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時(shí)間:2024-01-18 14:53:04
導(dǎo)言:作為寫(xiě)作愛(ài)好者,不可錯(cuò)過(guò)為您精心挑選的10篇流體力學(xué)現(xiàn)象,它們將為您的寫(xiě)作提供全新的視角,我們衷心期待您的閱讀,并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2017)22-0123-02
計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一門集成了流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科。計(jì)算流體力學(xué)的基本思想為[1]:通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對(duì)包含流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象做出系統(tǒng)的分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
《計(jì)算流體力學(xué)》課程開(kāi)設(shè)的主要目的在于使學(xué)生掌握流動(dòng)及傳熱問(wèn)題數(shù)值模擬的基本理論與建模思路、掌握常用商用CFD軟件的使用方法,能夠利用計(jì)算流體力學(xué)方法解決實(shí)際研究問(wèn)題[2]。課程內(nèi)容涉及了流體力學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算理論、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)以及計(jì)算軟件的工程應(yīng)用等。課程理論內(nèi)容較多,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)較為吃力,常處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài),因此需要改進(jìn)教學(xué)策略,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,改被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)[2]。同時(shí)該課程還與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密,如何將理論與工程實(shí)際相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,也是本課程教學(xué)中需要探討的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年在教學(xué)過(guò)程中的改革和摸索,下面淺談一下我們?cè)凇队?jì)算流體力學(xué)》課程改革方面的一些探索。
一、計(jì)算流體力學(xué)課程內(nèi)容
計(jì)算流體力學(xué)包含內(nèi)容甚廣,從總體上講,可按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩個(gè)主要方向:
1.將計(jì)算流體力學(xué)自身作為對(duì)象的課程體系。該體系的研究對(duì)象為計(jì)算流體力學(xué)本身,主要以流體力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型模型構(gòu)建、數(shù)值離散方法、高性能數(shù)值計(jì)算算法開(kāi)發(fā)為主要內(nèi)容,側(cè)重點(diǎn)為計(jì)算流體力學(xué)理論及其實(shí)現(xiàn)方法。
2.以算流體力學(xué)應(yīng)用為主的課程體系。此體系以如何更好地將計(jì)算流體力學(xué)方法應(yīng)用于工程作為研究對(duì)象,主要以應(yīng)用技能為課程目標(biāo),側(cè)重點(diǎn)為現(xiàn)實(shí)物理問(wèn)題的簡(jiǎn)化建模、利用計(jì)算機(jī)程序解決物理問(wèn)題以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的科學(xué)解釋等。
對(duì)于應(yīng)用型本科《計(jì)算流體力學(xué)》課程來(lái)講,應(yīng)當(dāng)更多地關(guān)注計(jì)算流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,將計(jì)算流體力學(xué)作為一項(xiàng)解決工程問(wèn)題的工具,培養(yǎng)學(xué)生在利用該工具解決實(shí)際工程中的流體問(wèn)題的能力[3]。
二、原有教學(xué)方法的弊端
西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)較早開(kāi)設(shè)了《計(jì)算流體力學(xué)》課程,培養(yǎng)了多屆學(xué)生,積累了一些寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。然而,該課程教學(xué)方式仍不夠成熟,存在一些弊端,教學(xué)效果受到影響。這些弊端主要表現(xiàn)為:
1.教學(xué)內(nèi)容偏于理論。在教學(xué)過(guò)程中,當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容還延續(xù)中傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)的基本內(nèi)容,即:流體流動(dòng)控制方程的推導(dǎo)、離散方法及線性方程的解法等,在課程講解過(guò)程中,仍以有限差分法、有限體積法及這些數(shù)值算法的收斂性、穩(wěn)定性、計(jì)算精度等方面作為主要的講解對(duì)象,教授過(guò)程中涉及到大量的理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用。在教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生們普遍反映教學(xué)內(nèi)容難懂難學(xué),枯燥乏味。同時(shí)大量的理論教學(xué)還影響了上機(jī)教學(xué)時(shí)間。
2.工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)化不足。當(dāng)前教學(xué)計(jì)劃中雖然搭配了16個(gè)課時(shí)的上機(jī)教學(xué),但仍顯不足。經(jīng)過(guò)多次的上機(jī)練習(xí),部分學(xué)生能夠掌握利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法解決工程問(wèn)題的一般流程,但是大部分學(xué)生仍然不具備解決新問(wèn)題的能力。在上機(jī)練習(xí)過(guò)程中,學(xué)生按照教師提供的上機(jī)指導(dǎo)書(shū)中的計(jì)算模型操作完成,而對(duì)于計(jì)算中非常重要的如計(jì)算區(qū)域創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算模型選擇、邊界條件、初始條件及計(jì)算控制參數(shù)等缺乏自主的思考。針對(duì)上述問(wèn)題,迫切需要對(duì)課程進(jìn)行教學(xué)改革,提出新的教學(xué)理念,利用合理的教學(xué)方式,提高教學(xué)質(zhì)量。
三、課程改革措施
前言
流體無(wú)固定形狀,即使受到的剪切力再小,只要持續(xù)存在,其變形便會(huì)隨時(shí)間持續(xù)增大,不像固體那樣,一定的受力只能產(chǎn)生一定的變形。流體力學(xué)的基本理論非常嚴(yán)密,描述流體流動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程非常復(fù)雜,高度非線性[1],因此學(xué)生對(duì)流體力學(xué)敬而遠(yuǎn)之的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。此外由于因特網(wǎng)及電子計(jì)算機(jī)的普及,各種虛擬現(xiàn)象泛濫,在這樣的環(huán)境下成長(zhǎng)的學(xué)生接觸和感受實(shí)際發(fā)生的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少,對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和理解能力很弱。很多學(xué)生在接受流體力學(xué)教育之前所受的應(yīng)試教育的影響下[2],學(xué)習(xí)只是為了在短時(shí)間內(nèi)對(duì)給出的試題做出接近正解的答案獲得高分,這種教育具有多大的意義,近年來(lái)許多學(xué)者從教育學(xué)的角度提出了疑問(wèn)[2]。只有直面實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象,抓住問(wèn)題的本質(zhì),才能誕生真正的學(xué)問(wèn)和研究。筆者基于對(duì)本科和研究生的流體學(xué)教學(xué)中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題,指出了重視流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解對(duì)提高流體力學(xué)的教學(xué)效果的必要性和重要性。
一、流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題
(一)新形勢(shì)下學(xué)生所處的社會(huì)環(huán)境變化
學(xué)生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時(shí)間和機(jī)會(huì)大大超過(guò)了自己親自動(dòng)手制作道具及模型的體感玩耍時(shí)間,通過(guò)體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少。
因特網(wǎng)的普及使得在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r(shí)獲得信息成為可能,近年來(lái)出現(xiàn)學(xué)生過(guò)度依賴因特網(wǎng)的傾向,疏遠(yuǎn)了紙質(zhì)圖書(shū)及相關(guān)文獻(xiàn)這些知識(shí)比較系統(tǒng)邏輯性也有保證的傳統(tǒng)信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外,還有很多不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的信息,即使是正確的信息,各信息段之間也缺乏系統(tǒng)性,因此學(xué)生僅通過(guò)因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識(shí)體系的。
手機(jī)在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們?cè)趯?shí)際問(wèn)題時(shí),不是自己獨(dú)立分析問(wèn)題,找出問(wèn)題發(fā)生的原因,而是直接利用手機(jī)詢問(wèn)他人求得答案,這樣很難培養(yǎng)獨(dú)立制定計(jì)劃,對(duì)可能事態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),獨(dú)立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力。這恰恰是對(duì)一個(gè)未來(lái)走向社會(huì)成為一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)人員的必經(jīng)的磨礪之道。
(二)流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題
流體流動(dòng)的力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)的物理意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是最好的一個(gè)例證。大多數(shù)學(xué)生雖然能夠使用牛頓粘性定律進(jìn)行計(jì)算,但對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體為何會(huì)產(chǎn)生粘性卻不能正確的理解。的確,對(duì)于涉及到流體力學(xué)的某些技術(shù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì),只要懂得一定的計(jì)算即可,但是對(duì)于開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)全新的產(chǎn)品,如不能準(zhǔn)確把握所涉及到的相關(guān)流體流動(dòng)的物理本質(zhì),有時(shí)會(huì)產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)結(jié)果。
流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繁多,流體力學(xué)融合領(lǐng)域廣,要求學(xué)生掌握更多的學(xué)科預(yù)備知識(shí),尤其對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的要求更高,使部分學(xué)生覺(jué)得流體力學(xué)是難以接近的一門課。同一流動(dòng)現(xiàn)象常常可以從多個(gè)角度進(jìn)行解釋,容易使學(xué)生產(chǎn)生混亂。比如對(duì)翼型的流體力學(xué)工作原理,可以從流體流動(dòng)的動(dòng)量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋,解釋方法之多反而會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生混亂,但每一種解釋方法都是正確的,解釋的都是一個(gè)本質(zhì),只有完全理解各種解釋方法所依據(jù)的理論,才可以解除認(rèn)識(shí)上的混亂,將學(xué)到的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化。
描述流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程高度非線性化,數(shù)學(xué)上求解比較困難。描述流體流動(dòng)的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數(shù)學(xué)解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數(shù)學(xué)功底,但近年來(lái)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢(shì)。
學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前所接受的應(yīng)試教育的影響很大,以考試成績(jī)自評(píng)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識(shí)根深蒂固[4]。實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象往往沒(méi)有單純的標(biāo)準(zhǔn)答案,有時(shí)甚至存在多個(gè)解,重要的是抓住流動(dòng)現(xiàn)象的物理本質(zhì),系統(tǒng)的理解流體力學(xué)的基本原理。
二、教學(xué)方法對(duì)應(yīng)
解決上述問(wèn)題的根本方法,筆者認(rèn)為只有從流體力學(xué)教學(xué)上,直面涉及流體的各種現(xiàn)象,使學(xué)生準(zhǔn)確的把握物理本質(zhì)。為此在流體力學(xué)課堂上,廣泛采用流體模型教學(xué)和實(shí)例教學(xué),增加學(xué)生觀察理解各種流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì),喚起他們對(duì)本門課的興趣的同時(shí),讓他們形成為探究流動(dòng)現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習(xí)慣,這對(duì)解決流體力學(xué)教學(xué)所面臨的問(wèn)題至關(guān)重要。
使用電吹風(fēng)斜向上吹一個(gè)讓學(xué)生事先準(zhǔn)備好的氣球模型,沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生會(huì)意外的發(fā)現(xiàn)氣球會(huì)向斜上方飄起。這一流體流動(dòng)現(xiàn)象可從風(fēng)從氣球上部通過(guò)時(shí),由于氣球表面的影響風(fēng)的流向會(huì)產(chǎn)生變化,也就是流線產(chǎn)生彎曲,根據(jù)風(fēng)的動(dòng)量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋,還可以從物體繞流邊界層效應(yīng)得到解釋。從這一簡(jiǎn)單的模型教學(xué),還可以解釋飛機(jī)的機(jī)翼通過(guò)改變空氣的流向進(jìn)而獲得升力的流體力學(xué)上的工作原理。
在一個(gè)裝滿水的塑料瓶?jī)?nèi)分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球,然后放在一個(gè)可移動(dòng)桌面上,使桌面等直線加速運(yùn)動(dòng),可發(fā)現(xiàn)鋼球運(yùn)動(dòng)較慢留在瓶底,而泡沫球運(yùn)動(dòng)較快停在瓶嘴附近。觀察這一個(gè)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生:泡沫球運(yùn)動(dòng)得較快是因?yàn)榈燃铀龠\(yùn)動(dòng)瓶?jī)?nèi)流體的靜壓在運(yùn)動(dòng)方向上遞減形成壓力梯度,小球的前進(jìn)方向的壓力大于等加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力,因此小球相對(duì)于塑料瓶向前運(yùn)動(dòng);而作用于鋼球的前進(jìn)方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同,但慣性力大于前進(jìn)方向的靜壓力,因此鋼球相對(duì)于塑料瓶向后移動(dòng)。這一模型教學(xué)比一般教科書(shū)上關(guān)于流體等加速直線運(yùn)動(dòng)流體的靜壓分布的例題更容易使學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì),且能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考之習(xí)慣,使學(xué)生體會(huì)到透過(guò)流體流動(dòng)現(xiàn)象來(lái)正確觀察和理解把握流體力學(xué)基本規(guī)律的樂(lè)趣。
經(jīng)常使用立式洗衣機(jī)的人都知道,洗完衣服后,衣兜總要被翻過(guò)來(lái),假如原來(lái)兜里裝有硬幣等硬物,也會(huì)被掏出來(lái)[5]。把這個(gè)實(shí)例在課堂上講出后,學(xué)生們甚有興趣,追問(wèn)其中的奧秘,當(dāng)教師根據(jù)伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、力學(xué)家及醫(yī)學(xué)家于一身的瑞士的大科學(xué)家的基本情況后,學(xué)生們頓時(shí)對(duì)這位科學(xué)家充滿了崇敬之情,通過(guò)大量這種實(shí)驗(yàn)?zāi)P图皩?shí)例教學(xué),學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課更有了興趣和信心,教學(xué)效果的提高自不待言。
三、結(jié)語(yǔ)
本文詳盡的分析了計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)等現(xiàn)代化通訊工具普及后對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的影響,由于流體力學(xué)課程知識(shí)體系的特點(diǎn),這種影響產(chǎn)生的負(fù)面問(wèn)題很多,尤其是教授成長(zhǎng)在應(yīng)試教育體制下走入大學(xué)的學(xué)生,更需要轉(zhuǎn)換認(rèn)識(shí),改變教學(xué)觀念,在課堂教學(xué)中廣泛植入實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒虒W(xué)和實(shí)例教學(xué),讓學(xué)生直面實(shí)際存在的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解,達(dá)到生動(dòng)及形象的把握這些流動(dòng)現(xiàn)象背后的流體力學(xué)的基本定理,有效提升教學(xué)效果的同時(shí),通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷闹谱鬟€可提高學(xué)生的動(dòng)手能力,這對(duì)學(xué)生走向社會(huì)成為一個(gè)具有創(chuàng)造性思維能力、獨(dú)立思考的優(yōu)秀技術(shù)人員也是一個(gè)必不可少的雛形磨礪。
[參考文獻(xiàn)]
[1]黃衛(wèi)星.工程流體力學(xué)[m].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
[2]李丹,楊斯瑞.應(yīng)試教育與創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)[j].繼續(xù)教育研究,2009,25(2):180-185
前言
流體無(wú)固定形狀,即使受到的剪切力再小,只要持續(xù)存在,其變形便會(huì)隨時(shí)間持續(xù)增大,不像固體那樣,一定的受力只能產(chǎn)生一定的變形。流體力學(xué)的基本理論非常嚴(yán)密,描述流體流動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程非常復(fù)雜,高度非線性[1],因此學(xué)生對(duì)流體力學(xué)敬而遠(yuǎn)之的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。此外由于因特網(wǎng)及電子計(jì)算機(jī)的普及,各種虛擬現(xiàn)象泛濫,在這樣的環(huán)境下成長(zhǎng)的學(xué)生接觸和感受實(shí)際發(fā)生的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少,對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和理解能力很弱。很多學(xué)生在接受流體力學(xué)教育之前所受的應(yīng)試教育的影響下[2],學(xué)習(xí)只是為了在短時(shí)間內(nèi)對(duì)給出的試題做出接近正解的答案獲得高分,這種教育具有多大的意義,近年來(lái)許多學(xué)者從教育學(xué)的角度提出了疑問(wèn)[2]。只有直面實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象,抓住問(wèn)題的本質(zhì),才能誕生真正的學(xué)問(wèn)和研究。筆者基于對(duì)本科和研究生的流體學(xué)教學(xué)中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題,指出了重視流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解對(duì)提高流體力學(xué)的教學(xué)效果的必要性和重要性。
一、流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題
(一)新形勢(shì)下學(xué)生所處的社會(huì)環(huán)境變化
學(xué)生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時(shí)間和機(jī)會(huì)大大超過(guò)了自己親自動(dòng)手制作道具及模型的體感玩耍時(shí)間,通過(guò)體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少。
因特網(wǎng)的普及使得在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r(shí)獲得信息成為可能,近年來(lái)出現(xiàn)學(xué)生過(guò)度依賴因特網(wǎng)的傾向,疏遠(yuǎn)了紙質(zhì)圖書(shū)及相關(guān)文獻(xiàn)這些知識(shí)比較系統(tǒng)邏輯性也有保證的傳統(tǒng)信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外,還有很多不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的信息,即使是正確的信息,各信息段之間也缺乏系統(tǒng)性,因此學(xué)生僅通過(guò)因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識(shí)體系的。
手機(jī)在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們?cè)趯?shí)際問(wèn)題時(shí),不是自己獨(dú)立分析問(wèn)題,找出問(wèn)題發(fā)生的原因,而是直接利用手機(jī)詢問(wèn)他人求得答案,這樣很難培養(yǎng)獨(dú)立制定計(jì)劃,對(duì)可能事態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),獨(dú)立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力。這恰恰是對(duì)一個(gè)未來(lái)走向社會(huì)成為一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)人員的必經(jīng)的磨礪之道。
(二)流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題
流體流動(dòng)的力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)的物理意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是最好的一個(gè)例證。大多數(shù)學(xué)生雖然能夠使用牛頓粘性定律進(jìn)行計(jì)算,但對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體為何會(huì)產(chǎn)生粘性卻不能正確的理解。的確,對(duì)于涉及到流體力學(xué)的某些技術(shù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì),只要懂得一定的計(jì)算即可,但是對(duì)于開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)全新的產(chǎn)品,如不能準(zhǔn)確把握所涉及到的相關(guān)流體流動(dòng)的物理本質(zhì),有時(shí)會(huì)產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)結(jié)果。
流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繁多,流體力學(xué)融合領(lǐng)域廣,要求學(xué)生掌握更多的學(xué)科預(yù)備知識(shí),尤其對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的要求更高,使部分學(xué)生覺(jué)得流體力學(xué)是難以接近的一門課。同一流動(dòng)現(xiàn)象常??梢詮亩鄠€(gè)角度進(jìn)行解釋,容易使學(xué)生產(chǎn)生混亂。比如對(duì)翼型的流體力學(xué)工作原理,可以從流體流動(dòng)的動(dòng)量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋,解釋方法之多反而會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生混亂,但每一種解釋方法都是正確的,解釋的都是一個(gè)本質(zhì),只有完全理解各種解釋方法所依據(jù)的理論,才可以解除認(rèn)識(shí)上的混亂,將學(xué)到的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化。
描述流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程高度非線性化,數(shù)學(xué)上求解比較困難。描述流體流動(dòng)的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數(shù)學(xué)解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數(shù)學(xué)功底,但近年來(lái)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢(shì)。
學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前所接受的應(yīng)試教育的影響很大,以考試成績(jī)自評(píng)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識(shí)根深蒂固[4]。實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象往往沒(méi)有單純的標(biāo)準(zhǔn)答案,有時(shí)甚至存在多個(gè)解,重要的是抓住流動(dòng)現(xiàn)象的物理本質(zhì),系統(tǒng)的理解流體力學(xué)的基本原理。
二、教學(xué)方法對(duì)應(yīng)
解決上述問(wèn)題的根本方法,筆者認(rèn)為只有從流體力學(xué)教學(xué)上,直面涉及流體的各種現(xiàn)象,使學(xué)生準(zhǔn)確的把握物理本質(zhì)。為此在流體力學(xué)課堂上,廣泛采用流體模型教學(xué)和實(shí)例教學(xué),增加學(xué)生觀察理解各種流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì),喚起他們對(duì)本門課的興趣的同時(shí),讓他們形成為探究流動(dòng)現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習(xí)慣,這對(duì)解決流體力學(xué)教學(xué)所面臨的問(wèn)題至關(guān)重要。
使用電吹風(fēng)斜向上吹一個(gè)讓學(xué)生事先準(zhǔn)備好的氣球模型,沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生會(huì)意外的發(fā)現(xiàn)氣球會(huì)向斜上方飄起。這一流體流動(dòng)現(xiàn)象可從風(fēng)從氣球上部通過(guò)時(shí),由于氣球表面的影響風(fēng)的流向會(huì)產(chǎn)生變化,也就是流線產(chǎn)生彎曲,根據(jù)風(fēng)的動(dòng)量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋,還可以從物體繞流邊界層效應(yīng)得到解釋。從這一簡(jiǎn)單的模型教學(xué),還可以解釋飛機(jī)的機(jī)翼通過(guò)改變空氣的流向進(jìn)而獲得升力的流體力學(xué)上的工作原理。
在一個(gè)裝滿水的塑料瓶?jī)?nèi)分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球,然后放在一個(gè)可移動(dòng)桌面上,使桌面等直線加速運(yùn)動(dòng),可發(fā)現(xiàn)鋼球運(yùn)動(dòng)較慢留在瓶底,而泡沫球運(yùn)動(dòng)較快停在瓶嘴附近。觀察這一個(gè)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生:泡沫球運(yùn)動(dòng)得較快是因?yàn)榈燃铀龠\(yùn)動(dòng)瓶?jī)?nèi)流體的靜壓在運(yùn)動(dòng)方向上遞減形成壓力梯度,小球的前進(jìn)方向的壓力大于等加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力,因此小球相對(duì)于塑料瓶向前運(yùn)動(dòng);而作用于鋼球的前進(jìn)方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同,但慣性力大于前進(jìn)方向的靜壓力,因此鋼球相對(duì)于塑料瓶向后移動(dòng)。這一模型教學(xué)比一般教科書(shū)上關(guān)于流體等加速直線運(yùn)動(dòng)流體的靜壓分布的例題更容易使學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì),且能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考之習(xí)慣,使學(xué)生體會(huì)到透過(guò)流體流動(dòng)現(xiàn)象來(lái)正確觀察和理解把握流體力學(xué)基本規(guī)律的樂(lè)趣。
經(jīng)常使用立式洗衣機(jī)的人都知道,洗完衣服后,衣兜總要被翻過(guò)來(lái),假如原來(lái)兜里裝有硬幣等硬物,也會(huì)被掏出來(lái)[5]。把這個(gè)實(shí)例在課堂上講出后,學(xué)生們甚有興趣,追問(wèn)其中的奧秘,當(dāng)教師根據(jù)伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、力學(xué)家及醫(yī)學(xué)家于一身的瑞士的大科學(xué)家的基本情況后,學(xué)生們頓時(shí)對(duì)這位科學(xué)家充滿了崇敬之情,通過(guò)大量這種實(shí)驗(yàn)?zāi)P图皩?shí)例教學(xué),學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課更有了興趣和信心,教學(xué)效果的提高自不待言。
三、結(jié)語(yǔ)
本文詳盡的分析了計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)等現(xiàn)代化通訊工具普及后對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的影響,由于流體力學(xué)課程知識(shí)體系的特點(diǎn),這種影響產(chǎn)生的負(fù)面問(wèn)題很多,尤其是教授成長(zhǎng)在應(yīng)試教育體制下走入大學(xué)的學(xué)生,更需要轉(zhuǎn)換認(rèn)識(shí),改變教學(xué)觀念,在課堂教學(xué)中廣泛植入實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒虒W(xué)和實(shí)例教學(xué),讓學(xué)生直面實(shí)際存在的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解,達(dá)到生動(dòng)及形象的把握這些流動(dòng)現(xiàn)象背后的流體力學(xué)的基本定理,有效提升教學(xué)效果的同時(shí),通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷闹谱鬟€可提高學(xué)生的動(dòng)手能力,這對(duì)學(xué)生走向社會(huì)成為一個(gè)具有創(chuàng)造性思維能力、獨(dú)立思考的優(yōu)秀技術(shù)人員也是一個(gè)必不可少的雛形磨礪。
[參考文獻(xiàn)]
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關(guān)鍵詞:流體力學(xué);過(guò)程裝備與控制;教學(xué)改革
Key words: Hydromechanics;process equipment and control;teaching reform
0 引言
《流體力學(xué)》課程主要描述自然環(huán)境中的流體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律及特定條件下流動(dòng)機(jī)理。其內(nèi)容涉及基本概念的理解、公式推導(dǎo)、計(jì)算方法等。考慮到大二學(xué)生尚未接觸實(shí)際工程問(wèn)題,因此教學(xué)雙方對(duì)流體力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程均存在困惑。本文針對(duì)流體力學(xué)課程的特點(diǎn)及教學(xué)過(guò)程中遇見(jiàn)的問(wèn)題,對(duì)《流體力學(xué)》教學(xué)改革進(jìn)行相關(guān)探索,總結(jié)教學(xué)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn),提出相應(yīng)改進(jìn)方案。
1 合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段與技術(shù)
首先,以《流體力學(xué)》教材中所采用的大量流場(chǎng)圖片為例,對(duì)流場(chǎng)理解的正確與否決定其學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣與積極性,傳統(tǒng)的教學(xué)方法多采用授課教師手繪流線等方法來(lái)說(shuō)明流體的流動(dòng)過(guò)程,在講解的過(guò)程中,由于流場(chǎng)僅僅是枯燥的曲線靜態(tài)分布,無(wú)法有效吸引學(xué)生注意力,使學(xué)生對(duì)流動(dòng)機(jī)理有進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)和理解,從而降低教師的教學(xué)效率和教學(xué)效果。
在《流體力學(xué)》教學(xué)中采用多媒體課件,通過(guò)制作一些流體運(yùn)動(dòng)的Flash動(dòng)畫(huà)演示把流動(dòng)的特性形象地展示在學(xué)生眼前,表現(xiàn)形式相對(duì)新穎、活潑、再加上圖文并茂的效果,使學(xué)生可以直觀地觀察有趣的物理流體現(xiàn)象,通過(guò)這一環(huán)節(jié)的改進(jìn),可以主動(dòng)改變沉悶的教學(xué)過(guò)程,創(chuàng)造出生動(dòng)活潑的教學(xué)場(chǎng)景,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
其次,《流體力學(xué)》教材中涉及了大量的基本概念、假設(shè)、原理及公式推導(dǎo)等,據(jù)統(tǒng)計(jì)大量公式的推導(dǎo)過(guò)程占據(jù)板書(shū)時(shí)間的較大比例,這有可能造成教師無(wú)法在有效課時(shí)完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容,降低教學(xué)效率。在《流體力學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用PPT多媒體技術(shù),復(fù)雜繁瑣的公式推導(dǎo)可以較形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前,對(duì)學(xué)生理解公式有較大好處。一旦形成這樣的教學(xué)場(chǎng)景,那么在規(guī)定的課堂時(shí)間內(nèi)必將可以細(xì)致透徹地完成教學(xué)任務(wù),達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。
靈活采用各種PPT制作技術(shù)在一定程度上可以避免“多媒體”變成“單媒體”,在《流體力學(xué)》教學(xué)中對(duì)多媒體的使用多集中于流體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、圓管流動(dòng)、薄厚壁孔口出流、縫隙流動(dòng)及氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)等。
此外,考慮到多媒體教學(xué)蘊(yùn)含的信息較大,合理分配PPT播放時(shí)間對(duì)教師的課堂教學(xué)掌控能力是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果“整個(gè)教學(xué)過(guò)程從頭到尾充斥著大量復(fù)雜的信息、不停轉(zhuǎn)動(dòng)的畫(huà)面,而沒(méi)有充分考慮學(xué)生的思維水平和思維速度,像電視或電影畫(huà)面那樣一閃而過(guò),不斷向?qū)W生灌輸,這樣的‘填鴨’式教學(xué)形式會(huì)引起學(xué)生的‘消化不良’,扼殺了學(xué)生創(chuàng)作的機(jī)會(huì)”。
2 建立新的教學(xué)手段模型,提高考試成績(jī)
本文所建立的教學(xué)模型如圖1所示,為提高教學(xué)效果及學(xué)生考試成績(jī),采用立體式的教學(xué)手段。該模型包括以下四項(xiàng)內(nèi)容:情景式啟發(fā),多媒體技術(shù),工程實(shí)例講解,動(dòng)態(tài)視頻輔助。
情景式啟發(fā)屬于現(xiàn)代教學(xué)論范疇,創(chuàng)造一定的“休閑、放松、特色”的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)營(yíng)造啟發(fā)式學(xué)習(xí)的氛圍,讓學(xué)生獲得更加美好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。這種方式能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)需要能夠產(chǎn)生有效的激勵(lì)作用。
工程實(shí)例講解是以學(xué)生常見(jiàn)的工程問(wèn)題作為引入點(diǎn),但同時(shí)大部分同學(xué)對(duì)該類問(wèn)題理解不深或是出現(xiàn)偏頗。結(jié)合該類問(wèn)題,解釋其中所蘊(yùn)含的流體力學(xué)定理,加深學(xué)生對(duì)該問(wèn)題及相關(guān)定理的認(rèn)識(shí),無(wú)疑有利于學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)。
動(dòng)態(tài)視頻輔助是一些在實(shí)際生活中難以見(jiàn)到,但又屬于流體力學(xué)理論范圍的現(xiàn)象再現(xiàn),通過(guò)這些視頻可以加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)相關(guān)理論的理解。
最后可以發(fā)現(xiàn):采用先進(jìn)教學(xué)手段的班級(jí),無(wú)論是考試的優(yōu)良率還是平均分?jǐn)?shù)均比采用傳統(tǒng)教學(xué)方法講解的班級(jí)高出約15%左右,從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。
3 重組教學(xué)內(nèi)容,調(diào)整知識(shí)布局
根據(jù)《流體力學(xué)》課程的教學(xué)大綱,借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)本課程改革的成果,按照當(dāng)前教學(xué)改革發(fā)展的要求對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整,以流體的流動(dòng)為主線,將相關(guān)內(nèi)容有機(jī)地融合在一起最終形成能夠相互促進(jìn)的教學(xué)模式,如圖2所示。
課程體系分為三個(gè)部分:第一部分是不動(dòng)的液體,主要講述流體基本概念與流體靜力學(xué)內(nèi)容;第二部分是運(yùn)動(dòng)的液體,使學(xué)生掌握流體運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)規(guī)律,對(duì)簡(jiǎn)單的管道流動(dòng)及縫隙流動(dòng)有定性及定量的認(rèn)識(shí);第三部分是運(yùn)動(dòng)的氣體,可以把這章內(nèi)容采用視頻播放加師生互動(dòng)方式講解,來(lái)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自學(xué)的能力。
4 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué),提高學(xué)生認(rèn)知能力
《流體力學(xué)》實(shí)驗(yàn)是學(xué)生職業(yè)技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),因?yàn)樗膶?shí)驗(yàn)課題是以流體運(yùn)動(dòng)為背景的,如畢托管測(cè)速實(shí)驗(yàn),雷諾實(shí)驗(yàn)等典型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)選取典型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,加深學(xué)生對(duì)流動(dòng)原理、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等信息的了解。同時(shí)教師在指導(dǎo)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可對(duì)部分操作手段進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn),也可設(shè)計(jì)并提出一些新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。合理利用已有條件培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力,做到學(xué)以致用。
5 結(jié)束語(yǔ)
《流體力學(xué)》教學(xué)改革是一項(xiàng)艱巨、長(zhǎng)期的工作,本文從合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段與技術(shù),建立新的教學(xué)手段模型,提高考試成績(jī),重組教學(xué)內(nèi)容調(diào)整知識(shí)布局、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué),提高學(xué)生認(rèn)知能力等三個(gè)方面論述了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和具體的實(shí)施手段。雖然在一些方面探索出若干經(jīng)驗(yàn)并取得了一定的效果,但還相對(duì)薄弱。改進(jìn)教學(xué)手段,引入多種教學(xué)方法,因材施教等均可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和接受能力,為以后學(xué)習(xí)專業(yè)課及工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本書(shū)共有19章,1:波動(dòng)與湍流的相互聯(lián)系,包括波動(dòng)的三種類型、波與湍流、地球物理與天體物理中的湍流。從第2章開(kāi)始分為3部分。第1部分為從流體力學(xué)到磁流體力學(xué),討論了簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)液體、分層流體的基本理論和磁流體力學(xué),含第2-7章:2.初等流體動(dòng)力學(xué),包括納維葉-斯托克斯方程、粘性流體中的能量損耗、渦度方程等;3.旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動(dòng),包括地球自轉(zhuǎn)偏向力、慣性波、波動(dòng)與穩(wěn)定性、羅斯貝波等;4.分層流體運(yùn)動(dòng),包括波西內(nèi)斯克近似、阻塞高壓、背風(fēng)波、內(nèi)重力波、位勢(shì)渦度、谷風(fēng);5,電動(dòng)力學(xué)方程,包括麥克斯威方程、安培法拉第定律完整版、洛倫茲力、麥克斯威應(yīng)力、法拉第張力、磁場(chǎng)與速度場(chǎng)的轉(zhuǎn)換;6.導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng):磁流體力學(xué),包括磁流體力學(xué)方程、低磁雷諾數(shù)下的磁阻尼、高磁雷諾數(shù)下的動(dòng)力學(xué)等;7.湍流的不穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)換,包括成層切變流的穩(wěn)定性、理想流體磁流體力學(xué)平衡穩(wěn)定性等。
第2部分為沒(méi)有體積力作用的湍流,討論了從基本原理中發(fā)展出來(lái)的湍流理論,含第8-11章:8.湍流的基本性質(zhì);9.湍流語(yǔ)言:運(yùn)動(dòng)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué),包括速度關(guān)聯(lián)函數(shù)與結(jié)構(gòu)函數(shù)、傅里葉空間、各向同性的簡(jiǎn)化;10.流體動(dòng)力學(xué)湍流Ⅰ:經(jīng)典理論,包括理查森現(xiàn)象與科莫現(xiàn)象、渦旋伸展與實(shí)質(zhì)線伸展、卡霍二氏方程式等;11.流體力學(xué)湍流Ⅱ:旋轉(zhuǎn)、分層與磁流體力學(xué)湍流,包括各向同性湍流、二維湍流等。
應(yīng)用型教育是以培養(yǎng)知識(shí)和能力全面發(fā)展,面向生產(chǎn)實(shí)踐一線的應(yīng)用型人才為目標(biāo)的高等教育。流體力學(xué)作為我校理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,非常廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工程中,如管道水力計(jì)算以及城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)等。流體力學(xué)基本概念多、公式復(fù)雜、內(nèi)容抽象,有較強(qiáng)理論性和較強(qiáng)工程實(shí)際意義。然而作者在多年的流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍感覺(jué)該課程比較枯燥難學(xué),學(xué)習(xí)積極性不高,期末考試及格率較低,應(yīng)用性不。因此,在我校向“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”轉(zhuǎn)型的大背景下,如何適應(yīng)“應(yīng)用型本科教育”的要求,是流體力學(xué)教學(xué)及實(shí)踐中必須面對(duì)的問(wèn)題。
1目前,我校流體力學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題
(1)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)偏重理論推導(dǎo)。目前我校使用的流體力學(xué)教材主要強(qiáng)調(diào)課程的完整性和系統(tǒng)性,偏重于理論推導(dǎo),選用的例題和練習(xí)題的設(shè)計(jì)過(guò)于理想化,與實(shí)際應(yīng)用相脫離,應(yīng)用性設(shè)計(jì)不夠突出,偏重于介紹流體力學(xué)可以解決工程問(wèn)題這一點(diǎn),造成學(xué)生剛接觸工程問(wèn)題時(shí)就手足無(wú)措,這與應(yīng)用型大學(xué)的培養(yǎng)要求不相適應(yīng)。
(2)課堂教學(xué)效果不好。作者在流體力學(xué)課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn),通過(guò)緒論課的大量工程實(shí)例以及視頻教學(xué)能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,開(kāi)學(xué)初期,教學(xué)效果相對(duì)較好,而隨著課程的進(jìn)行、課程難度的加深,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性越來(lái)越低。主要原因有:①學(xué)生對(duì)流體力學(xué)涉及的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等課程的知識(shí)掌握不盡如意;②流體力學(xué)理論性較強(qiáng),公式推導(dǎo)多,與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)。
(3)缺乏計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)作為一種數(shù)值模擬方法,在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,借助CFD技術(shù),可以得到流動(dòng)細(xì)節(jié),如速度、壓力、能量損失、湍動(dòng)量、漩渦等,從而在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。這就要求技術(shù)人員掌握流體力學(xué)分析、數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。而現(xiàn)階段我校的流體力學(xué)教學(xué)中并未引入CFD技術(shù),僅安排了一次課來(lái)介紹計(jì)算流體力學(xué)的內(nèi)容,且完全進(jìn)行理論教學(xué),學(xué)生學(xué)了一大堆理論公式,但拿到實(shí)際工程問(wèn)題卻無(wú)從下手。
2教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)
針對(duì)上述問(wèn)題,作者在結(jié)合本?!皯?yīng)用型特色科技大學(xué)”的發(fā)展方向下對(duì)流體力學(xué)課程課堂教學(xué)方式及實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。從課程教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)方式方法,實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì),解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低,課堂教學(xué)效果較差,理論與應(yīng)用相脫離的問(wèn)題。同時(shí),通過(guò)借助CFD豐富教學(xué)內(nèi)容,增強(qiáng)實(shí)用性,使學(xué)生會(huì)用仿真軟件求解工程問(wèn)題。具體改革內(nèi)容:
2.1突出應(yīng)用性教學(xué)
以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為教學(xué)目標(biāo),結(jié)合流體力學(xué)的課程特點(diǎn),將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論教學(xué)部分和考慮應(yīng)用的專題教學(xué)部分。
基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容包括流體力學(xué)基本概念、基本原理和基本方程,這是應(yīng)用的基礎(chǔ),要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。授課過(guò)程中強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念的理解和基本理論的應(yīng)用,而弱化對(duì)方程的數(shù)學(xué)推導(dǎo),但應(yīng)明確方程的意義、適用條件以及如何應(yīng)用方程解決實(shí)際問(wèn)題。專題教學(xué)以實(shí)際工程問(wèn)題為切入點(diǎn),例如以均質(zhì)液體對(duì)平壁和曲壁的總壓力為例,從為什么對(duì)平壁和曲壁總壓力進(jìn)行計(jì)算(壓力容器,水壩,潛艇等結(jié)構(gòu)安全),引申出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)(平壁和曲壁總壓力的大小、作用點(diǎn)、壓力體等)和基本理論(流體靜力學(xué)基本方程、歐拉平衡方程等),以此加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。
2.2課堂教學(xué)方法設(shè)計(jì)具有針對(duì)性
課堂教學(xué)方法也是影響教學(xué)效果的重要因素。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師主講為主,缺乏與學(xué)生的有效互動(dòng)和交流,教學(xué)效果較差。本課程采用師生互動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué),對(duì)理論教學(xué)部分采用教師主講和提問(wèn)、學(xué)生回答的方式;對(duì)專題教學(xué)的課后練習(xí),集中安排一次課進(jìn)行分組上講臺(tái)匯報(bào),學(xué)生自己當(dāng)評(píng)委,自己打分,鍛煉學(xué)生主動(dòng)思考和動(dòng)手能力,增強(qiáng)對(duì)課程應(yīng)用性的理解。同時(shí),采用多媒體授課,圖片和視頻能形象直觀地表現(xiàn)文字和語(yǔ)言不能描述的現(xiàn)象,如雷諾實(shí)驗(yàn)、卡門渦街等。在成績(jī)的構(gòu)成上除課后作業(yè)和專題匯報(bào)外,還布置一個(gè)課外小任務(wù)一觀察生活中的流體力學(xué),例如空調(diào)掛機(jī)安裝位置問(wèn)題,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象,并結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行分析,增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
2.3將CFD技術(shù)引入課堂教學(xué)
在理論教學(xué)和專題教學(xué)完成后將CFD技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中,做到數(shù)值仿真計(jì)算與理論推導(dǎo)相結(jié)合,增強(qiáng)流體力學(xué)的應(yīng)用性。
(1)授課時(shí)對(duì)流體力學(xué)商用數(shù)值仿真軟件Fluent的操作步驟做簡(jiǎn)要介紹,結(jié)合我校的數(shù)值仿真中心,完成代表性例題的數(shù)值分析計(jì)算,將數(shù)值仿真結(jié)果與理論解進(jìn)行對(duì)比。
(2)將工程實(shí)際問(wèn)題引入流體力學(xué)教學(xué),提高學(xué)生面對(duì)具體問(wèn)題的實(shí)際操作能力。每學(xué)期邀請(qǐng)兩位具有豐富工程實(shí)際問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的校外人員來(lái)校給學(xué)生做一次報(bào)告,向?qū)W生介紹其建立工程問(wèn)題的簡(jiǎn)化模型和簡(jiǎn)化過(guò)程,以及采用Fluent求解過(guò)程和結(jié)果,讓學(xué)生學(xué)會(huì)面對(duì)工程問(wèn)題時(shí)準(zhǔn)確建立力學(xué)模型的能力,同時(shí)開(kāi)闊學(xué)生的視野,提高學(xué)習(xí)積極性。
3主要特色
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2016)16-0225-02
一、前言
我校的學(xué)生培養(yǎng)定位是:“立足內(nèi)蒙古,面向全國(guó),服務(wù)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè),培養(yǎng)崗位適應(yīng)性強(qiáng)、工作作風(fēng)踏實(shí)的應(yīng)用型人才”[1]。
建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是:“適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要,德智體全面發(fā)展,基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)施能力的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)應(yīng)用型高級(jí)技術(shù)人才”。畢業(yè)生能夠從事工業(yè)與民用建筑室內(nèi)環(huán)境與暖通空調(diào)、通風(fēng)除塵、采暖供熱、燃?xì)夤?yīng)、建筑給排水等公共設(shè)施系統(tǒng)、建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、管理以及建筑自動(dòng)化系統(tǒng)的方案制訂,并具有初步的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)能力,能夠在設(shè)計(jì)研究院、建筑工程單位、物業(yè)管理公司及相關(guān)的科研、生產(chǎn)和教學(xué)等單位從事技術(shù)與管理工作。
《流體力學(xué)》是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課,也是我校重點(diǎn)建設(shè)課程之一,是該專業(yè)工程技術(shù)人員必須掌握的知識(shí)。同時(shí),該課程也是我校環(huán)境工程、熱能與動(dòng)力工程、礦物加工工程、采礦工程、機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化等工程專業(yè)必須開(kāi)設(shè)的課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)掌握流體力學(xué)的基本概念、基本理論以及水力計(jì)算的基本方法。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)課程的重要組成部分,流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是發(fā)展流體力學(xué)理論,驗(yàn)證流體力學(xué)假說(shuō),理解流體力學(xué)現(xiàn)象,解決流體力學(xué)工程問(wèn)題的一個(gè)重要手段,該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞影響到學(xué)生對(duì)知識(shí)的了解和掌握,以及動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng),甚至影響到他們就業(yè)后對(duì)專業(yè)知識(shí)的靈活運(yùn)用。
二、當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題
1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是《流體力學(xué)》課程的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)基本目的要求是:使學(xué)生觀測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象,驗(yàn)證所學(xué)理論,掌握實(shí)驗(yàn)的方法和操作技能,訓(xùn)練學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)資料、編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格的科學(xué)作風(fēng)。目前我?!读黧w力學(xué)》課程開(kāi)設(shè)的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:雷諾實(shí)驗(yàn)、伯努利方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、圓形管道沿程阻力實(shí)驗(yàn)、圓形管道局部阻力實(shí)驗(yàn)、一元流動(dòng)量方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、氣體紊流射流實(shí)驗(yàn)等[2],全部是傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),由于實(shí)驗(yàn)室房間、實(shí)驗(yàn)器材、指導(dǎo)教師人數(shù)等方面的條件有限,綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)不能開(kāi)出。不同專業(yè)、不同學(xué)時(shí)的《流體力學(xué)》課程的學(xué)生進(jìn)行完全相同的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)課堂上,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式要求等方面進(jìn)行講解,之后學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),出現(xiàn)問(wèn)題在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行處理,教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)完成情況和質(zhì)量來(lái)評(píng)定成績(jī)。雖然實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)的比較全面,基本覆蓋了課程的主要內(nèi)容,也有利于增進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,但沒(méi)有激發(fā)學(xué)生的積極性,學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和熱情沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái),只是被動(dòng)的完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程,不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。
2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。近年來(lái)伴隨著我國(guó)教育體制的改革發(fā)展和招生規(guī)模的擴(kuò)大,給學(xué)校的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇,使學(xué)校的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但不可回避的是學(xué)生質(zhì)量在不同程度上有所下降,基礎(chǔ)知識(shí)不很扎實(shí),給后續(xù)教學(xué)工作帶來(lái)了困難,也是擺在全校師生面前的難題。另外還有相當(dāng)一部分學(xué)生是通過(guò)調(diào)劑專業(yè)而來(lái)的,不是他們所鐘情和喜愛(ài)的專業(yè),因此,學(xué)習(xí)積極性也不高,疲于應(yīng)付,學(xué)習(xí)目的不明確,態(tài)度不很認(rèn)真,缺乏學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力,只求考試及格過(guò)關(guān)了事,流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)也是如此。
近年來(lái),學(xué)校也做了很大努力,在改善實(shí)驗(yàn)條件方面投入不少,但由于學(xué)生人數(shù)眾多,實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少,實(shí)驗(yàn)小組人數(shù)偏多,親自動(dòng)手操作的次數(shù)不是很多,感性認(rèn)識(shí)不夠,盡管實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師想盡一切辦法,盡可能多的創(chuàng)造機(jī)會(huì),但收效甚微,實(shí)驗(yàn)效果不理想,有的甚至連最基本的測(cè)試儀器,如畢托管的工作原理、使用及注意事項(xiàng)等都不清楚。另一方面,由于小組人數(shù)多,實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相同,實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重,沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析、結(jié)果的討論,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)的感悟不深,對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解、體會(huì)起不到作用,同時(shí)給實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核帶來(lái)了不便。
三、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容
1.實(shí)驗(yàn)課的地位。實(shí)驗(yàn)是《流體力學(xué)》課程非常重要的組成部分,但是在教學(xué)實(shí)踐中,往往更多強(qiáng)調(diào)的是理論的重要性,而忽視了實(shí)驗(yàn)對(duì)流體力學(xué)理論學(xué)習(xí)的幫助。因此要充分重視流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的地位,實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)教學(xué)中和理論課具有同樣的重要作用,流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論、數(shù)值計(jì)算結(jié)果的唯一途徑,是學(xué)生獲得流體力學(xué)感性知識(shí)的主要方法,有利于學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的深入理解,促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步思考,培養(yǎng)他們的擴(kuò)散思維,調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性。另外,要樹(shù)立重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)、熱情服務(wù)學(xué)生的觀念。首先要重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè),無(wú)論從政策傾斜還是人力、物力以及資金投入等方面都予以高度重視;其次要尊重實(shí)驗(yàn)教師的地位和實(shí)驗(yàn)教師的勞動(dòng),吸引具有一定操作技能和設(shè)計(jì)構(gòu)思能力的教師充實(shí)到實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍中。
2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。《流體力學(xué)》是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,其內(nèi)容貫穿了建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的所有領(lǐng)域,如采暖供熱中的熱媒介質(zhì)(水)的流動(dòng),空調(diào)工程中空氣、冷凍水、冷凝水的流動(dòng),通風(fēng)除塵中空氣以及粉塵粒子的流動(dòng),鍋爐中的煙氣、水、蒸汽、粉塵粒子的流動(dòng)等,所有這些流動(dòng)的參數(shù)測(cè)試分析類似于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn),因此流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該與工程實(shí)踐緊密結(jié)合。而目前《流體力學(xué)》課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)全部是傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),也是非常經(jīng)典基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn),雖然實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)的比較全面,基本覆蓋了課程的主要內(nèi)容,也有利于增進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,但是,和專業(yè)工程實(shí)踐脫節(jié),聯(lián)系不密切,學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高[3,4]。
在完成傳統(tǒng)經(jīng)典基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的之后,指導(dǎo)組織學(xué)生自行完成一次設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn),把原有單一的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組合到新的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中,如具有一定規(guī)模的管網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并對(duì)設(shè)計(jì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試,分別測(cè)定不同工況下的運(yùn)行參數(shù),如流量、流速、壓力等,這樣既把流體力學(xué)知識(shí)和專業(yè)課的知識(shí)結(jié)合在了一起,由于是按照自己的意愿設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),因而增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又提高了學(xué)生的操作運(yùn)行技能,同時(shí),在解決出現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程中,使學(xué)生學(xué)到的知識(shí)得到了綜合應(yīng)用。因此筆者以為,傳統(tǒng)經(jīng)典基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)固然重要,可以使學(xué)生所學(xué)知識(shí)得到加深鞏固和理解,綜合型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則是對(duì)學(xué)生綜合能力得到鍛煉和提高的有效途徑。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,優(yōu)化現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源,在完成傳統(tǒng)經(jīng)典驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的同時(shí),加強(qiáng)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)出。
3.教學(xué)手段與方法。為了達(dá)到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,要打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師講解學(xué)生聽(tīng)的模式,指導(dǎo)教師與實(shí)驗(yàn)學(xué)生采取互動(dòng)的形式,共同探討實(shí)驗(yàn)的目的、意義、背景、對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)以及和相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系、完成實(shí)驗(yàn)測(cè)定的技術(shù)路線等,使學(xué)生處于主體地位,積極參與,主動(dòng)進(jìn)行。方法可以靈活多樣,教學(xué)手段可輔助以教學(xué)錄像、多媒體等,對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)讓學(xué)生互相討論,從中獲得答案,指導(dǎo)教師予以補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核不拘泥于實(shí)驗(yàn)報(bào)告,應(yīng)根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊饬x的感悟、對(duì)知識(shí)聯(lián)系的理解、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作、問(wèn)題分析討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等綜合評(píng)價(jià)[3,4]。
四、結(jié)語(yǔ)
《流體力學(xué)》是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課,也是我校重點(diǎn)建設(shè)課程之一,同時(shí)也是環(huán)境工程、熱能與動(dòng)力工程等專業(yè)必須開(kāi)設(shè)的課程。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是該課程非常重要的組成部分,實(shí)驗(yàn)不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生觀察事物的能力、分析解決問(wèn)題的能力和相互協(xié)調(diào)合作的能力。因此要轉(zhuǎn)變觀念,重視流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),整合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)資源,進(jìn)一步補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,改革流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段,不斷研究流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展趨勢(shì),不僅要使學(xué)生完成經(jīng)典基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,更重要的是要放手讓學(xué)生開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型、研究型實(shí)驗(yàn),突出學(xué)生的主體性,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性,使每一個(gè)完成流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生從中得到鍛煉和提高,為培養(yǎng)綜合型建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)人才奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
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中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
流體力學(xué)是一門研究流體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律以及流體與物體之間的相互作用力的學(xué)科,它作為一門嚴(yán)密的且應(yīng)用面很廣的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科,是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的,也是土木、機(jī)械、動(dòng)力、水利、環(huán)境等學(xué)科的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。改革開(kāi)放以來(lái),雖然各院校在該課程教學(xué)實(shí)踐中都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并取得了不少成果,但是在該課程建設(shè)中仍存在著許多問(wèn)題。論文結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀,從學(xué)生興趣培養(yǎng)、教學(xué)方法改革以及師資隊(duì)伍建設(shè)三方面探討提高流體力學(xué)教學(xué)水平的方法。
一、 流體力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
流體力學(xué)是一門主要研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué),具有理論性強(qiáng)、工程實(shí)際應(yīng)用廣、概念和方程較多且易混淆、對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)知識(shí)及綜合分析和處理問(wèn)題能力要求較高等特點(diǎn)。流體力學(xué)建立在理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)三大技術(shù)手段之上,是化工、土木、機(jī)械等眾多學(xué)科或?qū)I(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科。另外,流體力學(xué)在環(huán)境工程設(shè)計(jì)和實(shí)際工程中也有著廣泛的應(yīng)用,是水處理設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用的必備知識(shí),以及生態(tài)分析的重要理論基礎(chǔ)。同時(shí),流體力學(xué)是環(huán)境工程與其他學(xué)科體系溝通的橋梁,這個(gè)橋梁作用是其他基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課無(wú)法替代的,直接影響到環(huán)境工程學(xué)科體系的完善性。因此,提高流體力學(xué)課教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生學(xué)好本門課程,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力,對(duì)流體力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行改革以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展顯得十分必要。
目前國(guó)內(nèi)院校的流體力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程大體可歸納為“課前預(yù)習(xí)、課堂教師講授、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、課后教師評(píng)閱”的四段串行模式。實(shí)踐證明,這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式在強(qiáng)化理論教學(xué)成果以及動(dòng)手能力的培養(yǎng)方面效果比較顯著,然而在創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)方面卻收效甚微。原因在于:①理論教學(xué)中注重經(jīng)驗(yàn)理論與公式的講解,而公式多且乏味,導(dǎo)致教師難教,學(xué)生難懂,課堂教學(xué)缺乏生動(dòng)性。另外,本科流體力學(xué)理論教學(xué)模式多為填鴨式教育,對(duì)學(xué)生而言,流體力學(xué)課缺少客觀體驗(yàn),理論抽象,不易理解,而由此帶來(lái)了一系列的問(wèn)題是現(xiàn)在流體力學(xué)課程教學(xué)的主要障礙;②目前,大部分院校的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),每一學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)完全相同,教師由實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。雖然實(shí)驗(yàn)有利于增進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,但此手段不能激發(fā)學(xué)生的積極性,無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的主體性,也不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性[1]。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),在按既定的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方案實(shí)踐的過(guò)程中,學(xué)生所得到的主要是從理論知識(shí)到實(shí)踐成果的收獲,而教師的作用主要是理論知識(shí)的傳授,具體實(shí)驗(yàn)的演示、引導(dǎo)與糾錯(cuò),甚至有時(shí)會(huì)耳提面命,因此學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的創(chuàng)造性很難有機(jī)會(huì)得到展示。
因此,采用一種有效的教學(xué)方法進(jìn)行流體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,以提高流體力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量,并對(duì)相關(guān)專業(yè)產(chǎn)生積極的影響,從而促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性的培養(yǎng)非常有必要。
二、 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)邏輯思維的興趣
學(xué)生對(duì)任何概念和公式的形成、理解有一個(gè)過(guò)程,而在流體力學(xué)中,這些概念、公式又較為抽象,要求學(xué)生具備較強(qiáng)的邏輯思維能力,因此,根據(jù)學(xué)生掌握知識(shí)的快慢,耐心引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯思維,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)邏輯思維的興趣,使他們產(chǎn)生對(duì)邏輯推理的愛(ài)好,就成為教學(xué)中的關(guān)鍵。例如,流體力學(xué)中的三大方程――連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程需通過(guò)輸運(yùn)公式逐步推導(dǎo)而來(lái),如此的教學(xué)安排便使知識(shí)較為系統(tǒng)、連貫、緊湊,并有利于認(rèn)識(shí)各個(gè)方程的物理意義。而輸運(yùn)公式的推導(dǎo)由于邏輯性較強(qiáng),講授時(shí)就需要花費(fèi)較多的學(xué)時(shí)和精力來(lái)理清邏輯思路,理解每一步推導(dǎo)中的物理含義和數(shù)學(xué)要領(lǐng),使學(xué)生對(duì)輸運(yùn)公式有一個(gè)清晰準(zhǔn)確地理解。最后,將輸運(yùn)公式中的物理量換成質(zhì)量、動(dòng)量、能量即可得出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程,如此便形成了較為完整的邏輯演繹體系。此種方式不僅使理論教學(xué)更加清晰明了,而且會(huì)使學(xué)生對(duì)將要學(xué)習(xí)的知識(shí)接受產(chǎn)生極大興趣,具有更加強(qiáng)烈的探索感和求知欲。
三、 教學(xué)方法探討
教學(xué)方法作為聯(lián)結(jié)教師和學(xué)生的重要紐帶,在提高教學(xué)質(zhì)量方面起著重要的保證作用。為了更好地適應(yīng)學(xué)科發(fā)展要求,工科“流體力學(xué)”課程方法的改革勢(shì)在必行,作者結(jié)合自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)該課程特點(diǎn),認(rèn)為應(yīng)該在以下幾個(gè)方面進(jìn)行課程教學(xué)方法改革。
(1)重視緒論課的作用
部分教師認(rèn)為緒論課僅是對(duì)流體力學(xué)的簡(jiǎn)單介紹,作用不大,所以對(duì)緒論的授課過(guò)程照本宣科、枯燥無(wú)味。其實(shí)緒論課對(duì)整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的成功與否起了至關(guān)重要的作用,它不僅是學(xué)生了解流體力學(xué)課程的窗口,也是教師教學(xué)水平的第一次展示。
講授緒論課的較好方法是介紹流體力學(xué)的成就、發(fā)展方向、廣闊前景及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用等。教師要注重講解流體力學(xué)知識(shí)在工程中的應(yīng)用,特別是教師自己承擔(dān)的科研項(xiàng)目,以展示流體力學(xué)在科學(xué)和工程技術(shù)中所取得的輝煌成就[2]。例如,通過(guò)介紹流體力學(xué)理論在“神舟號(hào)”系列飛船上的廣泛應(yīng)用,使學(xué)生明白流體力學(xué)這門相對(duì)古老的學(xué)科還具有旺盛的生命力;通過(guò)介紹美國(guó)華盛頓州的塔科馬懸索橋在1940年秋天的大風(fēng)中倒塌的例子,說(shuō)明在實(shí)際工程中忽視流體力學(xué)會(huì)造成巨大的災(zāi)難[3]。另外,流體力學(xué)的發(fā)展史對(duì)于激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也有著非常重要的作用。在上課的同時(shí),要善于借助互聯(lián)網(wǎng),及時(shí)的將一些重要理論的發(fā)展過(guò)程、重要研究成果展現(xiàn)在學(xué)生的面前[4]。
(2)從實(shí)例中引出教學(xué)內(nèi)容
流體力學(xué)雖有概念多、邏輯性強(qiáng)、理論上較難理解的特點(diǎn),但卻與生活和生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)。在具體教學(xué)內(nèi)容的講解過(guò)程中,穿插一些生活中的現(xiàn)象,并結(jié)合課本中的理論“雙管齊下”,利用學(xué)生求趣、求新、求知的心理,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握教學(xué)內(nèi)容。例如,在講流體粘性時(shí),比較水的粘性和油的粘性;在講流體靜力學(xué)知識(shí)時(shí),可講一些水庫(kù)垮壩事件,主要是設(shè)計(jì)時(shí)有缺陷和施工存在著質(zhì)量問(wèn)題,不能承受水對(duì)壁面的靜壓力。另外,還可以進(jìn)行一些相關(guān)事例的延伸,如是否建設(shè)三峽工程時(shí)流體力學(xué)專家的爭(zhēng)論,通過(guò)分析得到的建設(shè)三峽工程必要性的結(jié)論等,使學(xué)生切實(shí)體會(huì)到學(xué)好流體力學(xué)的重要性[5]。利用這些鮮活的事例,使課堂教學(xué)更生動(dòng)、更有意義。
(3)師生互動(dòng),培養(yǎng)良好學(xué)風(fēng)
調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)風(fēng),提高學(xué)生綜合素質(zhì),是加強(qiáng)流體力學(xué)教學(xué)效果的重要條件。作者在每次講課后都會(huì)對(duì)本次課程的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),然后下次課隨機(jī)抽取部分學(xué)生回顧上次課的內(nèi)容,并讓其他學(xué)生作出補(bǔ)充和建議。在課堂上,多為學(xué)生提供隨堂練習(xí)的機(jī)會(huì),師生互相之間進(jìn)行探討和思考,針對(duì)練習(xí)中的問(wèn)題講解做題思路和方法,給予糾正和補(bǔ)充。這種授課模式充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性,課堂氣氛活躍,有利于拓寬學(xué)生的思維深度,查漏補(bǔ)缺。學(xué)風(fēng)對(duì)于任何一門課程教學(xué)的成功與否都起到了非常關(guān)鍵的作用,所以從第一堂課、第一次作業(yè)就要嚴(yán)格要求學(xué)生,對(duì)作業(yè)的批改做到一絲不茍,指出其作業(yè)中的各種問(wèn)題并要求其修改。例如,要求學(xué)生對(duì)作業(yè)中的每道題,在解答時(shí)必須寫(xiě)出已知、求解,并畫(huà)出相應(yīng)圖示,這些小細(xì)節(jié)可以幫助學(xué)生以簡(jiǎn)明的方式加深理解題意,取得了較好的效果。
(4)重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)
流體力學(xué)按研究方法可以分為理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)是理論流體力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ),是計(jì)算流體力學(xué)的檢驗(yàn)依據(jù)。因此,實(shí)驗(yàn)教學(xué)在流體力學(xué)教學(xué)中有著極其重要的地位。流體力學(xué)中的公式繁多,難以記憶,難以理解,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)公式的感性認(rèn)識(shí),有助于學(xué)生深刻理解公式和概念的物理意義。例如,在講解伯努利方程意義的時(shí)候,單從公式上講解并不形象,通過(guò)能量方程實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)生非常直觀的理解伯努利方程中每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)的意義。對(duì)于沒(méi)有開(kāi)的實(shí)驗(yàn)課,通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上收集照片、視頻等展示給學(xué)生,也可提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解[6]。
(5)傳統(tǒng)教學(xué)方式和多媒體技術(shù)互補(bǔ)
過(guò)去,流體力學(xué)課程在教學(xué)手段上采用板書(shū)教學(xué),這種方式能夠在教師的書(shū)寫(xiě)和同步的講解中促進(jìn)學(xué)生的積極思維與參與意識(shí),但對(duì)教學(xué)內(nèi)容中比較抽象的概念、復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)規(guī)律,很難用語(yǔ)言和文字準(zhǔn)確、形象地描述。多媒體教學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)是形象、生動(dòng)、具體、直觀、易于理解且信息量大,但也有不能突出推導(dǎo)過(guò)程和思維、學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握比較膚淺的一些弊端。將傳統(tǒng)教學(xué)方法和多媒體技術(shù)綜合應(yīng)用于教學(xué)過(guò)程是一種很好的方法,在講授偏重于推導(dǎo)過(guò)程的內(nèi)容時(shí)采用傳統(tǒng)授課方式,而講授直觀形象的內(nèi)容時(shí)采用多媒體教學(xué)方法,做到取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)化組合,會(huì)獲得較好的教學(xué)效果[7]。
四、師資隊(duì)伍的建設(shè)
為適應(yīng)素質(zhì)教育的需要,教師不僅要掌握先進(jìn)的教學(xué)手段,而且要努力研究實(shí)施素質(zhì)教育的教學(xué)方法。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,要靈活應(yīng)用各種教學(xué)方法,并且要善于歸納總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),虛心向有經(jīng)驗(yàn)的教師請(qǐng)教,同時(shí)要高度重視學(xué)生的反饋信息,不斷調(diào)整自己的教學(xué)思路,只有這樣才能逐步提高自己的教學(xué)水平。社會(huì)發(fā)展對(duì)教師的自身素質(zhì)提出了更高的要求,教師要明確教學(xué)水平的提高和發(fā)展是一個(gè)畢生的過(guò)程,教師應(yīng)該不斷開(kāi)闊視野,更新知識(shí)體系,才能形成對(duì)流體力學(xué)更深層次的理解和認(rèn)識(shí)。
五、 結(jié)論
論文結(jié)合流體力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀,從學(xué)生興趣培養(yǎng)、教學(xué)方法改革及師資隊(duì)伍建設(shè)三方面論述的教學(xué)方法,將教與學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái),使枯燥的流體力學(xué)課堂變得生動(dòng)活潑,多方面激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性及創(chuàng)造性。將上述方法運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐后發(fā)現(xiàn),該方法能夠有效的提高流體力學(xué)課程的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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一、提煉課程核心思想、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容
近幾年來(lái),隨著我國(guó)及上海市海洋戰(zhàn)略布局和海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,上海海洋大學(xué)作為一所以海洋、水產(chǎn)和食品為特色的高校,在學(xué)科和專業(yè)建設(shè)方面取得了較大進(jìn)步,《工程流體力學(xué)》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課,其地位愈來(lái)愈顯得重要。其中海洋學(xué)院、食品學(xué)院和工程學(xué)院幾十年來(lái)在本科和研究生教育中,一直將《工程流體力學(xué)》和《高等流體力學(xué)》作為一門相當(dāng)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。特別是,工程學(xué)院的機(jī)制專業(yè)將《工程流體力學(xué)》作為該專業(yè)學(xué)生的一門必修課,隨著學(xué)校的發(fā)展,這門課程必將滲透到生命學(xué)院的水產(chǎn)、水生物、設(shè)施漁業(yè)、水環(huán)境等專業(yè)和方向中。目前根據(jù)已定的教學(xué)計(jì)劃,每學(xué)年有近650名學(xué)生學(xué)習(xí)這門課,由于各專業(yè)對(duì)其內(nèi)容眼球的不同,需要結(jié)合各專業(yè)的特點(diǎn),提煉課程核心思想、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,通過(guò)不同的模塊組合,確實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。
上海海洋大學(xué)《工程流體力學(xué)》任課教師根據(jù)多年的教學(xué)大綱及要求編寫(xiě)了“工程流體力學(xué)”教材,同時(shí)完成了配套教材的ppt電子教案,要求學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本知識(shí)、原理和計(jì)算方法,主要包括:靜平衡微分方程、流體對(duì)固壁的總壓力、流體運(yùn)動(dòng)的描述、伯努利方程、動(dòng)量(矩)方程、量綱分析、相似原理、繞流阻力等。在弄清概念,掌握理論的基礎(chǔ)上,能夠?qū)W會(huì)運(yùn)用基本理論分析解決實(shí)際問(wèn)題,并掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能,為從事專業(yè)工作、科研和其他專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。為了便于學(xué)生的自主學(xué)習(xí),又出版了配套教材的“工程流體力學(xué)習(xí)題解析”一書(shū)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際工程需要,將《工程流體力學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容分為3個(gè)層次,即流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論、流體力學(xué)知識(shí)與進(jìn)展、流體力學(xué)應(yīng)用與實(shí)踐, 克服了以往過(guò)分重視理論知識(shí)的介紹,輕視其應(yīng)用的弊端。此外,還相繼開(kāi)出了流體力學(xué)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課、計(jì)算流體力學(xué)等。
同時(shí),根據(jù)不同專業(yè)的具體需求,在課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容上都作了許多相應(yīng)的調(diào)整。例如在全校新開(kāi)了“工程流體力學(xué)的應(yīng)用”課程,受到了學(xué)生們的歡迎,選修這門課的學(xué)生相當(dāng)多,容量達(dá)95%以上。并設(shè)計(jì)了不同的模塊組合,對(duì)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生,在已完成《工程流體力學(xué)》教材的二版修訂中,在第8章中增加了明渠流動(dòng)內(nèi)容,增加了水波理論等內(nèi)容;針對(duì)食品專業(yè)的需要,增加了氣體及熱力學(xué)類內(nèi)容,并補(bǔ)充五套自測(cè)題供學(xué)生選用,確實(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高。
二、改進(jìn)教學(xué)手段,優(yōu)化教學(xué)過(guò)程,加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)
由流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)的《工程流體力學(xué)》教材,于2006年由上海交通大學(xué)出版社出版,同時(shí)出版了與之配套的“工程流體力學(xué)習(xí)題解析”,為了便于教師教學(xué),同時(shí)制作了與本教材配套的制作精美、圖文并貌的CAI課件,生動(dòng)地描述了流體力學(xué)的一些理論及現(xiàn)象,大大減輕了流體力學(xué)理論的學(xué)習(xí)難度,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。這些系列教材的出版,對(duì)該課程的建設(shè)和質(zhì)量提升,起到了非常重要的作用。不但受到了本校學(xué)生的好評(píng),同時(shí)還受到陜西理工大學(xué)、中國(guó)民航大學(xué)、浙江海洋學(xué)院及天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院等許多學(xué)校的歡迎,這些學(xué)校對(duì)系列教材給予了充分肯定。圖書(shū)發(fā)行突破2萬(wàn)本,出版方已無(wú)庫(kù)存。
充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,將課堂理論教學(xué)教案、主講教師課堂教學(xué)的部分錄像進(jìn)行網(wǎng)上共享,使用錄像片、流體力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)片、電子教材等多媒體教學(xué)手段,使學(xué)生感到難以接受的流動(dòng)力學(xué)概念變得十分生動(dòng)具體,加深對(duì)教材內(nèi)容的理解,提高教學(xué)質(zhì)量。使學(xué)生能夠隨時(shí)復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)相應(yīng)的課堂教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)充分利用上海海洋大學(xué)的E-Class網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)習(xí)題、例題解答,以及課后答疑網(wǎng)絡(luò)資源及軟硬件的建設(shè),形成師生交流的互動(dòng)平臺(tái),真正提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實(shí)用性。強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
在充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段的同時(shí),不能忽視傳統(tǒng)教學(xué)方法的作用。本課程采用多媒體與板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)模式,充分利用多媒體教學(xué)信息量大,圖像清晰生動(dòng)的特點(diǎn), 結(jié)合傳統(tǒng)板書(shū)講解復(fù)雜理論推導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn),不僅直觀清晰,一目了然,而且對(duì)重點(diǎn)部分又能反復(fù)講解,以達(dá)到學(xué)生基本理解并具有一定想象能力。例如在講解研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法:質(zhì)點(diǎn)法和空間點(diǎn)法時(shí),多媒體上會(huì)出現(xiàn)公交車客流量觀察方法的動(dòng)畫(huà),使學(xué)生既易于分清這兩種方法的不同,同時(shí)又強(qiáng)調(diào)一個(gè)相同的目的。又如在講到流體的漩渦運(yùn)動(dòng)時(shí),有龍卷風(fēng)作強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面;講到伯努利方程時(shí),有踢任意球進(jìn)球門的畫(huà)面。理論教學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn),但是動(dòng)畫(huà)及多媒體生動(dòng)、形象,使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)既不感到枯燥,同時(shí)又能加強(qiáng)對(duì)基本理論的理解。由于學(xué)生數(shù)很多,教學(xué)上采用大班課的形式(基本上每個(gè)教學(xué)班有近100名學(xué)生),多媒體教學(xué)發(fā)揮了很大的作用。它使繁冗的公式推導(dǎo)成為一個(gè)簡(jiǎn)單的講解過(guò)程,將復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來(lái),同時(shí)對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)反復(fù)在黑板上演示講解。這兩個(gè)方法相輔相承,取得了很好的教學(xué)效果。這種授課方式既有利于避免研究生因長(zhǎng)時(shí)間精力高度集中而產(chǎn)生疲勞,又有利于他們理解并掌握復(fù)雜的流體力學(xué)基本理論。
2008年“工程流體力學(xué)”教材獲上海海洋大學(xué)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。作為普通高校重點(diǎn)教材建設(shè)項(xiàng)目之一,2009年被上海市教委評(píng)為優(yōu)秀教材三等獎(jiǎng),2011年獲得上海市教委重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目(滬教委高〔2011〕48號(hào)),極大地提高了上海海洋大學(xué)來(lái)在流體力學(xué)行業(yè)的影響力。
三、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件,形成完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系
在注重理論教學(xué)的同時(shí),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),2011年3月由上海海洋大學(xué)主編的《力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)-理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)》,由同濟(jì)大學(xué)出版社正式出版發(fā)行,其中的流體力學(xué)部分(第三大部分),從根本上解決了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)與實(shí)驗(yàn)儀器不配套的問(wèn)題,有效提高了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。2009年下半年新添置了多功能流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)儀、流動(dòng)圖形顯示儀、畢托管測(cè)速實(shí)驗(yàn)儀、虹吸管實(shí)驗(yàn)儀、勢(shì)流疊加儀、空化實(shí)驗(yàn)儀等流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,新開(kāi)設(shè)了大量的設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型流體力學(xué)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生、教師互動(dòng),用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證理論,來(lái)觀察抽象的流體運(yùn)動(dòng);用理論知識(shí)解釋一些流體現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象。這種教學(xué)手段提高了教學(xué)效果。同時(shí)在互動(dòng)中,將有關(guān)科研上對(duì)于流體力學(xué)的一些熱點(diǎn)問(wèn)題以討論的形式引入教學(xué),充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí):在許多重點(diǎn)和難點(diǎn)的地方,基本上有配套的實(shí)驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí),既能培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行深入分析的思維習(xí)慣,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情,同時(shí)也是加強(qiáng)印象、加深理解、克服難點(diǎn)的手段之一。
針對(duì)個(gè)別專業(yè)的特殊需要,開(kāi)設(shè)了流體力學(xué)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課。實(shí)際的流體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,因此通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是揭示流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種重要手段,為了幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論的理解,更好的用所學(xué)理論解決生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)多方籌建,2009年我校海洋環(huán)境專業(yè)開(kāi)設(shè)流體力學(xué)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課,共16學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括:能量方程實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)、沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)、畢托管測(cè)速實(shí)驗(yàn)、管道測(cè)流量實(shí)驗(yàn)、流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)、虹吸實(shí)驗(yàn)及勢(shì)流疊加實(shí)驗(yàn)等;針對(duì)食品專業(yè)的需要,開(kāi)設(shè)了氣體及熱力學(xué)類實(shí)驗(yàn)。
四、實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的互動(dòng)
在任課教師積極參加各類相關(guān)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)的同時(shí),強(qiáng)化任課教師的科研觀念,以科研帶動(dòng)教學(xué),以教學(xué)促進(jìn)科研,進(jìn)行有效的縱、橫向科研聯(lián)合。任課教師積極參與各類教學(xué)改革和科研項(xiàng)目,如深水網(wǎng)箱水動(dòng)力研究、漁船螺旋槳軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人工魚(yú)礁流場(chǎng)分析、海洋結(jié)構(gòu)物的流固偶合分析、海洋波浪能的研究開(kāi)發(fā)等。通過(guò)這些項(xiàng)目的研究,加深了對(duì)流體力學(xué)在海洋科學(xué)中實(shí)際應(yīng)用和最新進(jìn)展的了解。在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),每年選作以流體力學(xué)基礎(chǔ)理論及其工程應(yīng)用為畢業(yè)論文課題的本科學(xué)生20余人,研究生10人。取得多項(xiàng)教學(xué)改革和教學(xué)研究成果,并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用,如流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)教師編制的“漁船螺旋槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件”獲得2007年上海海洋大學(xué)科技成果三等獎(jiǎng),該軟件目前已被濰坊柴油機(jī)廠、玉林柴油機(jī)廠等國(guó)內(nèi)主要柴油機(jī)生產(chǎn)廠家廣泛應(yīng)用。我校工程學(xué)院羊曉晟、侯淑榮、馬利娜、沈小青同學(xué)的“一種新型海洋波浪能發(fā)電裝置”項(xiàng)目,參加2011年由、中國(guó)科協(xié)、教育部、全國(guó)學(xué)聯(lián)和地方政府共同主辦的、在大連理工大學(xué)舉行的第十二屆“挑戰(zhàn)杯”終審決賽,在全國(guó)1935所高校選送的16976件作品中突潁而出,獲得“全國(guó)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)”。該項(xiàng)目由流體力學(xué)老師指導(dǎo),并突破了波浪及流固耦合理論,極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情。今后,本課程將在大學(xué)生科技創(chuàng)新中發(fā)揮更大的作用。
五、教學(xué)效果的考核
《工程流體力學(xué)》課程具有理論性強(qiáng)、公式多、數(shù)理基礎(chǔ)要求高的特點(diǎn),為幫助學(xué)生的學(xué)習(xí),僅僅通過(guò)教材講解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,需要配套必要的習(xí)題。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,更新試題內(nèi)容,完善試題庫(kù)建設(shè),考慮到我校研究生教學(xué)的特點(diǎn), 團(tuán)隊(duì)根據(jù)新編著教材的主要內(nèi)容, 以章節(jié)為單位,精心篩選和編寫(xiě)了典型習(xí)題集,力圖做到其中的習(xí)題一定要具有典型性。習(xí)題的數(shù)量不能多,更不能類似和重復(fù),學(xué)生通過(guò)習(xí)題練習(xí),能有效地掌握教材中的基本知識(shí)。提高試題質(zhì)量,真正做到教考分離,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。該試題庫(kù)具有以下功能:平臺(tái)提供自動(dòng)組卷、手動(dòng)組卷、互動(dòng)組卷,條件設(shè)定靈活全面;試卷自動(dòng)轉(zhuǎn)換成WORD文檔,方便打印輸出;自定義追加試題入庫(kù),采用WORD文檔格式編輯批量入庫(kù)。
在考核中,平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)課成績(jī)和期末成績(jī)比例為15%、20%和65%。實(shí)踐證明,該考核方法取得了很好的效果。
六、結(jié)語(yǔ)
總之,對(duì)于《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容改革的初步探索分析,可以促進(jìn)教學(xué)觀念的改變,按此目標(biāo)授課,對(duì)教師提出了更高的要求。同時(shí),還可以促進(jìn)教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及其儀器設(shè)備的更新,提高學(xué)生的動(dòng)手能力及科研能力,從而實(shí)現(xiàn)“學(xué)有所用”,“教學(xué)相長(zhǎng)”。
高等教育教學(xué)改革,特別是專業(yè)基礎(chǔ)課程體系及教學(xué)內(nèi)容的改革,是一個(gè)系統(tǒng)和長(zhǎng)期艱巨的實(shí)踐過(guò)程,專業(yè)教師任重而道遠(yuǎn)。只要不斷努力和探索實(shí)踐,就可以開(kāi)拓出一條符合各個(gè)專業(yè)需求的、更加富有成效的新途徑,取得更好的教改成果。
本文受“2011年度上海市教委重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目(滬教委高〔2011〕48號(hào))”資助
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作者簡(jiǎn)介:尹雪梅(1979-),女,四川資中人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,講師;張文慧(1980-),女,河南焦作人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,講師。(河南鄭州450002)
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2012)10-0098-02
目前,鄭州輕工業(yè)學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱“我院”)的制冷與低溫工程專業(yè)已被評(píng)為國(guó)家級(jí)特色專業(yè)。為了加強(qiáng)制冷與低溫工程專業(yè)學(xué)生能力的培養(yǎng),造就人才,有必要對(duì)制冷與低溫工程專業(yè)的教學(xué)進(jìn)行全面的改革。
“流體力學(xué)”是制冷與低溫工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,主要分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué),研究流體平衡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、流體和周圍物體之間的相互作用力及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)。由于流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)規(guī)律及其影響因素十分復(fù)雜,故其具有理論性強(qiáng)、概念抽象和公式較多、實(shí)際工程應(yīng)用廣、對(duì)學(xué)生的綜合分析處理問(wèn)題的能力要求較高等特點(diǎn)。[1]加上學(xué)生對(duì)流體流動(dòng)機(jī)理普遍缺乏感性認(rèn)識(shí),導(dǎo)致“流體力學(xué)”課程歷來(lái)被公認(rèn)為是教師難教、學(xué)生難學(xué)難懂的課程之一。[2]因此,迫切需要進(jìn)行“流體力學(xué)”課程教學(xué)改革,使學(xué)生學(xué)好本門課程,提高課程教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生能更深刻地理解和掌握專業(yè)理論知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,全面提高專業(yè)素質(zhì)。
分析目前我院制冷與低溫工程專業(yè)“流體力學(xué)”課程教學(xué)的現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)存在以下主要問(wèn)題:首先,“流體力學(xué)”理論性強(qiáng),概念多而抽象,難以理解,學(xué)生普遍缺乏對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題的感性認(rèn)識(shí),學(xué)習(xí)興趣不高;其次,課程中公式繁多,推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜,且大多涉及到“高等數(shù)學(xué)”的偏微分方程,另還涉及到“大學(xué)物理”、“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”等方面的知識(shí),學(xué)生理解困難;另外,學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)不能靈活應(yīng)用。因此怎樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,選擇合適的教學(xué)模式組織教學(xué),全面實(shí)現(xiàn)該課程教學(xué)目標(biāo),提高教學(xué)質(zhì)量,是該課程教學(xué)亟待解決的問(wèn)題。
一、改革教學(xué)方法
學(xué)好“流體力學(xué)”這門課對(duì)于制冷與低溫工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。讓學(xué)生理解流體靜止和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其影響因素,不僅能為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程提供必要的理論基礎(chǔ),也能為學(xué)生以后分析解決實(shí)際工程中的實(shí)際問(wèn)題提供理論指導(dǎo)。怎樣才能讓學(xué)生學(xué)好這門課,筆者結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為可以從以下幾方面著手。
1.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,而“流體力學(xué)”又是大家公認(rèn)難學(xué)的課程,因此學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性高低決定著“流體力學(xué)”這門課教學(xué)的成敗。
要提高學(xué)生學(xué)習(xí)“流體力學(xué)”的積極性,首先要上好“緒論”課?!熬w論”課是學(xué)生接觸和了解“流體力學(xué)”這門課的窗口,也是教師的教學(xué)水平和教學(xué)方式的第一次展示,“緒論”課上得好不好直接影響到“流體力學(xué)”課程教學(xué)的成功與否。通過(guò)“緒論”課讓學(xué)生對(duì)“流體力學(xué)”的發(fā)展及其廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用有一個(gè)大致的了解,使他們充分意識(shí)到“流體力學(xué)”知識(shí)和我們的生活及國(guó)家的建設(shè)密切相關(guān),深刻理解“流體力學(xué)”知識(shí)在今后的學(xué)習(xí)和解決實(shí)際工程問(wèn)題中的重要作用。[3]
教師在講授一些理論知識(shí)之前,可先舉出很多貼近生活的有趣實(shí)例或者先提一些問(wèn)題來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生積極地思考。例如在講液體的粘性之前,可以先問(wèn)學(xué)生:在水中游得快還是在油中游得快?為什么?又如在描述流體運(yùn)動(dòng)有兩種方式――拉格朗日法和歐拉法時(shí),可以將在座的學(xué)生和教室里的每個(gè)座位作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行類比,從而讓學(xué)生很容易的理解兩種方式。通過(guò)舉例和提問(wèn)的方式,讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí),讓學(xué)生親身感受到參與教學(xué)活動(dòng)是一件樂(lè)事、趣事,由愿學(xué)到愛(ài)學(xué)再到樂(lè)學(xué)。實(shí)踐表明:列舉事例或提問(wèn)的方式可以避免學(xué)生學(xué)習(xí)的枯燥感,活躍課堂氣氛,不僅可以吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性,還可以使學(xué)生充分意識(shí)到本課程對(duì)今后學(xué)習(xí)和工作的重要意義,并且能加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和記憶,使學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得以提高。
另外,還應(yīng)充分利用多媒體,通過(guò)圖片、動(dòng)畫(huà)讓學(xué)生直觀了解各種流動(dòng)現(xiàn)象,而不是停留在抽象層面,從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)“流體力學(xué)”的興趣。
2.巧妙講解公式
為了定量地描述流動(dòng)現(xiàn)象和分析流動(dòng)機(jī)理,需要應(yīng)用數(shù)學(xué)工具。學(xué)生要真正理解基本概念、重要公式,首先就要讀懂?dāng)?shù)學(xué),然而讀懂了數(shù)學(xué)不一定意味著明白了數(shù)學(xué)符號(hào)背后所代表的物理意義?!傲黧w力學(xué)”教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生從讀懂?dāng)?shù)學(xué)到理解流動(dòng)問(wèn)題的物理本質(zhì)有一個(gè)過(guò)程。教師的一個(gè)重要任務(wù)就是做好各方面的工作,幫助學(xué)生完成從讀懂?dāng)?shù)學(xué)到理解流動(dòng)的物理本質(zhì)這一過(guò)程的轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步建立起科學(xué)的思維方式。
“流體力學(xué)”在分析介紹歐拉平衡微分方程、歐拉運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、動(dòng)量方程、伯努利方程等理論知識(shí)時(shí)都有大量的公式,這些公式涉及一些高數(shù)、物理、力學(xué)方面的知識(shí),特別是大量的偏微分方程,加上“流體力學(xué)”的公式推導(dǎo)采用歐拉法,與物理及其他力學(xué)不同,學(xué)生的觀念不易改變,而且推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜,學(xué)生理解掌握很困難。如果過(guò)分強(qiáng)調(diào)“流體力學(xué)”知識(shí)的嚴(yán)密性和完整性,對(duì)每個(gè)公式的每個(gè)推導(dǎo)細(xì)節(jié)都逐一介紹,推導(dǎo)過(guò)程將會(huì)枯燥無(wú)味,學(xué)生只會(huì)被弄得糊里糊涂,興趣全無(wú)。而如果直接給出公式,讓學(xué)生死記硬背,只能讓學(xué)生不知其所以然,當(dāng)然也就不能真正用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題了。
根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為:“流體力學(xué)”中公式的講解應(yīng)將重點(diǎn)放在概念引入、理論模型建立的思想、基本原理和主要步驟以及公式的物理意義與應(yīng)用限制上。首先對(duì)基本概念力爭(zhēng)講透,概念清楚了,公式的講解推演才有意義。然后重點(diǎn)使學(xué)生明確公式的物理意義及公式中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義和幾何意義,只有真正理解了公式的物理意義,才能靈活使用公式解決實(shí)際工程問(wèn)題。最后應(yīng)強(qiáng)調(diào)公式的應(yīng)用范圍及應(yīng)用注意事項(xiàng)。由于流動(dòng)的多樣性,“流體力學(xué)”中的很多方程都是在一定的條件下得到的,如伯努利方程就有多種形式(理想流體、實(shí)際流體、流體是否可壓等),在具體運(yùn)用時(shí),要根據(jù)具體情況選用正確的形式。
3.充分利用作業(yè)
學(xué)習(xí)的最終目的是讓學(xué)生能夠獨(dú)立自主地解決實(shí)際工程問(wèn)題。如果基本原理掌握了,接下來(lái)就是如何用這個(gè)原理去解決實(shí)際問(wèn)題。課后作業(yè)是檢查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)理解、掌握程度的一種手段,同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題能力的一種方法。
首先應(yīng)由學(xué)生獨(dú)立地完成一定量的課后練習(xí)題,這是“流體力學(xué)”學(xué)習(xí)過(guò)程的重要組成部分,解題過(guò)程實(shí)質(zhì)就是利用“流體力學(xué)”的基本原理和基本方程分析和解決實(shí)際問(wèn)題的一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程,課后習(xí)題可以幫助學(xué)生加深對(duì)基本概念和基本理論知識(shí)的理解。
然后再由教師通過(guò)習(xí)題課的方式,利用具有代表性的習(xí)題和一些學(xué)生普遍認(rèn)為困難、出錯(cuò)多的習(xí)題,講述流體力學(xué)原理在工程實(shí)例中的應(yīng)用。在講解習(xí)題時(shí),重在提供條理清晰的解題思路、詳細(xì)具體的解題步驟,使學(xué)生在此過(guò)程中掌握解決問(wèn)題的正確方法和技巧,以便在以后的學(xué)習(xí)工作中舉一反三、觸類旁通、學(xué)以致用。這一過(guò)程增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)流動(dòng)過(guò)程物理本質(zhì)的理解,將物理問(wèn)題與數(shù)學(xué)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái),有助于學(xué)生對(duì)與專業(yè)相關(guān)聯(lián)的實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真思考,有效的增強(qiáng)了學(xué)生分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
二、改革教學(xué)手段
多媒體教學(xué)以其形象、直觀、生動(dòng)、具體、易于理解的教學(xué)特點(diǎn),豐富的教學(xué)內(nèi)容,被高等院校廣泛采用,并深受廣大師生的歡迎。[4]
多媒體教學(xué)在“流體力學(xué)”教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。利用多媒體,可將“流體力學(xué)”中那些難以用語(yǔ)言描述的流動(dòng)圖像、抽象難懂的知識(shí)點(diǎn),如拉格朗日和歐拉法的描述,流線與跡線、層流、湍流等,通過(guò)圖片、動(dòng)畫(huà)和視頻資料直觀形象地展現(xiàn)給學(xué)生,使其從感性認(rèn)識(shí)開(kāi)始建立清晰的物理概念,較容易地掌握相關(guān)內(nèi)容,并使學(xué)生的邏輯思維、綜合分析能力得以提升。另外一些需占用大量時(shí)間寫(xiě)板書(shū)表述的和不易通過(guò)板書(shū)表述的內(nèi)容也可利用多媒體制作Power Point課件。如莫迪圖、水頭線、各種流場(chǎng)和一些典型的例題習(xí)題等。采用多媒體教學(xué),授課的信息量增多了,教學(xué)內(nèi)容更豐富了,學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)接收的知識(shí)更多了,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高了,學(xué)生的思路拓寬了,教學(xué)質(zhì)量也提高了。
多媒體教學(xué)的發(fā)展并不意味著要摒棄傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)。有很多學(xué)生認(rèn)為板書(shū)能讓他們有更多的時(shí)間去思考消化一些抽象的東西,更有利于對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握。根據(jù)“流體力學(xué)”既有抽象復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)理又有大量的基本概念、基本方程的特點(diǎn),在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)將多媒體教學(xué)與板書(shū)教學(xué)相結(jié)合,揚(yáng)長(zhǎng)避短,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),為教學(xué)工作更好地服務(wù)。如對(duì)某些特定的流動(dòng)現(xiàn)象,可以通過(guò)多媒體教學(xué),加深學(xué)生對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和機(jī)理的理解。而對(duì)于較重要的公式及一些重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容還是采用板書(shū)教學(xué),例如流體力學(xué)基本方程的推導(dǎo)過(guò)程依然使用傳統(tǒng)教學(xué)中的板書(shū),有利于學(xué)生集中注意力,讓學(xué)生更清楚地看清步驟、方法和解題思路。這樣既可留給學(xué)生足夠的思考時(shí)間,又可加深學(xué)生對(duì)重要知識(shí)的理解,從而獲得良好的教學(xué)效果。
三、 結(jié)束語(yǔ)
總之,高等教育教學(xué)改革,特別是專業(yè)課程的教學(xué)改革,是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的實(shí)踐過(guò)程?!傲黧w力學(xué)”是制冷與低溫工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,在教學(xué)中要根據(jù)學(xué)校的具體情況改革教學(xué)方法和教學(xué)手段,借助現(xiàn)代教育技術(shù)與手段,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,結(jié)合生活、生產(chǎn)、科研中的實(shí)際問(wèn)題,進(jìn)行深入淺出、生動(dòng)活潑的講解,揭示問(wèn)題的本質(zhì),向?qū)W生傳授治學(xué)方法,擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神,以取得更好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn):
[1]王偉.土木專業(yè)工程流體力學(xué)課程教學(xué)研究[J].山西建筑,2008,34(21).