摘要：分析了不同工科专业基础课程教材选用《流体力学》中的主要特点，针对建筑环境与设备专业后期课程的教学需要，提出了学生必需掌握的流体力学的基本知识点。通过改进教学方法，将与建筑环境与设备专业紧密相关的工程应用以及科研成果引入课堂，认真分析有关流体流动的基本概念和规律，适当略去繁难的公式推导，利用多媒体演示有关流体流动的规律，帮助学生深刻体会抽象难懂的流动的基本原理。通过改革教学手段，利用网络教学，强化实验教学环节，通过创新实验引发学生思考等对策，激发学生对工程流体力学课程的学习兴趣，提高学生掌握工程流体力学基本知识的能力。
关键词：工程流体力学 基本知识点 教学方法改进 创新思维
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2012）11（a）-0203-02
流体力学是力学的一个重要分支，是研究流体平衡与运动规律及其在实际工程中应用的一门学科，根据研究问题侧重点的不同，流体力学可以分为理论流体力学（统称为流体力学）和应用流体力学（统称为工程流体力学）。前者采用数学推理的方法，强调逻辑性、准确性和严密性，偏重于对流体力学理论的研究。后者采用对工程实际问题作近似处理的方法得出结果和结论，而不去追求数学上的严密性。随着科学技术的快速发展，工程流体力学已广泛应用到国民经济的各部门，如，动力工程中流体的能量转换；环境工程中污染物在大气中的扩散；铁路、公路隧道中的压力波传播；航空工业中飞机外形与阻力的关系；机械工业中的润滑、液压传动；市政工程中的通风、通水问题；医学中血液在人体内的流动等等。工程流体力学是一门理论性和工程实际意义都较强的课程，具有理论不易掌握、概念和方程较多且易混淆、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等特点。针对所学专业如何让学生掌握工程流体力学的基本知识点，激发学生对工程流体力学学习的兴趣；如何改进教学方法，激发学生的创新思维能力，加强课程建设是工程流体力学教学改革值得研究的一个重要问题。
1 不同专业所用流体力学教材的主要特点
我国大学开设的工科专业主要分为：林业工程类（含森林工程、木材科学与工程、林产化工等），公安技术类（含刑事科学技术、消防工程），工程力学类（工程力学、生物工程类、生物工程），地矿类（含采矿工程、石油工程、矿物加工工程、勘察技术与工程、资源勘察工程），材料类（含冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料与工程），机械类（机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程），仪器仪表类（测控技术与仪器），能源动力类（热能与动力工程、核工程与核技术），电气信息类（电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术），生物医学工程，土建类（建筑学、城市规划、土木工程、建筑环境与设备工程、给水排水工程），水利类（水利水电工程、水文与水资源工程、港口航道与海岸工程），测绘类（测绘工程），环境与安全类（环境工程、安全工程），化学与制药类（化学工程与工艺、制药工程），交通运输类（交通运输、交通工程、油气储运工程、飞行技术、航海技术、轮机工程），海洋工程类（船舶与海洋工程），轻工纺织食品类（食品科学与工程、轻化工程、包装工程、印刷工程、纺织工程、服装设计与工程），航空航天类（飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造与工程、飞行器环境与生命保障工程），武器（武器系统与发射工程、探测指导与控制技术、弹药工程与爆炸技术、特种能源工程与烟火技术、地面武器机动工程、信息对抗技术），农业工程类（农业机械化及其自动化、农业电气化与自动化、农业建筑环境与能源工程、农业水利工程）。针对上述不同工科专业大类培养学生的不同要求，各高校所开设的流体力学课程所用教材主要有：北京大学出版社出版、吴望一教授编著的《流体力学》，科学出版社出版、归柯庭教授等编著的《工程流体力学》，高等教育出版社出版、丁祖荣教授等编著的《流体力学》，石油工业出版社出版、汪志明编著《油气井流体力学与工程》，中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的《流体力学泵与风机》，中国电力出版社出版、杜广生教授编著的《工程流体力学》。通过多年的教学实践可以看出：北京大学出版社出版、吴望一教授编著的《流体力学》，科学出版社出版、归柯庭教授等编著的《工程流体力学》，高等教育出版社出版、丁祖荣教授等编著的《流体力学》，偏重于对流体力学理论的研究，强调逻辑性、准确性和严密性。而中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的《流体力学泵与风机》，中国电力出版社出版、杜广生教授编著的《工程流体力学》，偏重于对工程实际问题作近似处理的方法得出结果和结论，与建筑环境与设备专业、热能动力工程专业所需的基础知识结合紧密。不同专业所用的流体力学教材，具有不同的特点。对于工程问题要追溯其基本概念时，还必须去参阅理论性较强的教科书。
2 建筑环境与设备工程专业应掌握知识点
由全国高校建筑环境与设备工程专业指导委员会推荐使用的专业基础课--流体力学教材为中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的《流体力学泵与风机》，课程里包含有流体静力学、一元流体动力学基础、流动阻力和能量损失、孔口管嘴管路流动、气体射流、理想流体动力学基础、有旋流动和无旋流动、粘性流体动力学基础、一元气体动力学基础、相似性原理和因次分析等基本知识点，这些都是作为建筑环境与设备工程专业学生必须掌握的。建筑环境与设备工程专业后期课程主要有：流体输配管网、热质交换原理与设备、建筑环境学、泵与风机、暖通空调、冷热源工程等，而这些课程的开设要求学生先期掌握流体力学课程的基本知识点。我从2004年担任本科生的流体力学和研究生的两相流与流态化教学工作至今，最大的体会是选用不同的主讲教材，其讲课效果和学生对流体力学知识点接受的认知程度也截然不一样。大家知道：在流体力学学习过程中为了明白一个定理，甚至为了准确地理解一个概念，学生首先需要读懂数学，然而读懂了数学不一定意味着已经明白了数学符号背后所代表的物理意义，流体力学教学实践表明，学生从读懂数学到理解流动问题的物理本质有一个过程。因此，为了让学生掌握建筑环境与设备专业流体力学课程的知识点，我们的教学团队曾经尝试用有理论深度的教材讲解基本概念，再用专业知识帮助学生强化基本概念，比如：为了讲清楚流体运动的本质特征—易变形性这一基本概念，首先运用亥姆霍兹（Helmholtz）速度分解定理，将流体运动的速度分解为：（1）平动速度v1：流体微团平动引起的，特征量是平动速度v0。（2）转动速度v2：是由流体微团绕通过点M0的瞬时转动轴线旋转而产生的，特征量是rotv。（3）变形速度v3：是由流体微团变形引起的，特征量是二阶对称张量。然后，再分析流体的平动、转动和变形的本质特征，并且将流体运动的情况和刚体运动的情况作类比，这样让学生对流体的运动本质有直观的认识，在此基础上，讲解流体微团的有旋运动和无旋运动，配有多媒体动画演示，可以收到较好的教学效果。针对建环专业学生要掌握的流体力学的每个知识点，讲清楚和让学生理解深刻，这是在教与学互动过程中应该达到的效果。
3 以建环专业工程应用活跃教学过程
流体力学是一门专业基础课，一般开设时都是在大学二年级第一学期或第二学期，学生们对专业课还没有太多的认知。因此，将与建筑环境与设备专业相关工程应用引入课堂，如，超高层建筑、大跨度桥梁的设计和建造相关的空调通风问题，可以以上海的金茂大厦、东方明珠塔、杨浦大桥举例说明；还有，像地铁通风、大型超市、体育馆的中央空调设计等所涉及到的流动问题，可以引发学生去思考，怎样的流动方式和气流组织形式可以达到最优的空气调节效果。还有，将日常生活与实际运用中的相关问题整理成“身边的工程流体力学”话题向学生提出，供学生课堂上讨论。如，高尔夫球：飞得远的应是表面光滑还是表面粗糙的？汽车行驶时受到的阻力是来自前部还是后部？飞机的机翼，其升力是来自下部还是上部？大雁飞行为什么会排成“人”字形，微风中的花枝为什么垂直来流方向摆动，奥运会游泳名将在游泳时如何减小阻力、游得更快等问题，载粉气流颗粒中气流和颗粒的运动速度是否一样？这些问题的提出，不仅可以大大激发学生的学习兴趣，同时将大雁飞行原理、鱼类游动原理与航天战斗机、舰艇的船舵工作时产生自由涡导致升力下降、阻力上升的现象联系起来，使抽象、枯燥的工程流体力学理论与具体的空军、海军武器装备及运动员比赛时减阻特性紧密结合，开拓学生的视野，激发他们的好奇心和求知欲。在讲授流体力学基本内容的同时，有意识地介绍建筑环境与设备学科有待解决的问题，可以培养学生广泛的科研兴趣和求知欲，并使学生在研究与解决问题的过程中获得无穷的乐趣。
在教学过程中，应适当略去繁难的公式推导，将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，从思路上进行分析整理，淡化繁琐的数学推导过程。《工程流体力学》课程涉及高等数学、复变函数、大学物理等知识，教材中有较多的计算公式及推导，若将所有公式推导都进行讲授，不仅浪费时间，而且还可能使学生感到工程流体力学理论高深莫测，学习起来产生畏难心理。例如，在讲解沿流线的伯努利方程时，除了讲清楚动能、位能和压强势能三者之和是常数外，要重点讲清楚该方程适用的五个基本条件：无粘性重力流体；不可压缩定常流动；然后，再分析其在毕托管测速中的应用。又比如在讲解纳维－斯托克斯方程时，首先要讲清楚斯托克斯假设：（1）将牛顿粘性定律从一维推广到三维；（2）流体各向同性；（3）静止时法向应力等于静压强。N－S方程的适用条件是：ρ、μ都等于常数。然后，给学生讲清楚N－S方程的物理意义是：惯性力=体积力+压力+粘性力，同时对应解释各项的物理意义。总之，在授课时，要重点介绍基本概念的具体内涵，理论模型的建立，重点公式所包含的物理意义、应用条件和各项参数所代表的物理含义等等。同时，还应适时对基本概念、重点公式等进行阶段性总结，使学生在学习过程中有清晰的思路。
4 设计创新实验，激发学生独立思考
工程流体力学是一门建立在实验研究基础上的科学，很多工程流体力学理论都是以实验为基础建立起来的。工程流体力学实验是工程流体力学课程的重要组成部分，它不仅是为了验证理论，有助于学生学好工程流体力学，而且是培养学生进行科学研究，提高独立工作和创新能力的重要环节。因此，在讲授课程内容时，不仅要反复强调实验在工程流体力学中的地位，使学生对实验的重要性有正确认识。更重要的是：在实验课内讲授有关实验内容的原理和方法时，除了完成流体力学经典的实验外，还要让学生设计创新型实验，激发学生独立思考的能力。比如，孔板流量计测流量的实验，除了让同学完成书本上讲的实验外，还要让学生去查阅资料和专利文献，能否有更好的测流速和流量的方法，从而使学生对流量的概念有清醒的认识。另外，开发适合本专业的多媒体课件，提供网络教学，将难以理解的流动现象以多媒体的方式在课堂上直观地呈现出来，再让学生去进行实验，例如，为了讲清楚层流和湍流的基本概念，可以用带颜色的流线进行课堂演示，然后，再让学生实验课时去动手做实验，从而获得深刻体会。
总之，工程流体力学课程教学改革中，要根据专业的具体情况，优化整合不同教材体系教学资源的精髓；改革教学手段和教学方法，突出学生的主体性，激发学生学习主动和创新性；理论与实验并重，相互促进；突出学生的创新能力培养，多让学生独立思考和总结；以便达到较好的教学效果。
参考文献
[1] 丁祖荣，流体力学[M].北京：高等教育出版社，2003：91-95.
[2] 陈晓珊，洪文鹏，张玲.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报，2006，26（3）：54-56.
[3] 王伟.土木专业工程流体力学课程教学研究[J].山西建筑，2008，34（21）：182-183.
[4] 喻萍，袁苏跃，董羽蕙.土木专业《流体力学》教学模式探讨[J].昆明大学学报：综合版，2003（2）：82-83.
[5] 张培红，王晓华.流体力学课程分层次教学模式研究[J].沈阳建筑大学学报：社会科学版，2007（2）：238-240.
[6] 龙天渝，蔡增基.流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：234-238.
[7] 杜广生，高校工科流体力学教学改革探析[J].山东工业大学学报：社会科学版，1998（45）：80-81.
[8] 马哲树，张东辉.流体力学教学过程中宜强化的四个观点[J].长春理工大学学报，2011（9）：175-176.
推荐访问： 流体力学 探析 教学改革 课程 环境
