流体力学理论范文

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关键词：计算流体力学；课程改革；应用型本科；项目驱动

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）22-0123-02

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一门集成了流体力学、计算数学与计算机科学的交叉学科。计算流体力学的基本思想为[1]：通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和传热等相关物理现象做出系统的分析。随着计算机技术的发展，计算流体力学在各行各业得到了广泛的应用。

《计算流体力学》课程开设的主要目的在于使学生掌握流动及传热问题数值模拟的基本理论与建模思路、掌握常用商用CFD软件的使用方法，能够利用计算流体力学方法解决实际研究问题[2]。课程内容涉及了流体力学理论、数值计算理论、计算机程序设计以及计算软件的工程应用等。课程理论内容较多，学生学习起来较为吃力，常处于被动学习状态，因此需要改进教学策略，培养学生学习兴趣，改被动学习为主动学习[2]。同时该课程还与实际应用联系紧密，如何将理论与工程实际相结合，培养学生解决实际工程问题的能力，也是本课程教学中需要探讨的问题。经过多年在教学过程中的改革和摸索，下面浅谈一下我们在《计算流体力学》课程改革方面的一些探索。

一、计算流体力学课程内容

计算流体力学包含内容甚广，从总体上讲，可按照不同的应用领域分为两个主要方向：

1.将计算流体力学自身作为对象的课程体系。该体系的研究对象为计算流体力学本身，主要以流体力学数学物理模型模型构建、数值离散方法、高性能数值计算算法开发为主要内容，侧重点为计算流体力学理论及其实现方法。

2.以算流体力学应用为主的课程体系。此体系以如何更好地将计算流体力学方法应用于工程作为研究对象，主要以应用技能为课程目标，侧重点为现实物理问题的简化建模、利用计算机程序解决物理问题以及对计算结果的科学解释等。

对于应用型本科《计算流体力学》课程来讲，应当更多地关注计算流体力学在工程中的应用，将计算流体力学作为一项解决工程问题的工具，培养学生在利用该工具解决实际工程中的流体问题的能力[3]。

二、原有教学方法的弊端

西南石油大学机械工程专业较早开设了《计算流体力学》课程，培养了多届学生，积累了一些宝贵的教学经验。然而，该课程教学方式仍不够成熟，存在一些弊端，教学效果受到影响。这些弊端主要表现为：

1.教学内容偏于理论。在教学过程中，当前的教学内容还延续中传统的计算流体力学的基本内容，即：流体流动控制方程的推导、离散方法及线性方程的解法等，在课程讲解过程中，仍以有限差分法、有限体积法及这些数值算法的收敛性、稳定性、计算精度等方面作为主要的讲解对象，教授过程中涉及到大量的理论推导及数学理论的应用。在教学过程中，学生们普遍反映教学内容难懂难学，枯燥乏味。同时大量的理论教学还影响了上机教学时间。

2.工程实践能力转化不足。当前教学计划中虽然搭配了16个课时的上机教学，但仍显不足。经过多次的上机练习，部分学生能够掌握利用计算流体动力学方法解决工程问题的一般流程，但是大部分学生仍然不具备解决新问题的能力。在上机练习过程中，学生按照教师提供的上机指导书中的计算模型操作完成，而对于计算中非常重要的如计算区域创建、网格划分、数值计算模型选择、边界条件、初始条件及计算控制参数等缺乏自主的思考。针对上述问题，迫切需要对课程进行教学改革，提出新的教学理念，利用合理的教学方式，提高教学质量。

三、课程改革措施

计算流体力学课程改革主要从三方面进行。

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1.1目标定位不明确，教学内容不完善

物流管理专业属于新兴热门专业，一些学校为了扩招、抓住发展机遇而开设此专业。而在物流管理专业开设过程中，学校并没有对市场、社会进行充分调研、论证，专业培养方案制订缺乏科学依据，从而存在教学目标、专业培养目标不明确、课程体系不科学、实践教学内容不符合专业发展需求等问题，从而导致学生技能水平、知识结构不能满足市场需求。同时，在实践教学中，一般实践教学包括校内实训、毕业设计、认识实习、校外实习等环节，但在具体教学中，高职院校存在实践教学流于形式、实践教学内容体系设计不合理、实践课程安排不科学等问题。例如，校内实训教学中，实训与理论课相脱离，多在理论课结束后安排2周左右的实训，且实训形式多是在机房中简单操作演示物流软件，实际动手操作能力得不到培养。此外，高职院校缺少与企业的合作，毕业岗位实习多是学生自己联系单位、自主实习，实习不统一、缺乏教师跟踪指导，学生不能很好得从实习中补充知识，实习效果差。

1.2实践教学管理不到位，教学保障不足

在实践教学中，项目管理至关重要，通过项目管理丰富实践内容、制定实践标准。但是，目前许多高职院校没有设置专门的实践实训项目管理负责机构，不能及时调研市场、社会，不利于与企业良好合作关系的建立，且校内外实训基地管理制度缺失。例如，在具体的实训项目中，在学生实训前，高职院校没有结合学生情况及合作企业、实训项目制定可操作性强、任务明确的任务书，学生实训指导性不足。同时，在实训开展过程中，没有及时与学生、与实训负责人沟通，不能全面了解学生实训情况，不能及时给予学生指导。在实训完成后，实训评价流于形式，实训考评缺乏依据，无法对以后实践教学提供参考。此外，在高职院校实践教学设施投入方面，多数院校资金投入不足，没有建设专门的与实践、实训相配套的硬软件设备，如校内实训基地主要是简单的软件模拟，校外实训应用模式单一，基地参差不齐，为学生提供的动手操作机会少。

2利用“一体化”工学结合教学模式开展物理管理专业教学

2.1转变教学观念，重构课程结构

在高职院校物流管理专业教学中，实现“一体化”工学结合教学，首先需要教师全面、正确认识“一体化”工学结合教学内涵、意义，从而转变传统的教学观念、转变教学行为。教师应认识到学生是“一体化”工学结合教学主体，而教师是教学的引导者，引导学生学习、工作。同时，教师还应认识到工学结合不是简单的“学”多少学时、“工”多少学时，而是两者的相互融合，应根据具体教学情况合理调整两者比例，确定何时学、何时工。其次，根据教学目标、学生需求，以课程整体性、实用性为原则，结合服务的经济区域、学科的内在逻辑重构课程结构，尽可能避免课程内容重复，同一规划教学环节。例如，一般情况下，可将物流管理专业教学分为三个阶段，即第一、二学期为第一阶段，第三、四、五学期为第二阶段，第六学期为第三阶段。其中，第一阶段主要开设理论课程，实践穿插的理论教学中，以基本素质课程学习为主;第二阶段等量设置实践课程，而第三阶段学生进行企业。

2.2完善实践教学体系，丰富教学体系内容

物流管理专业实践教学体系的基础是人才培养，要素是能力、知识、素质。同时，实践教学体系教学环境包括课堂实训教学环境、校内实训教学环境、校外实训教学环境。其中，教学组织的基本方式是课堂教学，教师施教、学生学习的主要场所是教室，因此，课堂教学环境建设至关重要，需要根据不同课型进行不同设计。例如，根据不同课型通过案例分析、角色扮演、项目设计、分组讨论等方式开展教学，利用角色道具、多媒体的模拟工作场景，营造真实的职业氛围，使学生更加真实的认识、了解职业工作，并通过合理教学环境设计，为学生提供一个轻松的学习环境，调动学生的课堂参与性，激发学生主动性，提高教学效率。此外，实践教学体系内容主要包括教学目标、组织、内容、评价四方面，需要院校、教师结合人才培养目标、学生需求、市场需求确定教学目标，并设计理论课程、实训课程、企业实训内容等。而在实践教学评价监督体系方面，应组建专门的教学评价小组，开展定期的学生自评、学习指导老师评价、企业指导老师评价，动态了解学生，调整教学内容，提高学生综合素质。

2.3加大实训教学硬软件设施投入，全面建设实训基地

硬软件设施是物流管理专业实训课开展基础保障，因此，在“一体化”工学结合教学开展中，院校应加大硬软件设施采购资金投入，根据课程需求、专业发展需求配置硬件装备、完善软件系统功能，为实训教学提供良好环境。例如，在校内实训中心建设中，硬件系统建设主要内容包括配送中心作业、仓储作业、物流信息技术等，从而实现货位验收、分配等。而实训设备主要包括传送设备、托盘货架、超市货架、轻型货架等。软件系统主要包括第三方物流模拟系统、国际货代与报关管理系统、综合运输管理系统等。其中，第三方物流模拟系统需要符合国际惯例操作流程，而业务环节主要包括模拟仓储、运输、配送、客户管理等。此外，在此基础上，院校还应加强物流综合实训室、新建校内物流综合实训室、校外实训基地建设。例如，在现有校内实训室基础上，院校整合物流运营中心，结合物流行业具体情况，搭建新的校内实训平台，开设TPL项目教学课程，更新电子商务等实训室，确保学生实训的高效开展。

3结束语

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关键词：项目化教学法；流体力学泵与风机；可行性分析

1 前言

最近几年，国内很多高职高T盒？设了与热能与动力工程（火力发电方向）相近的专业。我校也于2009年开设了电厂热能动力装置专业，而流体力学泵与风机作为其专业基础课在课程体系建设中占有及其重要的地位并分的大量学时。项目化教学法则是近年来高职院校教学中一直推广的教学方法，主要是为使学生学习时化被动为主动。此方法对于我校学生来说，在其他专业已经得到了很好的验证，的确能够提高学生的学习积极性和主动性。本文将对项目教学法运用于流体力学泵与风机课程教学的可行性进行分析探讨。

2 项目教学法的基本理论

（一）项目化教学法的起源及定义

在18世纪的欧洲产生了劳动教育思想思潮下，产生了项目化教学法的初步思想，最终到了19世纪美国与合作教育融合产生了项目化教学法，经过了一百余年的发展，到1955年后逐渐趋于完美，并最终成为了一种新的教学理论。

（二）项目化教学法的基本要求

要求一是，学生成为项目化课程的主体，教师以一种配角的形式出现在课堂教学上，这样学生就多了更多的独立思考，更多的动手机会，这样有利于培养创新能力；要求二是，执行项目化教学法的主张。其主张强调学生自主学习，自己查阅，分析的能力，先练后讲，边学边教。

3 项目化教学法在流体力学泵与风机教学中的特点

（一）目的性

项目化教学法的目的性很明确，就是通过一个个围绕知识点设置的项目来锻炼学生的领导能力，并培养分析解决实际问题和团队合作的能力，以此掌握课程所要求的知识内容和岗位能力；而对于教师来说，项目化教学的目的就是改变现行的教学模式，使自身从课堂教学的主体，转变成一个在学生实际完成项目时的促进者，并掌握其中的相关知识和技巧。

（二）授课周期短，效果明显

项目化教学的另一个特点就是效率高，经历过项目化课程的学生都可以迅速完成到职工之间的转变。结合流体力学泵与风机教学内容设置的项目，可以迅速的使学生对实际操作上手。

（三）注重理论与实践相合

在项目设计之初要依据理论原理设计项目，那么在要完成一个项目时，必然涉及如何才能完成这样的问题。这就需要理论与实践相结合。

项目化教学法与其他任何教学手段一样，都会随着时间而组建消沉，其如果想用力不败之地就必须不断随着社会而发生变化。而变化的依据是根据不同的课程或内容而有所不同。通过流体力学泵与风机课程各项目的实施，使学生掌握连续性方程，伯努利方程的应用及具备泵与风机的检修和运行的基本知识和专业知识。

4 项目教学法在流体力学泵与风机教学中的应用（以流体力学泵与风机一次课为例）

（一）项目计划阶段

我校电厂热能动力装置专业的流体力学泵与风机课程项目化课程整体方案与单元设计部分结合学校实际条件和课程的教学目的进行设计。在教材方面我校正在编写该课程的项目化教材，这样，首先是能够对所需要学习的内容章节总结和具体化的作用；另一方面，结合实际操作条件的教材，可以起到理论联系实际的作用，培养学生的应用能力。

（二）实施阶段

第一次课是预备课，教师对课文中的新单词和词组进行讲解，将每个单元的课文划分成几个部分，并设计学习环境。同时完成班内的分组活动，可以依照学号，也可以按照寝室，更可以通过课堂出的设计游戏观察的结果分组。本课程每六人一组，每组内不能有超过1名女生，6人一组。每个小组负责一个部分内容的讲解。然后进行分组的实际操作

（三）评估阶段

后几次课是具体的项目实施阶段，让各小组展示其成果，项目的呈现形式可以是图片、ppt、实物，设计图等。检查评估是本课程的主要不仅可以让老师在实践中检验学生掌握语言的情况，也可以让学生通过小组活动来提高语言的交际能力。这不仅锻炼了学生的语言表达能力，也锻炼了学生专业知识的掌握。学生在讲解中充分发挥特长，学习他人的优点，弥补自身不足。

（四）成绩评价阶段

每个小组都设置一份评分表（此处以项目1-1为例），评分的权利不仅仅在老师，同样将打分权利很大一部分交给各个小组的组长，取其平均分，有利于公平公正和公开。但在评分时要注意，学生之间因为关系亲疏而带来的分数评价的偏差，并在发现问题存在时，及时纠正问题，并及时改正。教师的评分表是另外一张，本文不附上了，但宗旨是考察学生的评分而不是项目结果。

（五）注意事项

1、项目不能凭空乱设。要根据学校的实际情况设计项目，例如学校电脑齐备，再购买软件就可以有充分的空间可以安装，这就是充分利用学校资源；而学校没有实物泵，如果设计实物泵相关是项目，能实现的可能性就大大降低了。

2、上课时一定要记住学生才是这个课堂的主人，老师不要过多干涉，喧宾夺主，这样都是不好的。即时是需要理论上的指导，也要适可而止，指明方向让学生自学或是适当点拨都是不错的选择。

3、项目教学法对教师的课堂组织管理和知识储备提出了更高的要求。每次的项目成绩可以汇总成平时成绩，便于老师在期末总评时一目了然。

（六）结束语

流体力学泵与风机作为专业基础课程，在专业课的授课过程中起着承上启下的作用，基础课程的扎实学习会为日后的专业课学习起到事半功倍的作用。能够让学生自主学习，创新培养模式起到了主导的作用，电厂热能动力装置专业教学改革和探索还在边实践边总结，教学改革模式也会日渐完善。

参考文献

[1]黄蔚雯，朱飚.建设流体力学泵与风机精品课程的实践与认识[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2006，7（21）：200-202.

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关键词：流体力学；教学方法；应用型本科院校

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）12-0033-02

流体力学是宿迁学院土木工程专业的一门重要的专业基础课。流体力学具有基本概念多、公式复杂、内容抽象等特点，是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程，因此，该课程既可以培养学生良好的逻辑思维能力和分析推理能力，又可以培养学生分析问题和解决问题的能力。然而学生的实际情况是由于在大学前两年接触最多的是固体力学，已形成一定的思维定式，而且由于精简学时的原因很多流体力学课程中需要的高等数学知识没有讲解，到了大三一旦遇上流体力学这个新鲜事物，可能接受起来会碰到许多困难[1]。学生普遍感觉该课程枯燥乏味、难学，存在畏难、厌学情绪，期末考试不及格率较高。在学校提倡培养应用型人才的大背景下，有必要根据课程性质从提高教师教学水平和提高学生学习效果进行探讨。

一、引导学生重视，激发学生的学习兴趣

（一）强调课程的地位和重要性

教师除了说明流体力学在整个专业教学中的地位和作用外，还可补充说明它是注册结构工程师基础考试中公共基础考试科目。此外，还可说明往年期末考试通过率的情况，以给学生适当加压。当然，更重要的是还要说明该课程的学习方法，以帮助学生树立信心。

（二）通过人物、工程实例及专业应用调动学生的学习兴趣

“兴趣是最好的教师，而教师则是点燃学生学习兴趣的火炬”。如何调动学生的学习兴趣是教师考虑的首要问题。在教学过程中可以穿插举出古今中外的科学家、工程师生平事迹和工程实例以调动学生的学习兴趣。如大禹采取疏壅导滞的方法治水三过家门而不入；理想流体力学奠基人欧拉16岁就获得硕士学位，双目失明后仍然从事科学研究直至去世当天还在进行科学研究等[2]。如两千多年前李冰利用“深淘滩，低作堰”建造的都江堰；大约在同时期，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等。除此之外，还可以介绍流体力学在土木专业及其他专业的应用，如美国华盛顿州塔科马大桥被大风摧毁、汽车“风阻”和飞机“音障”等事例。

（三）将CFD技术引入课堂调动学生兴趣

计算流体动力学（简称CFD）技术日趋成熟，已经成为研究流体力学的一种重要方法。在流体力学教学过程中引入CFD技术，不但可以将理论性较强的内容形象化，加深学生对基础理论的理解，而且可以开阔学生的眼界，激发学生的学习兴趣和探索精神。如对欧拉法中流线的模拟、圆管中层流和湍流流速的分布、局部阻力损失的流场分析[3]。

二、教学内容的取舍和教学环节设计

（一）教学内容的取舍

流体力学知识面广，内容繁多，在学时限制的条件下要结合专业教学要求合理取舍。对土木工程专业而言需要掌握的内容有：（1）流体物理性质；（2）流体静力学；（3）流体运动学和流体动力学；（4）阻力损失；（5）管道流、明渠流及渗流。

1.重要问题的处理。首先，要从力学角度分析流体的流动性。流体与固体的主要区别在于流体的流动性，其根本原因是流体和固体对承受剪切力的表现。为了形象说明，可以引用“抽刀断水水更流”的诗句[4]。当然，还需说明无论流体静止还是运动均不能承受拉力。

其次，要理解连续介质假设的概念。微观上，流体是由大量分子构成的，是离散的，不连续的，这给我们研究流体力学问题带来了困难。连续介质假设认为流体是由内部无间隙的连续流体质点构成。这里要理解流体质点微观上“充分大”、宏观上“充分小”的含义。如此流体在空间上就变为连续的，可以借助高等数学的方法来研究。

2.公式推导的处理。流体力学学习过程中会遇到大量复杂的公式，特别是实际流体伯努力方程的推导让人很难掌握。笔者在处理公式推导问题时强调公式推导的目的是让学生学习一种思想，学习一种处理问题的方法，将精力集中在公式建立的基本原理和适用条件上，从思路上进行分析整理，淡化烦琐的数学推导过程。这样学生有了独立思考的空间，教师也有了更多的时间来讲解基本概念和基本方法。需要强调的是，流体力学中很多公式都是在一定条件下推导出的，因此其应用也是具有一定范围的，公式的应用往往也有一定的技巧，如伯努力方程的“三选一列”。

（二）教学环节的设计

1.调整习题或考题构成，重视习题课。这里有两个问题需要注意。一方面，流体力学习题历来存在重计算、轻概念的现象，特别是考题如果全是计算题，就会形成无形的指挥棒。这就不利于学生从整体上掌握该课程的重点，习题或考题的题型应丰富，除了计算题之外，还应有填空、选择、判断、作图、名词解释等考查基本概念的题目。另一方面，在精选题目时，要注意将理论教学和实际应用结合起来，如查找资料的技能培养。在流体力学的牛顿内摩擦定律、能量损失计算和管道流等部分很多数据都是要查有关工程手册和图表的[5]。

习题课是流体力学教学的重要环节，为了能够在学时紧张的前提下开展习题课，教师必须重视习题选择和习题评讲两个方面。一方面，教师应选择具有代表性的题目，另一方面，习题讲评应使学生从解题过程中获得解决问题的思路、方法和技巧，达到触类旁通的效果。

2.重视实验教学，强化实践环节。实验教学是流体力学教学中的重要组成部分，通过实验，不但可以加深学生对流体力学基本原理的理解，而且有助于培养学生的动手能力、独立工作能力和创新能力。如通过水静压强试验，学生明确了测压管水头的含义；通过雷诺实验，学生加深了层流、湍流及临界雷诺数的理解。当然，由于实验室条件的限制，目前的实验主要以验证性居多，在条件许可的情况下应进行设计性实验。

此外，每学期笔者都会布置一个任务，让学生留意身边感兴趣的流体力学现象，然后根据课堂所学知识和个人理解撰写论文，以此增强学生的实践应用能力和培养其创新能力。

三、教学方法和手段的改进

（一）注重讨论法与案例教学法的运用

1.讨论式教学方法。教学活动应该是双向的师生互动过程，不应是教师的一言堂。教师应创造和谐、轻松的课堂气氛，鼓励学生积极发言，表达自己的疑问、见解，激发学生的学习积极性和创造性。如在课堂上通过提问的方式回顾上次课的主要内容，通过“自学―提问―讨论―总结”的方法学习新内容，在考虑学生接受能力的前提下，甚至可以让学生来讲一次课。如通过反证法证明流体静压强的方向，通过隔离体分析法证明流体静压强的大小。通过讨论式的教学方法不但可以调动学生的学习积极性，树立信心，而且还可以培养学生勤于思考、善于发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.案例式教学方法。通过将生活和工程案例引入课堂，不但可以增强学生的学习兴趣，而且可以加深学生对理论知识的理解，提高学生运用所学理论知识解决实际问题的能力。生活案例有马利奥特容器原理应用于点滴吊瓶和家用饮水机[6]、洗衣机为什么老翻衣服兜[7]、捞面条的学问等。工程案例如1993年青海省沟后水库在低于设计水位0.75m的情况下突然垮坝的事故；三峡工程如何在最大流量10×104m3/s、水头高达100m、最高流速高达45m/s的情况下不会产生巨大的破坏力等[8]。

（二）综合运用各种教学手段

流体力学概念抽象、繁多，仅靠传统的一块黑板、一支粉笔不能激发学生的学习兴趣。借助于多媒体技术，利用其形象、生动、直观、易于理解并可加强记忆的优点，通过动画、视频资料、数值模拟等手段将复杂的流动现象展示给学生，可取得事半功倍的效果。但是，考虑到多媒体技术授课和传统的授课方法各自的优缺点，结合流体力学课程特点，采用取其长而避其短、两者兼顾而又两者不弃的原则。

“教学有法，但无定法，贵在得法”。我们要不断更新教学理念，努力提升自身的综合素质，及时总结教学过程中出现的问题并加以改进，注重教学过程中的每一个环节，多管齐下，才能保证学生取得良好的教学效果。

参考文献：

[1]王伟.土木专业工程流体力学课程教学研究[J].山西建

筑，2008，（21）.

[2]张志宏，顾建农，王家楣.“流体力学”课程教学改革的实

践与探索[J].高等理科教育，2006，（5）.

[3]赵琴，杨小林，严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的

应用[J].高等教育研究，2008，（1）.

[4]刘建龙，王汉青，寇广孝.激发学习兴趣提高流体力学教

学效果[J].中国电力教育，2008，（20）.

[5]徐艳萍.《工程流体力学》教学探讨[J].江西电力职业学

院学报，2003，（2）.

[6]毛根海.应用流体力学实验[M].北京：高等教育出版社，

2008：8-10.

[7]武际可.拉家常・说力学[M].北京：高等教育出版社，

2008：1-7，25-30.

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通过对物流管理岗位群专业技能的分析，进一步进行了实训项目和专业课程的分析。核心课程包括物流整体规划、仓储作业操作及管理、运输作业操作及管理、货运作业操作、报关报检作业操作、配送作业管理技能、物流信息系统操作、物流综合服务管理，相对应的实训项目包括物流整体规划设计、仓储作业操作和仓储管理、运输作业操作和运输管理、货运作业操作、单证操作、配送中心作业管理、物流信息系统操作、物流综合服务管理。从而确定开设的专业课程包括供应链管理、仓储管理、运输管理、货运、报关报检、配送中心作业管理、物流信息技术、物流服务管理。

二、物流管理专业实践教学改进策略

为构建与完善物流管理专业“三维一体，三阶递进，二元并重”的实践教学体系，培养物流管理一线高素质技术技能人才，在现有实践教学体系的基础上，继续做好以下方面的工作。

（一）建设专业拓展课程，满足单项实训项目物流项目管理训练和物流成本与绩效管理训练的建设物流管理专业有选择有规划地建设专业拓展课程《物流项目管理》和《物流成本管理》，在这两门课程的教学实施中融入实际物流企业典型案例和情景数据进行物流项目管理训练和物流成本与绩效管理训练。

（二）建设融多项仓储、运输、配送、包装、加工、货代、报关报检、物流综合服务、物流沙盘模拟等项目的综合性实训基地

目前专业已申报专项建设“物流综合实训中心”，2015年已申报，资金总额为252.6万元。该基地目前准备在2016～2017年建设完成。该物流综合实训中心重点强调物流中心的仓储、运输、配送、包装、加工、连锁服务等物流职能，集教学、培训、职业技能鉴定和技术服务为一体，以企业化的硬件设施为运作管理基础，以物流软件为载体，搭建现代物流企业运营、作业、岗位职责等真实环境，模拟物流企业各种岗位的典型作业操作和综合服务管理项目，从而达到理论联系实际,教、学、做一体化的教学目标，全面提升学生物流专业操作技能，提高其动手操作和综合运用能力。本物流综合实训中心建设包括的主要包括供应商模拟设备、制造商模拟设备、第三方物流平台设备、快递业务模拟操作设备、零售商终端设备。

（三）强化校外实训基地建设

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关键词:农林高校;热工基础及流体力学;课程教学;实践创新

当前，在“绿色发展理念”深入人心的时代背景下，农林类高校迎来了很好的历史发展机遇;同时社会和企业对农林类专业人才的需求更加重视质量，对人才的知识深度、广度和对专业基础课、专业特色课核心知识的实践运用能力，均提出了更高要求。提高机械设计制造及其自动化专业学生林业装备系统总体及其子系统技术的掌握程度，拓展学生在林业装备系统上运用专业基础课、专业特色课中核心知识的科研能力，是农林类高教工作者面临的共同课题［4］。

1课程教学剖析

1．1课程内容

“热工基础及流体力学”这门课程是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业基础课，是后续液压与气体传动、泵与风机、林业机械等专业及特色专业课的重要基础。课程目标包括:掌握工质的热力学性质、热力学第一定律、第二定律、热工转换的规律和理想气体的热力学过程，学会基本的理论分析与计算方法;通过对热量传递的三种基本方式、导热基本理论、对流换热基本规律、黑体辐射基本定律等内容的学习，使学生具备对基本的传热学问题进行分析和总结的能力;掌握流体的主要物理性质和流体静力学的基本理论知识，学会流体上的作用力分析，能够推导流体动力学方程的连续性方程和伯努利方程，针对黏性流体，能对管内流动状态进行判断;能够对“传热学”“工程流体力学”的实验结果进行分析和解释，通过实验数据综合分析工程中的现象及问题，并得到合理有效的结论。总体来看，本课程讲授内容包括工程热力学、传热学以及工程流体力学三大板块的内容，是在高等数学、大学物理、理论力学、材料力学的基础上进行深化学习，拓展到实际的工程问题，所以本课程不仅理论性强，而且工程应用性也很强;与机械设计制造及其自动化专业其他课程相比，该课程涵盖了本应三门独立开设的课程内容，知识难点聚集、微积分公式众多、三大知识板块思维跨度大、学生融会贯通掌握难。但是，学生对课程内容的掌握程度直接影响后续专业特色课程的学习情况。

1．2教学思路

目前，本课程总学时为48学时，理论授课42学时，实验授课6学时。三大板块的教学内容多，理论授课课时较少，矛盾突出:(1)学生由固体学科切换到流体学科的学习需要较长适应期;(2)课程中较多章节内容抽象，且涉及大量公式推导及专业的概念铺垫，加之为了跟上教学进度教学内容更新较快，学生普遍反映课程难度较大;(3)教学内容和后续专业及特色专业课内容衔接性不够紧密;(4)从内容的充实性和课程的结构上来看，“热工基础及流体力学”这门课程的教学内容已经满足要求，但是对接林业机械领域最新技术，强化学生创新思维方面，当前的课程建构仍无能为力;(5)由于本课程的学习不涉及具体的机械装备系统，使得同学们对本课程在专业中的地位认知不足，学习积极性欠佳，这些现状使得提升教学效果难度较大。针对上述课程特点及教学现状，结合农林类高校“机械设计制造及其自动化”专业的实际情况，制定了如下教学思路:(1)授课时，使学生从机电系统、固体力学等学科的思维中切换出来，将空间观测法跟同学们探讨透彻，基于空间观测法开展“热工基础及流体力学”的课程教学。(2)在教学大纲中删除过于抽象、应用面较窄的教学内容，深入讲解与后续“液压与气体传动”“泵与风机”“林业机械”等课程关联度较深的内容，为专业及特色专业课的学习做好扎实铺垫。(3)结合在林业机械领域与“热工基础及流体力学”紧密关联的科研经历，探索寓教学于科研、科研反哺教学的授课模式，强化同学们对“热工基础及流体力学”在“机械设计制造及其自动化”专业里占有重要地位的基础认知，显著提升同门们自愿学习、自主学习的热情。(4)注重思维方式、终身学习意识的培养。教学过程中注重切入问题角度的讲解，使得同学们在明白问题的同时更养成学习思考问题方法的习惯;从固体学科到流体学科是一个较大的跨越，在跨越的过程中，使同学们树立终身学习意识，为以后培养同学们提出、解决林业机械领域学科前沿性、热点性问题的能力打下坚实基础。

2课程构建探讨

在“碳达峰、碳中和”的硬性发展要求及“绿水青山就是金山银山”的发展理念加速推进的浪潮之下，农林高校“机械设计制造及其自动化”专业的毕业生在高等教育系统中的地位不断提升，所以基础专业课程构建更需获得与之地位匹配的重视。一方面，基础专业课课程构建要体现基础知识的深度和广度;另一方面，内容要很好衔接并服务于核心专业课、特色专业课，为学生后期毕业设计、研究生科研深造做好铺垫。

2．1课程内容深度衔接核心专业课

“林业机械”是南京林业大学“机械设计制造及其自动化”专业的核心专业课，内容涵盖林业动力、整地、清理、苗圃、造林、抚育、保护、防火、采伐、采摘、智能化等机械。其中，和“热工基础及流体力学”专业基础课相关的包括动力、清理、保护、采摘等板块。林业动力机械(包括泵、风机)涉及“工程热力学”中热能和机械能之间的转化问题，同时也涉及“工程流体力学中”可压缩混合气体压强、温度变化和装置的动力匹配问题;林业清理机械涉及“工程流体力学中”不可压液态水在管道内部的流动，在雾化器内的流态分布、出口后雾化粒径分布等复杂多相流问题，如图1所示;林业保护机械中喷雾射程、喷雾穿透涉及“工程流体力学中”可压缩流体空气的外部流动及耦合风场、雾滴的多相流动问题，如图2所示;林业采摘机械中，基于负压的采摘系统涉及可压缩流体空气的管内流动问题。从衔接核心专业课的角度来看，一方面，农林类高校“热工基础及流体力学”这门专业基础课程应该深耕“工程热力学”和“工程流体力学”，而“工程流体力学”应该是重点中的重点;另一方面，也好兼顾课程内容的完整性，“传热学”也要适度调整。

2．2匹配三大板块关系，优化课程结构

建议协调、平衡三大板块的课时占比，同时明晰课程内容的内在逻辑关系，在此基础上进一步优化课程结构。在“工程热力学”(热能的间接应用)板块中，我们将实现热力学能向机械能转化的媒介称之为“工质”，媒介一般是“单一气体”或者“混合气体”，热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质及理想气体的热力过程等课程内容和专业核心课程林业机械吻合度较好。“工程流体力学”中，对流体的终结性定义是“抓不起来的物体”，一般性的定义是“气体和液体”的总称，但课程内容中流体基本概念的铺垫、流体静力学、流体运动学、流体动力学及黏性流体等课程内容都是基于不可压的液体，同为流体，但气体和液体的性质及研究重点相差甚远，“气体”这种流体相关课程内容的缺失为后续专业核心课程的学习带来很大知识结构缺陷。“传热学”(热能的直接应用)中，对导热、对流传热(混合传热，主要是流体和固体之间)、辐射传热的基本原理、工程应用等课程内容做了比较详细的讲解，但是后续专业核心课程对传热学中的知识需求很少，仅仅在脉动燃烧技术这一研究领域有所涉及。总体来看，不管是“工程热力学”中的“工质”，还是“工程流体力学”中的“气体”，再或者“对流换热”中的“流体”，其中“气体”是课程的“最大公约数”，也是和林业机械这一专业核心课程相关的“最大公约数”。鉴于此，“工程热力学”教学内容总体上可以维持不变，部分章节可以简化，不重要的知识点减少不必要的推导，侧重理论、公式概念的理解和应用，这样可省出一部分课时。总课时不变的情况下可以合理缩减“传热学”的课时，对辐射传热只做一般性介绍;考虑到相似原理在流体力学的试验研究中也有重要应用，可以在这里对相似准则进行深入讲解，省出较多课时。将“工程流体力学”放在最突出的位置，省出来的课时分配给这一部分;增加可压缩流体“漩涡势流理论”“相似理论中的量纲分析法”、包括气体动力学中“扰动在外空间流场中的传播”及“管内气体的流动”等内容，以匹配林业机械核心专业课。

2．3树立自主学习、终身学习意识

目前，流体力学板块中关于可压缩流体的课程内容匮乏，教学中会鼓励同学们在MOOC上寻找优秀资源进行线上学习，使同学们树立自主学习意识。通过工程流体力学板块，我们在体力学的范畴内将研究运动的方法由拉格朗日法提升到欧拉法，这是一个显著的改变，也是重要的进步，通过这一步，有助于培养同学们的终身学习意识。

结语

篇7

关键词：流体力学 教学方法 自主实验 抽象到具体 工科院校

中图分类号：O35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0199-02

流体力学是力学的一个重要分支，是流体机械专业重要的专业基础课，在航空、航天、航海、水利、机械等领域拥有广泛的应用，因此学生学好这门课对后续课程的学习以及日后从事相关研究工作非常重要。但流体力学不同于理论力学、材料力学等力学学科，流体力学研究对象比较抽象，通俗来讲就是研究对象看不见、摸不着，理论性强、数学表达式复杂非线性强，讲课好像有点空对空的感觉。一些关键概念比如雷诺输运定理、随流导数等学生理解起来比较困难，如果纯粹从数学角度开展教学，学生听起来比较枯燥、积极性不高、课堂互动性不强。为了提高教学效果，目前国内很多流体力学教学工作者已经探索了很多教学方式方法，比如哈尔滨工业大学的“流体力学的多尺度创新性实验课”[1]、南京航空航天大学的“流体力学设计性实验竞赛”[2]、北大通过结合重大事件与自主试验调动学生积极性、培养创新精神[3-4]等。

本人目前承担工程流体力学、实验流体力学、计算流体软件应用分析以及流体教学实验开发等与流体力学相关的教学工作并从事一定的科研工作，本人能从理论、实验、计算等不同层面并结合自己的科研工作对流体力学教学方式方法进行一些尝试，中心理念是站在学生的角度，从流动本质讲授，让抽象的知识具体化、形象化。该文将结合自己的教学经历谈几点这方面的体会。

1 赋予公式物理含义，让公式形象化、理论生活化

流体力学与学生在基础课学习阶段学习的大学物理、理论力学、材料力学中的力学在本质上是相同的，依然要满足牛顿第二定律，同时满足质量守恒定律、能量守恒定律，但在研究方法与研究对象方面存在很大的差异。流体力学所采用的研究方法主要是欧拉方法，研究对象是流场。流场是个空间概念，而质量守恒、动量守恒、能量守恒这三大守恒定律仅适用于流体质点或者流体质点组成的体系。这就需要把流场与质点或者体系两种研究对象、欧拉方法与拉格朗日方法两种研究方法联系起来，换句话讲就是如何用空间流场参数的分布与变化表示流体质点或者体系运动参数的变化，随流导数和雷诺输运定理就是建立这种关系的桥梁。随流导数在数学形式上是某种物理量对时间的全微分，从数学角度讲解学生没有任何异议，但这不代表学生理解了它的物理内涵。随流导数由当地导数与迁移导数构成，首先需要让学生明确随流导数对象是流体质点，三大守恒定律适用于它；当地导数与迁移导数针对流场，其中当地导数表征流场参数随时间变化，即流动是定常的还是非定常的，迁移导数表征流场参数空间分布均匀性，在此三大守恒定律不适用。下面的问题是让学生如何理解两者之间的关系。首先举个简单的例子，让学生从感性上认可这种关系，即可以用空间流场的变化与分布表示流体质点运动参数的变化。比如以教室里温度分布为例，夏天或者冬天开空调，教室里面温度分布不均。假定空调功率稳定，此时可以认为温度空间分布是稳定的。一个人在教室里面走动，感受到温度的变化，并且走动速度越受到的温度变化越快，这时人感受到的温度的变化是教室温度场分布均匀度与人走动速度两者的综合效应，这部分由温度空间分布不均导致，对应随流导数中的迁移导数。假如空调功率不稳，那教室里温度也不稳定，此时即便站在一个位置不动，也能够感受到温度的变化，这部分对应随流导数中的当地导数。假如人走在一个空调功率不稳定、温度空间分布不均匀的教室里，这时人感受到的温度变化就是以上两种作用的综合效应，对应随流导数，也就是质点温度对时间的变化率。人比拟到流场里面就是一个质点的角色，流体质点温度随时间的变化率可以用流场温度的空间分布与变化表征，即可以用流场的信息获得流体质点运动参数的变化。这样学生理解起来比较容易、比较具体，并且对公式的物理内涵理解也比较深刻。雷诺输运定理其实是随流导数的积分形式，这部分给学生讲透了，雷诺输运定理理解起来也就比较容易。随流导数、雷诺输运定理的理解非常重要，它是一种研究方法、思维方式的转变，是开展流体动力学研究的基础。

任何一个数学公式都有其物理含义，授课过程中要力争从学生理解的角度，从公式背后的物理含义与物理过程角度讲解，并辅以生活中的例子，让公式形象化、理论生活化。

2 开设自主创新实验，让问题具体化，提高学生积极性、提升学生综合能力

第一部分立足于学生对关键知识点的理解，这部分谈谈如何让学生带着兴趣去学习、创造性应用所学知识。

与理论相比，学生更喜欢自己动手去开展一些探索性试验。同时结合数值仿真让看不见摸不着的流场具体化、图像化，这对提高学生学习、探索、思考问题的积极性非常有益。在教学过程中可以给学生布置一些探讨性课题，让学生组成团队，独立从理论分析、数值仿真及试验验证方面开展课题研究，采用答辩的方式把讲台交给学生，提高学生的应变能力以及学生的参与度，针对一个课题让大家共同探讨。理不辩不明，通过辩论加深了学生对问题的认识，增强了学生学习的积极性，培养了学生独立分析问题的能力与团队协作精神，而独立分析问题能力与团队协作精神是大学教学一个关键的落脚点。下面举一个教学中的例子。

圆柱绕流以及圆柱在流场中所受阻力是一个经典的流动现象，可以让学生从试验、数值仿真的角度去研究分析影响阻力的因素并给出影响规律。试验设备方面实验室提供拖拽力实验设备，主要功能为测量圆柱在流场中所受阻力。该实验设备提供了3种测量阻力的方法：（1）用天平直接测力；（2）测量出口速度分布，采用动量定理计算出阻力；（3）测量圆柱表面压力分布计算所受阻力，同时可以调节来流速度。计算软件方面提供给学生相关计算流体软件并讲授软件基本功能与操作。让学生自由组团，独自开展研究方案设计、试验与数值仿真、结果对比分析与报告撰写，公开答辩、互动参与。这样学生结合实验与数值仿真结果进行对比分析，对流速、流态对圆柱阻力的影响理解就比较深刻，同时学生在这个过程中锻炼了独立分析解决问题的能力，培养了协作精神。

3 贴近生活，学习趣味化

人类生活在流体中，很多生活中的现象都可以用流体知识解释，因此在教学中可以尝试着让理论走进生活，让学习充满趣味。

比如好多男学生喜欢踢足球，估计弧线球很多学生也会踢，但足球的轨迹为什么呈弧形，可能好多学生不知道，可以把这个问题提出来让大家讨论。上课时，提出这个问题后整个课堂氛围一下就活跃起来了。这时候与学生一起分析足球近壁面流动并结合伯努力方程讲解足球的受力，学生一下就明白了足球轨迹为什么可以呈弧形。再比如还可以播放一些生活中有趣流动现象的视频与图片，引导学生分析与讨论。

4 考核多元化

流w力学要想充分调动学生的积极性，还需要对考核方式做调整，不再唯卷面分数论。本人在教学实践中从以下几个方面进行考核：（1）卷面成绩；（2）创新性综合实验，综合考虑试验效果、结果分析、答辩情况等；（3）课堂互动，对于在课堂上积极互动提出疑问的同学给予平时成绩加分，甚至可以将讲台交给学生，让学生给大家讲解；（4）课后作业与讲解，鼓励学生给大家讲解，并给予加分鼓励。

5 结语

流体力学是一门学生认为比较难的专业基础课，作为授课老师应该站在让学生容易理解的立场，从流动的物理概念和物理过程出发，赋予抽象难解的理论、公式具体的物理含义，并结合常见的流动现象让理论形象化、生活化；开展自主创新综合试验结合数值仿真，让抽象的流动具体化、图形化，提高学生的积极性、激发学生的创造性、培养学生的团队合作精神；把讲台交给学生，通过课题答辩、习题讲解，增强学生互动；让理论走进生活，引导学生用流体力学理论知识分析生活中的流动现象，提高学习的趣味性；通过多元化的考核，增加学生学习的积极性。总之，以学生为本，从物理本质上讲解理论知识，让理论走进生活贴近生活，从抽象到具体，多层次增强学生对知识的理解。

参考文献

[1] 李小斌，李凤臣，姜宝成，等.基于创新意识培养的流体力学实验教学探索[J].实验实践教学，2014（15）：119-121.

[2] 金志光.工科高校培养创新思维的流体力学设计性实验竞赛[J].科技创新导报，2009（8）：145-146.

篇8

[论文摘要]论文结合教学实践，提出了以传统教学模式为主、以现代化教学手段为辅的教学方法。结合实例讲清楚基本概念，够用为度重点突出理论公式的应用是常规教学应遵循的模式，并与多媒体辅助教学手段有机地结合起来，力求课堂教学的形式和方法多样化，既能保证课堂信息量大，又能避免单纯多媒体授课的不足，达到提高教学效果、提升教学质量的目的。

一、前言

《流体力学》是研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用规律的科学，它建立在现场观测、实验室模拟、经典理论分析、数值计算基础上，具有严谨的理论性、原理的抽象性、概念多、方程推导繁杂等特点，对学生具备高等数学知识及综合分析与处理问题能力的要求较高，因而大部分学生觉得该课程抽象、枯燥、难懂，普遍缺乏对流体力学理论的感性认识，都有某种程度的畏惧感，导致教师难教、学生难懂成为较普遍的现象。

我校机械设计制造及自动化、过程装备与控制工程、土木工程、安全工程、采矿工程、环境工程、矿物加工工程、建筑环境与设备工程、工程力学等专业的学生都须具备不同程度的流体力学知识和技能，它是各专业后续课程如：液压传动、水力学、流体机械、空气调节、传热学等课程的基础。

为此，作者通过教学实践，就多样化的教学方法、更新的教学内容、引入高科技的教学手段等方面进行探讨，以期提高《流体力学》的教学质量。

二、以传统课堂教学为主

《流体力学》的课程体系分为基本理论、基本应用和专门课题三大知识模块，它要求学生具备扎实的微积分知识、力学知识等。学生在接触流体力学课程伊始，对抽象的理论理解速度慢，对枯燥的公式及其推导过程容易厌烦，因而《流体力学》的教学应该以传统教学方法为主。因为在传统的课堂教学中，学生获取知识主要是听教师讲课，通过板书教师细致耐心地阐述概念、推导公式、突出重点、强调难点，以学生容易接受的讲课速度，留给学生更多的思考和消化的时间，再配合上教师的表情、手势、师生之间的互动，会达到很好的教学效果。

(一)结合实例，讲清楚基本概念

流体力学的概念多、现象多，且很多概念和现象比较抽象，难以理解，诸如：拉格朗日法、欧拉法、流线、迹线、边界层等。因而利用身边的实例对这些抽象的概念进行讲解，例如在讲授描述流体运动的两种方法——拉格朗日法和欧拉法时，学生们很难理解。为了将概念通俗化，上课时笔者以城市公共交通部门统计客运量所采用两种方法为例：①在每一辆公交车上安排记录员，记录每辆车在不同时刻（站点）上下车人数，此法类似于拉格朗日法的质点跟踪，它与迹线的定义对应；②在每一公交站点安排记录员，记录不同时刻经过该站点车辆的上下车人数，此法等同于欧拉法，与流线的定义对应。

在讲解伯努利方程原理的时候，例举1912年“豪克”号铁甲巡洋舰与同行疾驶“奥林匹克”号远洋轮相撞的船吸现象，让学生清楚掌握流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。

概念是公式推演的基石，没有准确的概念，后续的公式推演几乎难以为继，清晰的概念会使公式的讲解和推演变得更加简易。利用浅显易懂的生活实例来阐述抽象的概念及其之间的内部联系和区别，教师易教、学生易懂，将会达到事半功倍的效果。

（二）以用为度，重点突出理论公式的应用

伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的具体应用，是流体静力学和流体动力学的基础，始终贯穿着整篇教材。在讲解该理论公式的时候，先从容易理解的静力学平衡微分方程推导开始，强调公式所依据的原理是牛顿第二定律，假设条件是平衡、理想、静止的流体，重点引导学生如何理解公式各项的几何意义和物理含义，掌握公式的实际应用。这样学习到后面的动力学伯努利方程时，先易后难、循序渐进，学生就觉得不会那么深奥。在讲解相对平衡的流体压强分布规律时，就要求学生必须掌握推导过程，因为它在解决一般平衡流体内部的压强分布规律及其对固体壁面的作用力问题时非常重要。而对于连续性方程和动量方程的学习，只强调记住结论和理解公式中各个物理量的含义。这样做，有效地避免了大量公式繁琐的推导给学生带来的畏难情绪，也能够做到以用为度、重点突出。

不可否认，依靠粉笔与黑板的教学条件、以教师为主体的传统教学模式，教学形式单一，教学手段不先进，教学效率不高，适应不了课程教学学时少、受教育学生数增加的情况。

三、以现代化的教学手段为辅

当前以计算机多媒体技术为主的现代化教学手段已经普遍地应用于高校的教学中。制作教学用的视频、多媒体软件、电子课件等素材，作为课堂教学有力的辅助教学手段，可以在有限的时间内，利用图文并茂的信息传播方式，将课程内容及有关背景资料以影像、图片等形式，直观地传播给学习者，将流体力学中抽象的概念和理论具体化、形象化，激发学生学习兴趣，使得学生能够从感性认识开始，逐步上升到理性认识，进而能够达到运用知识解决问题的能力。

结合流体力学精品课程的建设，教学团队制作了流体力学多媒体电子教案，并在教学过程中不断完善，逐步取得了良好的教学效果。在设计与制作多媒体课件时，遵循课堂教学的基本规律，既发挥传统板书教学中容易带动学生思路、逐条在黑板上书写的特点，在课件制作中根据讲解的进度逐条展现公式条目等内容，同时又将难以理解、难以用语言描述的拉格朗日法和欧拉法、流线、边界层和紊流等抽象概念和流动现象，以多媒体的方式在课堂上直观地呈现出来，帮助学生建立清晰的印象。教学团队收集、制作了大量的多媒体素材，例如在讲解雷诺判据的时候，制作了雷诺实验的FLIASH素材，以动画的形式向学生展示了流体流动的两种不同状态，以及流态判据—雷诺数与流动速度、管径、流体种类有关系。运用多媒体辅助手段表达后，能够帮助学生很好地理解课程的重、难点，提高教学效率。利用多媒体技术，还可以制作需占用大量时间板书和不易通过板书表述的内容，提高了教学效率。

多媒体教学的内容一定要做到提纲挈领、重点突出，有所为有所不为。多媒体技术没有好坏之分，只有合理使用与不当使用之别。但是实践应用中，发现有的教师完全抛弃以往的黑板式教学模式，离开多媒体手段就上不了课；有的教师将教材内容全部照搬到了课件中，自己就成了的幻灯片放映员，“照机宣科”；有的教师制作的多媒体课件过分追求课件的美观性，界面过于华丽，淡化了教学重点；也有的教师忽略学生对课件内容理解消化的时间，致使学生的思维跟不上教师讲解的速度，降低了教学效果。上述现象将会造成一种新形式的“满堂灌”，只不过是由“人灌”变成“机灌”而已。

四、总结

流体力学作为一门专业基础课程，其重要性不言而喻。传统教学模式能够将前后知识贯通，突出重点，化烦就简、引入实例形象阐述概念原理，促进知识的系统化进程；多媒体教学能将难于理解的知识通过图文、音像生动地显现出来，帮助学生理解性记忆。借助于先进的教学手段，将多媒体辅助教学手段与传统教学方法有机地结合起来，力求课堂教学的形式和方法多样化，既能保证课堂信息量大，又能避免单纯多媒体授课的不足，才能提高教学效果、提升教学质量。以上是笔者在流体力学教学实践中的体会，愿与同行共同切磋。

基金项目：2009年安徽省教育厅《流体力学》精品课程

[参考文献]

[1]许贤良,王传礼,张军等．流体力学[M]．北京:国防工业出版社,2006．

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关键词 流体力学 游泳 柔体 实践探究

中图分类号：G861 文献标识码：A

0 引言

柔软物体的形状容易发生改变，以鱼为例，当鱼在水中来回游动时，鱼尾的摆动使其在水中获得一个很快的速度，鱼尾摆动其实就是对水流特性的一种利用，将此原理运用到人类的游泳中，对人的游泳速度研究意义重大。柔体的形状和流体的阻力有着很大关系，如何减小阻力、提高速度是当前游泳讨论的热点，有必要加强相关研究。

1鱼与人体力学的研究

1.1水流体的特性

1.1.1粘滞性

即是所谓的阻力，它是水分子之间相互吸引而产生的，在流体力学中称为“内聚力”，对水中的物体起牵制阻拦的作用。一般情况下，粘滞性和温度呈负相关，温度越高，粘滞性越小。水流体处于静止状态时，受力比较稳定，粘滞性几乎不起作用。若受的外力比本身内聚力大，水分子间固有的结构被破坏，在相互吸引下会产生摩擦，和外力抗衡，外力越大，摩擦越是激烈，从而对水中的物体形成阻力。

1.1.2流动性

若受的外力比本身内聚力大，水层压力将会发生改变，产生局部高于其他水层的压力，此时为了保持压力平衡，高压区和低压区会有压力的转换，这个过程就是水流体的流动性。按照力学原理，施力必须有支撑点，而水流体在流动中，压强随速度在不断变化，物体在水中没有固定的支撑点，在获得反作用力时，许多冲量都被流动的水消耗掉了，难以取得陆地上的效果。

1.1.3难以压缩性

许多物体之所以能够浮在水面上，是因为水流体具有难以压缩性，当大气压增强时，水压缩极小。在受到外力的作用时，不管外力多大，水的体积是不会变的，因此，水的密度也比较稳定。对于水中的物体，水会根据物体的体积大小换取等量水的容积，所以物体在水中会受到等量容积水的作用力，使物体重量被水的重量平衡。水是人体最多的成分，从这一点来看，人也具有一定的不可压缩性。

1.2鱼尾的流体力学分析

当鱼保持一个平衡姿势处于静止状态时，有其中心平衡线，鱼尾在这条线周围来回摆动，在水中会形成一定的作用力，总体是向前的，为鱼提供向前游动的力。鱼靠鱼尾的摆动获得向前的推动力，在摆动的过程中，若是从右侧向中心平衡线摆动，右侧的压强较低，相反的左侧压强较高，假设水作用于鱼尾的总力为F，此时便会分成两个力F1和F2，分别与中心平衡线平行、垂直，而平行于中心线的力F1 就是鱼游动的推动力。当鱼尾从中心平衡线向左侧摆动时，右侧仍是低压，左侧是高压，但此时与中心平衡线向平行的力F1在方向上有所改变，从向前的力转变到了向后的力，从推动作用变成了阻力作用。鱼在水中游动要有足够的推动力，所以在鱼尾摆动时总是高速摆至中心平衡线，离开时的速度则比较低，而且在摆动的过程中，为保证鱼能够正常前行，阻力必须小于所受的推动力，因此，其摆动幅度总是在鱼体的宽度范围之内。

1.3物体形状和流体阻力的关系

鱼在游动时，鱼尾摆动后肌肉放松，受水流体的阻力作用，此时鱼尾与中心平衡线在同一条线上，整个鱼体相当于处于静止状态。以龙睛鱼为例，从其肌肉紧张的状态来看，此时的鱼尾和划翅呈扇形的张开状，形成阻力且阻力点较多，方便其停止前进运动。当龙睛鱼在向前游动的过程中，鱼尾和划翅呈收缩状紧贴身体，以减少在水中的阻力，阻力点也逐渐消失，靠鱼尾摆动获得推动力。

2 流体力学原理在游泳中的应用

首先，鱼在静止时有其中心平衡线，人体也有，在双腿摆动的过程中，幅度不能过大，如果腿向下摆动的幅度较大，很容易增加身体对水截面，从而形成形状阻力；如果向上摆动的幅度较大，当脚露出水面时，水的压力下降，必会对动作有所影响，在蝶泳或仰泳等方式中，腿部的受力原理是一样的。由于在游泳教学中对此方面的忽视，许多教练缺少足够的理论依据，采取的教学方法也有诸多不合理之处，以至于运动员在训练腿部技术时没有科学明确的概念，导致训练效果并不是很理想。

其次，将上述理论应用到个蛙泳、蝶泳、自由泳等游泳方式中，分别观察其在水中蹬腿时的表现，对其进行分析，从中不难看出，当运动员的蹬腿动作结束时会有短暂的间歇时间，如果此时腿部肌肉紧张，就会收缩，则容易形成阻力，尤其是脚背，会出现很明显的阻力点，这种现象在蛙泳和蝶泳中更为明显，因为这时是两腿同时完成动作，脚背的面积大，受力也大，差不多为自由泳的两倍。如果在间歇时间内，运动员腿部的肌肉呈放松状，则会减少阻力，阻力点也会逐渐消失，而且在腿上抬时，还能够对脚底形成一种推进力。所以，在游泳中，人体必然会受到水流体的阻力作用，此时若肢体能够保持顺着水流方向的姿势，则能取得更好的蹬腿效果，而且有利于节省体能，进而提高游泳速度。

3 结束语

游泳速度的快慢与力学的诸多方面都有紧密联系，当手、腿等身体部位当水中运动时，会对水产生一定的作用力，水也会产生相应的反作用力，推动人体向前游动，但同时也会产生阻力，如何将阻力降到最低是研究的重点。在学习游泳时，要充分利用水流体的特性规律，找准人体中心平衡线，合理运用肌肉紧张与放松的效果，从而达到理想效果。

参考文献

[1] 兰亚红.游泳技术之流体力学理论探析[J].科技信息，2010，22（28）.

篇10

关键词：伯努利方程；虚拟实验；创新

由于流体运动的复杂性，使得流体力学研究离不开科学实验，伯努利方程实验是高等院校航天工程、能源动力工程、水利工程、建筑工程、土木工程等专业必须学习的一个重要实验之一。传统的伯努利方程实验，存在着一定的弊端：在教师讲解后学生直接做实验，对实验操作、实验过程的示范教学及描述缺乏认识，实验过程中出现的问题得不到充分的探索和讨论，无法体现学生的思考过程、实验兴趣及创造性思维。而基于虚拟实验的伯努利方程实验，调动了学生参与实验的积极性，充分启发学生的创造性思维，实现了学生自主学习、师生交流互动，能够充分利用虚拟仿真实验教学中心的虚拟实验平台，提高了实验的效率，有利于培养具有创新精神和创新能力的高素质人才。

1.实验原理

如图1所示，在实验管路中沿管内水流方向取n个过流断面。

可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式

z1+p1r+a1v212g=zi+pir+aiv2i2g+hwi，（i=2，3，…，n）（1）

zi为位置水头，表示单位质量流体所具有的位能；pir称为压强水头，表示单位质量流体所具有的压强势能；Hpi=zi+pir为测压管水头，是单位质量流体所具有的总势能；hwi代表由元断面（1）到断面（i）所消耗的能；取动能系数a1=a2=a3=…=an=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出Hpi=zi+pir的值，测出通过管路的流量，即可计算出各断面平均流速vi及速度水头aiv2i2g，从而得到各断面测压管水头值和总水头值。

在同一过流断面上：均匀流或渐变流断面流体动压强符合静压强的分布规律，测压管水头值为常数。z+pρg=C（2）

在不同过流断面上：测压管水头不同，z1+p1ρg≠zi+piρg（3）

故z+pρg≠C。

2.特色和创新

2.1添加虚拟实验环节

在传统的伯努利方程实验中引入新的实验元素和活力，即在实验过程中添加伯努利方程虚拟实验环节。目前虚拟实验在实验教学中的应用有很多[1-3]，也有一些伯努利方程实验在仿真方面的研究[4]。由于虚拟实验具有操作界面直观、方便快捷、重复性强、不受时间或场所的限制，学生可以按个人需求，不受时间、地点约束，反复进行虚拟实验，完成实验学习过程，还可以设计出新颖的虚拟实验项目。教师鼓励学生参与虚拟实验的操作和完善，通过网上练习虚拟实验，找出有待完善的地方，提出优化方案，再指导学生逐步修改和完善，充分发挥学生参与实验的主观能动性，有效拓展学生的想象空间。本实验为综合性实验项目，通过对学生多方位的引导，可以培养学生对理论知识的应用能力、对实验操作的动手能力、对实验项目的创新能力以及团队的写作能力，从而实现对学生的综合能力的培养。采用虚拟实验和真实实验相结合的方法，充分利用虚拟仿真实验教学中心的虚拟实验平台，使学生从多角度，以多种方式参与实验训练，充分锻炼学生对实验操作的动手能力。

2.2实验流程图，如图2所示

（1）虚拟实验。做实验之前，学生可以先在力学实验教学示范中心的网站上对伯努利方程实验的虚拟实验进行操作、预览实验过程、掌握实验原理、巩固理论知识，并且可以直观地体会做实验的操作过程、观察动态的实验现象等，更重要的是学生还可以随时随地验证和探索学习过程中遇到的疑难问题，对实际操作实验进行预习。虚拟实验的整个过程与真实的实验相差无几，通过适时观察到实验现象及测压管液面高度的变化规律，方便模拟出真实实验的过程。伯努利方程实验的虚拟实验为学生创造良好的仿真实验条件，实现了学生自主学习、师生交流互动，激发了学生的求知欲和主动性，调动了学生参与实验的积极性，为真实实验操作打下坚实的基础，提高了实验的效率。

（2）真实实验。学生进入实验室进行动手操作的真实实验，教师指导学生熟悉操作实验装置，例如测量流速与流量的仪表（毕托管、文丘里流量计、电磁流量计等）；启发学生将所学理论知识结合工程实践，采用已有的流体力学实验教具，自主设计实验项目，（比如利用流量计测试一下实验室水管的流量、流速等）；引导学生利用实验解决实际问题的能力，进行实验验证并进行实验设计和创新，以及完成综合实验报告的撰写。

通过虚拟实验和实际操作实验两个环节的操作训练，有利于学生更加深刻地理解和掌握课本上的理论知识。

2.3实验成绩考核

伯努利方程实验的成绩考核由实验项目设计、虚拟实验操作、真实实验操作和实验报告四部分组成。实验操作部分由指导教师现场打分，最终通过实验报告：实验方法的确定、实验仪器的选择、实验步骤的制定、实验数据的处理、实验结果的对比分析及研究总结等，可以有效地反映出学生的综合创新能力（包括实验项目设计、实验技能、团队协作能力、操作动手能力和自主创新能力）。

3.实验成果

置身于多媒体世界中，虚拟实验使学生能看到、听到、感觉到实验对象、实验过程、实验结果，大大增加了仿真的形象性与直观性，从而能够激发学生实验的兴趣和主观能动性，提升学生进行实验的积极性。由于虚拟实验不受时间、场地的限制，学生可根据自己的需要安排学习时间，提高学习效率。而且虚拟与真实实验两者相结合，优势互补，切实保证了实验教学的质量。伯努利方程实验是一个综合性实验，其系统的经验成果可以为其他流体力学实验项目提供借鉴，引领实验项目建设方向、探索人才培养模式。一些典型教学案例的积累，丰富了实验教学的积淀。成功的案例可以启发下届学生在此基础上发展创新，避免低水平的重复实验；失败的案例可以供学生借鉴，尽可能避免失败，少走弯路。

4.结束语

虚拟实验与真实实验相结合丰富了流体力学实验教学内容，综合利用了多种教学手段，提升了整个实验教学水平。注重实验过程设计，实验方法科学、合理、新颖；实验手段适当、高效先进。能充分调动学生学习的主动性与积极性，培养学生对实验的兴趣。此外，虚拟实验促进了流体力学实验网络化教学的步伐，建立了流体力学虚拟实验平台和教学资料库。（作者单位：南昌理工学院）

参考文献：

[1]程立英，张志美，等.虚拟实验在分级实验教学中的应用探究[J].沈阳师范大学学报：自然科学版，2011.

[2]朱敏.虚拟实验与教学应用研究[D].上海：华东师范大学，2006.