孟慶昌 張志宏 鄧 輝 易文彬 顧建農(nóng) 王 沖 夏維學

(海軍工程大學基礎部, 武漢 430033)

流體力學是在高等數(shù)學、大學物理等基礎課之后開設的專業(yè)背景課程之一，旨在為艦艇動力機電、海軍武器裝備等專業(yè)學員提供專業(yè)背景知識[1]。課程的特點是理論性強，微分積分的數(shù)學公式多，內(nèi)容抽象、枯燥難懂。學員對此望而生畏，甚至將流體力學稱之為“留級力學”。

為了激發(fā)學員的求知欲和好奇心，培養(yǎng)其科學精神和創(chuàng)新能力，筆者結(jié)合問題導入式教學法和情境教學法，團隊提出“四個引入”教學理念[2-4]，即引入流動現(xiàn)象、軍事應用、科研成果和思想方法，并提出了具體實施的“六個環(huán)節(jié)”，即設疑、分析、釋疑、拓展、應用、創(chuàng)新。通過理論與實際相結(jié)合，搭建起了課堂與戰(zhàn)場之間的橋梁，取得了較好的教學效果。

1 教學理念與教學設計

流體力學課程有很強的實踐性，生活中處處存在著流動現(xiàn)象。通過設計、制造、利用便攜和易用的教學演示道具，將身邊的流體力學現(xiàn)象引入課堂，可以調(diào)動起學員的好奇心和求知欲，達到激發(fā)興趣的目的。軍隊院校教育條例規(guī)定，要堅持為戰(zhàn)育人，培養(yǎng)軍事人才，發(fā)展軍事科學，服務備戰(zhàn)打仗。因此，將流體力學在軍事領域的應用引入到課堂之中，可以讓學員有的放矢，學以致用，從而搭建起課堂與戰(zhàn)場之間的橋梁。將最新的國防科研成果引入課堂，可以激發(fā)學員學習的熱情，培養(yǎng)其科學探索精神。將科學思維方法、科學家生平事跡、愛海軍愛海洋的家國情懷，融入教學內(nèi)容和組織過程，將知識傳授與課程思政有機結(jié)合，讓課堂更有溫度，達到潛移默化、潤物無聲和升華學員思想的效果。

根據(jù)以上教學理念，設計了6個環(huán)節(jié)。（1）設疑：引入身邊的流體力學現(xiàn)象，或引入實驗道具展示實驗現(xiàn)象，提出問題。（2）分析：以問題為導向，經(jīng)過演繹推導得到公式、方程等。（3）釋疑：根據(jù)得到的理論知識回答前面的設疑，學以致用。（4）拓展：對學員掌握的知識進行鞏固強化，培養(yǎng)學員實踐應用能力。（5）應用：引入軍事裝備中流體力學的應用案例，搭建課堂知識與戰(zhàn)場應用的橋梁。（6）創(chuàng)新：引入最新的科研成果，提升學員科學素質(zhì)和創(chuàng)新能力。前3個環(huán)節(jié)是知識層面的閉環(huán)；后3個環(huán)節(jié)則具有高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度，不僅能使學員勝任第一崗位任職需要，還要讓他們通過科學的世界觀和方法論去認知、改造世界，并從流體力學這門課程中受到啟迪，受益終生。

2 實施步驟

2.1 設疑

利用生活中的常見現(xiàn)象設計課堂實驗、提出問題、進行討論，以激發(fā)起學員的好奇心和求知欲望。合適的設疑影響到后面的分析和釋疑的效果，因此設疑需要掌握兩個原則：一是設疑時提到生活中的現(xiàn)象要習以為常、司空見慣，但學員卻不得其解，經(jīng)過教員解釋后方能茅塞頓開；二是課堂的小實驗要設計巧妙，能夠再現(xiàn)，且具備發(fā)散思維和逆向思維，最理想的是能夠?qū)W員的固有思維產(chǎn)生巨大的沖擊力。比如講解流體黏性的實驗，如圖1所示，密度相同、大小不同的兩個鐵球在空氣中同時下落，幾乎同時落地。如果相同的兩個鐵球在黏性較大的蓖麻油里同時下落，結(jié)果會是哪個鐵球先落地呢？為什么是這樣的結(jié)果？這樣的問題容易激發(fā)起學員的興趣和求知欲，這種求知欲會一直伴隨著黏性知識的整個講解過程，直到學員最后茅塞頓開。

圖1 小球下落實驗

又如，將一個乒乓球放在手心上，并吹口氣，球會在氣流的作用下飛出去。把乒乓球放在開口向下的漏斗里面。如果松開手，乒乓球會在重力作用下自由下落，此時提出問題，用什么方法可以不用手接觸，使乒乓球停留在喇叭口里？吸氣是一種方法。采用逆向思維，如果從漏斗里面向外吹氣，是否可行？有的學員認為，這樣肯定會把乒乓球吹走！然而，用電吹風提供持續(xù)的氣流進行實驗時，乒乓球非但沒有被吹走，反而是停留在喇叭口內(nèi)，并不斷的振蕩，如圖2所示。為什么出現(xiàn)這樣的結(jié)果？同樣是氣流吹乒乓球，為什么加個漏斗，效果就不同了呢？第1個環(huán)節(jié)設疑完畢，通過簡易的道具，進行小實驗，設制一系列疑問，引起學員的興趣，調(diào)動起學員的好奇心和求知欲。

圖2 吹不走的乒乓球

2.2 分析

針對提出的問題，引導學員運用數(shù)理知識，從物理現(xiàn)象中抽象出數(shù)學模型，并建立流體速度和壓強關系的基本方程。這個環(huán)節(jié)使學員掌握分析問題、解決問題的方法，培養(yǎng)學員透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)，在復雜的問題中抓住主要矛盾的能力。此環(huán)節(jié)的時間要控制好，內(nèi)容要精煉，力求推導過程邏輯清晰，簡明扼要。趁學員的好奇心還未消失之前，得出結(jié)論。

乒乓球能懸浮在喇叭口里，說明受到向上的吸力，平衡了重力。如果關掉電吹風，球隨之掉落，靜止的空氣中吸力消失，說明該力與氣流速度有關。這個力是如何產(chǎn)生的？因為與球接觸的只有空氣，說明是球表面空氣的壓強發(fā)生了變化。那么壓強與速度有什么樣的關系呢？

在流場中，任意取一根流線，在其上取一段流體微元，分析它的受力。合外力等于質(zhì)量與加速度的乘積，進行積分，經(jīng)過推導，忽略次要因素，抓住主要矛盾，得到流場中壓強與速度的關系式，即伯努利方程的一種形式：p+ρv2/2=C。式中p為氣流的壓強，v是速度，ρ為密度，C沿流線為常數(shù)，因此得到速度與壓強的關系，即速度越高時，壓強越小。

2.3 釋疑

運用理論分析的結(jié)果，解釋提出的疑問，使學員理解和掌握所學知識，解決實際問題，實現(xiàn)理論與實際的有機結(jié)合。該環(huán)節(jié)要解釋準確，抽絲剝繭，闡述清楚，使學員恍然大悟，茅塞頓開。

對乒乓球所受的流體動力進行定性分析，如圖3所示，球表面分3個部分，紅色區(qū)域AOB包含駐點，氣流速度幾乎為0，壓強p0（紅色箭頭）最大，產(chǎn)生的作用力與重力W的合力使乒乓球下落。藍色區(qū)域AC和BD與漏斗形成的流動通道變窄，根據(jù)質(zhì)量守恒和伯努利方程，速度增加時，壓強p1減小，這部分壓強用藍色箭頭表示。紫色區(qū)域CED受氣流影響較小，近似為大氣壓p2（紫色箭頭），p1和p2兩個區(qū)域的壓強差產(chǎn)生的合力，由于在豎直方向的分力向上，抵抗了向下的重力，保持乒乓球懸浮。那么為什么乒乓球會往復振蕩呢？向上的力使乒乓球靠近、堵塞噴口。氣流消失，壓強差所形成向上的力消失，乒乓球下落后，又出現(xiàn)“狹縫效應”，再次產(chǎn)生向上的力，如此反復博弈，導致乒乓球在喇叭口里上下往復振蕩，同理可知亦會產(chǎn)生左右往復振蕩。通過以上分析可以得到，由于喇叭口和乒乓球之間形成狹縫，產(chǎn)生的低壓區(qū)是維持乒乓球不至于被吹跑的原因，其本質(zhì)是質(zhì)量守恒與伯努利方程。

圖3 乒乓球的壓強分布和受力分析

2.4 拓展

經(jīng)過設疑、理論分析、釋疑，完成了第1層次知識傳授的循環(huán)過程，需要繼續(xù)拓展學員的能力和提高科學素質(zhì)。趁熱打鐵，提出同類型的其他問題，組織學員討論探究。通過這一環(huán)節(jié)，學員可以交流奇思妙想，碰撞出智慧的火花，進一步理解和鞏固所學知識。

仍以乒乓球為例，當球向前方飛行時，根據(jù)運動的相對性，相當于球靜止，氣流流向乒乓球。忽略重力時，無旋的球兩側(cè)的流速相同，壓強對稱，乒乓球直行，如圖4所示。如果用球拍順時針摩擦乒乓球，拉出一個上旋球，如圖5所示，由于球的旋轉(zhuǎn)，表面摩擦使下方的氣流加速，上方的氣流減速。根據(jù)伯努利原理，速度越大，壓強越小，反之亦然。在兩側(cè)壓強差的作用下，形成垂直于運動方向向下的馬格努斯力，乒乓球有明顯的下墜，改變了原有的軌跡。如果是下旋球，恰好相反，馬格努斯力向上，球更飄，落點更深。類似的還有側(cè)旋球或者足球中的香蕉球，有異曲同工之妙。

圖4 無旋的乒乓球

圖5 上旋的乒乓球

針對流體力學涉及到的知識點，匯總了討論拓展的問題[5]，如為什么“船到橋頭自然直”，“野渡無人舟自橫”？美國塔科瑪大橋為什么會被風吹垮？網(wǎng)球中的ACE球是怎樣形成的？如何撈面條撈得快？怎樣倒啤酒不起沫等等，倍增學員學習興趣。

2.5 應用

僅有知識的討論拓展還不能滿足實戰(zhàn)化的需求，學員將來面向的是戰(zhàn)場，面對的是具體的武器裝備，需要引入軍事裝備應用案例，使學員提前介入專業(yè)，了解裝備需求，有的放矢，學以致用，搭建起課堂知識與戰(zhàn)場應用之間的橋梁。

圖6是遼寧號航空母艦上殲15艦載機起飛的瞬間。在飛機的前端、機翼的前部或者駕駛艙的兩側(cè)有一些向前伸出的管子，這是空速管，用來測量飛機的速度，學名也叫畢托管。為了能夠讓學員更加直觀了解畢托管測速原理，制作了簡易的實驗裝置，并配有結(jié)構(gòu)原理圖，如圖7所示[6]。

圖6 殲15艦載機

圖7 自制畢托管測速儀及結(jié)構(gòu)原理圖

畢托管的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，目前仍然是可靠的航空測速儀器。結(jié)合實際軍事裝備應用去講解理論知識，使學員更加有認同感、獲得感。

噴射泵是艦艇常用的排水設備，如圖8所示。根據(jù)伯努利原理，高速水流使管道喉部產(chǎn)生低壓真空區(qū)，可將艙底中的積水抽出。特別是當艦艇受到敵方攻擊，艙室斷電，艙內(nèi)潛水泵和移動消防泵無法工作時，只要船上有高壓消防水，就可以利用噴射泵迅速將積水抽除，保持艦艇的浮性和穩(wěn)性，因此噴射泵是保持艦艇生命力的重要裝備。噴射泵另一個優(yōu)點是其內(nèi)部沒有葉輪等復雜結(jié)構(gòu)，即使艙底積水含有雜質(zhì)，仍然能夠持續(xù)可靠的工作。軍事裝備案例的講解會使學員對知識的印象深刻，即使畢業(yè)多年對伯努利方程的應用仍然會記憶猶新。

圖8 噴射泵及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

筆者還歸納總結(jié)了其他一些軍事裝備應用案例，如艦艇艙室如果進水，需要在鄰艙對水密隔墻進行支撐加固，加固位置應遵循距自由液面2/3處的法則，以上結(jié)論是根據(jù)“靜止液體作用在平面上的總壓力”計算得來。22型導彈艇噴水推進器推力計算，利用的是“動量方程”。潛艇陷入泥底有什么危害？如何處理？則可以根據(jù)“靜止液體作用在曲面上的總壓力”來解釋計算。

2.6 創(chuàng)新

教育的目的不僅僅是傳授知識，培養(yǎng)實踐能力，而且需要提升學員的創(chuàng)新精神，第6個環(huán)節(jié)是引入科研成果。這個環(huán)節(jié)能使學員開拓視野，了解學科前沿，初步掌握研究方法，提升探索和創(chuàng)新精神。

螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時，由于外緣的線速度很高，根據(jù)伯努利方程，周圍水的壓強降低，如果低于水的飽和蒸汽壓，會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，形成空泡，即空化現(xiàn)象，如圖9所示。當空泡潰滅時，將對螺旋槳表面造成持續(xù)不斷的沖擊，產(chǎn)生穴蝕，不僅破壞螺旋槳結(jié)構(gòu)，降低推進效率，還會出現(xiàn)空泡噪聲，暴露艦艇行蹤。因此要避免空泡的產(chǎn)生，需要研制防空化、抑噪聲的螺旋槳。

圖9 螺旋槳空化現(xiàn)象及產(chǎn)生的穴蝕

常規(guī)魚雷如果超過50節(jié)，在頭部周圍也會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，影響魚雷的制導，因此其速度存在上限。任何事物都有兩面性，如果使空化充分發(fā)展，形成超空泡，除頭部以外，魚雷的表面完全被空泡包裹，將極大地減小魚雷的摩擦阻力。超空泡魚雷就是基于這個原理，目前俄羅斯海軍已裝備200節(jié)的超空泡魚雷，正研制速度可以達到400節(jié)的魚雷。利用相同的原理實現(xiàn)高速運動的超空泡射彈可以擊毀水雷、攔截魚雷等，兩者的航行效果如圖10所示。

圖10 超空泡水中兵器

艦船在水中航行時，會使周圍流場的速度和壓強發(fā)生變化，這種由于艦船運動引起的流場的壓強變化稱為艦船水壓場，如圖11所示，其中Cp為壓強系數(shù)，L為艦船長度。艦船水壓場隨艦船一起運動，該信息可以被水雷水壓引信感知和利用。艦船水壓場分布特征可以利用伯努利方程給予解釋。

圖11 艦船水壓場

通過引入和介紹這些軍事科研項目，可以使學員了解流體力學的巨大作用，從而架起課堂知識與戰(zhàn)場應用的橋梁，為學員埋下科學創(chuàng)新的種子，激發(fā)其科技強軍的熱情。

3 結(jié)論

在教學過程中引入身邊的流體力學現(xiàn)象，為枯燥的內(nèi)容注入活力，解決了學員興趣不高，動力不足的問題。引入實驗道具，達到激發(fā)興趣、傳授知識、啟迪思維的目的，使理論與實踐緊密結(jié)合。引入軍事應用、科研成果，架起課堂與戰(zhàn)場的橋梁，達到培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、為戰(zhàn)育人的教學目標。作為一門專業(yè)基礎課，課堂教學中所涉及到的知識往往只是一個點，為了拓寬學員的視野，在授課過程中注意以“點”為基礎，向外擴展為“線”和“面”。讓學員將知識的“點、線、面”結(jié)合起來形成立體的思維空間，知識體系更加完善豐滿。