應(yīng)用型大學(xué)流體力學(xué)課堂教學(xué)方式改革探索及實(shí)踐

張龍　田祖安　鄭安節(jié)

摘要 以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，在我校向“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”轉(zhuǎn)型的背景下，考慮流體力學(xué)課程特點(diǎn)以及目前教學(xué)存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對(duì)性的改革，并將CFD引入課堂教學(xué)，提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型大學(xué) 流體力學(xué) 教學(xué)改 革CFD

應(yīng)用型教育是以培養(yǎng)知識(shí)和能力全面發(fā)展，面向生產(chǎn)實(shí)踐一線的應(yīng)用型人才為目標(biāo)的高等教育。流體力學(xué)作為我校理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，非常廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工程中，如管道水力計(jì)算以及城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)等。流體力學(xué)基本概念多、公式復(fù)雜、內(nèi)容抽象，有較強(qiáng)理論性和較強(qiáng)工程實(shí)際意義。然而作者在多年的流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍感覺(jué)該課程比較枯燥難學(xué)，學(xué)習(xí)積極性不高，期末考試及格率較低，應(yīng)用性不強(qiáng)。因此，在我校向“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”轉(zhuǎn)型的大背景下，如何適應(yīng)“應(yīng)用型本科教育”的要求，是流體力學(xué)教學(xué)及實(shí)踐中必須面對(duì)的問(wèn)題。

1目前，我校流體力學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

（1）教材內(nèi)容設(shè)計(jì)偏重理論推導(dǎo)。目前我校使用的流體力學(xué)教材主要強(qiáng)調(diào)課程的完整性和系統(tǒng)性，偏重于理論推導(dǎo)，選用的例題和練習(xí)題的設(shè)計(jì)過(guò)于理想化，與實(shí)際應(yīng)用相脫離，應(yīng)用性設(shè)計(jì)不夠突出，偏重于介紹流體力學(xué)可以解決工程問(wèn)題這一點(diǎn)，造成學(xué)生剛接觸工程問(wèn)題時(shí)就手足無(wú)措，這與應(yīng)用型大學(xué)的培養(yǎng)要求不相適應(yīng)。

（2）課堂教學(xué)效果不好。作者在流體力學(xué)課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)緒論課的大量工程實(shí)例以及視頻教學(xué)能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，開(kāi)學(xué)初期，教學(xué)效果相對(duì)較好，而隨著課程的進(jìn)行、課程難度的加深，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性越來(lái)越低。主要原因有：①學(xué)生對(duì)流體力學(xué)涉及的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等課程的知識(shí)掌握不盡如意；②流體力學(xué)理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)多，與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)。

（3）缺乏計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)作為一種數(shù)值模擬方法，在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，借助CFD技術(shù)，可以得到流動(dòng)細(xì)節(jié)，如速度、壓力、能量損失、湍動(dòng)量、漩渦等，從而在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。這就要求技術(shù)人員掌握流體力學(xué)分析、數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。而現(xiàn)階段我校的流體力學(xué)教學(xué)中并未引入CFD技術(shù)，僅安排了一次課來(lái)介紹計(jì)算流體力學(xué)的內(nèi)容，且完全進(jìn)行理論教學(xué)，學(xué)生學(xué)了一大堆理論公式，但拿到實(shí)際工程問(wèn)題卻無(wú)從下手。

2教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，作者在結(jié)合本?！皯?yīng)用型特色科技大學(xué)”的發(fā)展方向下對(duì)流體力學(xué)課程課堂教學(xué)方式及實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。從課程教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方式方法，實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，課堂教學(xué)效果較差，理論與應(yīng)用相脫離的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)借助CFD豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)用性，使學(xué)生會(huì)用仿真軟件求解工程問(wèn)題。具體改革內(nèi)容：

2.1突出應(yīng)用性教學(xué)

以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合流體力學(xué)的課程特點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論教學(xué)部分和考慮應(yīng)用的專題教學(xué)部分。

基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容包括流體力學(xué)基本概念、基本原理和基本方程，這是應(yīng)用的基礎(chǔ)，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。授課過(guò)程中強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念的理解和基本理論的應(yīng)用，而弱化對(duì)方程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，但應(yīng)明確方程的意義、適用條件以及如何應(yīng)用方程解決實(shí)際問(wèn)題。專題教學(xué)以實(shí)際工程問(wèn)題為切入點(diǎn)，例如以均質(zhì)液體對(duì)平壁和曲壁的總壓力為例，從為什么對(duì)平壁和曲壁總壓力進(jìn)行計(jì)算（壓力容器，水壩，潛艇等結(jié)構(gòu)安全），引申出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)（平壁和曲壁總壓力的大小、作用點(diǎn)、壓力體等）和基本理論（流體靜力學(xué)基本方程、歐拉平衡方程等），以此加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2.2課堂教學(xué)方法設(shè)計(jì)具有針對(duì)性

課堂教學(xué)方法也是影響教學(xué)效果的重要因素。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師主講為主，缺乏與學(xué)生的有效互動(dòng)和交流，教學(xué)效果較差。本課程采用師生互動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué)，對(duì)理論教學(xué)部分采用教師主講和提問(wèn)、學(xué)生回答的方式；對(duì)專題教學(xué)的課后練習(xí)，集中安排一次課進(jìn)行分組上講臺(tái)匯報(bào)，學(xué)生自己當(dāng)評(píng)委，自己打分，鍛煉學(xué)生主動(dòng)思考和動(dòng)手能力，增強(qiáng)對(duì)課程應(yīng)用性的理解。同時(shí)，采用多媒體授課，圖片和視頻能形象直觀地表現(xiàn)文字和語(yǔ)言不能描述的現(xiàn)象，如雷諾實(shí)驗(yàn)、卡門渦街等。在成績(jī)的構(gòu)成上除課后作業(yè)和專題匯報(bào)外，還布置一個(gè)課外小任務(wù)一觀察生活中的流體力學(xué)，例如空調(diào)掛機(jī)安裝位置問(wèn)題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象，并結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行分析，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2.3將CFD技術(shù)引入課堂教學(xué)

在理論教學(xué)和專題教學(xué)完成后將CFD技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中，做到數(shù)值仿真計(jì)算與理論推導(dǎo)相結(jié)合，增強(qiáng)流體力學(xué)的應(yīng)用性。

（1）授課時(shí)對(duì)流體力學(xué)商用數(shù)值仿真軟件Fluent的操作步驟做簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合我校的數(shù)值仿真中心，完成代表性例題的數(shù)值分析計(jì)算，將數(shù)值仿真結(jié)果與理論解進(jìn)行對(duì)比。

（2）將工程實(shí)際問(wèn)題引入流體力學(xué)教學(xué)，提高學(xué)生面對(duì)具體問(wèn)題的實(shí)際操作能力。每學(xué)期邀請(qǐng)兩位具有豐富工程實(shí)際問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的校外人員來(lái)校給學(xué)生做一次報(bào)告，向?qū)W生介紹其建立工程問(wèn)題的簡(jiǎn)化模型和簡(jiǎn)化過(guò)程，以及采用Fluent求解過(guò)程和結(jié)果，讓學(xué)生學(xué)會(huì)面對(duì)工程問(wèn)題時(shí)準(zhǔn)確建立力學(xué)模型的能力，同時(shí)開(kāi)闊學(xué)生的視野，提高學(xué)習(xí)積極性。

3主要特色

（1）突出實(shí)用性。在流體力學(xué)課程教育中調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，添加CFD技術(shù)的實(shí)踐，同時(shí)邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的校外人員進(jìn)課堂，為學(xué)生講解企業(yè)中的實(shí)際問(wèn)題，教會(huì)學(xué)生學(xué)以致用，學(xué)生通過(guò)課程教學(xué)掌握該工具之后能更好地跟進(jìn)企業(yè)工作并提高就業(yè)質(zhì)量。（2）主次明確。強(qiáng)調(diào)實(shí)用性的同時(shí)，也不完全放棄對(duì)公式推導(dǎo)能力的教學(xué)，采取理論聯(lián)與工程實(shí)際相結(jié)合的方式，在提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)知。

4結(jié)束語(yǔ)

流體力學(xué)課程公式推導(dǎo)多、理論性強(qiáng)，在我校向“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”轉(zhuǎn)型的背景下，如何培養(yǎng)素質(zhì)全面的應(yīng)用型人才，是我校每一位老師值得思考的問(wèn)題。針對(duì)流體力學(xué)課程特點(diǎn)，作者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革，并將CFD技術(shù)引入課堂，開(kāi)展應(yīng)用型教學(xué)，同時(shí)邀請(qǐng)校外人員進(jìn)課堂進(jìn)行專題講座，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。