劉起霞，鄒 昕

（河南工業(yè)大學，河南 鄭州 450001）

流體力學是研究流體的力學運動規(guī)律及其應用的學科，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，學生反映這門課程很難學，更談不上在學習中開發(fā)創(chuàng)新型思維。而高等教育的目的就是在傳授給學生大量知識的基礎上挖掘?qū)W生的學習能力，提高學生分析問題處理問題的能力、培養(yǎng)自學能力和創(chuàng)新能力。本文探討了流體力學教學中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)措施，從教學方法、教學手段、教學內(nèi)容等方面進行了有益的探索，以期對今后的教學有借鑒意義。

一、流體力學的地位和教學特點

流體力學是力學的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止狀態(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、科學技術及工程中具有重要的應用價值。對于土木類、力學類、環(huán)境類等專業(yè)來說，流體力學是重要專業(yè)技術基礎課程，是為后續(xù)課程和進一步的學習奠定理論基礎。

由于流體力學中有部分概念（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，所以學習起來有一定難度，被學生戲稱流體力學教材為“三大天書”之一。但流體力學的知識運用非常廣，不僅和日常生活息息相關，而且也是國家很多重大工程的理論基礎。重大工程給流體力學提出了新問題，流體力學為重大工程提供了理論基礎。

二、目前流體力學教學中存在的問題

我們在培養(yǎng)學生時常常遇到學生把所學的知識束之高閣，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

課堂教學內(nèi)容枯燥，學生學起來費勁。很多學生上課專心記筆記，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。學生沒有創(chuàng)新性思考、發(fā)散性思考，等期末的時候為了應付考試而死背書，即便是考試過關，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)工科的學生來說，流體力學采用的教材和授課方式也應與理科不同，如果片面追求理論體系的完整和抽象的理論推導，流體力學課程完全就是數(shù)學課，嚴密的公式推導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)學家L.歐拉提出的。在經(jīng)典流體力學中，常用的流體輸運公式推導方法就是微分極限定義法，該方法雖然數(shù)學分析嚴密，但過于復雜冗長，不易掌握。

（三）與后續(xù)專業(yè)課的銜接性差

對于建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)來說，流體力學就是一門專業(yè)基礎課，后續(xù)還有流體輸配管網(wǎng)等課程，兩者之間聯(lián)系密切，很多同學這個學期學完流體力學，下學期學習流體輸配管網(wǎng)，就把前面所學知識忘了，導致在學習流體輸配管網(wǎng)課程時，要花大量學時復習前面學過的知識。

（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，流體力學中的理論部分如果都用幻燈的形式整屏的打在幕布上，導致學生記筆記困難，速度太快來不及思考，公式推導部分缺乏因果關系的闡述，分不清講課內(nèi)容中的重點和難點等等，多媒體課件應該是多種媒體，而不是單純的幻燈。

三、教學方法和手段的改革

（一）課堂教學方法的靈活性

啟發(fā)式和討論式教學不是空談，這需要任課老師在備課的時候充分考慮到學生的原有知識水平、興趣點和思維速度方式等，只要學生對所學的流體力學知識產(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習和鉆研。

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

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

（二）實驗教學與動手能力的培養(yǎng)

常規(guī)流體力學課程會設置4～8學時的試驗，安排2～6個試驗，學生到實驗室由實驗老師指導完成實驗，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。由于課程學時數(shù)有限，不能涵蓋流體力學常見的試驗，那么很多實驗都是由老師在課堂上講述，學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。學生可根據(jù)所學的知識自行設計試驗內(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)學生對流體力學課程的興趣，有興趣之后可以在老師的指導下經(jīng)行相對有深度和難度的、緊扣工程實踐的試驗內(nèi)容，讓學生寫出實驗原理和實驗步驟，根據(jù)實驗結果撰寫研究論文。長此以往，學生的實踐能力和創(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，但學生的成績對學生的獎學金的評定、找工作都有很大的影響，因此學生考前死記硬背，考后不知所云。部分學生厭倦考試、害怕考試，形成惡性循環(huán)，學習的積極性越來越小，甚至有厭學情緒、逃課。

如果將傳統(tǒng)的閉卷考試改革成形式多樣的考核，學生的學習效果會有所提高。比如：口試和開卷考試。老師可根據(jù)一個實際問題，給學生一個分析問題的背景資料，給學生一定的思考時間，然后讓學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)一標準答案的探討性問題。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。這對于學生來說是一種開發(fā)學生創(chuàng)新能力的導向。

四、教學內(nèi)容緊扣工程實踐

（一）整合教學內(nèi)容，解決學時壓縮問題

構建“理論性教學、實踐性教學和研究性學習”相協(xié)調(diào)的課程教學新體系。有效實行“理論性教學＋實踐性教學+研究性學習”的教學模式，將課堂理論學習、課外實踐和學術活動有機結合，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，注重學生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、實踐能力、自學能力和社會適應能力，培養(yǎng)學生終身就業(yè)和創(chuàng)業(yè)能力。例如，圍繞土木工程專業(yè)教學體系的三個環(huán)節(jié)，結合實踐性教學平臺和研究平臺，培養(yǎng)高素質(zhì)應用型專業(yè)人才，服務工程建設。例如：流體動力學和流體運動學中有很多概念有相似的地方，可以合并內(nèi)容，減少學時數(shù)，起到較好的學習效果。

針對不同的專業(yè)，我們在整合教學內(nèi)容的時候應考慮不同專業(yè)的不同要求，如考慮到建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)以空氣調(diào)節(jié)、設備安裝為專業(yè)目標，學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

社會的發(fā)展需求是推動科學發(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發(fā)展提出了很多新問題，隨著重大工程中各種流體力學問題的研究、工程的實施，也給我們流體力學教學提供了很好的素材，在課堂中，把這個問題提出來讓學生思考，無疑增添了學生學習流體力學的動力。

1.南水北調(diào)工程中的流體力學問題

南水北調(diào)是緩解中國北方水資源嚴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，設計水深隨設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計，在設計中根據(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)容均在流體力學本科教材中有詳細的介紹。

2.超高層建筑中的流體力學問題

眾所周知。超高層建筑中的風荷載是非常重要的荷載之一，在結構設計中必須考慮風荷載。當建筑外形比較復雜的時候，可根據(jù)湍流模式理論進行風載數(shù)值模擬，同時還要與結構振動相關的定常與非定常繞流的渦旋脫落規(guī)律。在風洞試驗室內(nèi)還可進行不同外形超高層建筑風荷載的研究，一般計算時采用的均布荷載處理是不合適的，在迎風面中上部風壓系數(shù)較大，可取1.0，側(cè)風面和背風面風壓系數(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荷載相似，就必須在實驗前設計好相似準則和模型率，這就是流體力學典型的研究方法。

3.蛟龍?zhí)柕牧黧w力學問題

為推動中國深海運載技術發(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)查和科學研究提供重要高技術裝備?！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，巡航速度設計、外形設計等流體力學問題，為“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器的研制奠定了理論基礎。

4.新型戰(zhàn)斗機研制中的流體力學問題

目前，我國已構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”在遇到導彈攻擊時，一旦發(fā)現(xiàn)被鎖定，可以迅速以發(fā)射導彈一樣的速度逃逸，使敵導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，大大減輕了飛機重量，流線型外形設計可謂奇特，航程約6.6萬公里左右，可攜帶2枚核導彈，2枚空對地導彈，2枚空對空導彈，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鍵參數(shù)、飛行速度的設計、外形的設計等就是運用流體力學的動力學和運動學原理計算的。

5.高鐵時代高速列車中的流體力學空氣動力學問題

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中的空氣動力學知識解決了空氣阻力的問題、流線型車頭外形設計問題等問題，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、流體力學教學中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)措施

實踐教學是培養(yǎng)學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)，我們在流體力學教學過程中應加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。主要從以下幾方面入手：

開設基礎型、綜合型、設計型、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。包括應用實習、多媒體演示實驗、網(wǎng)絡虛擬實驗、計算機仿真、基礎實驗、綜合性設計實驗、開放實驗、工程模型制作等多形式、立體化的教學模式。以設計型為主體的“多層次、模塊化”的實驗新體系，既適應不同專業(yè)層次，又適應學生個性發(fā)展與特長培養(yǎng)。

強化系統(tǒng)性實踐訓練，意在培養(yǎng)學生掌握科學的實驗方法。鼓勵學生參加教師的科研項目，使教學和科研有機地結合起來，激發(fā)學生科學研究的意識，培養(yǎng)學生的基本科研能力。建立了開放的實驗硬件平臺和網(wǎng)絡信息平臺，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模式。

積極組織和參加多種流體力學的第二課堂活動。圍繞“流體力學”通過組織學術講座、組織參加全國大學生力學競賽、有序組織學生參與科研活動、撰寫科研小論文等活動，提高學生學習流體力學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)貫穿于實踐教學中，一直在探索和實施課程相關的實踐活動，為學生提供培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力的平臺，將實踐教學貫穿于整個教學過程，建立多層次全方位的實踐教學新體系，培養(yǎng)工科學生的創(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、重實踐、有創(chuàng)新”的教學理念，切實有效的實行“理論性教學＋實踐性教學+研究性學習”的教學模式，將理論、實踐和學術活動有機結合。為此，我們積極探索課程教學改革和教學研究，把力學課程教學建設和體系改革視為一項有機的系統(tǒng)工程，建立理論性教學、實踐性教學與研究性學習三者內(nèi)在的有機聯(lián)系和相互銜接，營造學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的融洽環(huán)境。

在教學手段方面實現(xiàn)從傳統(tǒng)方式向“信息技術（計算機、多媒體、網(wǎng)絡）”的轉(zhuǎn)變。科學合理地使用多媒體課件進行教學，大大提高了流體力學課堂的信息量和教學質(zhì)量。充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡資源，提高教學效率，培養(yǎng)學生信息獲取能力。搭建了學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、力學課程教學資源庫等互動教學平臺，成為課堂教學的有力補充。

以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識為目標，開展大學生創(chuàng)新實踐活動。突出基礎實驗技能培訓和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，集約化建設系列實驗技術大平臺，整合優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，強化對學生的實踐動手能力訓練，鼓勵學生實施設計性力學實驗，提高學生學習力學課程的興趣和技能，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的一體化。

六、結語

流體力學教學中對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是教學改革的重要舉措，我們針對目前流體力學教學中存在的問題，對教學內(nèi)容進行優(yōu)化整合，改進了教學手段和教學方法，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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