流体静力学方程的应用范文

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关键词 流体静力学 实验教学 改进措施

中图分类号：G424 文献标识码：A

Measures to Improve Hydrostatic Experimental Teaching Content

SU Linfang

（Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116026）

Abstract In this paper， for the contents of the hydrostatic test， discuss how to understand the detail of isobaric surface statics concept， negative and atmospheric pressure and hydrostatic equation， etc.， and explain how to use it to guide life and production practices.

Key words hydrostatic； experimental teaching； improvement measures

针对本科课程开设的流体静力学实验，其实验的目的：

第一为利用测压管测量流体静压强；

第二为验证不可压缩流体静力学基本方程，即

+ = （公式一）

第三为理解正压及真空概念，测量真空度；

第四为测量油的比重。

为了更好地配合理论课教学实践，本着寓教于乐、将理论转换为日常生活生产实践的指导思想，通过以上实验内容，本文着重分析并阐述如何将之加以活学活用。例如，如何通过静力学等压面原理，解释现实生活中的诸多静力学现象，如热水器出水等马里奥特変液位下恒定流装置原理、液位计原理；如何将负压及大气压概念，应用到日常生活实际中；如何利用静力学基本方程定制各种形式的测压计等。从而使教育内容更加丰富，并达到一定的抛砖引玉的作用。

在日常生活中，经常能看到进水供水量不断变化，出流均匀的现象，如热水器、饮水机及输液点滴瓶等。如何理解这些现象，还得从静力学等压面概念来加以分析。在静力学实验教学中提出，等压面的概念，是指流体中压强相等的各点所组成的面。

即 = = 0 + + = 0

其重要特性是指等压面上任一点的质量力恒正交于等压面，即静止流体上任一点的质量力恒垂直于通过该点的等压面。例如，自由液面及处于平衡状态下的两种液体的交界面均为等压面。

那么如何运用静力学等压面概念来解释以上所提到的日常随处可见的现象呢？诸如热水器均匀出流、饮水机均匀出流等。

首先，针对热水器出水原理，详解如下。

使用热水器的时候会发现，一旦调节好开关大小，淋浴头的出水速度是恒定不变的流出。热水器结构有加热元件、内胆（储水装置）、温度控制器、限压阀、出水口、进水口及混水阀等。其中，进水口的上表面低于出水口的上表面。当电热水器的水温达到设定温度后，温度控制器停止供热源，当打开热水器开关，即进水口与自来水管相连，达到接近100kpa，冷水流入内胆，经混水装置到合适温度，热水从出水口流出。工作过程中，过进水口上表面的水平面的压强近似自来水管压强，这个压强值不会随着内胆内的液位变化而改变。其原因就是，当内胆的热水流出时，进水口一定向内补充空气，否则，内胆将产生一定的真空度，在负压的作用下，热水无法流出。当关闭热水器开关时，没有空气进入内胆，密闭内胆的液面以上形成真空，热水便不再流出。在实际操作过程中，打开热水器开关，经过细心观察，有时能听到水箱中有咕嘟咕嘟的水冒泡的声音，时断时续，这也表明，该等压面压强确实近似大气压强，无论内胆中液体满度如何变化，其作用在喷头上的水压力与该等压面供液压力相等，所以流速恒定也是自然的事了。

其次，针对饮水机出水原理基本详解如下。

饮水机的结构有水桶、热水系统、供水系统、冷热水龙头、电热器、储水槽及聪明座（连接水桶与饮水机的稳固水桶）等。饮水机的水桶是倒扣在聪明座上的，聪明头插入水桶口，储水槽中的液位线为一等压面。当打开供水开关时，水箱中的水经聪明头流入储水槽，箱体内液面产生一定真空度，在大气压力的作用下，空气经聪明头进气孔进入到水桶中，当关闭供水开关，储水槽的液位高度增加，淹没聪明头的进气孔，水桶的水便不再流出。

最后，针对输液点滴瓶的出水原理，详解如下。

输液点滴瓶的结构是，盐水瓶倒挂在架子上，瓶口插有两根细管，一根管是带注射针头的联通细管，另一根是连接大气的通气管。这个也是利用大气压作用的例子。盐水瓶是密闭容器，当调节好点滴流速时，盐水流出时，过通气管上表面做一等压面，该液面以上的压力小于大气压力，则空气经通气管进入，使等压面压力恒定，以此来控制出水流量，流速稳定。

总之，这种结构为一密封容器，设有进气口，液体由下部出水口流出，由进气口输入大气压，以防止出水导致的密闭容器内液位以上负压的情况发生，使得出水口均匀流出液体，这种変液位下的流速、流量均不随时间变化的容器装置，统称之为马里奥特容器。其原理都是利用大气压力作用，进气口不断有空气进入，使得在出水口处的等压面的压强维持在一个大气压下，出水口的液体流出，不受液位变化的影响，保持恒定。

有关液位计的测量原理，也是利用等压面概念。用打气球加压，使得被测液体与U型管内液面之间的管系部分充满空气，则被测液体与深入液体内的管路下边缘处的压强，与U型管内未与大气压相连一侧的液面处压强相等，过该液面做一等压面，则有

=

又根据静力学方程，即公式一

=

则被测液体的高度与U型管内液面升高高度之间的关系为

= （、分别为U型管内液体密度及被测液体密度），

根据以上公式，便可测出被测液面的高度。

实际上，有关静力学中诸如等压面概念应用的例子很多，包括负压和大气压概念的应用，如用喝果汁的吸管，通过抽吸空气，管内形成负压，液体便流向吸管，还有就是压在墙体上的挂钩，也是通过挤压空气，中间橡皮圈内形成负压，使得挂钩牢牢地吸附在墙壁上。

除了以上列举的静力学相关概念在日常生活中的实际运用，在用实验方法研究流体力学问题时，经常需要用测压计来测量流体中的压力分布。针对船舶与海洋工程专业的学生，很直接的研究对象就是，测量沿船体、水翼、舵等的压力分布，从而研究流体对物体作用的力和力矩的一般规律。而且，由伯努利方程可知，流体的速度和压力有一定关系，为了得到流体的速度分布，也需要用测压计测量流体中的压力分布。根据公式一，即静力学基本方程，可以定制出各式各样的测压计。

（1）U形管测压计。U形管测压计，结构简单，一端连通于流体被测点，另一端接入已知压力，即内径为10mm左右的圆管。通过测量两端自由液面的高度差，根据公式一，便可以计算出来所测压力。正如本实验的用到的U形测压管。

（2）微压计。当被测点压力与已知压力很接近的时候，可以将U形管中的液体换成酒精或水银。同时，U形管的结构改成，两边是两个一大一小不等的圆形截面、，中间用截面为细圆管相连。在中间细圆管处用一个塞子隔离，使流体不连续，但塞子在管中可以滑动。当用洗耳球或风扇对着左边截面吹气时，塞子受到压力作用，向右滑移。则有

· = · = 2·

又根据静力学基本方程有

= = 2 ··

由此可以定制出微压计，管中的液体换成比重为13.6的水银，测量结果将更为准确。

（3）杯形压力计。当所测量的自由表面的高度差较小，后果是造成较大测量误差，因此，U形管的结构改成，左边截面为的大容器，右边截面为，并与左边相连通的倾斜小细管，倾斜角度为，即杯形测压计。当被测点压力小于已知压力时，将被测压力接入截面的小细管，在测量自由液面的高度差时，直接沿小细管长度方向测量液体变化的长度。根据测量得到的长度，可以通过相关计算得到所测压力值。例如：

· = · （为大截面容器内液面下降的高度）

= · （为小截面容器内液面下降的高度）

= （ + ） = （· + ·）

= ···（1 + ）（ = 1 + ）

由以上计算可知，测量长度，较之测量自由液面的高度差，使得所测压力值的精度更高，而且，随着的角度越小，即小细管倾斜的越靠近水平，则在同一高度差的情况下，值越大。

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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

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化工原理课程需要重点论述单元操作的基本原理和计算方法，其中包含许多公式的推导和计算。教师充分利用网络资源，制作多媒体课件进行启发式教学，将抽象的原理以小视频、Flas等形式展示给学生，提高教学效率，增强教学效果；使学生在教室中就了解到工厂产品的生产流程和设备。如第二章流体输送机械中，使用动画或者Flash影片播放各种输送机械的工作过程，如离心泵、往复泵等，第四章传热中列管式换热器使用三维动画生动地展示其工作原理，使学生直观的理解。我们从之前的教学经验发现，单纯采用PowerPoint课件进行讲解，公式在屏幕上显示直观感觉“乱”，造成学生视觉上的疲劳，而且许多学生往往还没有反应过来，页面就已经翻过去了，学生会感到枯燥无味，造成多数学生不爱听，失去学习化工原理的兴趣。此部分内容教师需要借助板书，手写推导，随写随看，诱导学生进入动态思维过程，调动学生学习的能动性，从而让学生跟着教师的思路走。此外，课堂上理论知识的讲解，只能让学生对化工原理涉及的单元操作和设备简单的理论了解。安排学生进入化工厂参观实习及实验操作，结合工厂工程师的讲解，增加学生的感性认识，使知识转化为实践，使学生对化工原理的知识掌握不再是“纸上谈兵”。

2重视预习，调动学生主动学习积极性

化工原理课程是综合运用数学、物理、化学、计算技术等基础知识，分析解决化工类生产过程中各种物理操作问题的技术基础课[3]。课程学习相对于其他科目难理解、难推导、难掌握，从以往的教学经验发现，部分学生对这门课程存在抵触、害怕的情绪，使得学习和讲授过程相对较难，互动较少，学习效果差。在第一堂课的授课过程中消除学生对本门课程的害怕抵触情绪，之后的教学中教师提前布置预习任务，学生在课下主动学习，熟悉课堂内容，查阅资料[4]。课堂上以回答问题和分组讨论的形式检查预习情况，发现学生难理解的内容，再对其进行详细讲解和分析，使学生将课程内容理解掌握，提高学习效率。这种方式改变了传统的学习方式，使学生从被动的接收内容转变为主动学习知识，充分发挥学生的主观能动性，并培养了自学能力。对于流体输送机械、沉降与过滤、传热、精馏塔、干燥几章内容，涉及到设备的结构与操作原理，采用以学生自学、查阅资料为主，自己制作多媒体课件，课堂上以讲课的形式展示自己的自学成果，使学生真正成为课堂学习的主体[5]。

3习题课的重要性

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1.适当精简原有课程内容。在我校制订的教学计划中，理科专业化学工程基础课程的理论授课学时数为32学时。在授课学时数有限的条件下，既让学生初步了解化学工业与化工生产过程的有关知识，又能领会该课程核心内容———“三传”的精神，我们对该课程内容进行了适当的精简，主要从三个方面进行。首先精简选修课程（如物理、物理化学）中已学过的内容。例如流体静力学、传热的三种基本方式、吸收过程的相平衡等。其次，不同章节中部分原理的理论推导过程（如伯努利方程式）进行弱化，直接导入结论，把理论推导过程作为学生的自学内容。另外适当削减以设备设计为目的的有关工科专业视为重点的教学内容。

2.将课程内容分为主讲内容与略讲内容两部分。主讲内容放在具有代表性的三传单元操作上，流体流动与输送、传热、精馏与吸收。主讲内容的教学要求精、深，突出基本概念与共性规律。通过主讲内容的教学，要求学生掌握三传操作的基本原理和处理工程问题的思想方法，会用基础理论知识解决工程中实际问题。略讲内容如沉降、蒸发、干燥等单元操作则只要学生有一般了解，而且可以因专业、因人而异。如需了解更多的工程技术知识，可自学加教师课外辅导的办法进行。

3.适当增加反映学科发展的新知识。当今社会的快速发展，要求学生具有较宽广的知识面，因而课程讲授内容应该紧跟时代的步伐，融入最新的科技成果。例如，在传质分离方面，膜分离技术、超临界流体萃取技术已成为当今分离科学中最重要的手段之一，使用范围相当广泛，已在许多行业得到了蓬勃发展。这些新技术、新设备、新成果在相关章节的补充讲解，非常有利于拓宽学生的知识视野，同时也会增强学生的学习兴趣。

二、教学方法的改革

1.采用趣味教学。化学工程基础课程概念多、物理量多、公式多、计算多，课堂讲授内容较为枯燥，学生学习起来也较为吃力。如何调动学生的学习主观能动性是该课程主讲教师面临的重要任务。俗语说得好，兴趣是最好的老师，学习化学工程基础课程也是这样，只有让学生对这门课程产生浓厚的兴趣，学生学习的主动性才能增强，才会获得良好的教学效果和学习成果。在教学实践中我们发现，把日常生活现象、工厂实例和书本知识相结合是一种非常好的教学方法。例如：由日本福岛核事故、我国的“南水北调”工程引入流体流动单元操作；由火山喷发解释抽象的静压能概念；由日常生活中的太阳能热水器引入热传递；由海水晒盐引入蒸发单元操作；由实验室倾倒纯净水引出物理虹吸现象；由石油的炼制引入精馏单元操作等。通过把这些生活中常见的事例及工厂实例引入到教学过程中，既增强了课堂的趣味性，又激发了学生的学习兴趣，实现了教师授课和学生学习的双赢。

2.引入课堂讨论。《化学工程基础》课程是为学生传授化工基础知识，提高他们理论联系实际、分析和解决问题的能力。教学过程中应注重突出学生的主体地位，真正实现由“学会”转变为“会学、会想、会用”等三个转变。为此，加强师生间的互动交流，以一种平等、相互激活的课堂讨论方式组织课堂教学活动是一种良好的教学模式。课堂讨论课的教学一般应分三个步骤：第一步，设置问题，一般是授课教师有目的提出一个小型讨论专题，可以在课前布置给同学们。第二步，同学们讨论，要求学生用已学过的知识，提出解决问题的思路并进行相关论证，其他同学也可说出自己对专题内容的理解和看法，也可对他人观点进行评议。第三步，教师总结，依据讨论的结果，老师进行现场归纳总结。课堂讨论能使学生的注意力高度集中，激发学生思维，使学生由被动学习变成主动学习，还能充分挖掘师生之间互动的内在潜力，提高教学效果。如在讲解流体输送机械一章节时，我们设计了一个讨论专题“农田灌溉时，离心泵为什么不能安装太高？”，同学们畅所欲言，争论不休，并自觉地应用前面所学习的流体流动能量守恒方程式来阐述和论证自己的观点，在老师的引导下不由自主的就加深了对“气缚、气蚀”现象的理解，这种教学方式让学生真正感受到了化学工程基础课程的重要性及魅力所在。

3.树立学生的工程意识。化学工程基础课程的学习目的是解决各单元操作过程和设备的开发、设计和操作过程中遇到的问题，这些问题都具有很强的工程性。在教学过程中应多结合工程实例，让学生充分认识到学习不是理论知识的简单累加，要学会运用掌握的知识和技能去分析与解决工程中的实际问题，让学生感到学以致用，从而激发其学习的主观能动性。考虑到当前毕业求职的需要，学生对知识有“实用性”要求非常迫切。工程实例的引入，一方面使授课内容具体化，加深学生印象，同时也给学生一种成就感，认为自己是有能力解决工程中实际问题的，从而激发其学习兴趣。

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关键词：流体力学；教学改革；探讨

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

流体力学是一门研究流体运动基本规律以及流体与物体之间的相互作用力的学科，它作为一门严密的且应用面很广的专业基础学科，是以数学、物理学为基础发展起来的，也是土木、机械、动力、水利、环境等学科的一门技术基础课程。改革开放以来，虽然各院校在该课程教学实践中都积累了丰富的经验并取得了不少成果，但是在该课程建设中仍存在着许多问题。论文结合教学现状，从学生兴趣培养、教学方法改革以及师资队伍建设三方面探讨提高流体力学教学水平的方法。

一、 流体力学教学现状

流体力学是一门主要研究流体平衡和运动规律及其实际应用的技术科学，具有理论性强、工程实际应用广、概念和方程较多且易混淆、对学生高等数学知识及综合分析和处理问题能力要求较高等特点。流体力学建立在理论、计算、实验三大技术手段之上，是化工、土木、机械等众多学科或专业的基础学科。另外，流体力学在环境工程设计和实际工程中也有着广泛的应用，是水处理设备设计与应用的必备知识，以及生态分析的重要理论基础。同时，流体力学是环境工程与其他学科体系沟通的桥梁，这个桥梁作用是其他基础课或专业课无法替代的，直接影响到环境工程学科体系的完善性。因此，提高流体力学课教学质量，使学生学好本门课程，培养学生分析问题的能力和创新能力，对流体力学课程教学进行改革以适应学科发展显得十分必要。

目前国内院校的流体力学课程教学过程大体可归纳为“课前预习、课堂教师讲授、实验室实验、课后教师评阅”的四段串行模式。实践证明，这种传统的教学模式在强化理论教学成果以及动手能力的培养方面效果比较显著，然而在创新意识培养方面却收效甚微。原因在于：①理论教学中注重经验理论与公式的讲解，而公式多且乏味，导致教师难教，学生难懂，课堂教学缺乏生动性。另外，本科流体力学理论教学模式多为填鸭式教育，对学生而言，流体力学课缺少客观体验，理论抽象，不易理解，而由此带来了一系列的问题是现在流体力学课程教学的主要障碍；②目前，大部分院校的流体力学实验教学多采用传统验证性实验，每一学生进行的实验完全相同，教师由实验报告的数据评定实验成绩。虽然实验有利于增进学生对理论知识的理解，但此手段不能激发学生的积极性，无法体现学生的主体性，也不能培养学生的创造性[1]。由于实验教学内容多数为验证性实验，在按既定的理论知识和实验方案实践的过程中，学生所得到的主要是从理论知识到实践成果的收获，而教师的作用主要是理论知识的传授，具体实验的演示、引导与纠错，甚至有时会耳提面命，因此学生作为学习主体的创造性很难有机会得到展示。

因此，采用一种有效的教学方法进行流体力学理论和实验教学的改革，激发学生的学习积极性和主动性，以提高流体力学课程教学质量，并对相关专业产生积极的影响，从而促进学生创新性的培养非常有必要。

二、 培养学生对逻辑思维的兴趣

学生对任何概念和公式的形成、理解有一个过程，而在流体力学中，这些概念、公式又较为抽象，要求学生具备较强的逻辑思维能力，因此，根据学生掌握知识的快慢，耐心引导学生进行逻辑思维，培养学生对逻辑思维的兴趣，使他们产生对逻辑推理的爱好，就成为教学中的关键。例如，流体力学中的三大方程――连续性方程、动量方程和能量方程需通过输运公式逐步推导而来，如此的教学安排便使知识较为系统、连贯、紧凑，并有利于认识各个方程的物理意义。而输运公式的推导由于逻辑性较强，讲授时就需要花费较多的学时和精力来理清逻辑思路，理解每一步推导中的物理含义和数学要领，使学生对输运公式有一个清晰准确地理解。最后，将输运公式中的物理量换成质量、动量、能量即可得出连续性方程、动量方程和能量方程，如此便形成了较为完整的逻辑演绎体系。此种方式不仅使理论教学更加清晰明了，而且会使学生对将要学习的知识接受产生极大兴趣，具有更加强烈的探索感和求知欲。

三、 教学方法探讨

教学方法作为联结教师和学生的重要纽带，在提高教学质量方面起着重要的保证作用。为了更好地适应学科发展要求，工科“流体力学”课程方法的改革势在必行，作者结合自身多年的教学经验，针对该课程特点，认为应该在以下几个方面进行课程教学方法改革。

（1）重视绪论课的作用

部分教师认为绪论课仅是对流体力学的简单介绍，作用不大，所以对绪论的授课过程照本宣科、枯燥无味。其实绪论课对整个教学活动的成功与否起了至关重要的作用，它不仅是学生了解流体力学课程的窗口，也是教师教学水平的第一次展示。

讲授绪论课的较好方法是介绍流体力学的成就、发展方向、广阔前景及其在国民经济中的重要作用等。教师要注重讲解流体力学知识在工程中的应用，特别是教师自己承担的科研项目，以展示流体力学在科学和工程技术中所取得的辉煌成就[2]。例如，通过介绍流体力学理论在“神舟号”系列飞船上的广泛应用，使学生明白流体力学这门相对古老的学科还具有旺盛的生命力；通过介绍美国华盛顿州的塔科马悬索桥在1940年秋天的大风中倒塌的例子，说明在实际工程中忽视流体力学会造成巨大的灾难[3]。另外，流体力学的发展史对于激励学生的学习热情也有着非常重要的作用。在上课的同时，要善于借助互联网，及时的将一些重要理论的发展过程、重要研究成果展现在学生的面前[4]。

（2）从实例中引出教学内容

流体力学虽有概念多、逻辑性强、理论上较难理解的特点，但却与生活和生产实际密切相关。在具体教学内容的讲解过程中，穿插一些生活中的现象，并结合课本中的理论“双管齐下”，利用学生求趣、求新、求知的心理，引导学生学习并掌握教学内容。例如，在讲流体粘性时，比较水的粘性和油的粘性；在讲流体静力学知识时，可讲一些水库垮坝事件，主要是设计时有缺陷和施工存在着质量问题，不能承受水对壁面的静压力。另外，还可以进行一些相关事例的延伸，如是否建设三峡工程时流体力学专家的争论，通过分析得到的建设三峡工程必要性的结论等，使学生切实体会到学好流体力学的重要性[5]。利用这些鲜活的事例，使课堂教学更生动、更有意义。

（3）师生互动，培养良好学风

调动学生主动的学习，培养学生良好的学风，提高学生综合素质，是加强流体力学教学效果的重要条件。作者在每次讲课后都会对本次课程的内容进行总结，然后下次课随机抽取部分学生回顾上次课的内容，并让其他学生作出补充和建议。在课堂上，多为学生提供随堂练习的机会，师生互相之间进行探讨和思考，针对练习中的问题讲解做题思路和方法，给予纠正和补充。这种授课模式充分调动了学生的主观能动性，课堂气氛活跃，有利于拓宽学生的思维深度，查漏补缺。学风对于任何一门课程教学的成功与否都起到了非常关键的作用，所以从第一堂课、第一次作业就要严格要求学生，对作业的批改做到一丝不苟，指出其作业中的各种问题并要求其修改。例如，要求学生对作业中的每道题，在解答时必须写出已知、求解，并画出相应图示，这些小细节可以帮助学生以简明的方式加深理解题意，取得了较好的效果。

（4）重视实验教学

流体力学按研究方法可以分为理论流体力学、实验流体力学和计算流体力学。实验流体力学是理论流体力学发展的基础，是计算流体力学的检验依据。因此，实验教学在流体力学教学中有着极其重要的地位。流体力学中的公式繁多，难以记忆，难以理解，通过实验可以加强学生对公式的感性认识，有助于学生深刻理解公式和概念的物理意义。例如，在讲解伯努利方程意义的时候，单从公式上讲解并不形象，通过能量方程实验，可以使学生非常直观的理解伯努利方程中每一项对应的意义。对于没有开的实验课，通过在网络上收集照片、视频等展示给学生，也可提高学生对理论知识的理解[6]。

（5）传统教学方式和多媒体技术互补

过去，流体力学课程在教学手段上采用板书教学，这种方式能够在教师的书写和同步的讲解中促进学生的积极思维与参与意识，但对教学内容中比较抽象的概念、复杂的流动现象和流动规律，很难用语言和文字准确、形象地描述。多媒体教学最大的优点是形象、生动、具体、直观、易于理解且信息量大，但也有不能突出推导过程和思维、学生对知识的掌握比较肤浅的一些弊端。将传统教学方法和多媒体技术综合应用于教学过程是一种很好的方法，在讲授偏重于推导过程的内容时采用传统授课方式，而讲授直观形象的内容时采用多媒体教学方法，做到取长补短、优化组合，会获得较好的教学效果[7]。

四、师资队伍的建设

为适应素质教育的需要，教师不仅要掌握先进的教学手段，而且要努力研究实施素质教育的教学方法。在实际教学过程中，要灵活应用各种教学方法，并且要善于归纳总结教学经验，虚心向有经验的教师请教，同时要高度重视学生的反馈信息，不断调整自己的教学思路，只有这样才能逐步提高自己的教学水平。社会发展对教师的自身素质提出了更高的要求，教师要明确教学水平的提高和发展是一个毕生的过程，教师应该不断开阔视野，更新知识体系，才能形成对流体力学更深层次的理解和认识。

五、 结论

论文结合流体力学教学现状，从学生兴趣培养、教学方法改革及师资队伍建设三方面论述的教学方法，将教与学有机结合起来，使枯燥的流体力学课堂变得生动活泼，多方面激发学生的主动性、积极性及创造性。将上述方法运用于教学实践后发现，该方法能够有效的提高流体力学课程的教学效果。

参考文献

[1]梁丽珍，牛俊玲.互动式流体力学教学模式探索[J].化工时刊，2011（2）：66-67

[2]王发辉，桑俊勇，张丹.“流体力学”立体化教学体系的构建[J].电力教育，2009（12）：102-103

[3]邹惠芬，张培红，叶盛.流体力学多媒体教学的探讨[J].沈阳建筑大学学报（社会科学版），2008（4）：507-509

[4]潘良明，何川，陈红.流体力学立体教学法初探[J].中国电力教育，2008（11）：73-74.

[5]陈霞.流体力学教学方法的探讨和研究[J].科技文汇，2011（9）：104-108

[6]岳建芝，李刚.流体力学教学中的几点体会[J].科技信息，2009（29）：187

篇6

关键词： 化工原理 实践 趣味 教学改革

化工原理是化学工程与工艺、生物工程、食品科学与工程、制药工程、环境工程等专业的一门重要基础课。该课程的综合性很强，涉及面较广，在校的大学生普遍不具备工厂生产经验［1］，因此普遍感到原理多、公式长、计算繁、理解难，主动学习的兴趣不高。如何让学生牢固地掌握化工原理相关理论知识，并能将其灵活应用于生产实践是任课教师不得不面对的难题。无论是杜威的“教育即生活”，还是陶行知的“生活即教育”，都说明了教育与生活是密切联系、密不可分的。虽然在校生普遍缺乏相关化工生产实践经验，但在教学过程中，可以将化工原理的知识点与生活中出现的相关情景联系起来，采用趣味性教育，注重激发学生主动学习的兴趣。“兴趣是最好的教师”，这样的教学才会获得事半功倍的效果。

一、趣味开场白，唤起学习兴趣

“良好的开端是成功的一半”，开始讲课前几分钟结合教材内容，创设问题情境，提出富有启发性和有思考价值的问题。这些问题就会像一粒石子投入到平静的水中，激起学生朵朵思维的浪花，唤起他们强烈的求知欲。

如讲化工原理第一章流体静力学时，可以在开始授课前设问学生：“为什么输液时药瓶一定要高于人体？”通过学生的回答，引入液体产生静压力的原因和相关计算的讲解。在讲到流体动力学时，拿一个玻璃漏斗和乒乓球，问学生：“如果将漏斗敞口朝下，再将乒乓球放到里面，通过漏斗细颈用嘴往下吹气，乒乓球会不会掉下来？”这个问题最能唤起学生兴趣。本实验并未在教材中出现，而且道具简单易得，并可以在课堂上即刻验证，答案看起来很简单：即使不往下吹气，乒乓球都会掉到地上，更何况向下吹气。但是实验的结果让学生大吃一惊，乒乓球不仅不会掉下来，还会被紧紧吸上去。看完这个即兴小实验，学生求知欲普遍高涨，由此引入流体流动的伯努利方程，再解释该现象产生的原因，最后还可以给学生补充讲解飞机为什么能上天等许多流体流动相关的趣味问题。这样很快地就能把学生的注意力集中到学习内容中去，唤起学生学习新课的热情，从而形成良好的学习氛围。

二、直观教学，提高学习兴趣

化工原理课程理论性较强。上课时如果只按书本进行泛泛的讲解，学生因为接触不多，想象思维能力如果不够好，往往不容易理解。要多结合教具和实验进行直观讲解，这样可以帮助学生理解和记忆，提高他们对本门课程的学习兴趣。

如在讲解流体流动经过的管道阀门时，将用塑料制作的便于拆解的各种阀门发放给学生，让他们亲手触摸，了解各种阀门的形状、工作原理；讲解板框过滤时，仅通过书本上的绘图往往难以明白过滤和洗涤孔道及流向，将缩小的塑料过滤板、洗涤板模型给学生传看，让他们自己找滤浆入口，洗水入口，则整个过滤和洗涤过程一目了然；讲解列管式换热器时，拿出用有机玻璃材料制作的透明设备模型，可以让学生更直观性地了解不同类型的管程、壳程、折流挡板等部件。用这些实物进行直观教学，相关化工设备结构、操作原理等难题就迎刃而解，大大提高了学生的学习兴趣。

三、多媒体教学，激发学习兴趣

在化工原理教学过程中，有部分化工单元操作情景学生难以想象，实验又不便于观察。这时仅靠传统的教学手段较难使学生很好地掌握相关概念和规律。借助现代多媒体辅助教学手段，把化工单元操作中的设备结构，控制原理等抽象难懂、难以用语言表达清楚、变化复杂的教学内容以动画的形式，生动、活泼地展现在学生面前，可以很好地弥补传统教学中的不足［2］，增强了课堂教学的趣味性，大大激发了学生学习的兴趣。

如在讲精馏塔单元操作时，采用投影仪先播放相关录像，让学生对塔的结构、类型、特点以及液泛、泄漏、雾沫夹带等相关知识有一个初步了解，然后采用计算机模拟控制，使学生在屏幕上清楚地看到，当气体通过塔板筛孔的速度不同时，气液两相在塔板上呈现出三种明显不同的接触状态。还可以通过进一步调节液体或气体的流量，观察到板式塔的几种不正常操作。多媒体教学过程中，学生思维相当活跃，教学效果较好。

四、理论联系实际，延伸学习兴趣

化工原理理论课程的教学，教师大多习惯于讲授基本概念和繁多的数学推导及计算。这种从理论到理论的教学模式，缺乏感知认识，学生既感到枯燥无味，又学不到真正的化工原理知识。心理学研究表明，当学习内容和学生熟悉的生活情境越贴近，学生自觉接纳知识的程度就越高。所以，教师要善于挖掘教学内容中的生活情境，让化工原理知识贴近生活，尽量列举贴近日常生活的各种事例，增加知识的实用性、趣味性，将书本知识延伸到生活中去，也就延伸了学生进一步主动学习的兴趣。

比如在讲解传热单元操作中热传递的三种方式：传导、对流、辐射时，将其联系到课本中没有介绍过的太阳能热水器的工作原理，详细讲解太阳光通过辐射到达太阳能热水器的真空管，黑色的内层涂料吸收了光能将其转化为热能，通过玻璃壁的传导作用将热传递给管内的冷水，冷水受热后密度降低，上浮到顶部的大储水圆筒，这时的传热就是自然对流作用，整个过程全面讲解了这三种热传递方式，即强化传热。反过来，储水圆筒内厚厚的保温层作用则是削弱热传导，真空管是彻底隔绝传导和对流作用，防止热水降温。学生对这类涉及日常生活相关的化工原理现象特别感兴趣，既能由此讲透相关知识点，又能延伸他们对相关知识的理解、记忆和应用。

五、加强实践教学，增强学习兴趣

化工原理是一门实践性很强的学科，学生只有通过具体的实践操作，才能加深对所学理论知识的理解和应用。为了强化实践教学，达到综合训练、培养学生实际动手能力的目的，我们采用了VB、Flash等软件编写的化工原理实验仿真软件［3］，使学生在进实验室之前，必须先完成计算机仿真实验。在进行仿真实验过程中，某一步操作错误，系统就会立即给出错误反馈信息，使其不能进行下一步操作，迫使学生自己认真地找出错误的原因，并提供再次练习的机会。这些软件到我校教学网站上供学生自由下载，学生在具体动手实验之前就能直观、形象地理解整个实验过程，熟悉正确的操作步骤及注意事项，对具体分析和解决实际遇到的问题起了极大的促进作用。实验完毕后，再用化工原理实验数据处理系统对数据进行分析。可及时检查实验数据的准确性，在提高学生实践动手能力的同时，还锻炼了学生进行工程数据的处理和计算能力。这样的实践教学不但增强了学生对实验的兴趣，而且印象深刻，强化了实验的效果和目的，还进一步提高了化工原理实验的效率。

化工原理的实践教学不能仅限于实验室规模的几个单元操作实验，还要能操控工业规模的化工单元操作系统，所以最终的相关实践教学是在化工厂完成的。去化工厂实践，由于工厂生产安全等原因，学生往往不能亲自操作，所以很难了解化工原理在各单元操作中的具体应用，更不容易了解实际生产中可能会出现的问题及解决方法。由于现代化技术的发展，我校学生化工生产实习所在的大部分工厂都是采用自动化 DCS分散控制系统，所以我们在教学中引入化工单元操作仿真软件CSTS，可以培训学生进行化工原理相关的实际生产操作，如多组分复杂精馏、吸收等具体的大型化工单元DCS操作，这和学生在工厂看到的操作介面基本一致，学生可以在电脑上模拟实际化工生产中的冷态开车，正常停车，停电、停水等事故处理，然后再结合工厂实际实习，大大增强了学生对化工原理学习的兴趣。

六、师生互动，调动学习兴趣

教学活动是师生之间互动的过程，师生之间和谐合作是教学活动得以顺利开展的重要前提。在教学过程中，教师应根据教学进程以及学生的情绪、反应，随机应变地穿插一些生动幽默的语言，简单的师生问答，以调节教学节奏，轻松课堂气氛，弥补教学内容本身的呆板、枯燥，为学生营造一个轻松、愉快的学习环境。

由于课堂时间有限，而且许多学生不喜欢当面提问题，所以师生互动交流更多体现在课后，我们采用了ASP编程的网络教学论坛（BBS）模式，学生可以自由地通过匿名发帖提问或提教学建议，教师和学生一起回帖参于讨论化工原理相关问题，大家互相平等，更为融洽。师生的互动交流还体现在科研项目中，有部分学生提前参与了教师科研课题，在做课题的过程中，自然就会发现许多化工原理相关的问题。学生再将这些问题发表到论坛，大家用所学的化工原理知识共同来解决问题，这样极大地调动了学生学习化工原理的兴趣。

通过理论联系实际的趣味性教育，化工原理的学习不再枯燥，学生的主动学习形成了良好的学风，取得了一定的成绩，我院学生化工原理考研分数也逐年提高，即使是考其他化工专业院校的学生，化工原理考研成绩平均也在130分以上（满分150）。理论联系实际的趣味性教育能使学生把课堂上学的知识很好地运用到实践中去，真正做到了活学活用，反过来又激发了他们主动学习的热情，真正提高了化工原理的教学效率和教学效果。

参考文献：

［1］熊龙彪，蒋天弟.工科基础课程整合与学生实践和创新能力培养［J］.农机化研究，2006，（2）：210-211.

［2］胡涛，张恒，谷亚昕.数字化、网络化在化工原理教改中的应用［J］.黑龙江教育，2006，（2）：161-162.

［3］胡涛，吴彩金.采用VB开发化工原理实验仿真系统［J］.大庆师范学院学报，2007，27（2）：99-102.

［4］钱运华，胡涛.培养创新能力构建化工专业实验课程新体系［J］.高教论坛，2007，（4）：59-61.