工程流体力学知识点范文

导语：如何才能写好一篇工程流体力学知识点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词 工程流体力学教学 学习 教改

中图分类号：G642 文献标识码：A

“工程流体力学”是动力类各专业及相近专业的一门重要技术基础课，它为该类专业主要专业课程的学习打下必要的理论基础。工程流体力学是流体力学的一个重要组成部分，它侧重于解决工程实际中出现的问题，而不去过分追求数学上的严密性。它在一定程度上借助于实验研究， 得出经验或半经验公式。其研究对象为流体，考察流体中大量分子的宏观平均运动规律。所以，“工程流体力学”是能源动力类专业的最主要的专业基础课程之一。

工程流体力学作为一门技术学科，研究方法也遵循“实践- 理论- 实践”的基本规律。但由于它的研究对象的特殊性，使得对它的学习也有一定的难度。在实际教学过程中， 我发现学生最大的问题在于――不会学这门课，不是学不会，而是根本不懂如何去学它，即没有找到适合这门课的学习方法。本文即针对这个问题谈谈自己的看法。

1工程流体力学和工程力学的研究对象的性态是不同的

工程力学的研究对象是静态的，而工程流体力学的研究对象是动态的。就其力学行为来讲， 流体可以承受很大的压力，但往往几乎不能承受拉力。学习过程中，学生不能用工程力学的“静态”思维来研究工程流体力学的“动态”对象，要用“动的”和“相对静止”这些概念去阐述它。

本文在回顾热能与动力工程专业基础建设的基础上，总结了三十多年来的人才培养工作。文章提出，今后要继续以“流体机械”省级重点实验室的建设为依托，结合实验室建设与实验教学改革，特别是以重点学科开放实验室建设为突破口，为热能与动力工程专业人才培养提供有力支撑，达到不断提高本科人才培养质量的目标。

2注意工程流体力学中的基本模型的含义及运用

从微观角度来看，流体和其它物体一样，是由大量分子组成的。这些分子总是不停地、杂乱无章地运动着，分子之间存在着间隙。因此，流体实际上并非是连续充满空间的物质。如果从分子运动入手来研究流体流动的规律，将十分困难，甚至难以进行。而流体力学是研究在外力（ 如重力、压力、摩擦力等） 作用下流体平衡和运动的规律，所研究的是大量分子的平均行为，没有必要专注于每个分子。另外， 流体力学所研究的实际工程尺寸要比分子间距大得无法比拟。因此，必须建立适应流体自己的模型。《工程流体力学》中将实际的由分子组成的结构用一种假想的流体模型―“流体微元”来代替。“流体微元”由足够数量的分子组成，连续充满它所占据的空间，彼此间无任何间隙。这就是：连续介质模型。另外， 流体是连续的。因此“工程流体力学”中，连续性方程及其具体表现形式伯努利方程始终贯穿其中。

3抓住“工程流体力学”课程的主要内容去学习

热能动力类《工程流体力学》的教学大纲中规定， 学生学习本课程，必须达到：（1）全面了解流体的主要性质和基本模型；（2）熟练掌握平衡流体的压强分布规律， 善于计算流体与壁面间的作用力；（3）深刻理解流体连续性、能量、动量方程，并能熟练应用于求解工程实际问题；（4）懂得流体运动阻力和水头损失的计算方法等。针对这些要求，学习过程中应重点掌握连续介质假说、流体的物理性质及参数、牛顿内摩擦定律、液体的相对静止、静止流体的压强分布、欧拉平衡方程、静止液体作用在平面壁和曲面壁上的总压力、连续性方程、伯努利方程、流线与迹线方程、动量方程、描述流体运动的两种方法、总流的伯努利方程、圆管中的层流、圆管紊流的沿程损失系数K、局部水头损失、边界层的概念、粘性流体中的应力、量纲分析法、流动相似原理等知识点。学校为了适应国家经济建设的需要，适应水电开发宏伟事业的需要。针对这些知识点，多查阅资料、多做习题以求掌握它们，并将这些知识点延伸至工程实践，力求找到解决工程实际问题的方法或手段，把所学知识举一反三，灵活运用。

4注重实验过程，加深知识理解

热能动力类“工程流体力学”课程安排了自己的实验教学大纲，针对课程知识点的要求，框定了几个常见的实验项目。如伯努利方程验证、流量系数的测量、雷诺实验、沿程阻力系数的测定 。其中伯努利方程验证为必做项目，因为伯努利方程的运用贯穿课程始终，需加深对它的理解。总之，“工程流体力学”不同于其它力学，有其自身的规律性。要想学好它，必须搞清这门课自身的特点和针对它的研究规律， 并辅之以扎实的学习态度和不怕困难的精神。

参考文献

[1]陈卓如， 金朝铭， 王洪杰， 王成敏编. 工程流体力学 [M].北京：高度教育出版社，2004，6.

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（甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070）

摘要：启发式教学是现代教育研究当中的一个重要课题，尤其是在高等教育全面改革的大背景下，通过启发式教学引导学生自主学习，勇于创新，让学生的个性自由发挥，充分调动学习的积极性和热情，促进学生身心的健康发展。本文主要探讨的是启发式教学在《工程流体力学》课程教学中的运用，彻底摒弃传统的教学观念，让学生成为教学活动的主体，通过教师的启发引导，让学生更加主动地学习。

关键词 ：工程流体力学；启发式教学；教学实践；运用

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-2596（2015）03-0274-02

一、引言

《工程流体力学》是我国普通高等学校工科专业的基础课程，是一门研究液体和气体的机械运动规律以及应用的学科。工程流体力学在土木工程、能源、动力、环境、设备、化工、航空以及国防等领域都有很重要的应用，尤其是热能与动力工程专业的学生需要掌握系统、全面的《工程流体力学》理论知识，通过学习本课程，确保学生能够熟练地掌握流体力学的基本概念和原理，通过实验操作能够将理论知识运用到实际当中，为日后的工作和学习打下坚实的基础。鉴于此，本文主要探讨启发式教学在《工程流体力学》课程教学中的运用。

二、《工程流体力学》传统教学理念的转变

《工程流体力学》是工科专业的一门基础学科，是力学的一个重要分支，主要目的是为了将流体力学知识充分运用到生产生活当中。工程流体力学的研究方法主要包括实验研究、理论分析以及数值计算等。其中实验研究主要是利用各种实验仪器对流体现象进行观测分析，总结出流体运动的规律，并在此基础上进行预测，通常采用模型进行实验分析；理论分析主要是根据质量守恒、动量守恒以及能量守恒等定律，加以数学分析的手段，对流体运动进行分析研究；数值计算则是利用数学语言将流体运动的普遍规律表达出来，从而获得质量守恒、动量守恒以及能量守恒的计算方程，这些方程组合在一起成为流体力学基本方程组。《工程流体力学》课程设置的根本目的是为了让学生熟练地掌握流体的机械运动规律，将其运用到实际生活当中，以此来解决各种与流体力学相关的问题，但是长久以来我们在课堂教学中所强调的是知识点的灌输，学生进行机械化的记忆，缺乏创新，因此需要对传统的教学理念进行彻底改变。

（一）帮助学生建立流体力学的思维方式

《工程流体力学》的教学大纲要求学生能够了解及应用流体力学的基本运动规律，掌握流体力学的理论研究方法。在传统教学理念中，课堂教学过分注重基本概念、基本理论和计算方法的学习，学生在应试教育的环境中对书本上的知识进行机械化的记忆，很大一部分学生对于知识点的记忆仅仅是为了完成考核任务，因此无法形成系统的知识体系，也无助于培养学生的科学的思维方式，使其在日后工作和学习当中遇到关于流体力学相关的问题时，无从下手。鉴于此，在现代教育理念下需要教师引导学生建立系统的流体力学知识体系，并学会运用科学的思维方式对流体力学相关的问题进行分析研究。①

（二）提高学生综合分析应用能力

《工程流体力学》课堂教学不仅要求学生建立科学的思维方式，还需要具备对流体力学知识的综合分析和应用能力。在传统教学理念的影响下，学生被动地接受知识，严重缺乏学习的积极性和热情，对知识和计算公式的机械化记忆，无助于培养学生的发散思维。②因此需要在《工程流体力学》课堂教学过程中引导学生对知识进行自主总结，通过对知识点的归纳总结，形成鲜明形象的记忆；与此同时在课后练习中需要增加综合性，促进学生对流体力学知识的综合应用。

（三）培养学生的实践操作能力

实验是《工程流体力学》教学活动的重要组成部分，通过实验设计来检验一个理论或证实一种假设而进行的一系列操作或活动，从而更加清晰地理解和认识流体力学规律。通常实验要预设“实验目的”、“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“实验报告”的新闻形式发表“实验结果”。③在传统教学模式下，学生只能在有限的范围内进行实验操作，根本无法锻炼学生的实践操作能力，因此需要学生自主独立的进行试验操作，让学生自行设计实验内容，确定实验方案，在实践中不断提高自己的操作和知识的运用能力。

（四）充分体现学生的主体地位

传统教学与现代教学理念严重背离之处在于课堂教学活动中，教师往往处于主导地位，而作为教学活动关键核心的学生群体则成为了知识的被动接受者，单方面机械地完成课堂教学任务，无法真正达到教学的目的。这就要求，在课堂教学过程中，教师必须时刻关注教学同步，充分调动学生的参与热情，通过讨论、提问等方式，让学生真正参与到学习活动当中，学会发现问题，解决问题的方法。④

三、启发式教学的具体应用

（一）启发式教学的实质

启发式教学源远流长，历久弥新，“启发”一词最早源于古代教育家孔丘的“不愤不启，不悱不发”。朱熹解释说：“愤者，心求通而未得之意；悱者，口欲言而未能之貌。启，谓开其意；发，谓达其辞。”愤与悱是内在心理状态在外部容色言辞上的表现。就是说在教学前务必先让学生认真思考，已经思考相当长时间但还想不通，然后可以去启发他；虽经思考并已有所领会，但未能以适当的言辞表达出来，此时可以去开导他。在现代教育理念当中，启发式教学主要是指教学活动中教师依据课程学习的客观规律，引导学生积极主动自觉地掌握知识的教学方法。启发式教学可以很好地诠释教育学之间的关系，通过设置问题情境，充分调动学生参与的积极性和主动性，启发学生独立思考，发展学生的逻辑思维能力，并且通过教师的适当引导培养学生的动手操作能力和独立解决问题的能力。⑤

（二）设置问题情境

启发式教学的关键在于设置问题情境，同时也是激发学生创新思维的一种有效方式。这就要求教师在《工程流体力学》课程教学中有目的、有意识地创设各种情境，鼓励学生主动发现问题，让学生独立地进行探索分析。在《工程流体力学》课程教学过程中，学生遇到任何疑问都应该及时提出，向同学和老师进行探讨。大量的教学实践表明，提问可以充分调动学生的注意力和学习的积极性，通过提问锻炼学生的探索欲和逻辑思维能力。⑥学生在启发式教学模式下还应该增加主动性，寻找自己的兴趣点，去钻研。这样学生才会有问题意识，可以提出问题，而不是在别人背后去解答问题。另外，设置问题情境要与实际生活相融合。可以通过创设生活或工作式的教学情境，让学生真正感受到《工程流体力学》课程教学的多样性以及前瞻性，通过不断探索激发出学生潜在的学习兴趣以及好奇心。

（三）充分调动学生的主动性

在启发式教学过程中，需要充分调动学生的主动性和积极性，让学生真正意义上成为学习活动的主导者。《工程流体力学》课程需要打破传统应试教育的束缚，让学生的积极性和主动性得到充分释放。教师组织学生进行讨论时，要注意学生的反映，激发起学生发的求知欲望，引导学生通过收集资料了解流体运动的基本规律以及这些规律在工程实际中的应用，帮助他们对问题的独立思考。例如教师可以列举一些流体力学在生活和生产中广泛应用的实例，使学生了解流体处于平衡及运动状态下的力学规律，加强理论概念与现实生活的相互联系。总之，只有主动参与其中，学生才能对问题有一个深入的了解，并且能够切身地投入自身全部的精力想方设法去解决当前所面临的问题，而教师则完全不用花费大量的精力进行讲解，只需要进行适当的指引工作，使学生的自学能力能够充分发挥。⑦

实验是检验学生动手操作以及对知识运用的最佳方式，借助实验也可以充分调动学生学习的积极性和主动性。在问题情境环节中，学生大胆假设和创新提问以后，就需要通过实验对问题进行模拟分析，并得到结论。在安全的保障下，进入实验室，在教师的引导下，自己动手去做，积极探索。这样会对学习更有帮助，而这一过程会提高学生的研究热情，也可以提高学生团队的协作能力。此外，在《工程流体力学》课程教学过程中，学生还可以自由组合进行某一问题的研究，当假设足够成立的情况下，通过查询相关的文献资料，并进入实验室去寻找答案。这样一来，学生在今后的学习或者工作中，如果遇到问题，就可以真正独立地进行思考和研究。⑧

（四）建立轻松愉悦的学习氛围

建立轻松愉悦的学习氛围是启发式教学实现的前提。而长久以的来灌输式教学，让教师成为课堂教学的主体，其高高在上的形象，让不少学生产生畏惧感，这也使得学习氛围过于凝重、刻板甚至拘束。因此在教学方式上需要打破传统教学模式的束缚，改掉以往死气乏味的课堂教学，教师应该是教学活动的组织者和设计者，通过营造出民主、和谐、愉悦的课堂气氛等方式更好地帮助学生调动他们的主观能动性和积极性，鼓励学生亲自动手，并且给学生提供更多的进行流体力学讨论研究的空间和机会，让学生在独立思考、互相讨论以及动手操作中完成问题的发现与解决过程。此外，教师还需要引导学生相互尊重、相互理解，课堂气氛做到张弛有度。让学生在合作交流中真正理解和掌握《工程流体力学》的理论知识和基本技能，使他们真正成为学习的主人。⑨

综上所述，启发式课堂教学强调学生在学习过程中的主体地位。只有充分调动起学生的积极性，才能够提高《工程流体力学》课堂教学的质量。为此，本文总结了传统教学模式下《工程流体力学》课堂教学的种种弊端，然后在此基础上对启发式教学的有效途径进行了深入研究。通过营造和谐的学习氛围以及建立良好的师生关系，使《工程流体力学》课堂教学变得更加生动、形象。

注释：

①张晓宏.高校研究型教学范式之探究——启发式教学[J].教育探索，2007(3).

②朱昌流.论启发式教学的有效实施[J].教育与职业，2007(18).

③李小川.工程流体力学教学改革模式的探索与实践[J].中国现代教育装备，2012(10).

④吴翊.启发式教学再认识[J].中国大学教学，2011(1).

⑤刘全忠.关于工程专业流体力学课程教学改革的探讨[J].教育教学，2014(1).

⑥Wuhan University、scientific Research Publishing.The Heuristic Teaching Practice Based on Innovative Thinking [A].Proceedings of Conference on Creative Education（CCE2012）.2012(5).

⑦朱辉，陈洪杰，刘飞.CDIO教育模式下工程流体力学课程教学改革与实践[J].桂林航天工业学院学报，2013(12).

⑧刘莹.解立平.基于“卓越工程师”培养计划的工程流体力学课程教学改革初探[J].时代教育，2014(2).

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关键词 应用型大学 流体力学 教学改 革CFD

应用型教育是以培养知识和能力全面发展，面向生产实践一线的应用型人才为目标的高等教育。流体力学作为我校理论与应用力学专业的一门重要的专业基础课，非常广泛地应用在实际工程中，如管道水力计算以及城市管网设计等。流体力学基本概念多、公式复杂、内容抽象，有较强理论性和较强工程实际意义。然而作者在多年的流体力学教学过程中发现学生普遍感觉该课程比较枯燥难学，学习积极性不高，期末考试及格率较低，应用性不。因此，在我校向“应用型特色科技大学”转型的大背景下，如何适应“应用型本科教育”的要求，是流体力学教学及实践中必须面对的问题。

1目前，我校流体力学课程教学存在的问题

（1）教材内容设计偏重理论推导。目前我校使用的流体力学教材主要强调课程的完整性和系统性，偏重于理论推导，选用的例题和练习题的设计过于理想化，与实际应用相脱离，应用性设计不够突出，偏重于介绍流体力学可以解决工程问题这一点，造成学生刚接触工程问题时就手足无措，这与应用型大学的培养要求不相适应。

（2）课堂教学效果不好。作者在流体力学课堂教学中发现，通过绪论课的大量工程实例以及视频教学能调动学生学习的积极性，开学初期，教学效果相对较好，而随着课程的进行、课程难度的加深，学生的学习积极性越来越低。主要原因有：①学生对流体力学涉及的高等数学、理论力学等课程的知识掌握不尽如意；②流体力学理论性较强，公式推导多，与实际应用相脱节。

（3）缺乏计算流体力学仿真软件实践教学。计算流体力学（CFD）技术作为一种数值模拟方法，在实际工程中的应用越来越广泛，借助CFD技术，可以得到流动细节，如速度、压力、能量损失、湍动量、漩涡等，从而在产品结构设计和优化方面发挥重要的作用。这就要求技术人员掌握流体力学分析、数值模拟及优化设计的能力。而现阶段我校的流体力学教学中并未引入CFD技术，仅安排了一次课来介绍计算流体力学的内容，且完全进行理论教学，学生学了一大堆理论公式，但拿到实际工程问题却无从下手。

2教学目标和内容设计

针对上述问题，作者在结合本校“应用型特色科技大学”的发展方向下对流体力学课程课堂教学方式及实践环节进行改革。从课程教学内容，教学方式方法，实践环节等方面进行设计，解决学生学习兴趣低，课堂教学效果较差，理论与应用相脱离的问题。同时，通过借助CFD丰富教学内容，增强实用性，使学生会用仿真软件求解工程问题。具体改革内容：

2.1突出应用性教学

以培养应用型人才为教学目标，结合流体力学的课程特点，将教学内容分为基础理论教学部分和考虑应用的专题教学部分。

基础理论教学内容包括流体力学基本概念、基本原理和基本方程，这是应用的基础，要求学生重点掌握。授课过程中强调对基本概念的理解和基本理论的应用，而弱化对方程的数学推导，但应明确方程的意义、适用条件以及如何应用方程解决实际问题。专题教学以实际工程问题为切入点，例如以均质液体对平壁和曲壁的总压力为例，从为什么对平壁和曲壁总压力进行计算（压力容器，水坝，潜艇等结构安全），引申出相关知识点（平壁和曲壁总压力的大小、作用点、压力体等）和基本理论（流体静力学基本方程、欧拉平衡方程等），以此加强学生解决实际工程问题的能力。

2.2课堂教学方法设计具有针对性

课堂教学方法也是影响教学效果的重要因素。传统教学方法以教师主讲为主，缺乏与学生的有效互动和交流，教学效果较差。本课程采用师生互动的方式进行教学，对理论教学部分采用教师主讲和提问、学生回答的方式；对专题教学的课后练习，集中安排一次课进行分组上讲台汇报，学生自己当评委，自己打分，锻炼学生主动思考和动手能力，增强对课程应用性的理解。同时，采用多媒体授课，图片和视频能形象直观地表现文字和语言不能描述的现象，如雷诺实验、卡门涡街等。在成绩的构成上除课后作业和专题汇报外，还布置一个课外小任务一观察生活中的流体力学，例如空调挂机安装位置问题，让学生发现生活中的流体力学现象，并结合课堂所学理论知识进行分析，增强学生发现问题、解决问题的能力。

2.3将CFD技术引入课堂教学

在理论教学和专题教学完成后将CFD技术应用于教学之中，做到数值仿真计算与理论推导相结合，增强流体力学的应用性。

（1）授课时对流体力学商用数值仿真软件Fluent的操作步骤做简要介绍，结合我校的数值仿真中心，完成代表性例题的数值分析计算，将数值仿真结果与理论解进行对比。

（2）将工程实际问题引入流体力学教学，提高学生面对具体问题的实际操作能力。每学期邀请两位具有丰富工程实际问题经验的校外人员来校给学生做一次报告，向学生介绍其建立工程问题的简化模型和简化过程，以及采用Fluent求解过程和结果，让学生学会面对工程问题时准确建立力学模型的能力，同时开阔学生的视野，提高学习积极性。

3主要特色

（1）突出实用性。在流体力学课程教育中调整教学内容，添加CFD技术的实践，同时邀请经验丰富的校外人员进课堂，为学生讲解企业中的实际问题，教会学生学以致用，学生通过课程教学掌握该工具之后能更好地跟进企业工作并提高就业质量。（2）主次明确。强调实用性的同时，也不完全放弃对公式推导能力的教学，采取理论联与工程实际相结合的方式，在提高学习主动性的同时，增强对基础理论的认知。

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关键词：《工程流体力学》；问题探究式教学方法；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0223-02

《工程流体力学》是能源动力、土木工程、环境工程等诸多专业的专业基础课程，由于该课程的学习中有不少涉及到高等数学、大学物理等课程的知识点，因而学生普遍感觉学习难度高，兴趣不大[1]。笔者从多年的教学经验中总结出问题探究式教学方法，并取得了一定的教学效果，同时也对教学活动中存在的一些问题进行了思考并提出了具体改进措施。

一、以传授知识点为主的教学模式存在的问题

目前大部分高校的《工程流体力学》课程仍采用传统的课堂面授的教学方法，教师是教学活动的主要组织者，授课教师以演讲者的身份，按照教材编排来讲授教学内容，因此课程知识点为单向传授式，学生对课程内容往往缺乏主观的思考，只是被动地接纳。以传授知识点为主体的教学模式强调概念讲解和公式推导，学生对所学内容理解不深，大多数学生也只能做到课后照搬公式做题，而对后续专业课学习中碰到的新问题无法做到归纳分析，最终也不能有效提升运用知识解决实际问题的能力。由于人类对科学的认知都是从现象开始的，现象表现出的规律性引导人们不断探究现象背后的本质，因此《工程流体力学》课堂的教学组织也应遵循从现象到规律的认知路径。课堂应先从日常生活及工程实例中提出问题，由教师引导学生剖析问题，逐渐深入到现象背后的规律性内容，再经概念阐述和理论推导，完成前述问题的理论解释。以问题探究为主体的教学模式显然更有助于培养学生的学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力。

二、《工程流体力学》问题探究式教学的课堂组织

在实施问题探究式教学模式时，教师尽可能选取来自于日常生活现象以及有专业背景的问题，并以图片、动画或视频等较形象化的方式给出，增强学生对流体力学的感性认识，教师要根据学生课堂的反应情况对学生不断引导，鼓励学生启用发散性思维方式解决问题，鼓励学生大胆尝试，通过对问题抽丝剥茧式的分析来提高解决实际问题的能力。课堂上的问题和探究性的思考过程要让学生的思维活跃起来，让学生意识到所学的知识是鲜活、有用而又有趣的，能逐渐领略到流体力学的美妙之处。在问题分析后的理论阐述中要适当舍弃一些繁冗枯燥的公式推导，强调公式中各项的物理意义和公式的适用条件。本文以课程中的绪论、一元流体动力学基础以及孔口管嘴管路流动[2]为例，具体阐述探究性问题教学模式的实施过程。绪论课的问题可以提得多而广，通过大量的实际应用和工程问题，让学生充分理解学习课程的目的及意义，做到课程一开始就抓住学生的学习兴趣，激发他们的研究热情。在课程刚开始时，可以让学生列举常见的流体种类，并总结流体与固体的本质区别；给出儒可夫斯基对佯缪（永动机问题）的描述，让学生解释原因；课堂上用汤匙现场演示水流的附壁效应；由目前大气环境常见的雾霾问题引出颗粒物的绕流阻力问题，并让学生估算雨滴和尘埃在空气中的下降速度差异[3]；用图片方式介绍1940年美国华盛顿州塔科马海峡桥事故，让学生分析事故原因；介绍市政供水的基本方法，再让学生估算学生宿舍楼供水的压力；分析采暖系统中设计膨胀水箱的原因；夏季和冬季空调送风口的风向有何不同，哪些措施能够尽可能实现房间内温度的均匀分布。由于绪论课涉及的问题可覆盖整个课程，可把某些问题留给学生在课后自己分析。在讲授一元流体动力学基础时，教师可首先给学生演示平行纸片的吹气试验，让学生观察并解释纸片的飘向；提出常说的“水往低处流”论断一定正确吗？再根据市政管网的供水现象，引出驱动流体流动的能量形式及其相互转换问题，并让学生解释航海中的“船吸现象”、洗澡时浴帘的飘向问题；由烟囱里气流流动的驱动能引出气体与液体的能量方程形式的不同；由消防水枪在喷水灭火产生的后推力问题引出一元流体动量方程。

孔口管嘴管路流动的内容与工程实际结合较紧密，可多给学生实际案例进行分析。如：（1）城市管网夜间的供水水压为何会普遍高于白天的水压？（2）屋顶水箱供水到同一建筑的高层和低层住户，其压力有何不同？（3）建筑内外存在温差时，如何在建筑物壁面上开窗，实现自然通风？（4）如何利用虹吸的原理，给鱼缸换水，其关键步骤是什么？（5）冷却水系统中，如何考虑水泵的扬程以保证冷却水的循环？为节约时间，教师应在课前将问题留给学生，为提高课堂效率，可对每个问题指定若干名学生完成，并记录回答情况。

三、探究性课程教学中其他问题的思考

在学期结束时，教师与学生（共两个班级，约130人）通过问卷调查、面谈、QQ、电话等方式进行了沟通，发现教学中有如下问题值得关注。

1.采用问题探究式教学方式需要教师根据学生的反馈进行分析和引导，会占用课堂学时中相当比例的时间，由于课程学时数的限制，某些问题的探讨无法深入，且教学内容主要由PPT方式完成，因此教学进度普遍较快。当学生在课堂上未能理解和掌握某些知识点后，很容易放弃对后续知识点的学习。因此笔者建议，授课教师应组织整理课程的微课资料，让学生利用微课资料自主完成预习和复习，大大减少课堂上对基础内容的讲解，将课堂学习的主动权从教师转移给学生，使学生能够在课堂上主动基于问题进行深入探讨，从而显著提高课堂的学习效果。

2.有近50%的学生认为教师给出的探究性问题有一定的难度，并有助于对教学内容的理解，能有效激发学生的学习兴趣，课堂上对问题的探究过程提高了学生分析问题和解决问题的能力。部分学生希望教师点名提问并记住自己的名字，也较喜欢这种教学模式；当然也有部分学生不太适应该方式，尤其是在无法回答问题时学生会感到尴尬。教师应提前把问题留给学生，给学生充分的思考时间，从而更有效地利用课堂教学时间。

3.目前大学生存在课堂出勤率不理想、上课玩手机、睡觉等现象，教师可将学生座位固定，不点名即可快速统计学生的出勤率，并考察学生的听课情况且及时记录，在课程的第一次课上和学生讲明出勤率、听课表现、作业和平时小测验的成绩在总评成绩中的比重和计分方法，细化考核要求，并严格按规定执行，这样能有效地督促学生端正学习态度，重视平时学习。

4.课程考核方式和难度要求是检验学生学习效果的重要方面。通过调查，发现有近40%的学生认为教师应采用闭卷方式并严格进行考核，不希望考试降低难度。这项统计数据说明，不少学生有主动学习的愿望，学习态度端正，并愿意采用严格的考核方式来检查自己的学习效果，因此授课教师在考核时应坚持原则，对学生认真负责，出题难度适中，学生卷面分数尽可能符合正态分布。

四、结论

本文采用问题探究式的教学方式对《工程流体力学》课程进行了教学实践，并给出了问题探究式教学方法的具体实践过程。通过与学生的沟通和问卷调查，了解到近半数的学生认可问题探究式的教学方法，认为该方法有助于加深对课堂教学内容的理解。在问题探究式教学过程中，教师也发现需要在以下方面进行改进：应尝试利用新型的互联网教学手段，如微课等方式，进一步提高课堂学习效率，将课堂学习的主动权从教师转移给学生；强化平时考核，细化成绩评分方法，期末考试题目要有合理的难度，成绩分布应合理。

参考文献：

[1]谢海英.《工程流体力学》在环境工程专业中的教学探讨[J].教育教学论坛，2013，（43）：75-97.

[2]龙天渝，蔡增基.流体力学[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]王洪伟.我所理解的流体力学[M].第1版.北京：国防工业出版社，2014.

The Exploration and Reflection of Problem-Based Teaching Method for "Engineering Fluid Mechanics" Course

XIE Hai-ying，HUANG Yuan-dong，DENG Bao-qing，LV Juan

（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

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关键词：工程流体力学；课程建设；精品课程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）15-0155-02

教育部《关于启动高等学校质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》指出精品课程建设是高等学校教学质量与教学改革工程的重要组成部分，是具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程。《工程流体力学》是机械、热能动力工程、土建等学科的一门重要专业基础课程，在学生知识能力培养和知识体系结构中起着承上启下的作用。2007年本课程被评为国家精品课程，在4年多的建设过程中，不仅取得了建设成果，更以课程建设为契机，对教学中存在的诸多问题进行了深入研究，取得了宝贵的经验。

一、课程建设的指导思想

精品课程建设是本科教学的一项重要的基础性工作，代表着学校的办学特色和学科专业优势，是学校重点专业建设、培养高层次专门人才、开展科学研究、解决经济建设和社会发展过程中重大问题的重要基础。从学院到研究所，大家都充分认识到了精品课程建设的重要性和迫切性，认定应切实采取措施，加大课程体系优化和课程整合的力度，加快教学内容、方法和手段的改革，抓紧课程教学队伍建设，造就一支结构合理、教学水平高、教学效果好的课程教学队伍。

二、课程建设的实施方法

1.改革教学内容。《工程流体力学》作为一门专业基础课，以研究流体（液体和气体）平衡和机械运动规律为核心，通过各教学环节的学习，使学生掌握流体运动的基本概念、基本计算，为后续课程的学习奠定了基础，并能运用流体力学的基本理论解决工程中的实际问题，提高学生分析问题、解决问题的能力。旧的教学模式过于追求“自身”的完整和独立，这种体系的特点是强调系统性、整体性，重视数学推导；部分内容起点低，简单重复；忽视课程的基础作用，片面强调工程流体力学的课程教学为专业服务，不适应加强基础、拓宽专业面的人才培养模式。鉴于以上问题，删除一些和热力学、普通物理学等课程简单重复的内容，引进一些反映当代最新研究水平的内容，如紊流理论、非定常理论和新的测量技术、计算流体力学等，使学生在掌握基础理论的同时，了解课程的最新研究成果和动向。

2.加强教材建设。精品课程必须配备一流的教材，建材建设一直是我校在国内同行中影响较大的一个重要方面。目前由我校编写的流体力学方面的教材5部，分别获得国家“九五”“十五”“十一五”规划教材立项，现正在申报国家“十二五”规划教材立项。其中由电力出版社出版的《工程流体力学》曾获得过高等学校水利电力类优秀教材一等奖、全国优秀教材一等奖。在教材建设上，一直根据工程实际需要，贯彻“少而精”的原则，并从工科本科生学习课程的实际出发，“填平补齐”，循序渐进，逐步提高。并适当加强理论基础。例如，用系统与控制体的输运公式导出流体力学积分形式的基本方程，进而导出其微分形式的基本方程；又如，对实验的理论基础——相似原理和量纲分析，也给予必要的重视等。这样，便适当提高了理论起点，加强了系统性，避免了重复，而且物理概念清楚，学生易于接受。

3.丰富教学手段教学手段和方法的改革是精品课程先进性的重要体现。精品课程应该充分利用现代化的教学手段，采用有效的教学方法，与传统教学实现有机的结合。为了有效提高教学质量，采用了多种方式：（1）翻译了美国某出版社的流体教学影片，该片内容丰富生动，被国内许多高校采用，在流体力学课程的教学中起到了较好的辅助作用。（2）建设了精品课教学网站，将教学基本要求、课程进度、教学内容、典型例题、实验教学、流体力学发展简史、授课录像等上网开放，实现优质教学资源共享。学生除了在课堂上听老师讲解以外，在业余时间还可以通过网络进行复习，加深对课堂内容的理解。该网站设有在线答疑功能，学生可通过网络提出问题，教师可以在网上答疑。实践表明，教学网站的建设对提高教学质量有显著效果。（3）购置、自行制作了工程流体力学多媒体教学课件，用于流体力学课程的课堂教学。工程流体力学的特点之一是概念抽象，而且由于流体没有固定的形状，在讲解时常需要借助一些图形表示流场的存在，教学中适当利用多媒体，可减少教师在黑板上的画图时间，同时动画、视频、图片等可使内容变得生动、直观，有效提高讲课效率和教学效果。因此教学中采取以多媒体教学为主，板书为辅的教学手段，收到了很好的教学效果。

4.加强实验教学建设。实验教学是工程流体力学教学过程中一个非常重要的环节，实验教学不仅可以培养学生的动手能力，分析和解决问题的能力，而且还能提高学生的学校兴趣、加深对理论知识的理解，在实验过程中还能将流体力学的各部分知识点有机地联系起来，使之形成完整的知识链。

根据购置的实验设备自行编写了实验指导书，明确了仪器设备的工作原理、实验过程的具体步骤、实验结果的分析和处理以及实验中的注意事项等内容；为了实验教学的多样化，自行编制了工程流体力学实验教学演示软件，形象直观，使学生一目了然；自行研制了多功能空气动力学实验台，可进行平板边界层、圆柱体绕流、弯管压力分布、紊流射流等多项实验；合作研制了小型烟风洞，可演示飞机模型（包括机翼）、汽车模型（轿车、卡车）、圆柱体等流场，使实验教学的质量和效率得到了提高。

5.改革考试形式。工程流体力学中公式特别多，而死记硬背这些公式及其推导意义不大。对以往的闭卷考试形式进行了深入探讨，发现闭卷考试主要存在以下问题：（1）考试中客观题占的比重较大。客观题就有标准答案，这使得课程教学成为趋同性教学，即希望学生的认识都统一到这一标准之下；（2）考试内容中记忆性成分所占比重较大。而记忆性的知识可以通过短期突击学习获得迅速提高，这使得许多同学平时不学，临近考试“加班加点”以应付考试。另外记忆性学习较适应女生，因此出现了所谓的“女生优势”现象；（3）一次考试定成绩。教师往往根据期末考试的成绩来决定学生的总评成绩，很少考虑学生的平时成绩。这就导致了学生平时上课不认真，期末搞突击的现象；（4）由于采用闭卷考试，计算题往往比较简单，无须建立数学模型即可求解，不能反映出学生的思维能力与数学建模能力。为了提高本科教学质量，适应素质教育的要求，采用半开卷（即考试时学生只带一张A4纸，上面可以随意记录内容）的考试形式，在考试内容上，减少了客观题，加大主观题，注重内容的应用性、灵活性和综合性，注重考查学生的基本知识的掌握程度及灵活应用知识的能力。这样既能兼顾一般学生的合格水平，又能突出优秀学生的创造性思维和激发他们能力的发挥。

三、结束语

《工程流体力学》是一门非常重要的专业基础课程，它具有较强的理论性、抽象性和实践性。本文深入分析精品课程的建设，以期交流经验，提高工程流体力学教学水平，从而帮助学生更好的掌握和理解工程流体力学的具体内容，提高学生分析问题、解决问题的能力。

参考文献：

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关键词 开放性问题 流体力学 互动

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.08.067

Abstract In order to enhance interaction in classroom and improve the thinking quality of students， the open-ended problem and its types have been explained in this paper. And the different functions to train thinking quality have been analyzed about various types of open-ended problem. In view of characteristics of fluid mechanics course， the feasibility and practices have been discussed to train creative thinking of students in classroom teaching.

Key words open-ended problem； fluid mechanics； interaction

所谓开放性问题，就是没有确定答案的问题，通常是指那些解决问题的方法和策略以及结论不唯一、不确定的问题，其最大特点就是“不确定性”。这类问题不能轻易地像封闭性问题那样只用简单的肯定或否定来回答，而是给出问题的条件，让学生根据条件探索相应的结论，而且符合条件的结论往往呈现多样性，即便是同样的条件和同样的结论，也有多种不同解决问题的路径，因此相比封闭性问题更具有刺激性和挑战性。在课堂教学中多引入这类问题可以使课堂互动更加深层化，激发学生的学习热情，有效培养学生创造性思维。

流体力学是研究流体的平衡和宏观运动规律以及流体与周围物体之间相互作用的学科，①流体力学不仅具有基础学科的性质，同时又具有鲜明的技术学科特点。在流体力学课堂教学中恰当地引入开放性问题，激发学生的创造性思维，变“教材上怎么讲我怎么做”为“你提问题我去思考和解决”，引导学生探究、质疑、求异，既营造了和谐的师生关系和互动的学习氛围，又有利于培养学生的思维品质和创新能力。

1 开放性问题的类型

开放性问题是探究性较强的“不确定性”问题，这类问题的解决途径具有多样性特点，其思维特征体现出多向性和指向不确定性，因此对于培养学生的独立解决问题能力及创造力具有重要的作用。常见的开放性问题主要类型有：条件开放型、策略开放型、结论开放型、综合性开放型等。②其中，条件开放问题是指给出的条件或多、或少、或模糊、或不确定的问题，需要学生自己去发现、取舍、判断。策略开放问题是指由条件获得结论的过程具体方法形式不唯一，可以同时有多种方法和策略，这种问题自由度比较大，常和实际应用联系紧密，一般可以让学生自选策略，得出自认为正确的结论。结论开放问题是指那些有多种不同答案或不确定性结论的问题，学生需要经过思考、推理或猜想来找出自认为合理的结论。综合性开放问题则是一种非常复杂的问题，兼有条件开放、策略开放以及结论开放等类型的开放性问题。

2 开放性问题对培养创造性思维的作用

作为直接或间接地影响学习和工作效率的个体智力特征，人的思维品质主要包括思维的深刻性、灵活性、批判性、敏捷性以及创造性，这些特征正是创造性思维方式的主要特点。③不同类型的开放性问题对于学生思维品质不同方面的提高有着各自不同的功效，而这些作用无疑均有益于学生创新思维能力的提高。

条件开放型问题所给条件有多有少，更有模糊的、不确定的条件，这就使得学生在寻找解决问题的条件过程中，必须摆脱所给条件的干扰，进行独立思考和判断，不能盲从附和，要明辨是非，善于质疑，努力克服思维的僵化性。因此，条件开放类型的问题对于发展学生思维的创新性和批判性具有积极的作用。策略开放型的问题由于具体方法形式不唯一，就促使学生在解决问题的过程中必须从不同方面、不同角度去思考问题，根据实际情况的变化及时调整应对策略，抓住问题本质，应用不同的知识和方法，去合理地、灵活地、多样性地解决问题，这对于学生深入理解掌握和灵活运用相关知识很有益处，可以培养学生思维的灵活性和敏感性。结论开放类型的问题可以促使学生从特定问题出发，通过归纳、总结、演绎、推理等各种逻辑方法，从深度和广度上多层次、多角度去分析和解决问题，不断提高其思维的抽象程度和逻辑思维水平，进一步解决更加复杂的问题，培养学生思维的深刻性。综合性开放问题综合了前面各种问题，使学生在思维的批判性、灵活性、深刻性和敏捷性方面可以得到全面锻炼，不仅善于观察和发现问题，而且不拘泥于课本原有的知识和方法，善于采用新的方法和思路解决问题，可以有效地培养学生思维的创造性。

3 开放性问题在流体力学教学中的应用

流体力学是一门理论性和工程实际意义都较强的课程，既与理论力学、大学物理、高等数学等基础课程联系紧密，同时又是一些相关专业课程的基础，在培养学生思维方式、科学素养以及能力素质等方面都具有十分重要的作用。在流体力学课堂教学中恰当地引入开放性问题，通过开放性问题的探究过程，激发学生的好奇心，增强他们的自信心，培养学习热情和兴趣，感知和体会知识的价值和意义，使学生在学习过程中既掌握了相关知识，又提高了思维能力和水平。这不仅是培养学生创新和思维能力的需要，同时也有助于教师的专业发展和教学能力提升。

在课堂提问时选择条件冗余的开放性问题，让学生在其他条件干扰下寻找问题答案，如：船舶的螺旋桨推进问题，在应用动量定理计算螺旋桨对流体的推力进而获得螺旋桨的推进效率时，只需用到入口和出口截面的速度大小，根本不需要知道流体的密度、流量以及桨盘面积等条件，学生必须根据自己掌握的知识从中筛选出适宜的有用条件，进而解决问题获得答案。这类问题的训练有助于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，使其养成独立思考习惯，在克服思维惰性和僵化性的同时，培养其批判性思维。

流体力学习题中常有一道题多种解法的情况，例如：能够自动开启的挡水闸门问题，可以分别利用解析法和图解法来求解，这就属于策略开放类型的问题，针对策略开放问题，在课程教学中启发和鼓励学生开动脑筋，采用不同的思路和方法去解决问题，并通过小组讨论等方式从中选择最佳方法。通过不同方法间的比较和讨论，不仅可以培养学生的创新意识，还可以有效地培养其思维的灵活性、敏捷性以及批判性。

在航空航天、交通运输、造船航运、海洋气象、环境保护、土木建筑、医学工程、武器装备等各个领域无不涉及流体力学相关问题，其中有许多技术问题或科研领域正在研究探索的问题，都没有唯一的答案和明确的结论，从不同的层次和不同的角度出发，运用不同的方法，会得出不同的结果。在课堂教学中选择其中一些不过分复杂的问题开展研讨式学习，让学生通过亲自探究，寻找自认为合理的答案。这样可以激发他们的学习动机，使学生在查阅和分析利用文献资料、实际操作探寻答案的过程中，培养其思维的深度和广度。

除了采用上述单一形式的开放性问题培养学生思维能力外，在流体力学课堂教学中还可以运用兼有条件开放、策略开放和结论开放的多元化综合开放性问题来培养学生的创造性思维。如：给学员提供一段两船高速并行最后相撞的视频录像，让学员通过仔细观察和思考，自己提出与课程知识内容相关的问题，并试着给出解决问题的办法。这就是一个综合性开放问题。学生在观看过视频后会提出许许多多与流体力学课程相关的问题，如：有学生提出了船舶航行时的平衡及稳定性问题，船舶前进的动力问题，高速并行船只为何易于相撞问题，海水的粘性带来的阻力问题，船舶外型设计减阻问题，等等。针对不同问题启发学生从流体力学不同的知识点出发，从不同角度进行思考，如：浮力定律、船舶的定倾中心、螺旋桨的推进效率、流线及总流的伯努利方程、普朗特的边界层理论、压差阻力等等，问题自然会迎刃而解。在问题研讨的过程中，还可以把这些知识拓展应用到岸吸及舰船下坐现象，喷雾器，舰船水压场，流体测速方法，空化现象以及超空泡水中兵器等许多实际问题上面来，既巩固完善了学过的知识，还可以通过知识点的有机融合和正向及逆向、聚集及发散等不同思维方式的运用，全面培养和提升学生的思维品质。

4 结束语

在流体力学教学中引入开放性问题，有助于活跃课堂互动氛围，调动学生学习的积极性，在对问题不断的探究和研讨中培养学生具有深刻性、灵活性、批判性、敏捷性和创造性的思维品质，进而培养其同中求异，异中求新的创新意识、开拓精神和创造性思维能力。而开放性问题的设计、研讨、解决的过程，也有助于教师的专业发展和能力提升。

注释

① 张志宏.流体力学基础[M].北京：海潮出版社，2006：1.

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关键词:基础力学实验，土木工程，实验教学，结构创新

大赛对土木工程专业来说，基础力学实验是相关课程中的重要一环。实验课程可以演示及论证力学理论，建立直观的理论与实际结合的范例，有助于学生对力学知识点的深入理解，这对学习基于力学知识体系的后续课程非常重要。国家在2010年推出的2010年—2020年中长期教育改革发展规划与人才发展规划两大纲要的基础上，提出了“卓越工程师教育培养计划”，意在为建设创新型国家及工业现代化积累专业基础人才。2015年国家提出第一个制造强国十年(2015年—2025年)战略“中国制造2025”。2016年我国加入“华盛顿协议”，本科工程学位实现国际互认;同一年“新工科”正式被提出，并迅速产生“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，拉开了新工科建设的帷幕［1］。2017年，教育部提出开展示范性虚拟仿真实验教学(2017年—2020年)。面对这些随时代不断重叠变化的指导意见，基础力学实验教学在教学科研型高校土木工程专业中应该如何实施，如何紧跟时代步伐通过实验教学将理论联系实际，都是需要思考的问题。

1基础力学实验教学中的现状

以作者工作所在南通大学(通大)为例，开设基础力学教学的专业除了土木、机械、环工、交通等，随着办学的多样化还包括附属三本院校及联合办学等部门的相关专业。各专业有自己的学科特点和教学要求，因此在教学环节分别构建了不同的基础力学课程体系;力学实验室建设涵盖了理论力学、材料力学和流体力学的相关内容，包含了动手实验和观摩实验。每学年在力学实验室的上课人次有数千人，配备的力学实验室管理教师仅1名，大部分力学任课教师在实验环节需要兼实验指导老师。讲授加实验这样的实验教学模式效率不高，需要分析和调整。1)实验进行时理论基础普遍不扎实。近几年大学加强了人文学科培养及思想政治课程，另外根据前述文件大学课程中的实践教学环节，实验、测量、认知实习及工程训练等课时数基本保持，理论课程学时大都被压缩。比如原先58学时理论课+6学时实验课的材料力学课程现在降到42学时理论课+6学时实验课。本应该每次实验之前先对学生讲授实验理论知识，像材料力学实验相关的应变片桥路、平面应力分析、三种基本变形的应力、设备构造等都需要时间介绍。但因为实验设备日程安排紧凑，常存在理论知识的滞后，若学生未提前预习加之实验后不及时深入巩固，更是达不到实验课的教学目的。2)实验少降低了力学学习及思考的积极性。黄再兴等［2］通过对比国内外工科专业的力学课程设置，发现15年前国内力学课程学分占比约为6．4%，国外土木专业力学学分占比基本在12%左右。而且从力学课程开设上，国外高校机械和土木专业除了理论力学、材料力学和流体力学的必修课外，还突出了弹性力学。国内现在大部分工科专业仅开设理论力学和材料力学，有些干脆合为一门工程力学课程。学分比例上力学的学分比例偏低，理论力学和材料力学总比例低于5%，不到国外的一半;算上结构力学和弹性力学也不超过9%［3］。南通大学土木专业还要学习结构力学、流体力学两门基础力学课，弹性力学在几年前的课程调整中已经删减了。涉及到实验教学需要动手的主要是材料力学和流体力学，分别占大约6学时～8学时;理论力学有部分观摩实验，通常机动进行;土力学是土木工程专业教师指导实验，其实验课现状跟其他力学实验课类似，故合并讨论。力学本身为公认的难学课程，动手机会的削减更会降低学生的学习兴趣。整体来说，南通大学基础力学实验室硬件建设上已取得较大成绩，如何充分利用是当前要思考的问题。3)实验内容主要是传统实验，需要融入创新点。已开设的力学实验大都是验证实验，像材料力学的弯曲正应力、弯扭组合、弹性模量的测定、低碳钢的拉压等实验，流体力学的孔板流速测定、沿程水头损失、雷诺实验等。学生按照实验指导书的步骤进行操作就可以得到预定的结果，对培养学生的自主思考和创新能力不利。这些实验是必要的，但是全中国几乎所有开设了材料力学课程和流体力学课程的学校都可以进行相关的实验。反而随着人工智能、3D打印、纳米科技、新材料等的进步，似乎在实验内容和形式上也需要跟紧技术前进的步伐，让土木专业毕业生能尽快适应社会需求。大连理工大学通过开设一些研究创新型实验，取得了较好的教学效果。其中包括了焊接缺陷损伤、残余应力和结构损伤等的检测［4］，另外还面向学生创新实践开放实验室，值得借鉴。通大历年为参加实验力学竞赛和结构创新大赛而购置的实验装置大多闲置，也造成了资源浪费。

2基础力学实验教学改革探讨

以就业率为导向的培养目标指引下，高校引入专业淘汰机制后，提升毕业生专业素养需要让学生能思考实际问题、提出解决方案并动手实施。基础力学实验活学活用，结合理论基础，能够帮助解决生产过程中的很多问题，这也是2010年后全国基础力学实验竞赛开展的初衷。基础力学实验在高校教学过程中还是要坚持开展、保证学时、强调效果、努力创新。拟采取的改革方案见图1。完成新工科背景下的基础力学实验教学基础力学试验教学现状改革方案错开章节，保证动手前已熟悉理论时间紧，理论不扎实结合互联网加微视频实验项目少融入力学实验竞赛，教师科研中的力学测试，结构创新大赛等传统验证试验多，创新点少++图1基础力学实验教学改革方案1)实验室日程安排紧凑的情况下，可在教学内容的次序上稍作调整。比如说材料力学课本通常会按拉压、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态和强度理论、组合变形等顺序来安排章节。若所有班级都按部就班地照顺序讲，就会存在所有班级短期内均需要使用实验室而造成时间冲突。而拉压、扭转、弯曲三种状态本身理论体系较独立，在讲完截面法后，讲授顺序是可以调整的。教研室内部实施时，可按教师人数1/3来分，错峰教学。弯扭组合实验涉及到的知识点较多，课本组合变形章节又存在拉弯扭、偏心受压等涉及拉压的内容，就需要在小章节顺序上再适当调整了。在课堂上先普及实验理论知识再让学生动手操作，普遍反响良好。流体力学本身开班数较少，教学过程中不需要大调整。一些观摩实验通常是在实验室结合模型即时讲授，再结合实例加深理解。2)当下微课、互联网+教学等层出不穷，力学实验课也可以结合这些手段积累微视频来实施课下学习。21世纪不光是信息技术的时代，当下更是要进一步发展人工智能。学生们日常生活中已离不开智能手机或平板电脑，获取信息的渠道远非20年前可比。微课立足于微视频，近几年如火如荼地开展起来了。基础力学实验主要内容重复率较高，完全可以考虑采用10min以内的微视频来实践课前预习和课后复习。录制专任老师讲解各实验操作的视频，通过网络分发时只配送任课老师自己的视频给学生即可，保证该课程的连续性和完整性。微视频辅助教学因为涉及的内容对学生来说较有趣，学起来轻松。这可以解决课程课时减少的问题，同时也不会给学生太多负担。嘉兴学院尝试进行的力学实验微视频教学实践取得了较好效果，说明其具有可行性［5］。3)授课中可补充力学实验竞赛和老师的科研课题中涉及的力学内容。全国基础力学实验竞赛从2010年至今已举办过几届了。作者也担任过两次江苏省基础力学实验竞赛指导老师。竞赛内容分为笔试部分和动手实验部分。普通高校教学中，常略过弯曲中心、形心主轴、对形心主轴的惯性矩这些概念，而这些内容又会出现在实验力学竞赛中。所以参加实验力学竞赛的学生需要先补充这些知识点。另外，竞赛的题目常涉及异形截面、非常规加载、多样的材料，对学生来说是很好的锻炼与提高的机会，能借此深入体会理论和实践如何联系。力学实验教学中也可以适当将这部分内容分段做成微视频，起到启发学生思考的作用，让他们明白怎么样学以致用;同时能丰富力学实验的内容，提升学习兴趣。任课教师还可以结合自己的科研课题，讲授中普及新材料力学性能、多样的加/承载方式、构件设计、流固耦合、结构振动、结构选材等，引导学生进入老师所进行的实验相关力学环节，既活跃课堂又巩固力学知识。有些能力强的学生还可以提前融入老师的科研团队，尽早开发科研潜力。另外大学生创新训练每年都会开展，适当开放实验室为学生提供实验条件也能一举多得。4)合理利用结构创新大赛的装置开展结构力学拓展实验。南通大学先后参加过多届江苏省结构创新大赛，积攒下不少赛题、配套装置及耗材。配套装置体型不小、设计灵活，有较大的发挥空间，若仅是当届学生校内选拔或练习使用后就闲置，实属浪费。随着专业基础课程学时的减少，结构力学上机课已取消，学生对该课程的普遍反映是印象不深。大部分同学在进入钢结构、结构抗震、桥梁设计等课程学习时，需要回顾结构力学。课堂上可以利用这些竞赛装置和模型，展现荷载的合理分配、结构的优化设计等，寓教于乐，一举多得。

3总结与讨论

力学课程相对枯燥，但是力学实验课是一味很好的调剂方子，学生普遍对基础力学实验课程充满好奇和兴趣。通过力学实验课程积极引导土木专业学生思考并利用力学知识解决实际问题，让他们毕业后能尽快适应工作需求，是值得实践并改革的课题。这需要教学中不拘泥于课本知识、保证动手之前已有理论基础、提供充分的课后力学实验相关资料。学生也应该积极动手、主动学习。教与学两方面加强互动，才能提高基础力学实验课程的效率。在重视实践教学的大环境下，更应牢牢把握基础力学实验课程，在形式和内容上不断改革创新，培养高素质人才来服务社会。当下疫情横行，南通大学基础力学试验教学是通过微视频加理论的方式来完成。这也算是做到了改革方案中的一条，今后教学中应增加竞赛或老师科研试验相关微视频，为疫情期间的基础力学试验教学加点味。

参考文献:

［1］吴莹，徐志敏，张凌．适应“新工科”人才培养需求的力学实验教学新模式［J］．力学与实践，2019，41(1):86-90．

［2］黄再兴，胡海岩．国内外大学工科专业力学课程设置情况对比［J］．力学与实践，2003，25(1):72-73．

［3］马宏伟，张伟伟．新工科力学课程体系的几点思考［J］．高等工程教育研究，2018(3):6-12．

［4］金立强，李书卉，李达，等．基础力学实验教学体系的改革与探索［J］．实验室科学，2017，20(4):143-146．

篇8

摘要：借助微流控技术和数值模拟，设计了一套通过观测流体流场确定流体流变性的实验体系。实验结果表明：实际流场分布与模拟结果基本吻合，所测得的平均流速为74．84μm／s，和实验设定75μm／s接近，且计算所得的动力黏度值与参考值相符；所测油品在不同温度下的流场皆与模拟曲线相吻合，说明该实验测定流体黏度精确度高；得到了较大温度范围内流变性的定量变化规律，所测油品皆在低于300K时油品的动力黏度随温度降低呈指数性增长。该方法简单可行、准确度高，适用于相关学科的本科教学实验。

关键词：石油；流变性；微流控技术；数值模拟

微流控芯片（microfluidics）又称为芯片实验室（Lab－on－a－chip），是指在一块面积很小（约几cm2）的透明载体（如玻璃、塑料等）上构建的尺寸精确的化学或生物实验室，它实现了化学和生物实验室常规功能的集成，具有高灵敏度、高精度、透明可视化、低成本等特点，是一种新兴的分析检测手段。国外已经将微流控技术引入到了化学、生物、医药、环境等各个领域，并使之发挥了重要的作用。我国的微流控芯片技术起步较晚，但发展很快，如林炳承、王立鼎、方肇伦等人都为我国微流控技术的应用提供了很好的理论指导和现实意义。在石油工程领域，涉及流体的问题很多，如从流动形式包括油气水的渗流、管流、环空流等，流动状态包括层流、紊流、段塞流等。目前，这些问题的传统教学研究手段十分有限，且耗时耗材、精度不高，而微流控技术为这些问题的教学与研究提供了新的可能。

1实验设计背景

2014年，3．1亿吨的原油进口量标志着我国成为世界第一原油进口国，此进口量占我国原油消费总量的59．6％，也意味着我国能源消耗巨大，迫使我国寻找更多的油气资源。南海幅员辽阔，蕴藏着丰富的油气资源，具有巨大的开发潜力，然而大多数油气资源蕴藏于1000～1500m甚至更深区域，开发难度大，而钻井液须经历从水下低温到地层温度的大温差交变作用，所以钻井液的流变性调控是难点之一。目前低高温交变作用对深水钻井液流变性的影响规律，以及化学药剂的调控作用和微观机制尚不清楚，对钻井液流变性调控比较盲目，易引起井下复杂情况甚至井喷等恶性事故。因此，理解温度对流体流变性的影响规律不仅是对流体力学课的应用与补充，更是石油工程、海洋油气工程、油气集输工程等专业的重要学习内容之一。

通过该实验体系掌握温度与流体流变性的关系，将会对理解环空流、渗流、深水钻井液设计等提供有力的支持与帮助。传统的钻井液流变参数的测量依靠旋转黏度计完成，但旋转黏度计仅限于常压下某几个温度点的流变性测量，且精度较低。针对深水钻井液的特点，虽然已有专门的仪器可以测定低高温及高压条件下的钻井液流变性能，但是现有仪器价格昂贵、操作复杂，不能普遍适用于本科及研究生日常教学。因此本文提出一套新的可行性教学方案，借助微流控芯片技术和COMSOLMultiphysics数值模拟软件，通过对流体流场的观测及拟合，得到恒压下温度对流体流变性的影响规律，并可扩展到对变压变温条件下流变性的认知，从而使学生理解流体力学相关知识点并掌握其应用。

2实验设置与原理

本文以水和油为例，就温度对钻井液流变性的影响规律进行实验验证和数值模拟研究。

2．1实验装置与试剂

本次实验使用的微流控芯片通道构型为单直通道，其一面为聚二甲基硅氧烷高分子材料（PDMS），底面载体为玻璃。微通道宽为460．5μm、高为44．2μm。由微量进样器、微流控芯片等组成。其中微量进样器和微流控芯片通过特氟龙管线连接。微量注射泵用于对水的流变性的基本观测。当观测流体为油时，微量注射泵换为恒压泵，用以研究压力一定时，温度对流体流变性的影响规律。实验试剂包括尼罗红荧光颗粒，颗粒直径为1μm。实验流体分别为去离子水、机油、甘油。

2．2实验原理

因为微通道的宽高比大于10∶1，所以管道内的流场近似认为是在二维平面上分布，而且实验设定的流速范围保证流体处于层流状态，故流体在微通道内的流动近似与圆管层流的规律一致。实验过程中，将含有荧光颗粒的样品吸入微量进样器，通过微量注射泵或恒压泵以一定的流量注入微流控芯片并保持注入状态，芯片内样品将在通道内以设定的流速流动，而荧光颗粒随流体流动，且与该流层的流体具有相同的速度。通过显微镜可观察到芯片内样品的流动，使用照相机进行适当的长曝光，可得到样品迹线的照片。在设定的曝光时间下取得的照片，每颗荧光颗粒留下一条轨迹。某一荧光颗粒可代表流体中该处的质点，该荧光颗粒的轨迹可看作该处质点的迹线。通过分析质点迹线的长短可量化得到流体在微流管道中的速度分布，并通过COMSOLMultiphysics的模拟工作验证实验结果的正确性。COMSOLMultiphysics是一款基于有限元法的数值模拟软件，在多领域的科学研究以及工程计算都可应用，被称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。该软件可模拟科学和工程领域的各种物理过程，凭借着高效智能的计算方法、多场双向直接耦合的分析能力等特点，被并广泛应用于声学、流体力学、结构力学、量子力学、多孔介质等领域。

3实验结果与讨论

3．1水相的流场观测与模拟验证

为了验证实验的可行性，首先针对去离子水进行实验，观测并模拟其流场，具体实验步骤如下：

（1）直接使用荧光颗粒溶液作为样品进行实验，用微量进样器吸入荧光颗粒溶液适量，然后将微量进样器架设在微量注射泵上，在微量注射泵面板上设定相关参数后，即可开始注入样品；

（2）开启微量注射泵向微流控芯片注射样品，将样品充满微流控芯片通道并流出少许后暂停注入，然后调整显微镜，使目镜下的视野为微流控芯片通道中段，且大小适当，将照相机与显微镜连接，并调整焦距；

（3）设置温控平台温度为298K，待温度达到设定温度后开启微量注射泵，观察到流动稳定后，开始拍照，照片数量可根据实际效果决定，但不应少于5张；

（4）照片收集后，利用图形分析软件进行量化分析，从而得到特定温度和特定流速下的去离子水流场分布，由荧光颗粒迹线分析所得的流场分布符合圆管层流理论解析解的抛物线形式，且流速于管轴处最大，实际流场分布与模拟结果基本吻合。由实验结果拟合所得的平均流速为74．84μm／s，和实验设定的平均流速75μm／s接近，由此计算所得的水的动力黏度μ（0．8985cP）与查表及模拟所用的值皆一致，代表实验方案准确可行。

3．2油相的流场观测与模拟验证

荧光颗粒表面进行疏水性处理后，加入油相以指示其流场分布，具体操作步骤与水相观测一样，但注入方式从恒流改为恒压，即将流量注射泵换为恒压泵，进口压力控制为1．5个大气压。且完成一组观测后，将温控平台的温度调整至348K，待系统稳定将测量步骤再重复一遍。

3．3温度对油相流场影响与黏度结果拟合

在更多温度条件下对两种油品的流场分布进行了模拟，并选取了其中5条曲线以便说明。机油的速度分布曲线近似为平板型层流曲线，明显区别于甘油的尖峰型层流曲线。平板型层流有利于携带岩屑及井壁稳定［12］，符合机油的特点要求，也是钻井液所需要的特性。进一步对比机油与甘油的流速分布曲线可得，在273K～373K的温度变化范围内，机油的黏度不断降低，而甘油的黏度从323K开始便不再随温度的升高发生明显的变化。通过圆管层流理论提取不同温度下的流体黏度，则可得动力黏度变化曲线。随着温度的降低，两种油品的动力黏度皆增大。特别是在低于300K时，流体黏度受温度的影响很大，黏度随温度降低呈指数性增长；温度较高时对流体的黏度影响不是很明显。这也充分表明，低温流变性的调控是深水钻井液必须要攻克的难题之一。通过实验，使学生从实际和理论两方面对这一问题得到更深层的认识，同时也可借助这一实验体系对“恒流变”钻井体系进行设计与验证。

4结论

（1）在恒流下，水的实际流场分布与模拟结果基本吻合，由实验结果拟合所得的平均流速为74．84μm／s，和实验设定的平均流速75μm／s误差较小，且计算所得的动力黏度值与参考值相符；

（2）在恒压条件下，测得机油在不同温度下的流场，并得到其动力黏度在298K和348K时分别为0．574Pa•s和0．028Pa•s，与模拟曲线相吻合；甘油的动力黏度在298K和348K时分别为0．995Pa•s和0．024Pa•s，与模拟曲线相吻合，说明该实验测定流体黏度精确度高，可定量分析温度对流变性的影响；

（3）利用阿伦尼乌斯公式进行拟合，可得到较大温度范围内温度对流变性影响的定量规律，在低于300K时油品的动力黏度随温度降低呈指数性增长，说明研究低温下深水钻井液流变性调控是必要的；

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1.1课堂内容过分侧重造船方面的知识，理论性过强

该校“船舶静力学”课程教材选用《船舶原理》（上册），教材侧重讲授船舶性能的基本理论，追求理论的完整性和严密性；公式的推导繁杂，涉及到的数学、工程力学和流体力学等基础理论知识很多，对船舶设计中的航海性能的分析较少，这些都很不适合航海类专业的培养目标。这点问题无论在初修班还是重修班均存在。

1.2课堂到课率、学习积极性和课堂参与度较低

重修班的学生均为第二次参加“船舶静力学”的课堂学习，对于课程内容和重难点已有一定的了解，再次学习课程内容感觉到很乏味，缺少新鲜感，造成学习积极性和课堂参与度不高，甚至出现很严重的缺课现象。

1.3作业自主思考较少，抄袭现象严重

对于重修班同学来说，由于缺课造成对知识点掌握不到位，无法做到真正的理解，在完成课后作业时就感觉到吃力，进而只能通过抄袭来完成课后作业。怎样使船舶与海洋工程专业的学生更好地掌握“船舶静力学”的课程内容，更好地与培养目标相适应，作者通过这几年的授课，提出一些对于重修班教学方法的几点想法。

2“船舶静力学”重修班教学方法的几点建议

为适应船舶工业发展对人才多元化的需求，激发学生学习的热情，该校“船舶静力学”的教学方法可分别采用讲授、案例、复习以及模块专题相结合，配套的教学手段采用多媒体教案，交互性、启发性的教学案例，体现教学相长的教学原则。

2.1复习型和模块专题型教学方法

鉴于重修班学生对课程内容已有一定的了解，采用复习型和模块专题型教学方法，目的是帮助学生对各性能模块进行归纳总结，进而提炼问题，得出解决问题的思路和方法。如采用讨论加归纳的方式对课程内容进行复习。

2.2问题实例教学法

采用问题实例教学实践环节，采用参与性的教学，目的是做到理论与实践结合，帮助学生巩固，加深理解和掌握教学重点，难点的基本概念，基本方法，基本计算及其技能。案例教学的运作阶段主要包括4个环节:给出实例描述、提出问题；分析问题，形成初步解决方案；课堂讨论予以解决；点评总结解决方法。如“装卸液体载荷”的问题，通过问题实例教学的各个环节，要求学生能总结出解决这一类问题的一般思路，并能从中牢记计算公式，使学生对问题的解决有深层次的理解。

2.3分组讨论式教学

考虑到学生解决实际问题能力的缺乏，可结合上述提到的实例教学法，将学生进行分组，对上述实例举一反三，衍生出多个问题，在各个小组内执行讨论式教学，将讨论结果形成解决问题的思路进行交流。通过这种方法激励学生的团队协助和合作能力，鼓励刺激更多学生参与讨论参与学习。

3结语

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关键词：化工装备；课程体系；工作任务；技能；背景知识

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）41-0215-02

一、构建基于工作任务的课程体系思路

“高职化工装备技术专业综合改革”是四川省教育厅2011年高等教育质量工程立项建设项目，化工装备技术专业课程体系建设是化工装备技术专业综合改革的重要部分之一，本文介绍的课程体系已经在我院2010级开始试行。机械工程系邀请化工装备技术行业企业专家、人力资源部门负责人、生产一线技术人员和管理人员组成专业建设委员会，课题组通过市场调研，召开专业建设会议，并广泛征求教师、行业企业专家和技术人员意见，指导化工装备技术专业课程体系建设，提出了基于工作任务的核心课程体系建设的方案。通过对化工装备技术专业所对应的职业岗位进行分析，提炼出适合教学的主要49个工作任务，对岗位的工作任务进行组合，将岗位背景知识、工作过程的相同或相近知识点、技能点进行归纳分类，以化工装备为载体、化工装备维修为核心，将化工装备的构造、原理、基本故障诊断和维修等融为一体构建一门课程，遵循由简单到复杂、由单一到综合的认知规律，形成专业核心课程体系。打破传统的以学科体系为基础的课程体系。在这一课程体系中把工程力学相关理论融入到机械结构设计与装配中，化工原理、流体密封的相关知识融入到流体机械结构与维护、化工设备结构与维护等课程中，构建基于工作任务的核心课程体系。

二、化工装备技术专业核心课程体系构建

1.化工装备技术专业岗位工作任务的确定。成立由专业带头人、骨干教师、企业专家、能工巧匠、行业专家组成的专业建设委员会，指导专业建设工作。通过对典型企业调研，确定本专业职业岗位的工作任务，这些任务包括机械零件图阅读、机械零件测绘、加工、热处理，通用零部件的选择、装配与维修，液压系统维护、各种化工设备的运行、维护、安装修理，各种化工机器的运行、安装修理、设备管理等49个主要工作任务。罗列完成工作任务所需知识和能力，对工作任务进行分解、组合，以典型化工装备为载体，将化工装备的构造、原理、基本故障诊断和维修等融为一体，构建一门课程。

2.课程体系的构建方法。遵循由简单到复杂，由单一到综合的认知规律，形成基于工作任务的核心课程体系。加强实践环节，将实践进一步的具体到位，以任务驱动、项目导向法进行课程内容重组，按照理论够用为度、突出实践的原则，融合职业资格证书所需的能力内容，将工作领域的工作任务和内容转为学习领域的课程教学内容。进一步的完善，使课程体系、教学的内容更加贴近科学化，实际现实化，使形成完整的可执行的课程体系方案。

3.化工装备技术主要核心课程的构建。第一，机械制图。所对应的工作任务为零件图阅读和零部件图的绘制；所需技能和背景知识为制图的基本知识、零件的表达方法、零件图、装配图绘制与阅读。第二，互换性及技术测量。所对应的工作任务为零部件的加工，所需技能和背景知识为尺寸几何精度及测量。第三，工程材料及成型。所对应的工作任务为零部件的热处理，所需的技能和背景知识为材料的基本知识、热处理、热成型、普通机械加工方法及设备、数控加工技术及设备与特种加工技术及设备。第四，钳工操作训练。所对应的工作任务为钳工操作，按照钳工基本进行训练。第五，机械结构设计与装配。所对应的工作任务为通用零部件的选择、装配与维修。所需的技能和背景知识为常用构建、联接件、机械传动、周、轴承、弹簧等结构特点、工作原理、选型与安装。第六，液压传动。所对应的工作任务为液压系统维护，所需的技能和背景知识为液压传动的工作原理及组成、流体力学基础、液压元件、典型液压回路、传动系统、液压控制系统。第七，化工生产基础。所对应的工作任务为化工生产实习，所需的技能和背景知识为常见化工生产工艺、工作过程知识，管道、阀门的标准、结构、安装维护等。第八，化工设备结构与维护。所对应的工作任务为化工设备的保温、隔热，换热器的故障判断与维护；塔设备的运行、维护与检修；反应设备的运行、维护与检修。所需的技能和背景知识为传热学原理、换热器的结构、工作原理、运行、维护、检修知识；气体的吸收、精馏原理，塔设备的结构、工作原理、维护与检修等；反应设备工作原理，反应釜密封、搅拌类型，反应容器的结构、运行及维护检修等。第九，压力容器结构与制造。所对应的工作任务为压力容器设计与制造，所需的技能和背景知识为压力容器分类、结构、强度计算，主要零部件、压力试验和气密性实验的操作方法，压力容器制造工艺及无损检测。第十，流体机械结构与维护。所对应的工作任务为离心泵及其他类型泵的运行与维护、离心式压缩机及风机的运行与维护、活塞式压缩机运行与维护，所需的技能和背景知识为流体力学基础知识、工程热力学基础知识、流体密封与结构，泵、压缩机、风机的工作原理、结构、运行与维护、选型、检修与安装。第十一，分离机械结构与维护。所对应的工作任务为分离机械的运行、故障诊断、安装修理，所需要的技能和背景知识为介质特性、沉降、过滤、萃取、离心分离原理、分离机械原理、结构、运行、维护、检修与安装。第十二，化工机械状态监测。所对应的工作任务为化工机器振动监测与处理，所需的技能和背景知识信号处理、旋转机械故障诊断与处理。

化工装备技术专业基于工作任务的核心课程体系建设项目，已经在我院2010级开始试行，相应的校本教材已编写完成，我们将在今后的教学实践中，不断的完善和提高，根据教学的实际情况来不断的完善校本教材，根据规范的校本教材来具体实施，用以取得良好的效果，为化工行业和地方经济的发展提供高素质高技能的专门技术人才。

参考文献：

[1]姜平.试论基于工作过程的高职专业课程体系的构建[J].中国职业技术教育，2008，（34）：24-25.

[2]崔秀敏.构建以职业能力为本位的高职课程体系[J].中国成人教育，2008，（1）：100-101.

[3]魏胜宏.优化高职课程体系培养学生可持续发展能力[J].镇江高专学报，2009，（4）：70-73.

[4]唐树伶.以能力为核心的高职课程体系的构建[J].中国成人教育，2009，（15）：74-75.