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。
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。
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
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。
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
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。
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。
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。
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。