流体力学论文

流体力学论文

“启发—联想式”教学方法在流体力学教学中的应用

摘要：流体力学因其内容抽象、难度大、偏微分方程多导致学生学习兴趣低，学习效果不佳。在流体力学教学过程中采用启发—联想式教学，不仅能提高学生兴趣，而且通过联想、对比与思考能够帮助学生理解其物理内涵。通过对启发—联想式教学在流体力学中应用的案例进行总结，分析启发—联想式教学应用的关键点。

关键词：流体力学；启发-联想式教学方法；教学

“流体力学”或“工程流体力学”是机械工程专业、力学专业、油气储运专业、石油工程专业、过程装备专业、土木工程专业、建筑环境与设备专业、安全工程专业、化学工程专业等诸多工科专业一门十分重要的专业基础课，在各工程领域有着广泛的应用。流体力学内容很抽象，偏微分方程几乎贯穿全部课程。流体力学欧拉方法的思路与物理及其他力学不同，学生理解、掌握起来有困难。[1,2]多媒体和CFD 技术可以提升部分流体力学内容的教学效果，但并不能彻底解决以上问题，[3，4]有文献分别对启发式教学和对比教学在流体力学中的应用进行了探索。[5，6]笔者从自身教学实践出发，对启发—联想式教学方法在流体力学授课中的应用进行了探究。所谓启发—联想式教学是指在讲授流体力学知识时启发学生联想与之相似或相关的其它知

识，通过思考与对比掌握流体力学的概念和原理。本文在自身教学实践的基础上，将启发—联想式教学在流体力学中能取得良好教学效果的案例进行了总结和分析。

一、常规“启发—联想式”教学的应用

1.流体力学的基本概念

在讲述流体力学的基本概念时如能从高中物理的基本概念启发学生联想，从而延伸至流体力学的概念，可以增强学生所学知识的连贯性，提高学习效果。例如在讲授流体和流动性的概念时，启发学生按照表1所示的各项进行联想和对比，就可以获得良好的教学效果。

2.理想流体和静止流体的比较

流体静力学一般安排在第二章，此时课程刚开始不久，学生学习积极性较高。理想流体的流动一般在期中开始学习，此时学生学习的积极性常有明显下降。因而将静止流体的内容和理想流体作一个对比，能取得非常良好的效果。静力学有欧拉平衡方程，理想流体有欧拉运动方程，通过对比也可以避免学生混淆这两个概念。对比的结果如表2所示。

3.粘性流体的两种流态

在讲授粘性流体流动中存在着两种流态时，可以借用古代文学中相关的名句，如描述湍流的有李白的“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”，杜甫的“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来”，描述层流的则有“半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊”和“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天

一色”等佳句。这样可以帮助学生建立对流态十分形象而深刻的印象，从而有助于学生理解、掌握相关知识。

4.尼古拉兹曲线

可以启发学生自己去思考应如何设计实验方案。假设已经知道影响流动阻力的因素有流体的密度ρ、粘度μ、管路的管径d、粗糙度△，管长L，流速v，这时应如何设计实验研究这些因素对流体阻力的影响？在学生思考并回答问题后，告诉学生可以采用量纲分析的方法将影响因素整合成达西公式的形式，只需实验测量相对粗糙度和雷诺数Re对流动阻力系数λ的影响就可以了。这样不仅能充实课堂的内容、复习量纲分析的知识，还能培养学生独立思考和解决问题的能力。

二、跨学科“启发—联想式”教学的应用

流体力学的内容及研究方法与工程热力学、工程力学有很多相通的地方。在讲授相关内容时启发学生联想工程热力学、工程力学的内容并进行比较，不仅可促使学生思考，而且能利用一门课程中已学会的知识快速掌握另一课程中的内容。

1.应力

流体力学中动量方程这一部分，需要对流体内的压应力和剪应力进行分析。这时可以将流体力学的“应力”与工程力学的“应力”进行比较和联想，说明流体力学内的应力和工程力学的应力是同一个概念，但是受力特点不同。这样互相印证，对学生学习有很大的作用。同时

提醒学生注意，在流体力学中压应力是指受压为正，而力学中的正应力是受拉为正。

2.伯努利方程中压力项的物理含义

首先启发学生思考伯努利方程中各项均代表了一种能量（机械能）的形式，那压力项代表的是什么能量呢？可以首先将压力项与弹性体的弹性能进行比较，请学生们思考或回答是否压力项就是贮存在流体中的弹性能量？然后告诉学生“不对！”。当学生思考和求知的积极性被调动起来时，再通过将伯努利方程压力项的推导与工程热力学中的开口系能量方程的推导进行比较，说明伯努利方程中的压力项就是压力场产生的一种势能，帮助学生对这一问题的物理意义有更深层次的理解。

3.伯努利方程

在讲伯努利方程时，也可以启发学生联想工程热力学中的一元稳定流动能量方程并进行比较。这样可以发现两者同源的关系，并可以逐项比较每一项的物理意义。通过这样的联想和思考也可以发现两者的推导过程也是相通的。

4.系统和控制体

可以将系统和控制体两个概念与热力学中的控制容积和控制质量进行类比，说明两门学科的两个概念是对应相同的，只是在不同的学科有不同的命名习惯而已，控制容积就是控制体，系统就是控制质量。此外，还可以让学生思考哪一种命名的习惯更合理？显然控制容

积和控制质量的概念更直观明确，而“系统”是一个含义极广的词，很容易引起混淆。

三、总结

启发—联想式教学的核心是启发学生联想不同领域中看似并不

相关、实则原理相通的知识。通过联想展开思考，在思考和比较中帮助学生作到融会贯通，举一反三，从而有效地提升教学效果。流体力学内容广泛，不同章节之间存在着内在的关联性，同时又与工程力学、工程热力学遵循相同的物理原理，这是启发—联想式教学在流体力学课中能够获得有效应用的基础。笔者在流体力学授课中一直在探索如何采用启发—联想式教学，并将主要的应用在本文中作了总结。经过启发—联想式的思考，学生能将原来杂乱的概念形成清晰的知识体系，对学习这门课程有很好的效果。

参考文献：

[1]徐正坦,陈鲲,马立艳.创新《流体力学》课程教学探索[J].福建工程学院学报,2008,6(5):487-489.

[2]郑捷庆,邹锋,张军,罗惕乾.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国现代教育装备,2007,(10):119-121.

[3]严宗毅,苏卫东.运用多媒体进行流体力学教学的体会[J].力学

与实践,2000,(22):56-58.

[4]曾立云.流体力学课程教学方法研究[J].甘肃农业大学学

报,2002,37(1):123-125.