流體力學教學面臨的問題和教學方法上的對應論文

流體力學教學面臨的問題和教學方法上的對應論文

　　[論文摘要]結(jié)合學習主體所處的時代環(huán)境變化和流體力學知識體系的學科跨度大以及對數(shù)學基礎知識要求很高的特點，分析了流體力學教學中存在的問題和難點，提出大量采用實驗模型和實例教學以加強流體流動現(xiàn)象的觀察理解對提高流體力學教學效果的必要性和重要性。

　　[論文關鍵詞]流體力學 流動現(xiàn)象觀察 教學效果

　　前言

　　流體無固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續(xù)存在，其變形便會隨時間持續(xù)增大，不像固體那樣，一定的受力只能產(chǎn)生一定的變形。流體力學的基本理論非常嚴密，描述流體流動現(xiàn)象的數(shù)學方程非常復雜，高度非線性[1]，因此學生對流體力學敬而遠之的現(xiàn)象比較嚴重。

　　此外由于因特網(wǎng)及電子計算機的普及，各種虛擬現(xiàn)象泛濫，在這樣的環(huán)境下成長的學生接觸和感受實際發(fā)生的各種流體流動現(xiàn)象的機會大大減少，對自然現(xiàn)象的觀察和理解能力很弱。很多學生在接受流體力學教育之前所受的應試教育的影響下[2]，學習只是為了在短時間內(nèi)對給出的試題做出接近正解的答案獲得高分，這種教育具有多大的意義，近年來許多學者從教育學的角度提出了疑問[2]。只有直面實際的流體流動現(xiàn)象，抓住問題的本質(zhì)，才能誕生真正的學問和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學教學中存在的難點和問題，指出了重視流體流動現(xiàn)象的觀察和理解對提高流體力學的教學效果的必要性和重要性。

　　一、流體力學教學面臨的問題

　�。ㄒ唬┬滦蝿菹聦W生所處的社會環(huán)境變化

　　學生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時間和機會大大超過了自己親自動手制作道具及模型的體感玩耍時間，通過體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機會大大減少。

　　因特網(wǎng)的普及使得在短時間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r獲得信息成為可能，近年來出現(xiàn)學生過度依賴因特網(wǎng)的傾向，疏遠了紙質(zhì)圖書及相關文獻這些知識比較系統(tǒng)邏輯性也有保證的傳統(tǒng)信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外，還有很多不準確甚至錯誤的信息，即使是正確的信息，各信息段之間也缺乏系統(tǒng)性，因此學生僅通過因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識體系的。

　　手機在學生中的普及也使得學生們在實際問題時，不是自己獨立分析問題，找出問題發(fā)生的原因，而是直接利用手機詢問他人求得答案，這樣很難培養(yǎng)獨立制定計劃，對可能事態(tài)進行預測，獨立進行解決問題的能力。這恰恰是對一個未來走向社會成為一個優(yōu)秀的技術人員的必經(jīng)的磨礪之道。

　�。ǘ�）流體力學教學面臨的問題

　　流體流動的力學模型及其運動的物理意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對應關系就是最好的一個例證。大多數(shù)學生雖然能夠使用牛頓粘性定律進行計算，但對運動的流體為何會產(chǎn)生粘性卻不能正確的理解。的確，對于涉及到流體力學的某些技術或產(chǎn)品設計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開發(fā)和設計全新的產(chǎn)品，如不能準確把握所涉及到的相關流體流動的物理本質(zhì)，有時會產(chǎn)生完全錯誤的設計結(jié)果。

　　流體的運動狀態(tài)繁多，流體力學融合領域廣，要求學生掌握更多的學科預備知識，尤其對數(shù)學知識的要求更高，使部分學生覺得流體力學是難以接近的一門課。同一流動現(xiàn)象常�？梢詮亩鄠�角度進行解釋，容易使學生產(chǎn)生混亂。比如對翼型的流體力學工作原理，可以從流體流動的動量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個方面進行解釋，解釋方法之多反而會使學生產(chǎn)生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個本質(zhì)，只有完全理解各種解釋方法所依據(jù)的理論，才可以解除認識上的混亂，將學到的知識條理化、系統(tǒng)化。

　　描述流體流動的數(shù)學方程高度非線性化，數(shù)學上求解比較困難。描述流體流動的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數(shù)學解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數(shù)學功底，但近年來學生的數(shù)學和力學基礎存在下降的趨勢。

　　學生在進入大學前所接受的應試教育的影響很大，以考試成績自評學習效果的認識根深蒂固[4]。實際的流體流動現(xiàn)象往往沒有單純的標準答案，有時甚至存在多個解，重要的是抓住流動現(xiàn)象的物理本質(zhì)，系統(tǒng)的理解流體力學的基本原理。

　　二、教學方法對應

　　解決上述問題的根本方法，筆者認為只有從流體力學教學上，直面涉及流體的各種現(xiàn)象，使學生準確的把握物理本質(zhì)。為此在流體力學課堂上，廣泛采用流體模型教學和實例教學，增加學生觀察理解各種流動現(xiàn)象的機會，喚起他們對本門課的興趣的同時，讓他們形成為探究流動現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進行思考的習慣，這對解決流體力學教學所面臨的問題至關重要。

　　使用電吹風斜向上吹一個讓學生事先準備好的氣球模型，沒經(jīng)驗的學生會意外的發(fā)現(xiàn)氣球會向斜上方飄起。這一流體流動現(xiàn)象可從風從氣球上部通過時，由于氣球表面的影響風的流向會產(chǎn)生變化，也就是流線產(chǎn)生彎曲，根據(jù)風的動量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋，還可以從物體繞流邊界層效應得到解釋。從這一簡單的模型教學，還可以解釋飛機的機翼通過改變空氣的流向進而獲得升力的流體力學上的工作原理。

　　在一個裝滿水的塑料瓶內(nèi)分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個可移動桌面上，使桌面等直線加速運動，可發(fā)現(xiàn)鋼球運動較慢留在瓶底，而泡沫球運動較快停在瓶嘴附近。觀察這一個現(xiàn)象引導學生：泡沫球運動得較快是因為等加速運動瓶內(nèi)流體的靜壓在運動方向上遞減形成壓力梯度，小球的前進方向的壓力大于等加速運動產(chǎn)生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動；而作用于鋼球的前進方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同，但慣性力大于前進方向的靜壓力，因此鋼球相對于塑料瓶向后移動。這一模型教學比一般教科書上關于流體等加速直線運動流體的靜壓分布的例題更容易使學生抓住問題本質(zhì)，且能培養(yǎng)學生獨立思考之習慣，使學生體會到透過流體流動現(xiàn)象來正確觀察和理解把握流體力學基本規(guī)律的樂趣。

　　經(jīng)常使用立式洗衣機的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過來，假如原來兜里裝有硬幣等硬物，也會被掏出來[5]。把這個實例在課堂上講出后，學生們甚有興趣，追問其中的奧秘，當教師根據(jù)伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學家、數(shù)學家、力學家及醫(yī)學家于一身的瑞士的大科學家的基本情況后，學生們頓時對這位科學家充滿了崇敬之情，通過大量這種實驗模型及實例教學，學生們對學習流體力學這門課更有了興趣和信心，教學效果的提高自不待言。

　　三、結(jié)語

　　本文詳盡的分析了計算機、因特網(wǎng)、手機等現(xiàn)代化通訊工具普及后對學生產(chǎn)生的影響，由于流體力學課程知識體系的特點，這種影響產(chǎn)生的負面問題很多，尤其是教授成長在應試教育體制下走入大學的學生，更需要轉(zhuǎn)換認識，改變教學觀念，在課堂教學中廣泛植入實驗模型教學和實例教學，讓學生直面實際存在的各種流體流動現(xiàn)象，通過實際的流體流動現(xiàn)象的觀察和理解，達到生動及形象的把握這些流動現(xiàn)象背后的流體力學的基本定理，有效提升教學效果的同時，通過簡單實驗模型的制作還可提高學生的動手能力，這對學生走向社會成為一個具有創(chuàng)造性思維能力、獨立思考的優(yōu)秀技術人員也是一個必不可少的雛形磨礪。

　　[參考文獻]

　　[1]黃衛(wèi)星.工程流體力學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.

　　[2]李丹,楊斯瑞.應試教育與創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)[J].繼續(xù)教育研究,2009,25(2):180-185

　　[3]向文英,程光均.流體力學教學與實驗創(chuàng)新[J].重慶大學學報(社會科學版),2003,18(4):21-26.

　　[4]徐文娟,趙存友,候清泉.工程流體力學精品課程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式設計與實踐[J].高教論壇,2009,15(2):50-53.

　　[5]武際可.身邊的力學趣話[J].力學與實踐,2006,28(2):95-96.

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