tǒng)教學(xué)的輔助。在傳統(tǒng)課堂外，利用線上教學(xué)，開展對實際工程問題中流體力學(xué)實例的討論。在此過程中并不強調(diào)課本知識的重要性，以學(xué)生的興趣點和知識體系為出發(fā)點，利用學(xué)生活躍的思維和能力去引導(dǎo)學(xué)生解決實際問題。這樣不僅可以調(diào)動學(xué)生自己思考身邊實時存在的應(yīng)用實例，也可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題和科研創(chuàng)新的能力。

三、結(jié)語

教學(xué)內(nèi)容的改革以及多樣化教學(xué)的引入，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的固定模式，對教師的自身素質(zhì)不斷提升提出了新的考驗，需要教師更加關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，幫助學(xué)生解決創(chuàng)新實踐過程中遇見的問題，對教學(xué)效果的提升也將起到促進作用，提高學(xué)生對課程的參與度、積極性，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

參考文獻：

[1]唐婉.CFD模擬技術(shù)在流體力學(xué)實驗教學(xué)改革中的若干探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（9）：119-120.

[2]楊輝，劉筱，朱必武，等.“流體力學(xué)”課程教學(xué)創(chuàng)新探索與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（7）：149-151.

[3]何霖，陸小革.航空航天專業(yè)研究生實驗流體力學(xué)教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（52）：83-85.

[4]金光遠，宋春芳，袁方洋，等.流體力學(xué)類課程多元化教學(xué)方法探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（13）：104-105.

[5]李偉鋒，劉海峰.“探究型”流體力學(xué)課程改革探索[J].化工高等教育，2018（5）：42-44.

[6]王維，賈月梅，王根偉.“雙一流”建設(shè)背景下《流體力學(xué)》教學(xué)改革思考與探討[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（40）：61-63.

編輯 馮永霞