沙 毅，李其朋

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州 310023)

“問渠哪得清如許？為有源頭活水來”。為了使流體力學這門古老學科的教學活動依然生機勃勃，以利于培養(yǎng)21世紀具有創(chuàng)新意識的復合型人才，則教學改革與創(chuàng)新勢在必行。流體力學是研究液體和氣體平衡和運動規(guī)律的一門科學，流體力學課程是機械、能源、化工、動力、建筑、生物和航天等專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課，是德國等發(fā)達國家機械類工科專業(yè)的必修課。流體力學應當是現(xiàn)代工科大學生必備的基礎(chǔ)知識，其最大特點是理論性較強，抽象概念及數(shù)學公式演繹推導多。大機械類機械制造、車輛、儀器儀表、材料成型、動力機械和輪機工程等專業(yè)學科具有既要重視理論又要密切聯(lián)系工程實際應用的特點，筆者主要針對這類學科展開流體力學課程改革的教學研究。以基于產(chǎn)出目標導向的強化教學成效為綱，合理安排、組織及優(yōu)化教學內(nèi)容，體現(xiàn)應用型流體力學創(chuàng)新發(fā)展內(nèi)涵及解決發(fā)展關(guān)鍵問題的目的，制訂實施方案及措施，處理好經(jīng)典與現(xiàn)代、傳承與擴張的關(guān)系問題；探索和嘗試新的教學模式，充分調(diào)動學生的主觀能動性和學習積極性，完善課程教學質(zhì)量評價機制，以實現(xiàn)提高學生綜合素質(zhì)的目標。

流體力學既是廣義的通用名稱，也是具體的學科名目，水力學、空氣動力學等都屬于其范疇。結(jié)合自身專業(yè)的特點，流體力學課程名稱較多，常用的課程名稱是流體力學或工程流體力學，還有諸如應用流體力學、物理流體力學、過程流體力學和粘性流體力學等。不論課程名稱如何，本科階段的流體力學教學主體內(nèi)容基本上是大同小異。為了區(qū)別起見，研究生階段常用高等流體力學名稱。大機械類流體力學的性質(zhì)、基本內(nèi)容和特點等都具有工程背景。

目前流體力學課程教學改革的前沿主要集中在面向工程教育及側(cè)重應用的教學內(nèi)容的改進與提高上[1-6]，相關(guān)研究的文獻不多，改革大多還處于廣義及泛泛而談的層面上，有理論升華水平的成果很少，故流體力學課程教學改革的空間和內(nèi)容均大有可為。浙江科技學院是一所借鑒德國教育模式建立起來的應用型本科院校，學生就業(yè)率曾躋身全國前50名。機械制造及其自動化2010年入圍中國首批卓越工程師培養(yǎng)計劃試點專業(yè)。學校先后在機械類機械制造、車輛工程、汽車服務工程、材料成型等專業(yè)開設48學時流體力學課程。機械制造專業(yè)從2014級開始教學時數(shù)改為32學時，課程更名為工程流體力學。

1 存在的問題

要改革創(chuàng)新，首先要意識到存在的問題。目前流體力學教學內(nèi)容、教學方式及教材基本上是傳統(tǒng)模式的延續(xù)和繼承，這主要表現(xiàn)在如下三方面。一是重視理論演繹，輕視實際應用。在“文化大革命”前主要在一些名牌大學設置流體力學專業(yè)，引導了國內(nèi)流體力學教學的走勢，而這些學校的流體力學專業(yè)大多安排在數(shù)學系，這就導致這一時期及后續(xù)一段時期流體力學教學偏重理想流體力學等抽象內(nèi)容的講解，重視理論的演繹和數(shù)學推導，使得流體力學課程難學、難教亦難懂，被冠以“留級力學”之稱。改革開放后進入了計算機時代，大量相關(guān)專業(yè)博士生執(zhí)教流體力學課程，這些教師偏重計算流體力學，不重視流體力學基本概念及實驗技術(shù)，缺乏工程設計及應用背景，理論聯(lián)系實際能力弱。二是教學方式單調(diào)，課堂氣氛沉悶。雖然現(xiàn)處在信息化時代，但有些教師科研活動量少，教學內(nèi)容的深度和廣度把握不好。由于流體力學實驗及設備的限制，實驗條件發(fā)展跟不上人數(shù)的增長，許多院校只在部分專業(yè)開設流體力學實驗，或大綱中設置了實驗內(nèi)容，實際上開不出或開不全，甚至有些學校根本就不設流體力學實驗。三是流體力學教材層出不窮，數(shù)量大幅提高，質(zhì)量參差不齊，基本內(nèi)容大同小異。部分教材拼湊而成，許多教材分工協(xié)作而成，難免出現(xiàn)大部分教材在思想性、完整性、統(tǒng)一性、連續(xù)性和邏輯性等方面不夠完善，在理論聯(lián)系實際和指導科學研究及工程應用方面不盡如人意。土木工程類的流體力學教材較多，機械類偏少[7]。而國外的流體力學名牌教材主要以案例為紐帶，突出工程應用[8]，理論性內(nèi)容偏少，難以適應中國的高等教育。

2 改革措施

2.1 教學理念的轉(zhuǎn)變

教學理念的轉(zhuǎn)變是基于對學習、教育和人才培養(yǎng)之間辯證關(guān)系的再認識。學校是學習和受教育的地方，學習要先學，主要是先跟教師學，而后習而得之。教師的作用就是引導啟發(fā)，傳授知識，推學立論，樹德立人，教育學生學會做人，學會做事，學會思考。人才生長不僅僅依靠教育，但教育和學習有利于人才的成長。教育可以促進學習，但學習并不完全依賴教育，在目前知識爆炸的信息化時代尤其倡導終身學習，比如愛迪生所受教育不多，但終身的鉆研和學習造就他成為一名偉大的科學家。學習一般分為知識積累、建立科學思維模式、確立終極目標三步驟。這就凸顯了對學生動手能力、思考能力和自學能力的培養(yǎng)尤為重要。人無完人，人也沒有全才和專業(yè)人才之分。教師隨著年齡增長心態(tài)會發(fā)生變化，但學生永遠是年輕的，追求美好，向往詩情畫意是青年人的特色。因此，師生之間、學生之間應互為師者。學生之間的接觸時間和親密度遠大于師生間，誘導他們互相討論與學習也是教育與人才培養(yǎng)的一條重要渠道。教育和學習的出口不一定是人才，但人才的背后一定凝結(jié)著大量的學習。人才的凸顯周期一般是20年，20年后需要什么知識無法預測，教育只能以不變應萬變，授人以魚不如授人以漁。一般而言，理科主要發(fā)現(xiàn)新知，工科主要創(chuàng)造實物，所以流體力學教育不能理科化，也不能工科化，應當是兩者的有機結(jié)合，并且要融入多學科的知識?？傊瑱C械類流體力學創(chuàng)新教學理念的形成需要理工結(jié)合，多學科結(jié)合，將學習、教育和人才三要素統(tǒng)籌，順其自然，順理成章。

2.2 自編應用型教材

教材是學習的依據(jù)，在教學中具有龍頭的作用。國外的高等教育可以沒有教材，而在中國教材是必須有的。筆者認為，作為機械類流體力學教材要體現(xiàn)理論與實際相結(jié)合，突出應用性。筆者在總結(jié)多年知識積累和教學、科研成果的基礎(chǔ)上，博覽流體力學群書[9-11]，撰寫完成機械類教材《流體力學》[12]，該教材具備以下特點：一是整體上具備較高的統(tǒng)一性、連續(xù)性和邏輯性，內(nèi)容編排循序漸進，層次自然有機銜接，邏輯和思路清晰，體現(xiàn)典型化、通用化和系統(tǒng)化，具有思想性和啟發(fā)性；二是基本內(nèi)容齊全，涵蓋機械類知識點的流體力學現(xiàn)象，代表性案例豐富，切合實際；三是精簡方程式數(shù)學推導內(nèi)容和過程，盡量將抽象慨念形象化、簡單化和透徹化，使之通俗易懂，深入淺出，以適合大眾化教育，便于自學；四是理論聯(lián)系實際，集科研與教學成果于一體，具有較高的客觀性、有效性和科學性，有利于理論的應用和解決實際問題，能指導工程實踐和生產(chǎn)活動；五是有一定的篇幅介紹測試技術(shù)及測量儀器設備等，讓學生了解實際測量知識并獲得一定的技能；六是配備豐富例題和大量習題，除計算題外還設有簡答題、選擇題等多種題型，并給出參考答案。

2.3 教學改革實踐

流體力學在機械類專業(yè)中屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承前啟后的作用，為后續(xù)的液壓傳動、發(fā)動機原理及鑄造原理等奠定理論基礎(chǔ)。通過分析研究筆者從下列三方面進行了改進。

2.3.1 結(jié)合案例教學，提高學生學習興趣和積極性

要讓學生明白學習是為了使用，為了有作為，即學以致用。為此，筆者將流體力學應用的科研成果案例等穿插于教學中，以具體案例讓學生知道流體力學在機械工程中的作用、功效及經(jīng)濟性。現(xiàn)拮取一例“QX130-7.5-4軸流式潛水電泵開發(fā)”作具體介紹。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前城市等低洼地段需要一種大流量低揚程淺層便捷排水潛水電泵。于是筆者申請并獲得了浙江溫嶺科技計劃資助，獲15萬經(jīng)費，其中5萬元撥給企業(yè)制作樣機。課題入口是筆者設計了葉輪和導葉水力模型，如圖1所示；一本科生完成泵結(jié)構(gòu)、零件及樣機計算機模擬組裝畢業(yè)設計，如圖2所示；一研究生完成流場數(shù)值計算及性能預測工作。具體體現(xiàn)了流體力學伯努利、流線及流函數(shù)方程等知識在流體機械設計中的應用；中間過程是企業(yè)按圖紙制造樣機，過去葉輪和導葉需先制造木模再轉(zhuǎn)化成金屬模具，周期需3個月，現(xiàn)用三維造型在數(shù)控機床上3 h制成高精度金屬模；課題出口是樣機性能試驗檢測合格及通過驗收，形成產(chǎn)品批量生產(chǎn)投放市場。從該項目中學生知道了流體力學能做什么，怎么做和做出的結(jié)果，因此提高了他們的學習興趣和積極性。

2.3.2 抽象概念形象化解說，復雜公式推導簡單化演繹

流體力學抽象概念較多，例如流線概念，實際水流中并不存在流線，引入流線概念是為了便于分析流體的流動，確定流體的流動趨勢。西湖中劃船的水波紋可以形象地反映出流線的特征，人在岸邊觀察到的流線是隨時間而改變的不定常運動，人坐在船上觀察到的流線就是不隨時間改變的定常運動。這可以啟發(fā)人們通過換位思考進行科學研究，即經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，可將不定常運動轉(zhuǎn)換為定常運動，兩者之相對速度及作用力是完全相同的。流體力學與數(shù)學在理論上高度統(tǒng)一，例如納維-斯托克斯方程是流體力學最全面的一個方程，可以運用泰勒公式等單純從數(shù)學的角度推導而出，但演繹過程抽象繁瑣，學生聽起來大多會疲憊甚至厭煩。而從數(shù)學物理方程逐項分塊、肢解的方法推導演繹，以及用形象的物理現(xiàn)象進行解釋，就會起到加深概念理解，易于消化疑難問題，且又省時省力的效果。

圖1 軸流泵葉輪設計制造過程Fig.1 Design and manufacturing process of axial pump impeller

圖2 軸流泵樣機總成過程Fig.2 Assembling process of an axial pump prototype

2.3.3 流體力學現(xiàn)象多媒體演示

傳統(tǒng)板書教學方式與多媒體相結(jié)合。為了彌補未做實驗的缺陷，可把流體力學實驗和現(xiàn)象制作成形象、生動、真實、具體的影視錄像和動畫片等放映觀看，以達到事半功倍的效果。例如壓力體的確定，演繹過程直觀且形象；圓管流動上、下雷諾數(shù)的測定及伯努利方程總壓線和能頭線的變化規(guī)律均一目了然且逼真，易于理解又加深印象。筆者配合教材制作了9章的課件，內(nèi)含86個多媒體演示單元，豐富了課堂教學的內(nèi)容。

2.4 考核方式改革

考核評價方式向來是教學活動的指揮棒?？荚嚳嫉娜侵R，考不出智慧來。如何客觀、公正、全面地評價學生知識掌握和應用的水平，是教育界長期探討的話題。筆者認為，工程類流體力學考核方式除保留必要的考試外，還應增添三方面的內(nèi)容：一是激勵學生公平競爭比賽；二是形成學生之間互相討論、協(xié)作的學習氛圍；三是考核能體現(xiàn)學生動手、分析解決問題和從事科研實際工作的能力。筆者改革課程評價與考核體系，增設論文寫作和流體力學產(chǎn)品設計大作業(yè)環(huán)節(jié)，公開答辯，學生推舉代表參加評分，取得了非常好的學習效果。學生利用物理、車輛等實驗室，借助日常流體用品做試驗，結(jié)合所學知識完成管流沿程、局部阻力計算，單擺周期計算，電動自行車慣性擬合計算公式等豐富的科研論文；利用三坐標、掃描儀等采用逆向工程法設計出手搖電風扇、便攜式抽水馬桶、流線型概念汽車、旋轉(zhuǎn)式打氣筒和千斤頂?shù)缺姸嗔黧w機械機構(gòu)。圖3～6分別展示了學生設計的4個案例[13-14]。通過上述實踐活動，極大地調(diào)動了學生們的學習積極性和主觀能動性。同時，在教學大綱中規(guī)定2次專項大作業(yè)占平時成績的40%，平時考核又占總評成績構(gòu)成的40%，以此體現(xiàn)將學生分析及解決問題能力納入考核范疇。

圖3 手搖風扇Fig.3 Hand fan

圖4 計算機CPU風扇Fig.4 CPU fan

圖5 自動澆花器Fig.5 Automatic flower watering device

圖6 汽車膨脹水箱蓋Fig.6 Expansion tank cover for automobile

3 結(jié) 語

筆者在浙江科技學院機械制造135、136教學班全方位實施了教學改革，讓學生從知識的被動接受變?yōu)橹R的主動探索，實踐證明課堂教學氛圍及學生思想明顯活躍，學生學習興趣及熱情大為提高。兩教學班58人中不及格率為13.79%。其中，2名學生分別完成了與流體力學相關(guān)的畢業(yè)設計“FS50-3.5-0.75浮水軸流電泵設計”和“1.8 L汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計”，并獲得較好的成績。

“長風波浪會有時，直掛云帆濟滄?！?。 流體力學的學習和研究領(lǐng)域無限寬廣，在科學技術(shù)的發(fā)展和工程實際應用中發(fā)揮著日益重要的作用。改革永無止盡，筆者在此拋磚引玉。

[1] 朱仁慶，楊松林，王志東，等.關(guān)于船舶與海洋工程專業(yè)流體力學課程教學改革的思考：基于培養(yǎng)學生應用能力與創(chuàng)新能力的視角[J].高等教育研究，2013，30(2):52.

[2] 劉宏升，朱泓，張博.卓越計劃背景下的流體力學課程教學改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31(1):194.

[3] 吳光林.《流體力學》課程教學改革的思考[J].科技信息，2008(14):172.

[4] 宮偉力，彭巖巖.流體力學教學改革與應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2014(5):30.

[5] 王燁，李亞寧.流體力學實踐教學改革網(wǎng)絡體系的構(gòu)建[J].力學與實踐，2013，35(3):89.

[6] 吳根樹，劉妍，于薇.流體力學教學改革與實踐[J].北華航天工業(yè)學院學報，2011，21(1):42.

[7] 張也影. 流體力學[M]. 2版.北京:高等教育出版社，1999.

[8] FINNEMORE E J，F(xiàn)RANZINI J B.流體力學及其工程應用[M].翻譯版·原書第10版.錢翼稷，周玉文，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[9] 孔瓏.流體力學(Ⅰ)(Ⅱ)[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[10] 羅惕乾. 流體力學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2007.

[11] 機械工程手冊電機工程手冊編輯委員會.機械工程手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[12] 沙毅.流體力學[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2016.

[13] 沙毅，聞建龍. 泵與風機[M]. 合肥:中國科學技術(shù)大學出版社，2005.

[14] 沙毅，王春林，劉濤，等.圓管流動水擊壓力波測量及水力計算[J].實驗力學，2007，22(5):527.