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        流體力學(xué)課程教學(xué)技巧探究*

        2021-04-22 01:08:10袁雪芹
        廣州化工 2021年7期
        關(guān)鍵詞:鐵球質(zhì)點氣球

        袁雪芹,楊 雷,鐘 煜

        (皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院,安徽 六安 237012)

        對于大三的學(xué)生,部分同學(xué)面臨著找工作、考研或者迷茫不知所措的期間。對于自認(rèn)為已經(jīng)有一定資歷的大三學(xué)生,應(yīng)付老師的各種任務(wù)和監(jiān)督措施已經(jīng)得心應(yīng)手。上課代簽到、作業(yè)抄襲、平時上課座位稀疏,課堂最后一節(jié)課永遠是人滿為患、背誦老師劃的重難點可以輕而易舉的完成考試等[1]。

        流體力學(xué)作為工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,流體力學(xué)中概念多、公式繁雜,難以理解和掌握,使得流體力學(xué)“學(xué)著難教更難”,而對于處在特殊時期的大三學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度更是散漫,如何通過有效的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生愛上流體力學(xué),我將從以下幾個方面講述個人教學(xué)過程中總結(jié)的流體力學(xué)教學(xué)技巧[2-3]。

        1 枯燥概念生活化

        流體力學(xué)中流體運動學(xué)基礎(chǔ)部分有一個重要的概念,系統(tǒng)和控制體,系統(tǒng)和控制體的書本定義見表1。單調(diào)的文字交叉,概念抽象,無法快速理解和記憶。

        表1 系統(tǒng)和控制體定義區(qū)別

        如果將系統(tǒng)比喻成裝有水的封口氣球,而控制體比作空心鏤空鐵球。再將各個定義依次進行對照理解,則可以很快掌握并理解概念。

        圖1 系統(tǒng)和控制體的概念

        裝水封口氣球(類比系統(tǒng)):

        概念1“某一確定流體質(zhì)點集合的總體”理解:作為封閉的氣球,內(nèi)部的水分即為流體質(zhì)點,因是封閉的,氣球加上內(nèi)部的水則是一個整體;

        概念2“始終由同一些流體質(zhì)點組成”:作為氣球內(nèi)的封閉體系,所以流體質(zhì)點(內(nèi)部的水)是確定的不變的(不考慮環(huán)境中的相變過程);

        概念3“空間位置、大小和形狀可隨時間改變”:如果將裝有水的氣球,扔到一個流動(流速可控)的水池內(nèi)部,水流速度能夠推動氣球運動,則氣球的位置和氣球的形狀隨著時間都會發(fā)生一定的變化。

        概念4“無質(zhì)量交換”:作為封閉體系,氣球內(nèi)部的水分與水池外部水分無任何交換。

        空心鏤空鐵球(類比控制體):

        概念1“流場中某一確定的空間區(qū)域”理解:將空心鏤空鐵球扔到一個流動(流速可控)的水池內(nèi)部,因密度較大,鐵球沉底,且鐵球質(zhì)量較大,水流速度不足以沖動鐵球。因此空間位置固定。

        概念2“流體質(zhì)點隨時間變化”:空心鏤空鐵球,置于流動的水池內(nèi)部,因是空心鏤空設(shè)計,球內(nèi)部的水不斷的在更新變化,因此,球內(nèi)部的流體質(zhì)點在隨時間不停的發(fā)生變化。

        概念3“空間位置、大小和形狀不隨時間改變”:因鐵球密度較大,沉于水池底部,且水流速度控制不沖動鐵球,因此鐵球位置、大小和形狀均不隨時間發(fā)生變化。

        概念4“有質(zhì)量交換”:因鐵球是鏤空設(shè)計,鐵球內(nèi)部的水分與水池內(nèi)部流動的水分不停的發(fā)生交換。因此有質(zhì)量交換。

        通過文字講授,學(xué)生是無法快速識記和理解系統(tǒng)和控制體的區(qū)別。如果將這些枯燥抽象的概念通過生活中熟悉的實物(氣球、鐵球)進行類比講解,枯燥概念生活化,學(xué)生則可以快速理解并識記。

        2 智慧課堂教學(xué),增加課堂互動

        課堂上,通過雨課堂調(diào)動同學(xué)們參與教學(xué)的積極性,單個知識點講解完整后,通過習(xí)題推送的形式考查學(xué)生掌握情況,并通過班級答題正確率分布,針對正確率較小的題目給予再次強調(diào)講解。隨堂彈幕互動環(huán)節(jié),同學(xué)們可以匿名發(fā)言,闡述自己的看法和老師進行交流,以及上課結(jié)束后班級同學(xué)課堂答題成績排名(包括答題速度),并警告有可能沒有參與課堂互動的學(xué)生或分?jǐn)?shù)較低的學(xué)生,教師也可通過答題成績分布,進而獲知學(xué)生對知識點的掌握程度,及時調(diào)整教學(xué)方式,見圖2。

        圖2 智慧課堂互動

        3 趣味流體力學(xué)實驗加強學(xué)生對流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣

        流體遠非我們生活中所見到的水流,流體分為牛頓流體、非牛頓流體(塑性流體、膨脹流體以及假塑性流體)。流體性質(zhì)各異,膨脹流體,隨著剪切速率增加,粘性增加,遇強則強;假塑性流體隨著剪切速率增加,粘性下降,遇強則弱。為了讓學(xué)生們親身感受流體的神奇之處,設(shè)計了“有脾氣的氣球”實驗。實驗原料包括:玉米淀粉、一次性飯盒、氣球、塑料漏斗;

        實驗過程包括:

        (1)以淀粉:水=3:1的比例先加水后加淀粉混合兩種物質(zhì),攪拌的淀粉糊(非牛頓流體);

        (2)手背或拳頭用力捶打淀粉糊,然后用指尖輕輕摁入淀粉糊;

        (3)用手用力捏淀粉糊,然后松手;

        (4)通過塑料漏斗將玉米糊倒入氣球中,用力捶打氣球,用手指輕輕按捏氣球。

        實驗結(jié)果分享:如果淀粉和水比例適中,做好的淀粉糊裝入氣球中,拳頭用力捶打氣球,氣球很硬,輕輕摁壓氣球,氣球卻很軟。用手用力揉搓淀粉糊,淀粉糊變硬,松手后,淀粉很快變軟從手心流下,同學(xué)們親身制作的作品見圖3。

        圖3 有脾氣的氣球?qū)嶒瀳D

        學(xué)生們很享受做實驗帶來的樂趣和感受,從學(xué)生上傳的圖片能夠很清晰的看到,學(xué)生很珍視和喜愛自己的作品,通過動手實驗提高了學(xué)生對于流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

        4 思維導(dǎo)圖總結(jié)歸納

        鼓勵學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式對課程知識點進行整理歸納,可通過手寫繪制網(wǎng)絡(luò)圖以及X-mind軟件進行制作。學(xué)生在整理思維導(dǎo)圖的過程中,需要對書本中所有的知識點進行整理再歸納,對書本精華進一步消化吸收。學(xué)生反映通過自制思維導(dǎo)圖,思路變得清晰很多。

        5 自編順口溜鞏固加深知識點識記

        通過撰寫順口溜,讓同學(xué)們快速識記流體力學(xué)重難點。也可通過學(xué)生編寫的順口溜或者以作詩的形式對知識點進行內(nèi)化再升華[4-5],個人自編順口溜如下:

        對于流體力學(xué),小朋友,你是否有很多問號?

        流體秉性是什么,黏性比容可壓縮;

        理論如何來開展,連續(xù)介質(zhì)和質(zhì)點;

        質(zhì)點如何來理解,宏觀小來微觀大;

        若想清晰來描述,拉格朗日歐拉法;

        敢問對象是什么,系統(tǒng)協(xié)同控制體;

        幾何模型弄明白,跡線流線和流速;

        流體微元無窮多,流速要看平均值;

        人多難免有摩擦,表面力來分輕重;

        自身也要找原因,質(zhì)量力來別忘記;

        靜止時刻無摩擦,受力平衡來分析;

        靜止連通同流體,同一水平等壓面;

        單位標(biāo)識要記牢,標(biāo)壓汞柱帕斯卡;

        表示方式是什么,絕壓表壓真空度;

        一旦流體動起來,仍有規(guī)矩來約束;

        質(zhì)量守恒一出手,連續(xù)方程便擁有;

        動量守恒一出手,NS方程便擁有;

        功能原理一出手,伯努利方程便擁有;

        火車躍進請讓開,小心氣壓推你走;

        能量衡算哪里用,工程實踐看一看;

        工程問題模型化,選定范圍取截面;

        選定標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面,表面過程衡能量;

        內(nèi)能位能動能靜壓能,一同歸屬界面能;

        過程熱源來供給,機械泵功來推送;

        能量守恒雖存在,克服阻力仍損失;

        阻力如何來劃分,摩擦形體來定義;

        形體阻力由何來,壓強分布不均衡;

        簡化理論邊界層,層內(nèi)層外分兩區(qū);

        直管阻力如何定,雷諾數(shù)和粗糙度;

        彎管閥門如何定,當(dāng)量長度來簡化;

        管路突變?nèi)绾味?,摩擦系?shù)來度量。

        流體力學(xué)看似難,細(xì)嚼便覺其中甜。

        6 過程性考核指標(biāo)

        對于“平時成績30%+期末考試成績70%”的考核指標(biāo),屬于結(jié)果性考核,過于看中結(jié)果,導(dǎo)致學(xué)生不重視課堂學(xué)習(xí)過程,期末考試臨陣磨槍,也能過關(guān)。

        本課程則加大了過程考核比例,變更為“出勤(5%)+課堂表現(xiàn)(20%)+課堂答題成績(雨課堂成績30%)+課后作業(yè)(15%)+考試成績(30%)”,讓學(xué)生明白平時成績的重要性,更加注重過程學(xué)習(xí)。

        7 結(jié) 語

        在流體力學(xué)教學(xué)方法的探討過程中,努力嘗試通過將枯燥概念生活化、融入智慧課堂教學(xué),增加課堂互動、趣味流體力學(xué)實驗加強學(xué)生對流體力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣、思維導(dǎo)圖總結(jié)歸納、自編順口溜識記重難點以及過程性考核等教學(xué)技巧。改善學(xué)生們對于流體力學(xué)“難”的認(rèn)知,通過概念生活化、課堂動起來、動手做起來、思維導(dǎo)圖以及自編順口溜等趣味教學(xué)方式代入課堂和教學(xué),讓同學(xué)們愛上“流體力學(xué)”。

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