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1、建筑环境与设备专业流体力学课程教学改革探析 摘要：分析了不同工科专业基础课程教材选用流体力学中的主要特点，针对建筑环境与设备专业后期课程的教学须要，提出了学生必需驾驭的流体力学的基本学问点。通过改进教学方法，将与建筑环境与设备专业紧密相关的工程应用以及科研成果引入课堂，仔细分析有关流体流淌的基本概念和规律，适当略去繁难的公式推导，利用多媒体演示有关流体流淌的规律，帮助学生深刻体会抽象难懂的流淌的基本原理。通过改革教学手段，利用网络教学，强化试验教学环节，通过创新试验引发学生思索等对策，激发学生对工程流体力学课程的学习爱好，提高学生驾驭工程流体力学基本学问的实力。 关键词：工程流体力学 基本学问
2、点 教学方法改进 创新思维 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-1019511-0203-02 流体力学是力学的一个重要分支，是探讨流体平衡与运动规律及其在实际工程中应用的一门学科，依据探讨问题侧重点的不同，流体力学可以分为理论流体力学和应用流体力学。前者采纳数学推理的方法，强调逻辑性、精确性和严密性，偏重于对流体力学理论的探讨。后者采纳对工程实际问题作近似处理的方法得出结果和结论，而不去追求数学上的严密性。随着科学技术的快速发展，工程流体力学已广泛应用到国民经济的各部门，如，动力工程中流体的能量转换；环境工程中污染物在大气中的扩散；铁路、马路隧道中的压力波传播；航空工业
3、中飞机外形与阻力的关系；机械工业中的润滑、液压传动；市政工程中的通风、通水问题；医学中血液在人体内的流淌等等。工程流体力学是一门理论性和工程实际意义都较强的课程，具有理论不易驾驭、概念和方程较多且易混淆、对学生高等数学学问及综合分析和处理问题实力要求较高等特点。针对所学专业如何让学生驾驭工程流体力学的基本学问点，激发学生对工程流体力学学习的爱好；如何改进教学方法，激发学生的创新思维实力，加强课程建设是工程流体力学教学改革值得探讨的一个重要问题。 1 不同专业所用流体力学教材的主要特点 我国高校开设的工科专业主要分为：林业工程类，公安技术类，工程力学类，地矿类，材料类，机械类，仪器仪表类，能源动
4、力类，电气信息类，生物医学工程，土建类，水利类，测绘类，环境与平安类，化学与制药类，交通运输类，海洋工程类，轻工纺织食品类，航空航天类，武器，农业工程类。针对上述不同工科专业大类培育学生的不同要求，各高校所开设的流体力学课程所用教材主要有：北京高校出版社出版、吴望一教授编著的流体力学，科学出版社出版、归柯庭教授等编著的工程流体力学，高等教化出版社出版、丁祖荣教授等编著的流体力学，石油工业出版社出版、汪志明编著油气井流体力学与工程，中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的流体力学泵与风机，中国电力出版社出版、杜广生教授编著的工程流体力学。通过多年的教学实践可以看出：北京高校出版社出版、吴望一教
5、授编著的流体力学，科学出版社出版、归柯庭教授等编著的工程流体力学，高等教化出版社出版、丁祖荣教授等编著的流体力学，偏重于对流体力学理论的探讨，强调逻辑性、精确性和严密性。而中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的流体力学泵与风机，中国电力出版社出版、杜广生教授编著的工程流体力学，偏重于对工程实际问题作近似处理的方法得出结果和结论，与建筑环境与设备专业、热能动力工程专业所需的基础学问结合紧密。不同专业所用的流体力学教材，具有不同的特点。对于工程问题要追溯其基本概念时，还必需去参阅理论性较强的教科书。 2 建筑环境与设备工程专业应驾驭学问点 由全国高校建筑环境与设备工程专业指导委员会举荐运用的专
6、业基础课-流体力学教材为中国建筑工业出版社出版、蔡增基教授等主编的流体力学泵与风机，课程里包含有流体静力学、一元流体动力学基础、流淌阻力和能量损失、孔口管嘴管路流淌、气体射流、志向流体动力学基础、有旋流淌和无旋流淌、粘性流体动力学基础、一元气体动力学基础、相像性原理和因次分析等基本学问点，这些都是作为建筑环境与设备工程专业学生必需驾驭的。建筑环境与设备工程专业后期课程主要有：流体输配管网、热质交换原理与设备、建筑环境学、泵与风机、暖通空调、冷热源工程等，而这些课程的开设要求学生先期驾驭流体力学课程的基本学问点。我从2004年担当本科生的流体力学和探讨生的两相流与流态化教学工作至今，最大的体会是
7、选用不同的主讲教材，其讲课效果和学生对流体力学学问点接受的认知程度也截然不一样。大家知道：在流体力学学习过程中为了明白一个定理，甚至为了精确地理解一个概念，学生首先须要读懂数学，然而读懂了数学不肯定意味着已经明白了数学符号背后所代表的物理意义，流体力学教学实践表明，学生从读懂数学到理解流淌问题的物理本质有一个过程。因此，为了让学生驾驭建筑环境与设备专业流体力学课程的学问点，我们的教学团队曾经尝试用有理论深度的教材讲解基本概念，再用专业学问帮助学生强化基本概念，比如：为了讲清晰流体运动的本质特征易变形性这一基本概念，首先运用亥姆霍兹速度分解定理，将流体运动的速度分解为：平动速度v1：流体微团平动
8、引起的，特征量是平动速度v0。转动速度v2：是由流体微团绕通过点M0的瞬时转动轴线旋转而产生的，特征量是rotv。变形速度v3：是由流体微团变形引起的，特征量是二阶对称张量。然后，再分析流体的平动、转动和变形的本质特征，并且将流体运动的状况和刚体运动的状况作类比，这样让学生对流体的运动本质有直观的相识，在此基础上，讲解流体微团的有旋运动和无旋运动，配有多媒体动画演示，可以收到较好的教学效果。针对建环专业学生要驾驭的流体力学的每个学问点，讲清晰和让学生理解深刻，这是在教与学互动过程中应当达到的效果。 3 以建环专业工程应用活跃教学过程 流体力学是一门专业基础课，一般开设时都是在高校二年级第一学期
9、或其次学期，学生们对专业课还没有太多的认知。因此，将与建筑环境与设备专业相关工程应用引入课堂，如，超高层建筑、大跨度桥梁的设计和建立相关的空调通风问题，可以以上海的金茂大厦、东方明珠塔、杨浦大桥举例说明；还有，像地铁通风、大型超市、体育馆的中心空调设计等所涉及到的流淌问题，可以引发学生去思索，怎样的流淌方式和气流组织形式可以达到最优的空气调整效果。还有，将日常生活与实际运用中的相关问题整理成“身边的工程流体力学”话题向学生提出，供学生课堂上探讨。如，高尔夫球：飞得远的应是表面光滑还是表面粗糙的？汽车行驶时受到的阻力是来自前部还是后部？飞机的机翼，其升力是来自下部还是上部？大雁飞行为什么会排成“
10、人”字形，微风中的花枝为什么垂直来流方向摇摆，奥运会游泳名将在游泳时如何减小阻力、游得更快等问题，载粉气流颗粒中气流和颗粒的运动速度是否一样？这些问题的提出，不仅可以大大激发学生的学习爱好，同时将大雁飞行原理、鱼类游动原理与航天战斗机、舰艇的船舵工作时产生自由涡导致升力下降、阻力上升的现象联系起来，使抽象、枯燥的工程流体力学理论与详细的空军、海军武器装备及运动员竞赛时减阻特性紧密结合，开拓学生的视野，激发他们的新奇心和求知欲。在讲授流体力学基本内容的同时，有意识地介绍建筑环境与设备学科有待解决的问题，可以培育学生广泛的科研爱好和求知欲，并使学生在探讨与解决问题的过程中获得无穷的乐趣。 在教学过
11、程中，应适当略去繁难的公式推导，将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，从思路上进行分析整理，淡化繁琐的数学推导过程。工程流体力学课程涉及高等数学、复变函数、高校物理等学问，教材中有较多的计算公式及推导，若将全部公式推导都进行讲授，不仅奢侈时间，而且还可能使学生感到工程流体力学理论高深莫测，学习起来产生畏难心理。例如，在讲解沿流线的伯努利方程时，除了讲清晰动能、位能和压强势能三者之和是常数外，要重点讲清晰该方程适用的五个基本条件：无粘性重力流体；不行压缩定常流淌；然后，再分析其在毕托管测速中的应用。又比如在讲解纳维斯托克斯方程时，首先要讲清晰斯托克斯假设：将牛顿粘性定律从一维推广到三维；
12、流体各向同性；静止时法向应力等于静压强。NS方程的适用条件是：、都等于常数。然后，给学生讲清晰NS方程的物理意义是：惯性力=体积力+压力+粘性力，同时对应说明各项的物理意义。总之，在授课时，要重点介绍基本概念的详细内涵，理论模型的建立，重点公式所包含的物理意义、应用条件和各项参数所代表的物理含义等等。同时，还应适时对基本概念、重点公式等进行阶段性总结，使学生在学习过程中有清楚的思路。 4 设计创新试验，激发学生独立思索 工程流体力学是一门建立在试验探讨基础上的科学，许多工程流体力学理论都是以试验为基础建立起来的。工程流体力学试验是工程流体力学课程的重要组成部分，它不仅是为了验证理论，有助于学生
13、学好工程流体力学，而且是培育学生进行科学探讨，提高独立工作和创新实力的重要环节。因此，在讲授课程内容时，不仅要反复强调试验在工程流体力学中的地位，使学生对试验的重要性有正确相识。更重要的是：在试验课内讲授有关试验内容的原理和方法时，除了完成流体力学经典的试验外，还要让学生设计创新型试验，激发学生独立思索的实力。比如，孔板流量计测流量的试验，除了让同学完成书本上讲的试验外，还要让学生去查阅资料和专利文献，能否有更好的测流速和流量的方法，从而使学生对流量的概念有醒悟的相识。另外，开发适合本专业的多媒体课件，供应网络教学，将难以理解的流淌现象以多媒体的方式在课堂上直观地呈现出来，再让学生去进行试验，
14、例如，为了讲清晰层流和湍流的基本概念，可以用带颜色的流线进行课堂演示，然后，再让学生试验课时去动手做试验，从而获得深刻体会。 总之，工程流体力学课程教学改革中，要依据专业的详细状况，优化整合不同教材体系教学资源的精髓；改革教学手段和教学方法，突出学生的主体性，激发学生学习主动和创新性；理论与试验并重，相互促进；突出学生的创新实力培育，多让学生独立思索和总结；以便达到较好的教学效果。 参考文献 1 丁祖荣，流体力学M.北京：高等教化出版社，2003：91-95. 2 陈晓珊，洪文鹏，张玲.工程流体力学课程改革的思索J.东北电力高校学报，2022，26：54-56. 3 王伟.土木专业工程流体力学
15、课程教学探讨J.山西建筑，2022，34：182-183. 4 喻萍，袁苏跃，董羽蕙.土木专业流体力学教学模式探讨J.昆明高校学报：综合版，2003：82-83. 5 张培红，王晓华.流体力学课程分层次教学模式探讨J.沈阳建筑高校学报：社会科学版，2022：238-240. 6 龙天渝，蔡增基.流体力学M.北京：中国建筑工业出版社，2004：234-238. 7 杜广生，高校工科流体力学教学改革探析J.山东工业高校学报：社会科学版，19101：80-81. 8 马哲树，张东辉.流体力学教学过程中宜强化的四个观点J.长春理工高校学报，2022：175-176. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页