建筑設(shè)備專業(yè)流體力學(xué)的教學(xué)

黨天偉

(天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134)

建筑設(shè)備專業(yè)流體力學(xué)的教學(xué)

黨天偉

(天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134)

流體力學(xué)是工科院校一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)建筑設(shè)備工程專業(yè)的相關(guān)專業(yè)課程和專科技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整流體力學(xué)的教學(xué)思路和方法。

流體力學(xué)；教學(xué)方法；建筑設(shè)備

流體力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)重要分支，是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。其發(fā)展與數(shù)學(xué)、力學(xué)密不可分。它同樣是人類在長(zhǎng)期與自然災(zāi)害作斗爭(zhēng)的過(guò)程中逐步認(rèn)識(shí)和掌握自然規(guī)律，逐步形成的。在人們的日常生活中和生產(chǎn)事業(yè)中隨時(shí)隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)，建筑設(shè)備專業(yè)(給排水、供熱工程、制冷工程、泵與風(fēng)機(jī)等)與流體力學(xué)有著不可分割的密切關(guān)系，因此流體力學(xué)是建筑設(shè)備專業(yè)課程中最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生理解、掌握專業(yè)課程的重要工具。

一、流體力學(xué)的研究方法

1.理論分析

理論分析(理論研究方法)是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。

2.實(shí)驗(yàn)研究方法

實(shí)驗(yàn)研究方法主要包括兩個(gè)方面，即現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。但現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)不可控、不重演、耗時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)用高昂。因此，人們建立實(shí)驗(yàn)室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。實(shí)驗(yàn)室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。

3.數(shù)值計(jì)算

針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來(lái)，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。

從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數(shù)學(xué)問(wèn)題，所以流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。

4.流動(dòng)分析的簡(jiǎn)化

由于流體物體比較復(fù)雜，要考慮流動(dòng)流體中的全部物性及各種物理量是很困難的，有時(shí)也是不必要的。因此，需要抓住主要的受力因素加以分析，對(duì)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分類、簡(jiǎn)化。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

如上所述，流體力學(xué)涉及理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究、流動(dòng)分析簡(jiǎn)化，而高等職業(yè)院校流體力學(xué)的教學(xué)是以流體力學(xué)的應(yīng)用為主，因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要任務(wù)是在學(xué)習(xí)過(guò)程中理解公式、掌握公式;在工程實(shí)踐中會(huì)正確選擇流態(tài)，正確選用相關(guān)公式或?qū)竭M(jìn)行變形并正確選用相關(guān)參數(shù)。

1.學(xué)生的學(xué)習(xí)

目前，高職學(xué)生在高中階段前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)存在著欠缺，對(duì)于流體力學(xué)涉及的物理、數(shù)學(xué)，包括文字的字面理解均存在知識(shí)缺陷，因此在流體力學(xué)的學(xué)習(xí)中存在如下問(wèn)題：1)因?yàn)榱黧w微觀現(xiàn)象和抽象概念較多，學(xué)生對(duì)基本概念理解困難。2)對(duì)于公式，特別是通過(guò)微積分和偏微分推導(dǎo)的公式，學(xué)生一知半解。3)對(duì)于公式在工程實(shí)例中通過(guò)判定流體狀態(tài)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的公式變形掌握不好。4)對(duì)于公式中涉及的流體物理量參數(shù)使用不熟練。5)學(xué)習(xí)中缺乏對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通，對(duì)流體相關(guān)知識(shí)不能相互聯(lián)系起來(lái)，把知識(shí)割裂開(kāi)來(lái)造成整體知識(shí)的掌握不扎實(shí)。

2.理論教學(xué)

教師在理論教學(xué)中按照課本的知識(shí)結(jié)構(gòu)和章節(jié)進(jìn)行，概念性知識(shí)、公式推導(dǎo)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)均以課堂講授的形式進(jìn)行；學(xué)生不是靠理解，而是只能靠死記硬背來(lái)應(yīng)付知識(shí)的掌握，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣低下。

3.實(shí)訓(xùn)教學(xué)

流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，既不同于物理的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)可以容易實(shí)現(xiàn)和理解，又不同于專業(yè)課的實(shí)踐教學(xué) “真刀實(shí)槍”，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力。流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)必須在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。一方面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性是不能驗(yàn)證已有公式正確性的，從而誤導(dǎo)了學(xué)生；另一方面，流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)具有多重條件，要逐一控制，在教學(xué)的條件、時(shí)間上是不允許的。

三、教學(xué)思路及方法的調(diào)整

教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》指出：高等職業(yè)教育就是加強(qiáng)素質(zhì)教育，強(qiáng)化職業(yè)道德，明確培養(yǎng)目標(biāo)；服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，以就業(yè)為導(dǎo)向，加快專業(yè)改革與建設(shè)；加大課程建設(shè)與改革的力度，增強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)能力；大力推行工學(xué)結(jié)合，突出實(shí)踐能力培養(yǎng)，改革人才培養(yǎng)模式。要針對(duì)高等職業(yè)院校學(xué)生的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性，教育學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)理念，提高學(xué)習(xí)能力，學(xué)會(huì)交流溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力、就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力；重視優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)信息資源的利用。

根據(jù)教育部對(duì)高等職業(yè)院校教育的要求，結(jié)合流體力學(xué)課程的教學(xué)實(shí)際情況，作為教師，應(yīng)該在課堂上大膽進(jìn)行嘗試性教學(xué)改革，對(duì)學(xué)生的教育教學(xué)應(yīng)做到潛移默化，在重視身教重于言教的德育教育的基礎(chǔ)上，在理論知識(shí)教學(xué)方面要更加注重結(jié)合實(shí)踐，注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高，注重學(xué)生自學(xué)能力的提高，注重優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)信息資源的利用。

1.把握建筑設(shè)備工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)課整體教學(xué)大綱對(duì)流體力學(xué)課程的課時(shí)、授課內(nèi)容合理安排

教材是編著者從高職學(xué)生的整體水平和相關(guān)各專業(yè)的總體情況出發(fā)進(jìn)行編排的，流體力學(xué)的課本知識(shí)具有系統(tǒng)性和完整性，同時(shí)根據(jù)高職教育的特點(diǎn)對(duì)相關(guān)知識(shí)的推導(dǎo)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將微積分及偏微分的推導(dǎo)進(jìn)行了刪減。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整。1)根據(jù)專業(yè)課的需求對(duì)流體力學(xué)的部分知識(shí)由教師重點(diǎn)講解多安排課時(shí)，加大習(xí)題課的安排，使學(xué)生務(wù)必牢靠掌握，如流體的主要性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、水力計(jì)算等知識(shí)。2)對(duì)于一些知識(shí)在理論講解時(shí)以詳細(xì)講解，教師可以以學(xué)生自學(xué)為主體，引導(dǎo)性講解為輔，培養(yǎng)、提高學(xué)生自學(xué)能力。如流體力學(xué)中U型管壓力計(jì)測(cè)壓計(jì)算、簡(jiǎn)單管路的水力計(jì)算、泵的安裝高度及功率選擇等知識(shí)。3)對(duì)于與建筑設(shè)備工程專業(yè)相關(guān)性不大的一些流體力學(xué)知識(shí)可以利用較少課時(shí)簡(jiǎn)介即可，如繞流運(yùn)動(dòng)、相似理論及因次分析等知識(shí)。

2.教師一定要對(duì)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)熟悉，以便在教學(xué)中，把涉及專業(yè)課經(jīng)常使用的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式靈活的教授給學(xué)生

伯努力方程被學(xué)生戲稱為“白努力”方程，可見(jiàn)其在學(xué)習(xí)中的困難。實(shí)際教學(xué)中應(yīng)充分利用學(xué)生在初、高中學(xué)習(xí)的基本物理知識(shí)進(jìn)行公式的推導(dǎo)。

(1)

因?yàn)?1)式以元流計(jì)算，所以此式為恒定元流伯努利方程。因?yàn)檫@個(gè)公式由學(xué)生在教師的引導(dǎo)下導(dǎo)出，所以必定記憶牢靠，雖然占用的課堂時(shí)間較長(zhǎng)，但接下來(lái)后面的關(guān)于恒定總流(元流總和，外面包裹有管壁)伯努利方程式的講解只不過(guò)是在恒定元流的基礎(chǔ)上擴(kuò)展(a.管道徑向流速修正α；b.沿管道流動(dòng)能量損失hl1-2)。學(xué)生會(huì)很容易接受，可得到恒定總流伯努利方程式

(2)

要求學(xué)生注意公式(2)中的單項(xiàng)Z1，單位mH2O——水頭高度，相加的每一項(xiàng)的單位均相同。則，位置水頭、壓強(qiáng)水頭、測(cè)壓管水頭、速度水頭、1—1截面(輸入端)總能量、2—2截面(輸出端)總能量、泵的揚(yáng)程、沿程阻力、局部阻力、泵的安裝高度等液態(tài)流體涉及建筑工程設(shè)備專業(yè)的供暖工程、給排水、鍋爐水循環(huán)流態(tài)、參數(shù)都很容易接受、理解、掌握。

如果管道內(nèi)流動(dòng)的是氣體，水頭的概念不明顯，那么把公式(2)兩端同乘以γ(重度)得到公式：

(3)

此時(shí)，要求學(xué)生注意公式中單項(xiàng)變?yōu)閆1變?yōu)镻1，單位kPa-壓強(qiáng)，相加的每一項(xiàng)的單位均相同，此時(shí)氣體管道徑向流速修正α=1，Z1,Z2間氣體重量可忽略。學(xué)生就會(huì)很容易記住壓強(qiáng)、動(dòng)壓、壓強(qiáng)損失的概念，為建筑工程設(shè)備專業(yè)相關(guān)鍋爐燃燒、燃?xì)廨斉?、通風(fēng)、空調(diào)等氣態(tài)工質(zhì)的計(jì)算打好基礎(chǔ)。

3.教師要充分利用優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)信息資源

(1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，帶給了我們非常豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源，對(duì)于一些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)和演示在網(wǎng)絡(luò)上有制作精良的視頻或小動(dòng)畫免費(fèi)下載，完全可以經(jīng)過(guò)篩選作為素材插入多媒體或直接演示給學(xué)生觀看。使學(xué)生對(duì)于一些抽象概念通過(guò)動(dòng)畫的形式形成正確的感知，如流線與跡線、元流與總流、畢托管原理等知識(shí)。

(2)教師可以帶領(lǐng)學(xué)生做一些流體力學(xué)中的層流湍流實(shí)驗(yàn)；U型管壓力計(jì)測(cè)壓；孔口出流等簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。學(xué)生分組親自動(dòng)手，花費(fèi)不高，效果甚好——鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力；強(qiáng)化了學(xué)生的記憶；提高了學(xué)生的興趣；增強(qiáng)了學(xué)生間的團(tuán)隊(duì)合作。

總之，流體力學(xué)作為一門建筑設(shè)備工程專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，在整體專業(yè)課教學(xué)中是奠基石，學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知實(shí)際上也是從這門課開(kāi)始的。流體力學(xué)本身是經(jīng)典，就給教師的講授提出了較高要求，照本宣科不會(huì)出問(wèn)題，但要培養(yǎng)出合格的專業(yè)技能人才，就要想辦法適應(yīng)這一層次的學(xué)生，文中難免有偏離理論流體力學(xué)科學(xué)推導(dǎo)的教法。

[1]白擴(kuò)社. 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]張兆順,崔桂香.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

Instructions on Fluid Mechanics of Architectural Equipment Specialty

DANG Tian-wei

(TianjinUrbanConstructionManagementandVocationTechnologyCollege,Tianjin, 300134)

fluid mechanics is an important professional basic course of engineering colleges. Connecting with professional courses for architectural equipment engineering and the goals for training technical personnel, it is necessary to adjust the teaching ideas and methods of fluid mechanics.

fluid mechanics; teaching methods; architectural equipment

2014-07-04

黨天偉(1972-)，男，山西人，天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級(jí)講師，研究方向：建筑設(shè)備工程。

G712

A

1673-582X(2015)01-0065-04